DE102015006280A1

DE102015006280A1 - Vehicle and electric drive device for a vehicle

Info

Publication number: DE102015006280A1
Application number: DE102015006280.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dürr
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, umfassend zumindest eine elektrische Maschine (2) zum Antrieb des Fahrzeugs und zumindest zwei Batterien (B1, B2) zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine (2). Erfindungsgemäß sind die beiden Batterien (B1, B2) derart ausgebildet, dass der einen Batterie (B2) eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist als der anderen Batterie (B1), wobei die beiden Batterien (B1, B2) zueinander elektrisch parallel schaltbar oder geschaltet mit der elektrischen Maschine (2) elektrisch verbindbar oder verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Antriebsvorrichtung (1).The invention relates to an electric drive device (1) for a vehicle, comprising at least one electric machine (2) for driving the vehicle and at least two batteries (B1, B2) for supplying electrical power to the electric machine (2). According to the invention, the two batteries (B1, B2) are designed in such a way that a higher electrical power can be taken from the one battery (B2) than the other battery (B1), the two batteries (B1, B2) being electrically switchable or in parallel with each other the electric machine (2) are electrically connected or connected. Furthermore, the invention relates to a vehicle with such an electric drive device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung.The invention relates to an electric drive device for a vehicle according to the features of the preamble of claim 1 and a vehicle with an electric drive device.

Aus dem Stand der Technik sind, wie in der WO 2014/196933 A1 beschrieben, Batterieladevorrichtungen, Batterieladeverfahren, Batteriesysteme und Verfahren zur Steuerung von Batterien bekannt. Eine Batterieladevorrichtung umfasst zwei Kontrollschaltungen zur Kontrolle eines Zustands jeweils einer Batterie eines Elektrofahrzeugs und zwei Ladeschaltungen zum elektrischen Laden der jeweiligen Batterie basierend auf dem Ergebnis der jeweiligen Kontrollschaltung.From the prior art, as in the WO 2014/196933 A1 Battery chargers, battery charging methods, battery systems and methods for controlling batteries known. A battery charging device comprises two control circuits for controlling a state of each battery of an electric vehicle and two charging circuits for electrically charging the respective battery based on the result of the respective control circuit.

In der WO 2012/054617 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden und Entladen eines dualen Batteriesystems beschrieben. Die Vorrichtung steuert die Konfiguration mehrerer in mehreren Batteriebänken angeordneter Batterien. Die Batterien in jeder Batteriebank werden zur Stromversorgung eines Elektromotors in Reihe geschaltet und zum elektrischen Laden parallel geschaltet. Ein Mikroprozessor überwacht die Spannungspegel der Batterien in jeder Batteriebank und steuert Relais, um den Elektromotor mit einer anderen Batteriebank zu verbinden, wenn der Spannungspegel der mit dem Elektromotor verbundenen Batteriebank unter einen Schwellwert sinkt. Der Mikroprozessor überwacht auch den Spannungspegel der Batteriebank, welche geladen wird, und steuert Relais, um das Laden zu beenden, wenn der Spannungspegel einen Schwellwert übersteigt.In the WO 2012/054617 A1 For example, an apparatus and method for charging and discharging a dual battery system will be described. The device controls the configuration of multiple batteries arranged in multiple battery banks. The batteries in each battery bank are connected in series for powering an electric motor and connected in parallel for electrical charging. A microprocessor monitors the voltage levels of the batteries in each battery bank and controls relays to connect the electric motor to another battery bank when the voltage level of the battery bank connected to the electric motor drops below a threshold. The microprocessor also monitors the voltage level of the battery bank being charged and controls relays to stop charging when the voltage level exceeds a threshold.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Antriebsvorrichtung anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved over the prior art electrical drive device for a vehicle and a vehicle with such an electric drive device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 3.The object is achieved by an electric drive device for a vehicle having the features of claim 1 and a vehicle having the features of claim 3.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug umfasst zumindest eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs und zumindest zwei Batterien zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine.An electric drive device for a vehicle comprises at least one electric machine for driving the vehicle and at least two batteries for supplying electrical power to the electric machine.

Erfindungsgemäß sind die beiden Batterien derart ausgebildet, dass der einen Batterie eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist als der anderen Batterie. Die Batterie, welcher eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist, ist somit als eine leistungsorientierte Batterie oder Hochleistungsbatterie ausgebildet. Diese Batterie weist eine höhere Belastbarkeit auf und ihr sind höhere elektrische Ströme zu entnehmen. Die andere Batterie, welcher eine geringere elektrische Leistung entnehmbar ist, ist somit als eine energieorientierte Batterie ausgebildet. Die beiden Batterien sind zueinander elektrisch parallel schaltbar oder geschaltet mit der elektrischen Maschine elektrisch verbindbar oder verbunden.According to the invention, the two batteries are designed in such a way that one battery can be removed from a higher electrical power than the other battery. The battery, which is a higher electrical power can be removed, is thus designed as a performance-oriented battery or high-performance battery. This battery has a higher load capacity and you can see higher electrical currents. The other battery, which can be removed from a lower electrical power, is thus designed as an energy-oriented battery. The two batteries are mutually electrically connected in parallel or connected to the electrical machine electrically connected or connected.

Eine große Herausforderung bei Batterien für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, beispielsweise auch für so genannte Plug-in-Hybridfahrzeuge, welche zum Laden an eine fahrzeugexterne elektrische Energieversorgungseinrichtung angeschlossen werden können, stellt die Zielsetzung dar, dass diese Batterien sowohl einen hohen Energieinhalt, welcher für eine möglichst große elektrische betriebene Reichweite des Fahrzeugs erforderlich ist, als auch eine hohe elektrischer Leistung aufweisen sollen, welche beispielsweise zum Beschleunigen des Fahrzeugs, für Bergfahrten und für Fahrten bei Kälte erforderlich ist. Weiteren Anforderungen an derartige Batterien zur elektrischen Energieversorgung zumindest einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs sind ein möglichst geringer Bauraumbedarf und ein möglichst geringes Gewicht.A major challenge in batteries for electric vehicles and hybrid vehicles, for example, for so-called plug-in hybrid vehicles, which can be connected to a vehicle external electrical power supply for charging, represents the objective that these batteries both a high energy content, which for a possible large electric powered range of the vehicle is required, as well as to have a high electrical power, which is required for example for accelerating the vehicle, for mountain driving and for driving in cold weather. Further requirements for such batteries for the electrical power supply of at least one electric machine for driving the vehicle are the smallest possible space requirement and the lowest possible weight.

Bei Lithium-Ionen-Einzelzellen von Batterien, aber beispielsweise auch bei anderen Einzelzelltypen, kann man grundsätzlich zwischen energieorientierten Einzelzellen und leistungsorientierten Einzelzellen unterscheiden. Die physikalischen und elektrochemischen Hintergründe sind hinlänglich bekannt. Es geht um das Verhältnis von aktiven Massen, Beschichtungsstärken zu Stromableiterfolien und damit realisierbare Kapazitätswerte und Innenwiderstände in einem vorhandenen Bauraum. Eine energieorientierte Einzelzelle ist für kleinere Stromraten und damit längere Entladezeiten von zum Beispiel drei bis fünf Stunden ausgelegt. Eine solche Einzelzelle ist einfach und kostengünstig zu entwickeln und herzustellen. Eine leistungsorientierte Einzelzelle muss sehr hohe Stromraten in Lade- und Entladerichtung vertragen, beispielsweise eine Entladung in wenigen Minuten. Deren Entwicklung und eine qualitativ hochwertige Fertigung sind aufwändiger und technisch sehr anspruchsvoll. Daher sind derartige Einzelzellen nur beschränkt verfügbar und kostenintensiv. Bei diesen Einzelzellen ist eine absolut homogene Stromverteilung für die aktiven Massen sowie das thermische Design, d. h. für die Temperierung, insbesondere Kühlung, der Einzelzellen besonders wichtig, um eine hohe Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu erzielen.In the case of lithium-ion single cells of batteries, but also, for example, also in other single-cell types, it is fundamentally possible to distinguish between energy-oriented individual cells and performance-oriented individual cells. The physical and electrochemical backgrounds are well known. It is about the ratio of active masses, coating thicknesses to current collector foils and thus achievable capacitance values and internal resistance in an existing installation space. An energy-oriented single cell is designed for smaller current rates and thus longer discharge times of, for example, three to five hours. Such a single cell is simple and inexpensive to develop and manufacture. A performance-oriented single cell must withstand very high current rates in the loading and unloading direction, for example a discharge in a few minutes. Their development and a high-quality production are more complex and technically very demanding. Therefore, such single cells are only limited available and expensive. These single cells have an absolutely homogeneous current distribution for the active masses as well as the thermal design, i. H. for the tempering, especially cooling, of the single cells particularly important to achieve high performance and durability.

Eine Kombination der Eigenschaften energieorientierter und leistungsorientierter Einzelzellen ist aufgrund physikalischer und elektrochemischer Faktoren nicht oder nur begrenzt möglich. Derartige Einzelzellen mit einer Kombination dieser Eigenschaften bilden lediglich einen Kompromiss aus Energieorientierung und Leistungsorientierung. Sie weisen eine geringere Kapazität, einen höheren Innenwiderstand und dadurch eine höhere Verlustleistung und eine höhere Betriebstemperatur auf, die zu schnellerer Alterung führen kann. Daher ist auch ein entsprechendes Kühlungsdesign erforderlich, um eine ausreichende Kühlung zu ermöglichen. Derartige Einzelzellen sind meist Spezialzellen in geringen Stückzahlen, welche eine aufwändige Fertigung erfordern, mit hohen Kosten verbunden sind und einen geringeren Wirkungsgrad sowie eine geringere Lebensdauer aufweisen.A combination of the properties of energy-oriented and performance-oriented single cells is due to physical and electrochemical factors not or only limited possible. Such single cells with a combination of these properties merely compromise energy orientation and performance orientation. They have a lower capacity, a higher internal resistance and thus a higher power loss and a higher operating temperature, which can lead to faster aging. Therefore, a corresponding cooling design is required to allow sufficient cooling. Such individual cells are usually special cells in small numbers, which require a complex production, are associated with high costs and have a lower efficiency and a shorter life.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden diese Nachteile, welche aus dem Versuch resultieren, die Eigenschaften leistungsorientierter und energieorientierter Einzelzellen in einer Einzelzelle zu bündeln, vermieden, denn bei der erfindungsgemäßen Lösung werden Batterien mit diesen beiden Einzelzelltypen eingesetzt, d. h. zumindest eine leistungsorientierte und zumindest eine energieorientierte Batterie. Durch die erfindungsgemäße Verschaltung dieser Batterien können die Vorteile beider Einzelzelltypen bzw. Batterietypen optimal genutzt werden.By the solution according to the invention, these disadvantages, which result from the attempt to bundle the properties of performance-oriented and energy-oriented single cells in a single cell avoided, because in the inventive solution batteries are used with these two single cell types, d. H. at least one performance-oriented and at least one energy-oriented battery. By interconnecting these batteries according to the invention, the advantages of both individual cell types or battery types can be optimally utilized.

Bei typischen Nutzungsanforderungen und Fahrprofilen eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, ist eine erforderliche mittlere Leistung relativ gering, beispielsweise liegt sie in einem Bereich von ca. 8 kW bis 15 kW, aber kurzzeitig, beispielsweise für Beschleunigungsvorgänge, Bergfahrten und ähnliches, kann die erforderliche Leistung beispielsweise auch den fünffachen bis zehnfachen Wert erreichen.In typical usage requirements and driving profiles of a vehicle, in particular a passenger car, a required average power is relatively low, for example, is in a range of about 8 kW to 15 kW, but for a short time, for example, for acceleration, hill climbing and the like, the required power for example, reach five times to ten times the value.

Aufgrund dessen wurden Hybridfahrzeuge entwickelt. Derartige Hybridfahrzeuge können beispielsweise einen mittleren Leistungsbedarf durch die Batterie zur Verfügung stellen und bei höheren erforderlichen Leistungen wird ein Verbrennungsmotor zugeschaltet.Because of this, hybrid vehicles have been developed. Such hybrid vehicles can, for example, provide an average power requirement through the battery, and at higher required powers, an internal combustion engine is switched on.

Insbesondere bei kleinen bis mittleren Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, welche eine relativ kleine Batterie mit einem relativ geringen Energiegehalt aufweisen, kann für die mittlere erforderliche Leistung eine relativ einfache, kostengünstige energieorientierte Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie, verwendet werden und zusätzlich für die Spitzenleistung eine relativ kleine leistungsorientierte Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie, eingesetzt werden. D. h. die kurzfristigen hohen Spitzenströme werden nur zum Teil aus der energieorientierte Batterie und zusätzlich aus der leistungsorientierten Batterie, d. h. aus der Hochleistungsbatterie, geliefert. Das Verhältnis der Lastströme ergibt sich automatisch aus den jeweiligen Innenwiderständen der beiden parallel geschalteten Batterien. Vorteilhafterweise ist die Antriebsvorrichtung derart ausgelegt, dass bei der energieorientierten Batterie auf eine Kühleinrichtung verzichtet werden kann, wodurch eine Kostenreduktion erreicht wird. Beide Batterien können räumlich getrennt im Fahrzeug montiert werden, wodurch die Massenbalance des Fahrzeugs verbessert werden kann und vorhandene Bauräume optimal genutzt werden können. Des Weiteren können dadurch kurze Verlegewege für Hochleistungshochvoltkabel zwischen der leistungsorientierten Batterie, d. h. der Hochleistungsbatterie, und der elektrischen Maschine erreicht werden, wodurch eine Reduzierung von Kosten und Gewicht erreicht wird und elektrische Verluste minimiert werden.In particular, in small to medium electric vehicles or hybrid vehicles, which have a relatively small battery with a relatively low energy content, a relatively simple, low-cost energy-oriented battery, in particular high-voltage battery can be used for the average required power and additionally for the peak power a relatively small performance-oriented battery , in particular high-voltage battery, are used. Ie. the short-term high peak currents are only partially derived from the energy-oriented battery and additionally from the power-oriented battery, i. H. from the high-performance battery. The ratio of the load currents automatically results from the respective internal resistances of the two parallel-connected batteries. Advantageously, the drive device is designed such that in the energy-oriented battery can be dispensed with a cooling device, whereby a cost reduction is achieved. Both batteries can be installed separately in the vehicle, whereby the mass balance of the vehicle can be improved and existing space can be used optimally. Furthermore, short laying paths for high-performance high-voltage cables between the power-oriented battery, i. H. the high-performance battery, and the electric machine are achieved, whereby a reduction in cost and weight is achieved and electrical losses are minimized.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine verbesserte Erfüllung von Leistungs- und Energieanforderungen in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, insbesondere auch in so genannten Plug-in-Hybridfahrzeugen. Des Weiteren werden durch die erfindungsgemäße Lösung Kostenvorteile, ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad, eine bessere Bauraumausnutzung, ein Redundanzeffekt durch mindestens zwei zur Energieversorgung der elektrischen Maschine verfügbare Batterien und Skaleneffekte durch Nutzung bereits etablierter Einzelzellen und durch Anwendung in verschiedenen Fahrzeugplattformen, d. h. Fahrzeugtypen, erreicht.The solution according to the invention thus enables an improved fulfillment of power and energy requirements in electric vehicles and hybrid vehicles, in particular also in so-called plug-in hybrid vehicles. Furthermore, the solution according to the invention results in cost advantages, improved overall efficiency, better space utilization, a redundancy effect through at least two batteries available for supplying energy to the electric machine and economies of scale by using already established individual cells and by application in various vehicle platforms, i. H. Vehicle types, reached.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, und 1 a schematic representation of an embodiment of an electric drive device for a vehicle, and

2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug. 2 a schematic representation of another embodiment of an electric drive device for a vehicle.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Die 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer elektrischen Antriebsvorrichtung 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug. Die elektrische Antriebsvorrichtung 1 umfasst, wie in den 1 und 2 dargestellt, zumindest eine elektrische Maschine 2 zum Antrieb des Fahrzeugs und zumindest zwei Batterien B1, B2, insbesondere Hochvolt-Batterien, zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sowohl als Elektromotor als auch als elektrischer Generator betrieben werden kann. Auf diese Weise kann sie zum Antrieb des Fahrzeugs als Elektromotor und zum elektrischen Laden zumindest einer der Batterien B1, B2 oder beider Batterien B1, B2, beispielsweise durch Rekuperation, als elektrischer Generator betrieben werden.The 1 and 2 show various embodiments of an electric drive device 1 for a vehicle not shown here. The electric drive device 1 includes, as in the 1 and 2 represented, at least one electric machine 2 for driving the vehicle and at least two batteries B1, B2, in particular high-voltage batteries, for the electrical power supply of the electrical machine 2 , The electric machine 2 is preferably designed such that it can be operated both as an electric motor and as an electric generator. On In this way, it can be operated as an electric motor for driving the vehicle as an electric motor and for electrically charging at least one of the batteries B1, B2 or both batteries B1, B2, for example by recuperation.

Die beiden Batterien B1, B2 sind derart ausgebildet, dass der einen Batterie B2, im Folgenden als zweite Batterie B2 bezeichnet, eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist als der anderen Batterie B1, im Folgenden als erste Batterie B1 bezeichnet. Die beiden Batterien B1, B2 sind zueinander elektrisch parallel schaltbar oder geschaltet mit der elektrischen Maschine 2 elektrisch verbindbar oder verbunden. Zweckmäßigerweise erfolgt diese Verbindung mit der elektrischen Maschine 2, wenn die elektrische Maschine 2 mit Wechselstrom betrieben wird, über einen Wechselrichter 3, auch als DC/AC-Wandler bezeichnet, wie in den 1 und 2 dargestellt. Als Batterien B1, B2 sind hier zweckmäßigerweise elektrochemische Energiespeicher zu verstehen, welche vorzugsweise jeweils als ein Akkumulator ausgebildet sind, d. h. wiederholt aufladbar sind. Derartige Batterien B1, B2 weisen üblicherweise eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen auf.The two batteries B1, B2 are designed such that one battery B2, hereinafter referred to as the second battery B2, a higher electrical power can be removed than the other battery B1, hereinafter referred to as the first battery B1. The two batteries B1, B2 are mutually electrically connected in parallel or connected to the electric machine 2 electrically connectable or connected. Appropriately, this connection is made with the electric machine 2 when the electric machine 2 is powered by alternating current, via an inverter 3 Also referred to as DC / AC converter, as in the 1 and 2 shown. As batteries B1, B2 are here expediently electrochemical energy storage to understand, which are preferably each formed as an accumulator, that are repeatedly rechargeable. Such batteries B1, B2 usually have a plurality of electrically series and / or parallel interconnected single cells.

In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Batterien B1, B2 vorgesehen sein, welche dann derart ausgebildet sind, dass einer oder mehreren der Batterien B1, B2 eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist als einer oder mehreren anderen Batterien B1, B2. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Antriebsvorrichtung 1 in anderen Ausführungsbeispielen auch mehrere elektrische Maschinen 2 aufweisen, beispielsweise jeweils eine elektrische Maschinen 2 für jede Achse des Fahrzeugs oder für jedes Rad des Fahrzeugs oder zumindest für einige Räder des Fahrzeugs.In other embodiments, more than two batteries B1, B2 may be provided, which are then designed such that one or more of the batteries B1, B2, a higher electrical power is removable than one or more other batteries B1, B2. Alternatively or additionally, the electric drive device 1 in other embodiments, several electrical machines 2 have, for example, in each case an electrical machine 2 for each axle of the vehicle or for each wheel of the vehicle or at least for some wheels of the vehicle.

Das hier nicht näher dargestellte Fahrzeug, welches eine solche elektrische Antriebsvorrichtung 1 aufweist, ist beispielsweise als ein Elektrofahrzeug ausgebildet, d. h. es wird rein elektrisch angetrieben durch die Umwandlung elektrochemisch in den beiden Batterien B1, B2 gespeicherter Energie in elektrische Energie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine 2. Alternativ kann das Fahrzeug beispielsweise auch als ein Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Ein solches Hybridfahrzeug weist zusätzlich zu der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 zumindest eine Verbrennungskraftmaschine und/oder zumindest eine Brennstoffzelle auf. Die Verbrennungskraftmaschine, welche zweckmäßigerweise als Verbrennungsmotor ausgebildet ist, kann dabei zum direkten Antrieb des Fahrzeugs dienen und/oder zum Antrieb eines elektrischen Generators, mittels welchem elektrische Energie zum Laden mindestens einer der Batterien B1, B2, bevorzugt beider Batterien B1, B2, und/oder zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine 2 erzeugbar ist. Mittels der zumindest einen Brennstoffzelle ist ebenfalls elektrische Energie zum Laden mindestens einer der Batterien B1, B2, bevorzugt beider Batterien B1, B2, und/oder zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Maschine 2 erzeugbar. Das als Hybridfahrzeug ausgebildete Fahrzeug ist vorteilhafterweise als ein so genanntes Plug-in-Hybridfahrzeug ausgebildet, d. h. es weist eine elektrische Anschlussvorrichtung zur elektrischen Kopplung mit einer fahrzeugexternen elektrischen Energieversorgungseinrichtung auf, um auf diese Weise zumindest eine der Batterien B1, B2, bevorzugt beide Batterien B1, B2, elektrisch zu laden.The vehicle, not shown here, which is such an electric drive device 1 is, for example, designed as an electric vehicle, that is, it is driven purely electrically by converting electrochemically stored in the two batteries B1, B2 stored energy into electrical energy for the electrical power supply of the electric machine 2 , Alternatively, the vehicle may be designed, for example, as a hybrid vehicle. Such a hybrid vehicle has in addition to the electric drive device 1 at least one internal combustion engine and / or at least one fuel cell. The internal combustion engine, which is expediently designed as an internal combustion engine, can serve for the direct drive of the vehicle and / or for driving an electric generator, by means of which electrical energy for charging at least one of the batteries B1, B2, preferably both batteries B1, B2, and / or for electrical power supply of the electric machine 2 can be generated. By means of the at least one fuel cell is also electrical energy for charging at least one of the batteries B1, B2, preferably both batteries B1, B2, and / or for the electrical power supply of the electric machine 2 produced. The designed as a hybrid vehicle vehicle is advantageously designed as a so-called plug-in hybrid vehicle, ie it has an electrical connection device for electrical coupling with a vehicle electrical power supply device to at least one of the batteries B1, B2, preferably both batteries B1 , B2, to charge electrically.

Eine große Herausforderung bei Batterien für derartige aus dem Stand der Technik bekannte Fahrzeuge stellt die Zielsetzung dar, dass diese Batterien sowohl einen hohen Energieinhalt, welcher für eine möglichst große elektrisch betriebene Reichweite des Fahrzeugs erforderlich ist, als auch eine hohe elektrische Leistung aufweisen sollen, welche beispielsweise zum Beschleunigen des Fahrzeugs, für Bergfahrten und für Fahrten bei Kälte erforderlich ist. Diese Anforderungen stellen einen Zielkonflikt dar, welcher bei herkömmlichen Fahrzeugen, die lediglich eine einzelne Batterie aufweisen, welche beide oben geschilderten Ziele erfüllen soll, nicht optimal gelöst werden kann.A major challenge with batteries for such prior art vehicles is the objective that these batteries should have both a high energy content, which is required for the largest possible electrically operated range of the vehicle, as well as a high electrical power, which For example, to accelerate the vehicle, for mountain driving and driving in cold conditions is required. These requirements are a conflict of objectives, which can not be optimally solved in conventional vehicles, which have only a single battery, which should meet both of the above objectives.

Durch die Ausbildung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1, welche anhand von Ausführungsbeispielen in den 1 und 2 dargestellt ist, wird dieses Problem gelöst, indem zwei unterschiedliche Batterien B1, B2 verwendet werden, welche jeweils eine der oben beschriebenen Aufgaben erfüllen. Die zweite Batterie B2, welcher eine höhere elektrische Leistung entnehmbar ist als der ersten Batterie B1, ist somit als eine leistungsorientierte Batterie oder Hochleistungsbatterie ausgebildet, welche eine ausreichend hohe elektrischer Leistung aufweist, die beispielsweise zum Beschleunigen des Fahrzeugs, für Bergfahrten und für Fahrten bei Kälte erforderlich ist. Diese zweite Batterie B2 weist eine höhere Belastbarkeit auf und ihr sind höhere elektrische Ströme zu entnehmen. Die erste Batterie B1, welcher eine geringere elektrische Leistung entnehmbar ist, ist somit als eine energieorientierte Batterie ausgebildet, welche einen hohen Energieinhalt aufweist, der für eine möglichst große elektrische betriebene Reichweite des Fahrzeugs erforderlich ist.Due to the design of the electric drive device 1 , which by means of embodiments in the 1 and 2 is illustrated, this problem is solved by using two different batteries B1, B2, which each fulfill one of the tasks described above. The second battery B2, which is a higher electrical power than the first battery B1, is thus designed as a performance-oriented battery or high-performance battery, which has a sufficiently high electrical power, for example, to accelerate the vehicle, for mountain driving and for driving in cold weather is required. This second battery B2 has a higher load capacity and it can be seen higher electrical currents. The first battery B1, which can be removed from a lower electrical power, is thus designed as an energy-oriented battery, which has a high energy content, which is required for the largest possible electrically operated range of the vehicle.

Insbesondere bei kleinen bis mittleren Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen kann für die mittlere erforderliche Leistung eine relativ einfache, kostengünstige energieorientierte erste Batterie B1, insbesondere Hochvoltbatterie, verwendet werden und zusätzlich für die Spitzenleistung eine relativ kleine leistungsorientierte zweite Batterie B2, insbesondere Hochvoltbatterie, eingesetzt werden. D. h. die kurzfristigen hohen Spitzenströme werden nur zum Teil aus der energieorientierten ersten Batterie B1 und zusätzlich aus der leistungsorientierten zweiten Batterie B2, d. h. aus der Hochleistungsbatterie, geliefert. Das Verhältnis der Lastströme ergibt sich insbesondere bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel automatisch aus den jeweiligen Innenwiderständen der beiden parallel geschalteten Batterien B1, B2.Particularly in the case of small to medium-sized electric vehicles or hybrid vehicles, a relatively simple, low-cost, energy-oriented first battery B1, in particular high-voltage battery, can be used for the average required power and, in addition, a relatively small power-oriented second battery B2, in particular a high-voltage battery, can be used for the peak power. Ie. the Short-term high peak currents are supplied only in part from the energy-oriented first battery B1 and additionally from the power-oriented second battery B2, ie from the high-performance battery. The ratio of the load currents results in particular in the 1 illustrated embodiment automatically from the respective internal resistances of the two parallel-connected batteries B1, B2.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die beiden Batterien B1, B2 direkt parallel miteinander verschaltet und mit der elektrischen Maschine 2 elektrisch verbunden. Im Unterschied dazu sind die beiden Batterien B1, B2 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 nicht direkt parallel miteinander verschaltet, sondern die beiden Batterien B1, B2 sind über zumindest eine Schaltvorrichtung S1, S2 und/oder zumindest einen bidirektionalen Gleichspannungswandler 4, auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, zueinander elektrisch parallel schaltbar oder geschaltet. Im in 2 dargestellten Beispiel sind zwischen den beiden Batterien B1, B2 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 4 und eine dazu parallel geschaltete erste Schaltvorrichtung S1 vorgesehen, wobei die parallele Verschaltung der zweiten Batterie B2 mit der ersten Batterie B1 zwischen der elektrischen Maschine 2 und der Parallelschaltung aus bidirektionalem Gleichspannungswandler 4 und erster Schaltvorrichtung S1, genauer gesagt zwischen dem Wechselrichter 3 und der Parallelschaltung aus bidirektionalem Gleichspannungswandler 4 und erster Schaltvorrichtung S1, erfolgt.In the embodiment according to 1 the two batteries B1, B2 are connected directly in parallel with each other and with the electric machine 2 electrically connected. In contrast, the two batteries B1, B2 in the embodiment according to 2 not directly connected in parallel with each other, but the two batteries B1, B2 are at least one switching device S1, S2 and / or at least one bidirectional DC-DC converter 4 , also referred to as a DC / DC converter, electrically switchable or connected to each other in parallel. Im in 2 shown example, between the two batteries B1, B2, a bidirectional DC-DC converter 4 and a first switching device S1 connected in parallel therewith, wherein the parallel connection of the second battery B2 with the first battery B1 between the electric machine 2 and the parallel connection of bidirectional DC-DC converter 4 and first switching device S1, more specifically, between the inverter 3 and the parallel connection of bidirectional DC-DC converter 4 and first switching device S1, takes place.

Des Weiteren ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Leiterzweig der zweiten Batterie B2, d. h. vor der parallelen Verschaltung mit der ersten Batterie B1, eine zweite Schaltvorrichtung S2 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen können beispielsweise auch nur die erste Schaltvorrichtung S1 oder nur die zweite Schaltvorrichtung S2 oder nur der bidirektionale Gleichspannungswandler 4 oder eine Kombination, welche nur die erste Schaltvorrichtung S1 und den bidirektionalen Gleichspannungswandler 4 oder nur die zweite Schaltvorrichtung S2 und den bidirektionalen Gleichspannungswandler 4 oder nur die beiden Schaltvorrichtungen S1, S2 umfasst, vorgesehen sein. Der bidirektionale Gleichspannungswandler 4, welcher zweckmäßigerweise als ein Hochvolt-Gleichspannungswandler ausgebildet ist, kann beispielsweise als Synchronwandler, auch als Gleichspannungstransformator bezeichnet, oder als Split-Pi-Wandler ausgebildet sein.Furthermore, in the exemplary embodiment illustrated here, a second switching device S2 is arranged in the conductor branch of the second battery B2, ie, before the parallel connection to the first battery B1. In further embodiments, for example, only the first switching device S1 or only the second switching device S2 or only the bidirectional DC-DC converter 4 or a combination comprising only the first switching device S1 and the bidirectional DC-DC converter 4 or only the second switching device S2 and the bidirectional DC-DC converter 4 or only the two switching devices S1, S2 comprises, be provided. The bidirectional DC-DC converter 4 , which is expediently designed as a high-voltage DC-DC converter, may for example be designed as a synchronous converter, also referred to as a DC voltage transformer, or as a split-Pi converter.

Mit solch einem bidirektionalen Gleichspannungswandler 4 können unterschiedliche Spannungsniveaus und unterschiedliche Ladezustände der beiden Batterien B1, B2 realisiert werden. Daraus resultieren Vorteile bei Flexibilität, Kosten und erforderlichem Bauraum. Auch bei einer Rekuperation des Fahrzeugs, bei welcher das Fahrzeug mittels der dann als elektrischer Generator betriebenen elektrischen Maschine 2 verzögert wird, wobei die elektrische Maschine 2 elektrische Energie erzeugt, mittels welcher eine der beiden Batterien B1, B2 oder beide Batterien B1, B2 geladen werden können, ergeben sich durch diese Ausbildung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 Vorteile, da dabei entstehende hohe Lade-Spitzenleistungen besser in die dafür ausgelegte Hochleistungsbatterie, d. h. in die zweite Batterie B2, gespeist werden können. Beispielsweise wird hierfür während des Rekuperationsvorgangs oder zumindest während eines oder mehrerer Teilabschnitte des Rekuperationsvorgangs die erste Schaltvorrichtung S1 geöffnet, so dass, wenn kein bidirektionaler Gleichspannungswandler 4 vorhanden ist, dann lediglich die zweite Batterie B2 mit der elektrischen Maschine 2 elektrisch verbunden ist. Dazu ist, wenn die zweite Schaltvorrichtung S2 vorhanden ist, diese natürlich geschlossen. In 2 ist die zweite Schaltvorrichtung S2 im geschlossenen Zustand dargestellt.With such a bidirectional DC-DC converter 4 Different voltage levels and different states of charge of the two batteries B1, B2 can be realized. This results in advantages in terms of flexibility, cost and required space. Even with a recuperation of the vehicle, in which the vehicle by means of then operated as an electric generator electric machine 2 is delayed, the electric machine 2 generates electrical energy by means of which one of the two batteries B1, B2 or both batteries B1, B2 can be charged, resulting from this design of the electric drive device 1 Advantages, since thereby resulting high charging peak power can be better fed into the designed high-performance battery, ie in the second battery B2. For example, during the recuperation process or at least during one or more subsections of the recuperation process, the first switching device S1 is opened for this purpose, so that if no bidirectional DC-DC converter 4 is present, then only the second battery B2 with the electric machine 2 electrically connected. For this purpose, if the second switching device S2 is present, this course closed. In 2 the second switching device S2 is shown in the closed state.

Zudem können bei dieser Ausführungsform gemäß 2 sowie auch bei den oben geschilderten zu 2 alternativen Ausführungsformen, welche, wie oben beschrieben, nur eine der Schaltvorrichtungen S1, S2 oder nur den bidirektionalen Gleichspannungswandler 4 oder nur eine der oben beschriebenen anderen Kombinationen aus Schaltvorrichtungen S1, S2 und/oder bidirektionalem Gleichspannungswandler 4 aufweisen können, auch ein oder mehrere andere elektrische Verbraucher V1, V2, V3 des Fahrzeugs mit einer der beiden Batterien B1, B2, zweckmäßigerweise mit der ersten Batterie B1, der die geringere elektrische Leistung entnehmbar ist, elektrisch verbunden werden. Im hier dargestellten Beispiel sind als erster elektrischer Verbraucher V1 eine elektrische Heizvorrichtung des Fahrzeugs, auch als PTC-Heizer bezeichnet, als zweiter elektrischer Verbraucher V2 ein elektrischer Kältemittelverdichter einer Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs und als dritter elektrischer Verbraucher V3 ein 12 Volt-Gleichspannungswandler, auch als 12 V-DC/DC-Wandler bezeichnet, mit der ersten Batterie B1, der die geringere elektrische Leistung entnehmbar ist, elektrisch verbunden.In addition, in this embodiment according to 2 as well as in the above 2 alternative embodiments, which, as described above, only one of the switching devices S1, S2 or only the bidirectional DC-DC converter 4 or only one of the other combinations of switching devices S1, S2 and / or bidirectional DC-DC converter described above 4 may also be one or more other electrical loads V1, V2, V3 of the vehicle with one of the two batteries B1, B2, advantageously with the first battery B1, which is the lower electrical power can be removed electrically connected. In the example shown here, the first electrical load V1 is an electric heater of the vehicle, also referred to as a PTC heater, a second electric load V2 is an electric refrigerant compressor of an air conditioning device of the vehicle and the third electrical load V3 is a 12 volt DC voltage converter, also referred to as 12 V-DC / DC converter, electrically connected to the first battery B1, which can be removed from the lower electric power.

Ein weiterer Vorteil liegt insbesondere bei Kälte vor, da bei entsprechender Auslegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1, insbesondere der Batterien B1, B2, eine erforderliche Erwärmung der Batterien B1, B2 gesteuert werden kann. Dabei wird zweckmäßigerweise über eine Temperiereinrichtung bzw. über deren bevorzugte Nutzung zunächst die kleine Hochleistungsbatterie erwärmt, d. h. die leistungsorientierte zweite Batterie B2, wodurch Aufwärmzeiten bzw. Wartezeiten verringert werden, da, je nach Auslegung der elektrischen Antriebsvorrichtung 1, bereits mit der leistungsorientierten zweiten Batterie B2 losgefahren werden kann. In Schwachlastphasen während des Fahrbetriebs kann die leistungsorientierte zweite Batterie B2 dann aus der energieorientierten ersten Batterie B1 nachgeladen werden.Another advantage is especially in cold, as with appropriate design of the electric drive device 1 , in particular the batteries B1, B2, a required heating of the batteries B1, B2 can be controlled. In this case, the small high-performance battery is expediently heated by means of a tempering device or its preferred use, ie the power-oriented second battery B2, whereby warm-up times or waiting times are reduced, since, depending on the design of the electric drive device 1 , already with the performance-oriented second Battery B2 can be started. In low-load phases during driving, the power-oriented second battery B2 can then be recharged from the energy-oriented first battery B1.

Durch eine jeweils geeignete Schaltstellung der beiden Schaltvorrichtungen S1, S2 kann das Laden und Entladen der beiden Batterien B1, B2 gesteuert werden. So kann beispielsweise in einem normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs lediglich die energieorientierte erste Batterie B1 zur elektrischen Energieversorgung mit der elektrischen Maschine 2 des Fahrzeugs elektrisch verbunden sein. Bei einer höheren Leistungsanforderung kann dann die zweite Schaltvorrichtung S2 geschlossen und dadurch die leistungsorientierte zweite Batterie B2 zugeschaltet werden. Durch eine entsprechende Schaltstellung kann die elektrische Maschine 2 auch lediglich von der leistungsorientierten zweiten Batterie B2 mit elektrischer Energie versorgt werden, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise in einer Startphase bei kalten Umgebungsbedingungen. Analoge Schaltstellungen sind auch während Ladephasen möglich, d. h. während die elektrische Maschine 2 als elektrischer Generator betrieben wird. Dann können beispielsweise durch entsprechende Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen S1, S2 nur die erste Batterie B1 oder nur die zweite Batterie B2 oder beide Batterien B1, B2 geladen werden. In 2 ist die erste Schaltvorrichtung S1 in der geöffneten Schaltstellung und die zweite Schaltvorrichtung S2, wie oben bereits erwähnt, in der geschlossenen Schaltstellung dargestellt.By a respective suitable switching position of the two switching devices S1, S2, the charging and discharging of the two batteries B1, B2 can be controlled. Thus, for example, in a normal driving operation of the vehicle, only the energy-oriented first battery B1 for the electrical power supply to the electric machine 2 be electrically connected to the vehicle. With a higher power requirement, the second switching device S2 can then be closed and thereby the power-oriented second battery B2 can be switched on. By an appropriate switching position, the electric machine 2 are also supplied only by the power-oriented second battery B2 with electrical energy, as already described above, for example in a start-up phase in cold ambient conditions. Analogue switching positions are also possible during charging phases, ie during the electrical machine 2 is operated as an electric generator. Then, for example, by appropriate switching positions of the switching devices S1, S2, only the first battery B1 or only the second battery B2 or both batteries B1, B2 are loaded. In 2 is the first switching device S1 in the open switching position and the second switching device S2, as already mentioned above, shown in the closed switching position.

Bei beiden Ausführungsbeispielen können die Batterien B1, B2 räumlich getrennt im Fahrzeug angeordnet sein, wodurch die Massenbalance des Fahrzeugs verbessert werden kann und vorhandene Bauräume optimal genutzt werden können. Dabei ist vorzugsweise die zweite Batterie B2, der die höhere elektrische Leistung entnehmbar ist, näher an der elektrischen Maschine 2 positioniert als die erste Batterie B1. Dadurch können kurze Verlegewege für Hochleistungshochvoltkabel zwischen der leistungsorientierten zweiten Batterie B2, d. h. der Hochleistungsbatterie, und der elektrischen Maschine 2 erreicht werden, wodurch eine Reduzierung von Kosten und Gewicht erreicht wird und elektrische Verluste minimiert werden.In both embodiments, the batteries B1, B2 may be arranged spatially separated in the vehicle, whereby the mass balance of the vehicle can be improved and existing space can be used optimally. In this case, preferably the second battery B2, which can be removed from the higher electrical power, closer to the electric machine 2 positioned as the first battery B1. This allows short installation paths for high-performance high-voltage cables between the power-oriented second battery B2, ie the high-performance battery, and the electric machine 2 can be achieved, whereby a reduction in cost and weight is achieved and electrical losses are minimized.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: elektrischen Antriebsvorrichtungelectric drive device
22: elektrische Maschineelectric machine
33: Wechselrichterinverter
44: GleichspannungswandlerDC converter
B1, B2B1, B2: Batteriebattery
S1, S2S1, S2: Schaltvorrichtungswitching device
V1, V2, V3V1, V2, V3: elektrischer Verbraucherelectrical consumer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2014/196933 A1 [0002]
WO 2012/054617 A1 [0003]

Claims

Electric drive device ( 1 ) for a vehicle, comprising at least one electric machine ( 2 ) for driving the vehicle and at least two batteries (B1, B2) for the electrical power supply of the electrical machine ( 2 ), characterized in that the two batteries (B1, B2) are formed such that the one battery (B2), a higher electrical power is removable than the other battery (B1), wherein the two batteries (B1, B2) to each other electrically parallel switchable or switched with the electric machine ( 2 ) are electrically connected or connected.

Electric drive device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the two batteries (B1, B2) via at least one switching device (S1, S2) and / or at least one bidirectional DC-DC converter ( 4 ) are electrically switched or connected to each other in parallel.

Vehicle with an electric drive device ( 1 ) according to claim 1 or 2.

Vehicle according to claim 3 comprising at least one internal combustion engine and / or at least one fuel cell.

Vehicle according to claim 3 or 4, characterized in that the two batteries (B1, B2) are arranged spatially separated.

Vehicle according to one of claims 3 to 5, characterized in that the battery (B2), which can be removed from the higher electrical power, closer to the electrical machine ( 2 ) is positioned as the other battery (B1).

Vehicle according to one of claims 3 to 6, characterized in that at least one further electrical load (V1, V2, V3) of the vehicle with the battery (B1), which can be removed from the lower electrical power, is electrically connected or connected.