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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebsystems, in dem ein Elektromotor sowie eine zur Versorgung des Elektromotors vorgesehene Batterie angeordnet sind, die einen Batteriemodulstrang zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung der Batterie umfasst, der mehrere, jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassende Batteriemodule aufweist, die jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zugeschaltet oder in dem Batteriemodulstrang überbrückt werden können. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines elektrischen Traktionsantriebssystems. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantriebsystem, das einen mit Batteriedirektkonverter verbundenen Elektromotor sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung des elektrischen Antriebssystems aufweist.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden und die als Traktionsbatterien bezeichnet werden, da sie für die Speisung elektrischer Antriebe verwendet werden.
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Das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Traktionsantriebssystems 10, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in der 1 dargestellt. Eine Batterie (Traktionsbatterie) 11 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 60 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ferner ein Pulswechselrichter beziehungsweise Pulsumrichter 50, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile 51 und zwei Dioden 52 an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines Elektromotors 70 bereitstellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung nur ein Halbleiterventil und eine Diode mit Bezugszeichen versehen. Die Kapazität des Kondensators 60 ist hinreichend groß gewählt, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile 51 durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug erfordert dies eine hohe Kapazität im Bereich von mF.
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Als Elektromotoren (Elektromaschinen) 70 werden in solchen Traktionsantrieben 10 üblicherweise Drehstrommotoren eingesetzt. Meist handelt es sich dabei um Asynchronmotoren, permanent geregelte Synchronmotoren oder fremderregte Synchronmotoren. Zur Speisung der Elektromaschine 70 werden üblicherweise Pulsumrichter 50 eingesetzt, die im Traktionsbereich bei Elektro- und Hybridfahrzeugen üblicherweise mit Halbleiterschaltern 51, die als Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden (IGBT) ausgebildet sind, ausgeführt werden.
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Die in der 1 dargestellte Batterie 11 umfasst einen Batteriemodulstrang 12, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen 21 in Serie sowie optional zusätzlich parallel zugeschaltet sind, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur eine Batteriezelle mit einem Bezugszeichen versehen wurde. Zwischen dem Pluspol der Batteriezellen 21 und einem positiven Batterieterminal 22 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 30 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Minuspol der Batteriezellen und einem negativen Batterieterminal 23 eine Trenneinrichtung 40 geschaltet werden.
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Die Trenn- und Ladeeinrichtung 30 und die Trenneinrichtung 40 umfassen jeweils ein Schütz 31 beziehungsweise 41, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen 21 von den Batterieterminals 22, 23 abzutrennen, um die Batterieterminals 22, 23 spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen 21 ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder andere Personen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 30 ist zusätzlich ein Ladeschütz 32 mit einem zu dem Ladeschütz 32 in Serie geschalteten Ladewiderstand 33 vorgesehen. Der Ladewiderstand 33 begrenzt einen Ladestrom für den Kondensator 60, wenn die Batterie 11 an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 31 offen gelassen und nur das Ladeschütz 32 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 22 die Spannung der Batteriezellen 21, kann das Schütz 31 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 32 geöffnet werden. Die Schütze 31, 41 und das Ladeschütz 32 erhöhen die Kosten für eine Batterie 11 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
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Tritt in der Traktionsbatterie eines solchen Traktionsantriebs ein technisches Problem auf, welches entweder direkt zu dem Ausfall einer Batteriezelle oder bei weiterem Betrieb der Batterie zu einem sicherheitsrelevanten unsicheren Zustand der Batterie führen kann, wird die Batterie von dem Batteriemanagementsystem in einen sicheren Zustand überführt. Dieser Zustand wird gemäß dem Stand der Technik bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen hergestellt, indem die Batterie durch das Öffnen der Schütze der Lade- und Trenneinrichtung vom Gleichspannungszwischenkreis abgetrennt wird.
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Das Führungssystem des Traktionsantriebs muss dann mit der Situation zurechtkommen, dass die Batterie nicht mehr als Energiespeicher zur Verfügung steht. Abhängig von dem Betriebszustand des Elektromotors wird durch das Führungssystem dabei im Wesentlichen nur noch erreicht, dass es zu keiner Zerstörung des Pulswechselrichters oder Inverters kommt. Eine Zerstörung des Inverters kann beispielsweise durch einen unzulässig starken Anstieg der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises hervorgerufen werden. Das Führungssystem kann in der Folge keine Rücksicht mehr auf ein fahrdynamisch sinnvolles Verhalten des Traktionsantriebs nehmen beziehungsweise es kann ein fahrdynamisch sinnvolles Verhalten des Traktionsantriebs aufgrund der Abtrennung der Batterie theoretisch auch gar nicht mehr einstellen.
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Als eine Konsequenz daraus gibt der Traktionsantrieb aus fahrdynamischer Sicht unerwünschte oder sogar unzulässige Drehmomente, insbesondere plötzlich auftretende, große negative Drehmomente, ab. Dies muss in dem Gesamtkonzept eines solchen Traktionsantriebs eines Fahrzeuges dann durch zusätzliche Maßnahmen, wie zum Beispiel durch einen mechanischen Freilauf, beherrscht werden. Diese Zusatzmaßnahmen sind aufwändig und extrem unerwünscht, da sie nur im Falle eines technischen Fehlers in der Batterie benötigt werden und daher üblicherweise nie zum Einsatz kommen.
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In der früheren Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 2010 041 014 A1 wurde ein Batteriesystem mit einer Batterie mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung beschrieben. Das Blockschaltbild eines Antriebssystems (Traktionsantrieb)
10 mit einer solchen Batterie
110 ist in der
2 dargestellt. Die Batterie
110 ist aus mehreren in einem einzelnen Batteriemodulstrang
120 angeordneten Batteriemodulen
130,
140 mit in Serie und/oder parallel geschalteten Batteriezellen aufgebaut. Die Batteriemodule
130,
140 können mittels ihnen jeweils zugeordnete sogenannte, Koppeleinheiten in dem Batteriemodulstrang
120 zugeschaltet oder überbrückt werden. Systeme mit derartigen Batterien
110 werden auch als Batteriedirektkonverter (DICO)
110 bezeichnet. Diese können die in der
1 dargestellte Traktionsbatterie
10 ersetzen.
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Der mögliche Verlauf der Ausgangsspannung UB des in der 2 dargestellten Batteriedirektkonverters 110 ist in der 3 dargestellt. Die Ausgangsspannung UB ist dabei die von dem Batteriemodulstrang 120 erzeugte Spannung. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung UB von der Anzahl k der zu dem Batteriemodulstrang 120 zugeschalteten Batteriemodule 130, 140. Die zu jedem Batteriemodulstrang 120 zugeschalteten Batteriemodule 130, 140 weisen jeweils die gleiche Modulspannung UM auf. Die in der Abhängigkeit von der zugeschalteten Anzahl k von Batteriemodulen 130, 140 dargestellte Ausgangsspannung UB des Batteriemodulstranges 120 ist linear und folgt der Relation UB = k·UM, wobei 1 < k < n. Dabei ist n die maximale Anzahl der Batteriemodule 130, 140, die zu dem Batteriemodulstrang 120 zugeschaltet werden können. Die maximale Ausgangsspannung UB des Batteriemodulstranges 120 kann dann entsprechend den Wert n·UM annehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebsystems zur Verfügung gestellt, in dem ein Elektromotor und eine zur Versorgung des Elektromotors vorgesehene Batterie angeordnet sind. Die Batterie weist einen Batteriemodulstrang auf, der zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung der Batterie mehrere jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassende Batteriemodule aufweist, die jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zugeschaltet oder in dem Batteriemodulstrang überbrückt werden können. Die Batteriemodule werden während eines Betriebs des Traktionsantriebssystems jeweils auf eine ordnungsgemäße Funktion hin überwacht. Wenn bei der Überwachung ein technischer Fehler zumindest eines Batteriemoduls detektiert wird, wird das zumindest eine Batteriemodul sofort überbrückt. Daneben wird das Traktionsantriebssystem in einen Übergangszustand überführt, in dem der Elektromotor derart von den zugeschalteten Batteriemodulen des Batteriemodulstrangs weiter versorgt und angesteuert wird, dass ein aktuell erzeugtes Drehmoment unverändert beibehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Traktionsantriebssystems, in dem ein Elektromotor und eine zur Versorgung des Elektromotors vorgesehene Batterie angeordnet sind, zur Verfügung gestellt. Die Batterie weist einen zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung vorgesehenen Batteriemodulstrang mit mehreren, jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen auf, die jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zugeschaltet oder in dem Batteriemodulstrang überbrückt werden können. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die Batteriemodule während eines Betriebs jeweils auf eine ordnungsgemäße Funktion hin zu überwachen und, wenn bei der Überwachung ein technischer Fehler zumindest eines Batteriemoduls detektiert wird, das Traktionsantriebssystem so anzusteuern, dass das zumindest eine Batteriemodul überbrückt wird und das Traktionsantriebssystem in einen Übergangszustand überführt wird. Dabei wird das Traktionsantriebssystem in dem Übergangszustand derart betrieben, dass der Elektromotor auf eine Weise von den zugeschalteten Batteriemodulen des Batteriemodulstrangs weiter versorgt und angesteuert wird, bei der ein aktuell erzeugtes Drehmoment unverändert beibehalten werden kann.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Batterien, die im Zusammenhang mit einem Batteriedirektkonverter betrieben werden und an einen Gleichspannungskreis eines Wechselrichters angeschlossen sind.
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Bei Traktionsantrieben für Elektro- und Hybridfahrzeuge können die Traktionsbatterien daher bevorzugt als Batteriedirektkonverter ausgeführt sein. Die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann somit stufenförmig zwischen 0 V und der maximal möglichen Ausgangsspannung eingestellt werden, die dann erreicht wird, wenn alle Batteriemodule zugeschaltet sind. Tritt in einem der Batteriemodule des Batteriedirektkonverters ein technischer Fehler auf, wie beispielsweise der schlagartige Ausfall mindestens einer seiner Batteriezellen oder die Fehlfunktion mindestens einer seiner Batteriezellen, die bei weiterem Betrieb zu einem sicherheitsrelevanten Zustand des betroffenen Batteriemoduls führen kann, wird dieses Batteriemodul mit der ihm zugordneten Koppeleinheit überbrückt. Dieses Batteriemodul steht dann der Batterie des Batteriedirektkonverters damit nicht mehr für die Abgabe oder Aufnahme elektrischer Energie zur Verfügung. Die Batteriezellen des betroffenen Batteriemoduls werden bei einem Weiterbetrieb der restlichen, noch funktionsfähigen Batteriemodule, nicht dahingehend negativ beeinflusst, dass ein sicherheitsrelevanter Zustand des fehlerhaften Batteriemoduls auftritt. Somit können die restlichen Batteriemodule nach der Erkennung eines technischen Defektes in einem der Batteriemodule der Traktionsantrieb weiter versorgen.
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Beim Auftreten eines technischen Fehlers in der Batterie des Batteriedirektkonverters wird der damit betriebene Traktionsantrieb dank der Erfindung definiert und zuverlässig in einen speziellen Übergangszustand geführt, bis eine Batteriediagnose und eine Bewertung des Fehlers erfolgt sind. In dem Übergangszustand kann der Antrieb mit dem aktuellen Drehmoment, welches der Antrieb vor dem Auftreten des technischen Problems an der Welle abgegeben hat, weiter betrieben werden. In dem Übergangszustand bleibt das Drehmoment konstant und der Antrieb kann auf die Drehmomentvorgaben, die von dem Fahrer über das Fahrpedal übermittelt werden, weiterhin reagieren. Dies ist aus fahrdynamischer Sicht eine erhebliche Verbesserung zu der aus dem Stand der Technik bekannten Situation. Nach der Bewertung des Fehlers kann der Antriebsstrang dann in eine Art „Fehlerzustand“ überführt werden, in dem das fehlerhafte Batteriemodul nicht mehr an der Speisung des Antriebs beteiligt ist, wobei der Antrieb aber mit einer reduzierten Performance, wie beispielsweise mit einer geringeren elektrischen Reichweite, weiter betrieben werden kann.
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Die im Stand der Technik notwendigen Zusatzmaßnahmen bezüglich der Antriebsfunktion, wie beispielsweise die Durchführung von mechanischen Freiläufen, die in der Regel ohnehin nur beim Auftreten eines Fehlers der Batterie benötigt und verwendet werden, können dadurch entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kommen ohne zusätzliche Hardwaremaßnahmen aus und können daher ohne entsprechende zusätzliche Kosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Antriebssysteme realisiert werden. Der Übergangsbetrieb wird solange aufrecht gehalten, bis durch eine Fehlerdiagnose entschieden werden kann, ob und gegebenenfalls wie die Traktionsbatterie ohne Sicherheitsrisiko und insbesondere mit einer geringeren Performance weiter betrieben werden kann.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein als eine Drehstrommaschine ausgebildeter Elektromotor mittels einer feldorientierten Regelung zum Weiterbetreiben des Antriebssystems mit weiterhin konstantem Drehmoment eingestellt.
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Insbesondere nachdem das Antriebssystem in den Übergangszustand überführt wurde, wird erfindungsgemäß eine Batteriediagnose durchgeführt wird, anhand der entschieden wird, ob das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul weiter betrieben wird und/oder ob weitere sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden.
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Erfindungsgemäß wird der Antrieb günstigerweise stets so betrieben, dass die Führung des Antriebs auch dann gewährleistet ist, wenn ein beliebiges Batteriemodul des Batteriedirektkonverters schlagartig ausfällt. Diese Maßnahme kann Auswirkungen auf die zulässige Maximalspannung haben, welche die Drehstromantriebe an ihren Klemmen für die Aufrechterhaltung ihrer Führung benötigen. Ferner wird dadurch bestimmt, bei welchen Drehzahlen eine Asynchronmaschine in den sogenannten Feldschwächbetrieb gefahren wird und nicht mehr ihr maximal mögliches Drehmoment an die Welle abgibt. Tritt in einem Batteriemodul ein Fehlerfall auf, kann der Antrieb auch bei Überbrückung dieses fehlerhaften Batteriemoduls die zur kontrollierten Führung des Elektromotors erforderlichen Spannungsverhältnisse an den Klemmen der Maschine einstellen.
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Die Drehstrommaschine wird dann über eine sogenannte feldorientierte Führung beziehungsweise feldorientierte Regelung, die dem Fachmann bekannt ist, weiter so betrieben, dass der von dem Fahrer über das Fahrpedal vorgegebene Drehmomentwunsch umgesetzt wird. Der Fahrer merkt also zunächst nicht, dass eines der Batteriemodule aufgrund eines technischen Problems ausgefallen ist und überbrückt wurde. In der Übergangsphase wird mittels einer Batteriediagnose und einer Bewertung des Zustands der Batterie entschieden, ob ein technisches Problem vorliegt, das nur ein Batteriemodul betrifft, oder ob ein Problem vorliegt, das die ganze Batterie betrifft.
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Erfindungsgemäß kann, wenn das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul nach Durchführung der erfindungsgemäßen Batteriediagnose weiter betrieben wird, die Batterie das Antriebssystem mit einer entsprechend reduzierten Ausgangsspannung weiter betreiben. Mit anderen Worten, falls aus der Batteriediagnose entschieden wird, dass das Traktionsantriebssystem weiter betrieben werden kann, dann wird das Traktionsantriebssystem in einen derartigen Betriebszustand überführt, in dem der Elektromotor mit einer Ausgangsspannung weiter versorgt wird, die um den Wert einer dem überbrückten defekten Batteriemodul entsprechenden Batteriemodulspannung reduziert ist.
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Andererseits können auch hinreichend viele weitere Batteriemodule als Ersatz für das zumindest eine überbrückte defekte Batteriemodul zugeschaltet werden. Bei einer solchen Vorgehensweise kann der Elektromotor mit einer unveränderten oder nur geringfügiger reduzierten Ausgangsspannung weiter versorgt werden.
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Dies bedeutet auch, dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis der durchgeführten Batteriediagnose entschieden werden kann, ob der Traktionsantrieb mit Ausschluss nur des einen, fehlerhaften Batteriemodul weiter betrieben wird oder ob weitere Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit, wie beispielsweise die Abschaltung weiterer Batteriemodule, die Warnung des Fahrers oder die Reduzierung der Performance des Antriebs, eingeleitet werden müssen.
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Ausgehend von dem aktuellen Zustand der Batterie kann ferner auch der schlagartige Ausfall von zwei oder mehreren Batteriemodulen sicher beherrscht werden. Dies erfordert hier lediglich, dass eine entsprechend hohe Spannungsreserve beim Betrieb des Antriebs gegenüber der maximal zur Verfügung stehenden Spannung einzuhalten ist.
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Bei einer besonderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird, wenn das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul weiter gespeist wird und daraufhin ein weiteres Batteriemodul ausfällt, das Antriebssystem mittels eines entsprechend wiederholten Verfahrens weiter betrieben. Das bedeutet, dass das vorhin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren weiterhin auch anwendbar ist, wenn die Batterie bereits ein fehlerhaftes Modul aufweist, die restliche Batterie aber weiterbetrieben wird. Dazu muss das Batteriemanagementsystem beziehungsweise das Führungssystem des Antriebs lediglich berücksichtigen, dass die zur Verfügung stehende Maximalspannung, die Speicherkapazität und die Performance der Batterie auf die Verhältnisse angepasst werden, die sich durch den Ausfall eines Batteriemoduls ergeben.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung kann eine Situation, in der zumindest ein Batteriemodul ausfällt, dahingehend sicher beherrscht werde, dass der Antrieb auf zuverlässige Weise in einen Übergangszustand überführt wird, in dem weiter auf aktuelle Drehmomentvorgaben des Fahrers reagiert werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Batteriesystem geschaffen, das einen Batteriemodulstrang mit mehreren, jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen umfasst. Die Batteriemodule können jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zugeschaltet oder in dem Batteriemodulstrang überbrückt werden, sodass eine variable Ausgangsspannung der Batterie einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß kann die Batterie insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein elektrisches Traktionsantriebssystem aufweist, in dem ein Elektromotor und eine zur Versorgung des Elektromotors vorgesehene Batterie angeordnet sind. Die Batterie weist dabei, zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung, einen Batteriemodulstrang mit mehreren, jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen auf. Die Batteriemodule sind jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zuschaltbar oder in dem Batteriemodulstrang überbrückbar ausgebildet. Außerdem weist das Traktionsantriebssystem in dem Fahrzeug die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Traktionsantriebes mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit einem aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Batteriemodulstrang verbunden ist,
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2 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Traktionsantriebes mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit einem aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mindestens einer Batteriezellen ausgebildeten Batteriemodulstrang verbunden ist, wobei zum Zwecke der Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung die Batteriemodule der Batterie zu dem Batteriemodulstrang in Serie zuschaltbar beziehungsweise überbrückbar ausgebildet sind,
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3 einen möglichen Verlauf der Ausgangsspannung der in der 2 dargestellten Batterie in Abhängigkeit von der Anzahl der zu dem Batteriemodulstrang zugeschalteten Batteriemodule, und
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4 ein Prinzipschaltbild eines Traktionsantriebes nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit einem aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mindestens einer Batteriezelle ausgebildeten Batteriemodulstrang verbunden ist, wobei die Batteriemodule zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung der Batterie zu dem Batteriemodulstrang in Serie zuschaltbar beziehungsweise überbrückbar ausgebildet sind.
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Ausführungsform der Erfindung
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In der 4 ist das Prinzipschaltbild eines Traktionsantriebes 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Der Traktionsantrieb umfasst eine Batterie (Traktionsbatterie) 110, die an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, welcher durch einen Kondensator 60 gepuffert wird. Mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist ferner ein Pulswechselrichter 50, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile 51 und zwei Dioden 50 an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb des Elektromotors 70 bereitstellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Elektromotor 70 als Drehstrommotor ausgebildet.
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Die Batterie 120 umfasst einen Batteriemodulstrang 12 mit mehreren in dem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen 130, 140, die aus in Serie und/oder parallel geschalteten Batteriezellen aufgebaut sind. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 4 nur zwei Batteriemodule 130, 140 eingezeichnet. Die Batteriemodule 130, 140 können mittels ihnen jeweils zugeordnete sogenannte Koppeleinheiten (nicht separat dargestellt) in dem Batteriemodulstrang 120 zugeschaltet oder überbrückt werden. Zwischen dem Pluspol eines obersten Batteriemoduls 130 und einem positiven Batterieterminal 22 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 30, die wie die Lade- und Trenneinrichtung aus der 1 ausgebildet ist, geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Minuspol eines untersten Batteriemoduls 140 und einem negativen Batterieterminal 23 eine Trenneinrichtung 40, die beispielsweise wie die Trenneinrichtung aus der 1 ausgebildet ist, geschaltet werden. Systeme mit derartigen Batterien 110 werden, wie bereits erwähnt, als Batteriedirektkonverter (DICO) 110 bezeichnet.
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Der erfindungsgemäße Traktionsantrieb 110 umfasst ferner eine Steuerungsvorrichtung 200, die mit den jeweiligen Anschlüssen der Batteriemodule 130, 140 elektrisch verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung 200 ist auch dazu ausgebildet, die Spannungen der einzelnen Batteriemodule 130, 140 zu messen. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 200 dazu ausgebildet, dass wenn während des Betriebs des Traktionsantriebssystems 10 ein zu dem Batteriemodulstrang 120 zugeschaltetes Batteriemodul 130, 140 ausfällt oder ein Defekt des Batteriemoduls detektiert wird, den Elektromotor 70 weiterhin zwar mittels der Batterie 110 jedoch ohne die ausgefallenen und überbrückten Batteriemodule 130, 140 zu versorgen und den Elektromotor 70 dabei über die Steuerleitung 210 so einzustellen, dass das Antriebsystem 10 in einen Übergangszustand überführt wird, in dem das Antriebssystem 10 ein zunächst unverändertes Drehmoment wie vor dem Ausfall des mindestens einen Batteriemoduls 130, 140 liefert.
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Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform wird dies insbesondere dadurch erreicht, dass der Elektromotor 70, der als Drehstrommaschine, hier:
Asynchronmaschine ausgebildet ist, mittels einer feldorientierten Regelung eingestellt beziehungsweise angesteuert wird.
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Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 200 der hier gezeigten besonderen Ausführungsform dazu ausgebildet, während der Zeitdauer in der das Antriebssystem 10 in dem Übergangszustand ist, eine Batteriediagnose durchzuführen, und daraufhin zu entscheiden, ob der Traktionsantrieb 10 mit mindestens einem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul 130, 140 weiter betrieben wird und/oder ob andere sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden. Bevorzugt weist die Steuerungsvorrichtung 200 dazu eine Batteriediagnoseeinheit auf.
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Somit werden erfindungsgemäß ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung geschaffen, mit der vorteilhafterweise ein elektrisches Antriebssystem, das einen Batteriedirektkonverter aufweist, in einen Übergangszustand, in dem keine Reduzierung des aktuellen Drehmoments vorliegt, überführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041014 A1 [0010]
