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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung mit einem Elektromotor, einem mit dem Elektromotor verbundenen Wechselrichter und mehreren Batteriemodulen zur Versorgung des Wechselrichters mit elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer elektrischen Traktionsantriebseinrichtung. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinrichtung mit einem Elektromotor, einem mit dem Elektromotor verbundenen Wechselrichter und mehreren Batteriemodulen zur Versorgung des Wechselrichters mit elektrischer Energie.
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Anwendung finden kann die Erfindung unter anderem in Elektro- oder Hybridfahrzeugen und in Werkzeugmaschinen.
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Derartige Antriebsvorrichtungen mit einem durch einen Wechselrichter gesteuerten Elektromotor weisen oftmals mehrere Batteriemodule auf, welche die zur Versorgung des Wechselrichters erforderliche Energie bereitstellen. Die Konfiguration der Batteriemodule wird üblicherweise derart gewählt, dass an dem Wechselrichter eine Gleichspannung anliegt, welche der im Vollastbetrieb des Elektromotors erforderlichen Spannung entspricht. Im Teilllastbetrieb ist es zur Begrenzung des in den Elektromotor eingeprägten Stroms erforderlich, dass der Wechselrichter an den Klemmen des Elektromotors pulsförmige Spannungen mit sehr kurzen Pulsweiten bereitstellt. In diesem Zusammenhang hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die Kombination aus einer hohen an dem Wechselrichter anliegenden Gleichspannung und kurzen Schaltpulsen des Wechselrichters im Teillastbetrieb zu erhöhten Schaltverlusten in dem Wechselrichter führt. Ferner werden Stromüberschwinger und harmonischen Stromoberwellen erzeugt, die zusätzliche Verluste an den Spulen des Elektromotors hervorrufen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verluste im Teillastbetrieb zu reduzieren.
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Bei einer Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe durch eine Anbindungseinrichtung zur Anbindung der Batteriemodule an den Wechselrichter gelöst, welche mindestens zwei Anbindungszustände aufweist, wobei in einem ersten Anbindungszustand alle Batteriemodule parallel geschaltet an den Wechselrichter angebunden sind und in einem zweiten Anbindungszustand alle Batteriemodule in Reihe geschaltet an den Wechselrichter angebunden sind.
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Über die Anbindungseinrichtung kann die Anbindung der Batteriemodule an den Wechselrichter wahlweise verändert werden, um die an dem Wechselrichter anliegende Gleichspannung einzustellen. In dem zweiten Anbindungszustand der Anbindungseinrichtung sind alle Batteriemodule in Reihe geschaltet, so dass eine Gleichspannung an dem Wechselrichter anliegt, welche der Summe der Spannungen der einzelnen Batteriemodule entspricht. Wird die Anbindungseinrichtung in den ersten Anbindungszustand versetzt, so werden alle Batteriemodule parallel geschaltet. Bei der Parallelschaltung liegt eine reduzierte Gleichspannung an dem Wechselrichter an, welche der Spannung eines einzelnen Batteriemoduls entspricht. Durch die Anbindungseinrichtung kann somit die an den Wechselrichtern anliegende Gleichspannung wahlweise reduziert werden, um Verluste im Teillastbetrieb zu verringern.
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Die Antriebseinrichtung kann eine beliebige Anzahl an Batteriemodulen aufweisen, insbesondere zwei, vier, sechs, acht oder zehn Batteriemodule. Die Batteriemodule sind bevorzugt identisch ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Batteriemodule Teil eines Bordnetzes, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Batteriemodule können als separate Batteriezellen oder Akkumulatorzellen ausgebildet sein oder als Zusammenschaltung von mehreren Batteriezellen oder Akkumulatorzellen.
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Der Wechselrichter ist bevorzugt als selbstgeführter Wechselrichter ausgebildet. Vorteilhaft ist es, wenn der Wechselrichter derart ausgestaltet ist, dass motorseitig ein zumindest annähernd sinusförmiger Stromverlauf mit einstellbarer Frequenz erzeugbar ist. Besonders bevorzugt ist durch den Wechselrichter ein dreiphasiges Drehstromsystem erzeugbar, so dass ein als dreiphasiger Drehstrommotor ausgebildeter Elektromotor angesteuert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anbindungseinrichtung mindestens einen dritten Anbindungszustand aufweist, in welchem die Batteriemodule als mehrere in Reihe geschaltete Gruppen von parallel geschalteten Batteriemodulen oder als mehrere parallel geschaltete Gruppen von in Reihe geschalteten Batteriemodulen an den Wechselrichter angebunden sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass eine Verschaltung der Batteriemodule bereitgestellt werden kann, bei welcher an dem Wechselrichter eine Gleichspannung anliegt, welche gegenüber der Reihenschaltung aller Batteriemodule reduziert ist und höher ist, als die bei einer Parallelschaltung aller Batteriemodule anliegenden Gleichspannung. Optional kann die Anbindungseinrichtung weitere Anbindungszustände aufweisen, in welchen die Batteriemodule als mehrere in Reihe geschaltete Gruppen von parallel geschalteten Batteriemodulen oder als mehrere parallel geschaltete Gruppen von in Reihe geschalteten Batteriemodulen an den Wechselrichter anbindbar sind. Insbesondere bei solchen Antriebseinrichtungen, die mehr als vier Batteriemodule aufweisen, können weitere Anbindungszustände vorgesehen sein, um mehr als drei Spannungsniveaus der an dem Wechselrichter anliegenden Gleichspannung bereitzustellen.
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Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Anbindungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Batteriemodule wahlweise einzeln an den Wechselrichter anbindbar sind, so dass weitere Anbindungszustände bereitgestellt werden, in welchen einzelne Batteriemodule selektiv zugeschaltet oder abgeschaltet sind. Hierdurch wird es möglich, defekte Batteriemodule oder solche Batteriemodule, die einen unzureichenden Ladezustand aufweisen, von dem Wechselrichter zu trennen. Eine Batterie kann durch die Anbindungseinrichtung wahlweise zugeschaltet werden, beispielsweise um den zur Verfügung stehenden Strom zu erhöhen und das Drehmoment des Elektromotors zu vergrößern. Alternativ kann die Anbindungseinrichtung einen vierten Anbindungszustand aufweisen, in welchem mindestens ein Batteriemodul an den Wechselrichter angebunden ist und mindestens ein Batteriemodul von dem Wechselrichter getrennt ist. Unter der Trennung von Wechselrichter und Batteriemodul soll ein Zustand verstanden werden, in welchem ein Stromfluss zwischen dem Batteriemodul und dem Wechselrichter im Wesentlichen unterbunden ist, beispielsweise dadurch, dass ein zwischen dem Batteriemodul und dem Wechselrichter angeordneter Schalter in einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebseinrichtung eine Ladeschnittstelle zum Laden der Batteriemodule aus einer externen Energiequelle aufweist, welche durch die Anbindungseinrichtung an die Batteriemodule anbindbar ist, wobei in dem ersten Anbindungszustand der Anbindungseinrichtung alle Batteriemodule parallel geschaltet an die Ladeschnittstelle angebunden sind und in dem zweiten Anbindungszustand alle Batteriemodule in Reihe geschaltet an die Ladeschnittstelle angebunden sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Verschaltung der Batteriemodule beim Laden der Batteriemodule aus einer externen Energiequelle, z. B. aus einem externen Netz, eingestellt werden kann. Beispielsweise können die Batteriemodule alle in Reihe geschaltet werden, um das Laden der Batteriemodule an einer Hochspannungsquelle bei vergleichsweise niedrigem Strom zu ermöglichen. Zum Laden der Batteriemodule in einem Schnelllademodus können die Batteriemodule alle parallel geschaltet werden, so dass mit einem erhöhten Strom geladen werden kann.
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Besonders bevorzugt weist die Antriebseinrichtung eine Steuereinheit auf, über welche die Anbindungszustände der Anbindungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Lastzustand des Elektromotors einstellbar sind. Insofern kann die Steuereinheit den Lastzustand des Elektromotors erfassen und einen für den Lastzustand geeigneten Anbindungszustand einstellen. Die Steuereinheit kann mit mindestens einem Sensor zur Erfassung des Lastzustands verbunden sein, wobei der Sensor beispielsweise als Stromsensor zur Erfassung eines Wicklungsstroms oder als Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung und/oder der Drehzahl des Rotors ausgebildet ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass über die Steuereinheit zusätzlich der Wechselrichter der Antriebseinrichtung gesteuert wird, so dass durch die Steuereinheit sowohl die lastabhängige Einstellung der an dem Wechselrichter anliegenden Gleichspannung als auch die Steuerung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters erfolgen kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anbindungseinrichtung Teil eines Batteriepacks ist, welches mindestens ein Batteriemodul, vorzugsweise alle Batteriemodule, des Antriebssystems umfasst. Das Batteriepack kann eine Schnittstelle aufweisen, über welche die Anbindungseinrichtung des Batteriepacks mit einer Steuereinheit der Antriebseinrichtung verbindbar ist.
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Bei einem Fahrzeug der eingangs genannten Art trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, dass die Traktionsantriebseinrichtung als eine vorstehend beschriebene Antriebseinrichtung ausgebildet ist.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, wenn die Batteriemodule über eine Anbindungseinrichtung an den Wechselrichter angebunden werden, welche mindestens zwei Anbindungszustände aufweist, wobei in einem ersten Anbindungszustand alle Batteriemodule parallel geschaltet an den Wechselrichter angebunden sind und in einem zweiten Anbindungszustand alle Batteriemodule in Reihe geschaltet an den Wechselrichter angebunden sind.
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Bei dem Fahrzeug und dem Verfahren werden dieselben Vorteile erreicht, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung beschrieben worden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Anbindungseinrichtung in den ersten Anbindungszustand versetzt wird, wenn die Drehzahl des Elektromotors kleiner als eine vorgegebene erste Drehzahlschwelle ist. Durch die Parallelschaltung der Batteriemodule wird die an dem Wechselrichter anliegende Gleichspannung auf die Spannung eines Batteriemoduls reduziert. Dies führt zu einer Reduktion der in den Leistungshalbleitern der Wechselrichter entstehenden Schaltverluste. Die Parallelschaltung aller Batteriemodule ermöglicht einen verlustarmen Betrieb der Antriebseinrichtung bei niedrigen Drehzahlen unterhalb der ersten Drehzahlschwelle, beispielsweise beim Anfahren. Zudem steht durch die Parallelschaltung der Batteriemodule ein erhöhter Maximalstrom zur Verfügung, welcher genutzt werden kann, um kurzzeitig ein hohes Anfahrmoment zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anbindungseinrichtung in den ersten Anbindungszustand versetzt wird, wenn der Elektromotor als Generator betrieben wird. Bei der Parallelschaltung der Batteriemodule kann ein Strom in die Batteriemodule eingespeist werden, welcher einem Vielfachen des maximalen Ladestroms eines einzelnen Batteriemoduls entspricht. Somit kann durch die Aktivierung des ersten Anbindungszustands die Rekuperationsfähigkeit des Antriebssystems sowie die generatorische Bremswirkung erhöht werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anbindungseinrichtung in den zweiten Anbindungszustand versetzt wird, wenn die Drehzahl des Elektromotors größer als die erste Drehzahlschwelle oder größer als eine vorgegebene zweite Drehzahlschwelle ist. Durch die Reihenschaltung der Batteriemodule wird die höchstmögliche Gleichspannung an dem Wechselrichter angelegt. Die Reihenschaltung aller Batteriemodule ermöglicht das Erreichen der vollen Motorleistung bei hohen Drehzahlen oberhalb der ersten bzw. zweiten Drehzahlschwelle, weshalb der zweite Anbindungszustand auch als Schnellfahrmodus bezeichnet werden kann.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Anbindungseinrichtung in einen dritten Anbindungszustand versetzt wird, in welchem die Batteriemodule durch die Anbindungseinrichtung als mehrere in Reihe geschaltete Gruppen von mehreren parallel geschalteten Batteriemodulen oder als mehrere parallel geschaltete Gruppen von mehreren in Reihe geschalteten Batteriemodulen an den Wechselrichter angebunden werden, wenn die Drehzahl des Elektromotors zwischen einer vorgegebenen ersten Drehzahlschwelle und einer vorgegebenen zweiten Drehzahlschwelle liegt. In einem mittleren Drehzahlbereich zwischen der ersten und der zweiten Drehzahlschwelle kann somit eine Verschaltung der Batteriemodule bereitgestellt werden, bei welcher an dem Wechselrichter eine gegenüber der Reihenschaltung der Batteriemodule reduzierte Gleichspannung anliegt, die über der bei einer Parallelschaltung aller Batteriemodule an dem Wechselrichter anliegenden Gleichspannung liegt. Optional kann vorgesehen sein, dass die Anbindungseinrichtung in weitere Anbindungszustände versetzt wird, in welchen die Batteriemodule als mehrere in Reihe geschaltete Gruppen von parallel geschalteten Batteriemodulen oder als mehrere parallel geschaltete Gruppen von in Reihe geschalteten Batteriemodulen an den Wechselrichter angebunden werden, wenn die Drehzahl des Elektromotors zwischen zwei weiteren vorgegebenen Drehzahlschwellen liegt. Je nach Anzahl der Batteriemodule der Antriebseinrichtung können somit in Abhängigkeit von weiteren vorgegebenen Drehzahlschwellen weitere Spannungsniveaus an dem Wechselrichter eingestellt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anbindungseinrichtung in einen vierten Anbindungszustand versetzt wird, in welchem mindestens ein Batteriemodul an den Wechselrichter angebunden ist und mindestens ein Batteriemodul von dem Wechselrichter getrennt ist, wenn die Drehzahl des Elektromotors kleiner als eine vorgegebene vierte Drehzahlschwelle ist. Im vierten Anbindungszustand kann der Wechselrichter mit reduzierter Gleichspannung und/oder reduziertem Gleichstrom betrieben werden, um die Verluste im Teillastbetrieb weiter zu verringern. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der Ladezustand aller Batteriemodule ermittelt wird und im vierten Anbindungszustand zumindest das Batteriemodul an den Wechselrichter angebunden wird, welches den höchsten Ladezustand aufweist, und zumindest das Batteriemodul von dem Wechselrichter getrennt wird, welches den geringsten Ladezustand aufweist. Vorteilhafterweise wird die Anbindungseinrichtung in den ersten Anbindungszustand oder in den zweiten Anbindungszustand versetzt, wenn die Drehzahl des Elektromotors größer oder gleich der vorgegebenen vierten Drehzahlschwelle ist, so dass die Spannung und/oder der Strom am Wechselrichter bei höheren Drehzahlen erhöht wird.
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Bevorzugt ist ferner eine Ausgestaltung, bei der die Anbindungseinrichtung mehrere Schalter aufweist, welche beim Umschalten zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand gepulst betrieben werden. Durch das Pulsen der Schalter können bei der Umschaltung zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung der Batteriemodule entstehende Verluste reduziert werden. Als Schalter werden vorteilhafterweise Leistungshalbleiterschalter mit niedrigem Durchlasswiderstand, wie z. B. IGBTs, verwendet.
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Die im Zusammenhang mit der Antriebseinrichtung beschriebenen vorteilhaften Merkmale können alternativ oder in Kombination auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Antriebsvorrichtung Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Hierein zeigt
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Antriebssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ein Schaltbild des Antriebsystems gemäß 1 und
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3 ein Schaltbild einer Antriebseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems 1 dargestellt, welches als Traktionsantrieb in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet wird. Das Antriebssystem 1 weist einen als permanentmagneterregten Synchronmotor ausgebildeten Elektromotor M auf, welcher von einem mit dem Elektromotor M verbundenen Wechselrichter WR gesteuert wird. Der Wechselrichter versorgt den Elektromotor M mit dreiphasigem Wechselstrom einstellbarer Frequenz. Der Wechselrichter WR ist in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Elektromotor M angeordnet. Alternativ ist es möglich, den Wechselrichter WR in einem von dem Elektromotor M unabhängigen Gehäuse anzuordnen.
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Zur Versorgung des Wechselrichters WR mit elektrischer Energie sind bei dem Ausführungsbeispiel zwei Batteriemodule BZ1, BZ2 vorgesehen. Die Batteriemodule BZ1, BZ2 stellen eine Gleichspannung zur Verfügung, welche an dem Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters WR angelegt werden kann. Zur Anbindung der Batteriemodule BZ1, BZ2 an den Wechselrichter WR weist das Antriebssystem 1 ferner eine Anbindungseinrichtung 3 auf, durch welche die Batteriemodule BZ1, BZ2 wahlweise beide parallel geschaltet oder beide in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden werden können. Hierzu ist die Anbindungseinrichtung 3 derart ausgestaltet, dass sie in zwei Anbindungszustände versetzt werden kann, wobei in einem ersten Anbindungszustand beide Batteriemodule BZ1, BZ2 parallel geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden sind und in einem zweiten Anbindungszustand beide Batteriemodule BZ1, BZ2 in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden sind.
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Zusätzlich weist das Antriebssystem 1 eine Ladeschnittstelle 2 auf, über welche die Batteriemodule BZ1, BZ2 aus einer externen Energiequelle geladen werden können. Bei einem Antriebssystem 1 eines Elektrofahrzeugs kann als externe Energiequelle beispielsweise ein externes Gleichstrom- oder Wechselstromnetz über die Ladeschnittstelle 2 angebunden werden. Die Ladeschnittstelle 2 ist parallel mit dem Wechselrichter WR verschaltet, so dass die Batteriemodule BZ1, BZ2 durch die Anbindungseinrichtung 3 wahlweise parallel geschaltet oder in Reihe geschaltet an die Ladeschnittstelle 2 angebunden werden können. Beispielsweise kann eine Parallelschaltung der Batteriemodule BZ1, BZ2 gewählt werden, um die Batteriemodule BZ1, BZ2 mit einem erhöhten Strom zu Laden. Eine Reihenschaltung der Batteriemodule BZ1, BZ2 kann eingestellt werden, um die Batteriemodule BZ1, BZ2 aus einer Energiequelle mit erhöhter Spannung zu laden.
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Zum Betrieb des in der 1 gezeigten Antriebssystems 1 kommt ein Verfahren zur Anwendung, bei welchem zwischen der Parallelschaltung und der Reihenschaltung der beiden Batteriemodule BZ1, BZ2 gewechselt wird. In einem Drehzahlbereich, in welchem die Drehzahl des Elektromotors 2 kleiner als eine vorgegebene Drehzahlschwelle ist, werden über die Anbindungseinrichtung 3 beide Batteriemodule BZ1, BZ2 parallel geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden. Unterhalb der Drehzahlschwelle wird insofern ein auch als Anfahrmodus bezeichneter erster Anbindungszustand bereitgestellt, bei welchem eine reduzierte Gleichspannung an dem Wechselrichter WR anliegt. Ferner werden alle Batteriemodule BZ1, BZ2 in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden, wenn die Drehzahl des Elektromotors 2 größer oder gleich der vorgegebenen Drehzahlschwelle ist. In diesem zweiten Anbindungszustand, in welchem die Batteriemodule BZ1, BZ2 in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden sind, liegt eine erhöhte Gleichspannung an dem Wechselrichter WR an, so dass die volle Leistung des Elektromotors M erreicht werden kann.
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Nachfolgend soll anhand der Darstellung in 2 der Aufbau der in 1 gezeigten Anbindungseinrichtung 3 erläutert werden, wobei unter einer geschlossenen Schalterstellung eine Schalterstellung verstanden werden soll, in welcher ein Schalter elektrisch leitend ist und unter einer geöffneten Schalterstellung eine Stellung, in welcher der Schalter nicht leitend ist.
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Die Anbindungseinrichtung 3 weist insgesamt drei Schalter S1, S2, S3 auf, welche als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sind. Der erste Schalter S1 ist mit dem negativen Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und dem negativen Pol des zweiten Batteriemodules BZ2 verbunden. Der negative Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 ist mit dem negativen Gleichspannungspol –UB des Wechselrichters WR verbunden. Der zweite Schalter S2 ist mit dem positiven Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und einem dem positiven Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 verbunden. Der positive Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 ist mit dem positiven Gleichspannungspol +UB des Wechselrichters WR verbunden. Der dritte Schalter S3 ist mit dem negativen Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und mit dem positiven Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 verbunden. Zur Parallelschaltung der beiden Batteriemodule BZ1, BZ2 im Anfahrmodus werden der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 geschlossen und der dritte Schalter S3 geöffnet, so dass die Batteriemodule BZ1, BZ2 parallel geschaltet zwischen den beiden Gleichspannungspolen +UB, –UB des Wechselrichters WR liegen. Im Schnellfahrmodus werden die Batteriemodule BZ1, BZ2 in Reihe zwischen die beiden Gleichspannungspole +UB, –UB geschaltet, indem der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 geöffnet werden und der dritte Schalter S3 geschlossen wird.
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In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung 1 dargestellt, welche im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel vier Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 aufweist. Zur Anbindung der Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an den Wechselrichter WR ist eine Anbindungseinrichtung 3 vorgesehen, die insgesamt neun Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9 aufweist. Anders als das erste Ausführungsbeispiel weist die in 3 dargestellte Antriebseinrichtung 1 keine Ladeschnittstelle auf. Eine solche Ladeschnittstelle kann aber optional auch bei dieser Antriebseinrichtung 1 vorgesehen werden.
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Der positive Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 ist mit dem positiven Gleichspannungspol +UB des Wechselrichters WR verbunden während der negative Pol des vierten Batteriemoduls BZ4 mit dem negativen Gleichspannungspol –UB verbunden ist. Der erste Schalter S1 ist mit dem negativen Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und dem negativen Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 verbunden. Der zweite Schalter S2 ist mit dem positiven Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und dem positiven Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 verbunden. Der dritte Schalter S3 ist mit dem negativen Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und mit dem positiven Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 verbunden. Der vierte Schalter S4 ist mit dem negativen Pol des dritten Batteriemoduls BZ3 und dem negativen Pol des vierten Batteriemoduls BZ4 verbunden. Der fünfte Schalter S5 ist mit dem positiven Pol des dritten Batteriemoduls BZ3 und dem positiven Pol des vierten Batteriemoduls BZ4 verbunden. Der sechste Schalter S6 ist mit dem negativen Pol des dritten Batteriemoduls BZ3 und mit dem positiven Pol des vierten Batteriemoduls BZ4 verbunden. Der siebte Schalter S7 ist mit dem negativen Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 und mit dem negativen Pol des vierten Batteriemoduls BZ4 verbunden. Der achte Schalter S8 ist mit dem positiven Pol des ersten Batteriemoduls BZ1 und mit dem positiven Pol des dritten Batteriemoduls BZ3 verbunden. Der neunte Schalter S9 ist mit dem negativen Pol des zweiten Batteriemoduls BZ2 und mit dem positiven Pol des dritten Batteriemoduls BZ3 verbunden.
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Über die Anbindungseinrichtung 3 sind neben der Parallelschaltung aller Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 in einem ersten Anbindungszustand und der Reihenschaltung Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 in einem zweiten Anbindungszustand wahlweise weitere Schaltungskonfigurationen möglich. So kann die Anbindungseinrichtung in einen dritten Anbindungszustand versetzt werden, in welchem das erste Batteriemodul BZ1 und das zweite Batteriemodul BZ2 parallel geschaltet werden und eine erste Gruppe bilden. In dem dritten Anbindungszustand können das dritte Batteriemodul BZ3 und das vierte Batteriemodul BZ4 ebenfalls parallel geschaltet eine zweite Gruppe bilden. Durch die Wahl der Schaltstellung des siebten, achten und neunten Schalters S7, S8, S9 kann die Verschaltung dieser beiden Gruppen gewählt werden. Insofern ist es wahlweise möglich, die vier Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 als zwei in Reihe geschaltete Gruppen von zwei parallel geschalteten Batteriemodulen BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 oder als zwei parallel geschaltete Gruppen von zwei in Reihe geschalteten Batteriemodulen BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 zu verschalten.
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Zum Betrieb des in der 3 gezeigten Antriebssystems 1 kommt ein Verfahren zur Anwendung, bei welchem zwischen der Parallelschaltung aller Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4, der Reihenschaltung aller Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 und einer Verschaltung gewechselt wird, bei welcher die Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 als zwei in Reihe geschaltete Gruppen von zwei parallel geschalteten Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an den Wechselrichter WR angebunden werden.
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In einem Drehzahlbereich, in welchem die Drehzahl des Elektromotors 2 kleiner oder gleich einer vorgegebenen erste Drehzahlschwelle ist – also einem Anfahrmodus – werden über die Anbindungseinrichtung 3 alle Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 parallel geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden. In diesem Anfahrmodus steht dem Wechselrichter WR eine reduzierte Gleichspannung zur Verfügung, so dass Schaltverluste reduziert werden. Im Anfahrmodus sind der erste Schalter S1, der zweite Schalter S2, der vierte Schalter S4, der fünfte Schalter S5, der siebte Schalter S7 und der achte Schalter S8 geschlossen. Der dritte Schalter S3, der sechste Schalter S6 und der neunte Schalter S9 sind geöffnet.
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Ferner werden alle Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 in einem Schnellfahrmodus in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden, wenn die Drehzahl des Elektromotors 2 größer oder gleich einer vorgegebenen zweiten Drehzahlschwelle ist. Im Schnellfahrmodus steht dem Wechselrichter WR eine erhöhte Gleichspannung zur Verfügung. Im Schnellfahrmodus sind der erste Schalter S1, der zweite Schalter S2, der vierte Schalter S4, der fünfte Schalter S5, der siebte Schalter S7 und der achte Schalter S8 geöffnet. Der dritte Schalter S3, der sechste Schalter S6 und der neunte Schalter S9 sind geschlossen.
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Die zweite Drehzahlschwelle ist größer als die erste Drehzahlschwelle. Wenn die Drehzahl des Elektromotors 2 zwischen der ersten Drehzahlschwelle und der zweiten Drehzahlschwelle liegt, werden die Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 als zwei in Reihe geschaltete Gruppen von zwei parallel geschalteten Batteriemodulen BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an den Wechselrichter WR angebunden. Insofern wird ein Normalbetriebsmodus bereitgestellt, in welchem der zur Verfügung stehende Strom doppelt so hoch ist wie der maximal von einem einzelnen Batteriemodul BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 abgebbare Strom. Im Normalbetriebsmodus sind der erste Schalter S1, der zweite Schalter S2, der vierte Schalter S4, der fünfte Schalter S5 und der neunte Schalter S9 geschlossen. Der dritte Schalter S3, der sechste Schalter S6, der siebte Schalter S7 und der achte Schalter S8 sind geöffnet.
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Der Elektromotor 2 ist für den Normalbetriebsmodus ausgelegt. Das bedeutet, dass ein Kompromiss zwischen einem möglichst hohen Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und einem Feldstellbereich mit ausreichendem Drehmoment bei hohen Drehzahlen erreicht wird, wenn der Wechselrichter WR an zwei in Reihe geschalteten Gruppen von zwei parallel geschalteten Batteriemodulen BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 angebunden ist. Im Normalbetriebsmodus liegt über dem Wechselrichter WR das Doppelte der Spannung eines einzelnen Batteriemoduls BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an, was der Auslegespannung des Elektromotors M entspricht.
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Bei Umschalten zwischen dem Anfahrmodus, dem Normalbetriebsmodus und dem Schnellfahrmodus können die Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9 optional gepulst betrieben werden.
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Die vorstehend beschriebenen Antriebseinrichtungen 1 weisen jeweils eine Anbindungseinrichtung 3 auf, über welche die Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 wahlweise einzeln an den Wechselrichter WR anbindbar sind. Dies ermöglicht ein alternatives Betriebsverfahren, bei welchem die Anbindungseinrichtung 3 in einen vierten Anbindungszustand versetzt wird, in welchem eines der Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an den Wechselrichter WR angebunden ist und die restlichen Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 von dem Wechselrichter WR getrennt sind, wenn die Drehzahl des Elektromotors M kleiner als eine vorgegebene vierte Drehzahlschwelle ist. Insofern kann der Wechselrichter WR im vierten Anbindungszustand mit reduzierter Gleichspannung und/oder reduziertem Gelichstrom betrieben werden. Bei Überschreiten dieser vierten Drehzahlschwelle kann die Anbindungseinrichtung 3 in den ersten Anbindungszustand, den zweiten Anbindungszustand oder den dritten Anbindungszustand versetzt werden, so dass eine höhere Gleichspannung und/oder ein höherer Gleichstrom am Wechselrichter bereitsteht.
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Die vorstehend beschriebenen Antriebseinrichtungen 1 weisen jeweils einen mit einem Wechselrichter WR verbundenen Elektromotor 2 auf. Ferner sind zur Versorgung des Wechselrichters WR mit elektrischer Energie mehrere Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 vorgesehen. Zur Anbindung der Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 an den Wechselrichter WR weisen die Antriebseinrichtungen 1 jeweils eine Anbindungseinrichtung 3 mit mindestens zwei Anbindungszuständen auf. In einem ersten Anbindungszustand sind alle Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 parallel geschaltet und in einem zweiten Anbindungszustand sind alle Batteriemodule BZ1, BZ2, BZ3, BZ4 in Reihe geschaltet an den Wechselrichter WR angebunden.
