DE102016015314A1

DE102016015314A1 - Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102016015314A1
Application number: DE102016015314.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Weigold; Urs Böhme; Alexander Nisch; Moritz Haußmann; Christian Klöffer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine elektrische Drehstrommaschine (6) und eine Batterie (2) zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine (6). Erfindungsgemäß weist die elektrische Drehstrommaschine (6) zwei getrennte Drehstromsysteme (6.1, 6.2) auf, wobei die beiden Drehstromsysteme (6.1, 6.2) mit jeweils einem Inverter (7, 8) elektrisch gekoppelt sind, wobei die Inverter (7, 8) mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch gekoppelt sind und wobei eine Schalteinheit (9) vorgesehen ist, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2015 014 612 A1 beschrieben, eine elektrische Maschinenanordnung bekannt, welche eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator sowie eine elektronische Regelung zur Ansteuerung des Stators umfasst. Der Stator umfasst eine Anzahl von achtzehn oder einem ganzzahligen Vielfachen von achtzehn Statorspulen, die mit der elektronischen Regelung elektrisch verbunden sind. Die elektronische Regelung umfasst drei elektronische Regelmodule, von denen jedes Ausgänge für jeweils drei zueinander um 120° versetzte Phasen aufweist, wobei ein Ausgang des ersten Regelmodule und ein Ausgang des zweiten Regelmoduls untereinander derart phasenverschoben sind, dass die Phase +U1 des ersten Regelmoduls zu der Phase +U2 des zweiten Regelmoduls einen Phasenunterschied von 20° aufweist. Entsprechend weist die Phase +U1 des ersten Regelmoduls zu der Phase +U3 des dritten Regelmoduls einen Phasenunterschied von 40° auf. Durch die Phasenverschiebung der Regelmodule untereinander ergibt sich eine neunphasige Ansteuerung des Stators, wobei die mit jeweils einer der Phasen verbundenen Statorspulen abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen verbundenen Statorspulen eine jeweils negierte Phase wirkt, wobei je achtzehn aufeinanderfolgende Statorspulen mit dem Anschlussschema +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|+W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2 angeschlossen sind. Die Statorspulen sind fest mit den elektronischen Regelmodulen verschaltet.
Des Weiteren ist auch eine Batterieanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung aus dem Patent DE 10 2015 006 208 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, umfasst eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine. Erfindungsgemäß weist die elektrische Drehstrommaschine zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem Inverter elektrisch gekoppelt sind und wobei die Inverter mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind, beispielsweise mit unterschiedlichen Einzelzellen und/oder unterschiedlichen Zellverbünden oder Zellpacks, die jeweils mehrere Einzelzellen aufweisen. Derartige Inverter werden auch als Wechselrichter bezeichnet. Es ist eine Schalteinheit vorgesehen, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche der Batterie elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können Batterien mit einer höheren elektrischen Spannung verwendet werden, wobei auch derartige Batterien mit einer Ladeinfrastruktur, welche nur für Batterien mit einer geringeren elektrischen Spannung ausgelegt sind, geladen werden können. So ist es derzeit beispielsweise noch der Fall, dass die bestehende Gleichstromladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge üblicherweise nur Batterien bis zu einer elektrischen Spannung von 500 V unterstützt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es ermöglicht, ohne Zusatzbauteile auch Batterien mit größerer elektrischer Spannung an dieser bestehenden Infrastruktur zu laden. Dazu können die beiden Inverter beispielsweise derart angesteuert werden, dass die elektrische Energie, welche während des Ladens in den mit dem einen Inverter elektrisch gekoppelten Teilbereich der Batterie eingespeist wird, über die beiden Inverter auch in den mit dem zweiten Inverter elektrisch gekoppelten anderen Teilbereich der Batterie eingespeist wird oder zumindest teilweise eingespeist wird. Dadurch kann das Fahrzeug sowohl an einer Ladeinfrastruktur, welche für Batterien mit kleineren elektrischen Spannungen ausgelegt ist, als auch an einer Ladeinfrastruktur, welche für die elektrische Gesamtspannung der hier verwendeten Batterie ausgelegt ist, jeweils ohne Zusatzkomponenten geladen werden. Zum Laden der Batterie an einer Ladeinfrastruktur, welche für die elektrische Gesamtspannung der hier verwendeten Batterie ausgelegt ist, wird die Schalteinheit geschlossen, wodurch die beiden elektrochemischen Teilbereiche der Batterie elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Die elektrische Kopplung der beiden Inverter mit jeweils einem Teilbereich der Batterie ermöglicht zudem eine Verwendung von Halbleitern mit geringerer Sperrfähigkeit. Dies verringert Verluste im Vergleich zu einer Verwendung von Halbleitern, die die größere elektrische Gesamtspannung der Batterie sperren könnten.
Des Weiteren werden durch die erfindungsgemäße Lösung Wirkungsgradvorteile im Teillastbereich erzielt, da hier einer der beiden Inverter abgeschaltet werden kann, wodurch Grundverluste reduziert werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann zudem in allen Betriebszuständen stets eine galvanische Trennung von für die kleine Teilbereichsspannung von beispielsweise 400 V vorgesehenen Komponenten von der Gesamtspannung der Batterie bzw. einer entsprechenden hohen Ladespannung von beispielsweise 800 V sichergestellt werden.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem durch die beiden getrennt bestrombaren Drehstromsysteme der Drehstrommaschine sowie die beiden mit jeweils einem der Drehstromsysteme elektrisch gekoppelten Inverter und elektrochemischen Teilbereiche der Batterie eine Redundanz auf, d. h. es sind zwei elektrische Teilantriebssysteme vorhanden, welche jeweils mit der niedrigen Teilbereichsspannung betrieben werden. Dadurch wird bei einem Fehler in einem dieser Teilantriebssysteme ein Notbetrieb ermöglicht, in welchem das Fahrzeug mit dem jeweils noch intakten Teilantriebssystem weiterhin bewegt werden kann, beispielsweise nach Hause, zu einer Werkstatt oder zu einem sicheren Abstellplatz für das Fahrzeug.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug,
2 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 1 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer hohen Gleichspannung als Ladespannung,
3 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 1 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer niedrigen Gleichspannung als Ladespannung,
4 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 1 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer Wechselspannung als Ladespannung,
5 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 1 während eines elektrischen Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
6 schematisch eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems für ein Fahrzeug,
7 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 6 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer hohen Gleichspannung als Ladespannung,
8 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 6 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer niedrigen Gleichspannung als Ladespannung,
9 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 6 während eines Ladens einer Batterie des elektrischen Antriebssystems mit einer Wechselspannung als Ladespannung, und
10 schematisch ein Leistungsfluss in der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß 6 während eines elektrischen Fahrbetriebs des Fahrzeugs.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 und 6 zeigen schematische Darstellungen von beispielsweisen zwei grundlegenden Ausführungsformen eines elektrischen Antriebssystems 1 für ein beispielsweise als Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug und zugehöriger Betriebsarten. Diese Ausführungsformen weisen gegenüber vorbekanntem Stand der Technik, wie zum Beispiel den in der Schrift DE 10 2015 006 208 A1 dargestellten Ausführungsformen, erhebliche Vorteile auf, wie im Folgenden erläutert wird. In den 2 bis 5 wird die Ausführungsform der 1 in verschiedenen Zuständen näher erläutert und in den 7 bis 10 die Ausführungsform der 6.
Das elektrische Antriebssystem 1 gemäß diesen beiden vorteilhaften Ausführungsformen umfasst eine elektrische Drehstrommaschine 6 als elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs und des Weiteren ebenfalls eine Batterie 2, insbesondere eine Hochvoltbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur elektrischen Energieversorgung der Drehstrommaschine 6. Diese Batterie 2 ist aus mehreren elektrochemischen Einzelzellen und/oder mehreren Zellverbünden oder Zellpacks elektrochemischer Einzelzellen ausgebildet, so dass sie in zwei elektrochemische Teilbereiche 2.1, 2.2, auch als Batteriestränge bezeichnet, unterteilt werden kann, welche durch entsprechende elektrische Kontaktelemente der Batterie 2 jeweils elektrisch kontaktiert werden können. Im dargestellten Beispiel ist die Batterie 2 beispielsweise als eine Batterie 2 mit einer Gesamtspannung von 800 V ausgebildet und weist zwei Teilbereiche 2.1, 2.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsspannung U1, U2 von 400 V auf.
Diese Batterie 2 weist somit zwar ebenfalls die beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 auf, ist jedoch gegenüber vorbekanntem Stand der Technik, wie zum Beispiel den in der Schrift DE 10 2015 006 208 A1 dargestellten Ausführungsformen, wesentlich einfacher ausgebildet, da die umfangreiche Schaltmatrix bzw. Schützmatrix mit vielen in oder an der Batterie 2 verbauten mechanischen Bauteilen nicht erforderlich ist. Dadurch werden eine signifikante Kostenreduktion und Komplexitatsreduktion erreicht. Dennoch ermöglicht auch diese Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 das Laden der Batterie 2 sowohl mit der hohen Gleichspannung Uh, welche der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht, als Ladespannung, insbesondere mehr als 400 V, beispielsweise 800 V, als auch mit der niedrigen Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V als Ladespannung, welche der Teilbereichsspannung U1, U2 der Batterie 2 entspricht.
Die elektrische Drehstrommaschine 6 weist zwei getrennte Drehstromsysteme 6.1, 6.2 auf, d. h. zwei getrennte Dreiphasensysteme. Jedes dieser Drehstromsysteme 6.1. 6.2 umfasst mindestens drei Wicklungen W1, W2, welche jeweils einer elektrischen Phase zugeordnet sind. Die Drehstrommaschine 6 ist somit als eine 2×3-Phasen-Drehstrommaschine ausgebildet.
Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst zudem zwei Inverter 7, 8, auch als Wechselrichter bezeichnet. Jeder dieser Inverter 7, 8 ist mit jeweils einem der Drehstromsysteme 6.1, 6.2 der Drehstrommaschine 6 elektrisch gekoppelt, d. h. das eine Drehstromsystem 6.1 ist mit seinen drei elektrischen Phasen mit dem einen Inverter 7 elektrisch gekoppelt und das andere Drehstromsystem 6.2 ist mit seinen drei elektrischen Phasen mit dem anderen Inverter 8 elektrisch gekoppelt. Somit sind die Wicklungen W1 des einen Drehstromsystems 6.1 mit jeweils einer elektrischen Phase des einen Inverters 7 und die Wicklungen W2 des anderen Drehstromsystems 6.2 mit jeweils einer elektrischen Phase des anderen Inverters 8 elektrisch gekoppelt.
Die beiden Inverter 7, 8 sind mit jeweils einem der elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch gekoppelt. D. h. der eine Inverter 7 ist mit dem einen Teilbereich 2.1 und der andere Inverter 8 mit dem anderen Teilbereich 2.2 der Batterie 2 elektrisch gekoppelt.
Die beiden Drehstromsysteme 6.1, 6.2 der elektrischen Drehstrommaschine 6 werden somit von getrennten Invertern 7, 8 betrieben, wie oben beschrieben. Die Verschaltung des jeweiligen Drehstromsystems 6.1, 6.2 mit dem jeweiligen Inverter 7, 8 kann beispielsweise als Sternschaltung oder Dreieckschaltung erfolgen. Auch eine Kombination aus Sternschaltung und Dreieckschaltung ist möglich. Durch die getrennten Inverter 7, 8 und Drehstromsysteme 6.1, 6.2 ist auch eine unterschiedliche Verschaltung der Drehstromsysteme 6.1, 6.2 möglich, beispielsweise ist das eine Drehstromsystem 6.1 mit dem ihm zugeordneten Inverter 7 über eine Dreieckschaltung verschaltet und das andere Drehstromsystem 6.2 ist mit dem ihm zugeordneten Inverter 8 über eine Sternschaltung verschaltet oder umgekehrt.
Eine Gleichspannungsversorgung der Inverter 7, 8 erfolgt jeweils über Teilabgriffe der Batterie 2, d. h. über die oben beschriebene elektrische Kopplung des jeweiligen Inverters 7, 8 mit jeweils einem Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2. Im dargestellten Beispiel, in welchem die Batterie 2, wie oben bereits beschrieben, als eine Batterie 2 mit einer Gesamtspannung von 800 V ausgebildet ist und zwei Teilbereiche 2.1, 2.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsspannung U1, U2 von 400 V aufweist, kann somit der eine Inverter 7 mit 400 V des einen Teilbereichs 2.1, auch als untere 400 V der Batterie 2 bezeichnet (Teilbereich von 0 V–400 V), versorgt werden und der andere Inverter 8 mit 400 V des anderen Teilbereichs 2.2, auch als obere 400 V der Batterie 2 bezeichnet (Teilbereich von 400 V–800 V), versorgt werden. Die dargestellten Inverterschalter IS im jeweiligen Inverter 7, 8 sind zweckmäßigerweise als Halbleiterschalter ausgebildet. Durch die geringere Spannungsbeaufschlagung des jeweiligen Inverters 7, 8 können Halbleiter, d. h. Halbleiterschalter, mit einer geringeren Sperrfestigkeit im Vergleich zu einer Spannungsversorgung mit der Gesamtspannung der Batterie 2 verwendet werden.
Über einen Stator der elektrischen Drehstrommaschine 6 kann die elektrische Energie von der einen Spannungsebene, d. h. von dem einen Teilbereich 2.1 der Batterie 2, zumindest teilweise, in die andere Spannungsebene, d. h. in den anderen Teilbereich 2.2 der Batterie 2, übertragen werden und zweckmäßigerweise auch umgekehrt.
Alternativ zur oben beschriebenen gleichmäßigen Aufteilung der Gesamtspannung der Batterie 2 auf die beiden Inverter 7, 8 und somit auf die beiden Drehstromsysteme 6.1, 6.2 kann auch eine Aufteilung in einem anderen Verhältnis erfolgen. Dies kann beispielsweise über die oben beschriebenen Schaltungsarten, d. h. die Verschaltung des jeweiligen Inverters 7, 8 mit dem jeweiligen Drehstromsystem 6.1, 6.2, beispielsweise über eine Sternschaltung oder Dreieckschaltung und/oder über eine Windungsanzahl der Wicklungen W1, W2 der Drehstromsysteme 6.1, 6.2, erfolgen. So kann beispielsweise für die gleichmäßige Aufteilung der Gesamtspannung vorgesehen sein, dass die Wicklungen W1, W2 der beiden Drehstromsysteme 6.1, 6.2 eine gleiche Windungsanzahl aufweisen. Für eine Aufteilung in einem anderen Verhältnis kann vorgesehen sein, dass die Wicklungen W1 des einen Drehstromsystems 6.1 eine höhere oder geringere Windungsanzahl aufweisen als die Wicklungen W2 des anderen Drehstromsystems 6.2.
Insbesondere zum Laden der Batterie 2 können die beiden Inverter 7, 8 derart angesteuert werden, dass die elektrische Energie, die in den einen Teilbereich 2.1 eingespeist wird, beispielsweise auf der unteren 400 V-Ebene, auch in den zweiten Teilbereich 2.2 der Batterie 2 gelangt und umgekehrt. Dadurch wird es ermöglicht, das Fahrzeug sowohl an einer 400 V-Ladesäule als auch an einer 800 V-Ladesäule ohne Zusatzkomponenten zu laden.
Zusätzlich zu den Invertern 7, 8 können auch Nebenverbraucher 11 des Fahrzeugs an jeweils einen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch angeschlossen werden, in den hier dargestellten Beispielen gemäß den 1 bis 10 an den zweiten Teilbereich 2.2. Eine Symmetrierung der Batterie 2 kann über die beiden Inverter 7, 8 erfolgen.
Die Verwendung der beiden Inverter 7, 8 an den beiden Teilbereichen 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. die elektrische Kopplung der Inverter 7, 8 mit jeweils einem Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2, ermöglicht, wie oben bereits beschrieben, die Verwendung von Halbleitern mit geringerer Sperrfestigkeit in den Invertern 7, 8. Dadurch werden im Vergleich zur Verwendung von Halbleitern, die eine Spannung von 800 V sperren können, Verluste reduziert.
Des Weiteren ermöglicht es die beschriebene Lösung, in einem Teillastbereich der elektrischen Drehstrommaschine 6, beispielsweise während eines Teillasffahrbetriebs des Fahrzeugs, einen der beiden Inverter 7, 8 abzuschalten, wodurch Grundverluste dieses Inverters 7, 8 eliminiert werden. Zudem weist das elektrische Antriebssystem 1 durch die beiden getrennt bestrombaren Drehstromsysteme 6.1, 6.2 der Drehstrommaschine 6 sowie die beiden mit jeweils einem der Drehstromsysteme 6.1, 6.2 elektrisch gekoppelten Inverter 7, 8 und elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 eine Redundanz auf, d. h. es sind zwei elektrische Teilantriebssysteme vorhanden, welche jeweils mit der niedrigen Teilbereichsspannung U1, U2 betrieben werden. Dadurch wird bei einem Fehler in einem dieser Teilantriebssysteme ein Notbetrieb ermöglicht, in welchem das Fahrzeug mit dem jeweils noch intakten Teilantriebssystem weiterhin bewegt werden kann, beispielsweise nach Hause, zu einer Werkstatt oder zu einem sicheren Abstellplatz für das Fahrzeug.
Bei den vorteilhaften Ausführungsformen des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß den 1 bis 10 ist zudem eine Schalteinheit 9 vorgesehen, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind. Diese Schalteinheit 9 ist beispielsweise als ein Schütz oder als ein anderer Schalter ausgebildet. In einem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird diese Schalteinheit 9 in Abhängigkeit von einer jeweiligen Betriebsart des elektrischen Antriebssystems 1 geschlossen, um die elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch in Reihe zu schalten, oder geöffnet, um die elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch, insbesondere galvanisch, voneinander zu trennen, wie im Folgenden anhand der 2 bis 5 und 7 bis 10 näher erläutert wird.
Diese vorteilhaften Ausführungsformen des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß den 1 bis 10 ermöglichen es zudem, die Batterie 2 nicht nur an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle zu laden, welche die hohe Gleichspannung Uh von beispielsweise 800 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht, oder welche die niedrige Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Teilbereichsspannung U1, U2 der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht, sondern die Batterie 2 kann zudem auch an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle geladen werden, welche eine Wechselspannung Uw als Ladespannung zur Verfügung stellt.
Um dies zu ermöglichen, umfasst dieses elektrische Antriebssystem 1 eine On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung 10. Diese On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung 10 ist im Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 1 mit einem der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, hier mit dem zweiten elektrochemischen Teilbereich 2.2 der Batterie 2, elektrisch gekoppelt, und im Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 6 mit beiden elektrochemischen Teilbereichen 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch gekoppelt.
Die 1 und die 6 zeigen jeweils einen Prinzipaufbau der jeweiligen Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 mit den möglichen anlegbaren Ladespannungen in Form der hohen elektrischen Gleichspannung Uh, der niedrigen elektrischen Gleichspannung Un oder der elektrischen Wechselspannung Uw und die 2 bis 5 bzw. 7 bis 10 zeigen die jeweilige Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 in einer jeweiligen Betriebsart mit einem jeweiligen Leistungsfluss innerhalb des elektrischen Antriebssystems 1 und einer jeweiligen magnetischen Leistungsübertragung P1 innerhalb der elektrischen Drehstrommaschine 6. Der Leistungsfluss wird dargestellt durch dicke Pfeile für einen Ladestromhauptanteil P2 bzw. für einen Entladestrom P4 und strichpunktierte Pfeile für einen Balancingstrom P3. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist zudem dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 jeweils ein Zwischenkreiskondensator ZK1, ZK2 zugeordnet.
2 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 1 das Laden der Batterie 2 an einer zweckmäßigerweise galvanisch getrennten fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise Ladestation, welche die hohe Gleichspannung Uh von beispielsweise 800 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht. Um das Laden der Batterie 2 mit dieser Ladespannung zu ermöglichen, wird die Schalteinheit 9 geschlossen, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Über den Spannungsteiler der beiden Zwischenkreiskondensatoren ZK1, ZK2 werden die beiden dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordneten Bordnetze inklusive der Nebenverbraucher 11 betrieben. Die Inverter 7, 8 können zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
3 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 1 das Laden der Batterie 2 an einer zweckmäßigerweise galvanisch getrennten fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise Ladestation, welche die niedrige Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Teilbereichsspannung U1, U2 der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht. Um das Laden der Batterie 2 mit dieser Ladespannung zu ermöglichen, wird die Schalteinheit 9 geöffnet, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch voneinander getrennt sind. Beide dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordnete Bordnetze sind nun galvanisch getrennt. Die Inverter 7, 8 können zum Laden des anderen Teilbereichs 2.1, hier des ersten Teilbereichs 2.1, der Batterie 2 und/oder zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
4 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 1 das Laden der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, welche die Wechselspannung Uw als Ladespannung zur Verfügung stellt. Hierfür wird die Schalteinheit 9 bei der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß den 1 bis 5 geöffnet, da hier die On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung 10 mit einem der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, hier mit dem zweiten Teilbereich 2.2, elektrisch gekoppelt ist und die als Wechselspannung Uw ausgebildete Ladespannung in die niedrige Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V, die der Teilbereichsspannung U1, U21 der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht, umwandelt.
Die Stellung der Schalteinheit 9 und die daraus resultierende Trennung der beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht somit dem in 3 dargestellten und oben beschriebenen Laden der Batterie 2 an der zweckmäßigerweise galvanisch getrennten fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise Ladestation, welche die niedrige Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Teilbereichsspannung U1, U2 der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht. Dies gilt ebenfalls für die magnetische Leistungsübertragung P1, den Ladestromhauptanteil P2 und den Balancingstrom P3. Auch hier können die Inverter 7, 8 zum Laden des anderen Teilbereichs 2.1, hier des ersten Teilbereichs 2.1, der Batterie 2 und/oder zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
5 zeigt die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 1 während eines elektrischen Fahrbetriebs des Fahrzeugs. Zur Durchführung dieses elektrischen Fahrbetriebs wird die Schalteinheit 9 geöffnet, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch voneinander getrennt sind. Beide dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordnete Bordnetze sind nun galvanisch getrennt. Beide Teilbereiche 2.1, 2.2 werden während des normalen Fahrbetriebs entladen, wie durch die Pfeile des Entladestroms P4 dargestellt. Über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, kann zum Balancing Leistung übertragen werden, um den Ladestand der beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 aneinander anzugleichen. Beide elektrische Teilantriebssysteme sind redundant und ermöglichen somit eine Weiterfahrt im Fehlerfall eines der Teilantriebssysteme oder eines der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2.
7 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 6 das Laden der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, welche die hohe Gleichspannung Uh von beispielsweise 800 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht. Die Stellung der Schalteinheit 9, die magnetische Leistungsübertragung P1, der Ladestromhauptanteil P2 und der Balancingstrom P3 entsprechen dabei der Darstellung in 2. Um das Laden der Batterie 2 mit dieser Ladespannung zu ermöglichen, wird die Schalteinheit 9 geschlossen, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Über den Spannungsteiler der beiden Zwischenkreiskondensatoren ZK1, ZK2 werden die beiden dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordneten Bordnetze inklusive der Nebenverbraucher 11 betrieben. Die Inverter 7, 8 können zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
8 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 6 das Laden der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, welche die niedrige Gleichspannung Un von beispielsweise 400 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Teilbereichsspannung U1, U2 der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht. Die Stellung der Schalteinheit 9, die magnetische Leistungsübertragung P1, der Ladestromhauptanteil P2 und der Balancingstrom P3 entsprechen dabei der Darstellung in 3. Um das Laden der Batterie 2 mit dieser Ladespannung zu ermöglichen, wird die Schalteinheit 9 geöffnet, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch voneinander getrennt sind. Beide dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordnete Bordnetze sind nun galvanisch getrennt. Die Inverter 7, 8 können zum Laden des anderen Teilbereichs 2.1, hier des ersten Teilbereichs 2.1, der Batterie 2 und/oder zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
9 zeigt für die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 6 das Laden der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, welche die Wechselspannung Uw als Ladespannung zur Verfügung stellt. Hierfür wird die Schalteinheit 9 bei der Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß den 6 bis 10 geschlossen, da hier die On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung 10 mit beiden elektrochemischen Teilbereichen 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch gekoppelt ist und die als Wechselspannung Uw ausgebildete Ladespannung in die hohe Gleichspannung Uh von beispielsweise 800 V, die der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht, umwandelt.
Die Stellung der Schalteinheit 9 und die daraus resultierende elektrische Reihenschaltung der beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht somit dem in 7 dargestellten und oben beschriebenen Laden der Batterie 2 an der zweckmäßigerweise galvanisch getrennten fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise Ladestation, welche die hohe Gleichspannung Uh von beispielsweise 800 V als Ladespannung zur Verfügung stellt, die der Gesamtspannung der Batterie 2 entspricht. Dies gilt ebenfalls für die magnetische Leistungsübertragung P1, den Ladestromhauptanteil P2 und den Balancingstrom P3. Über den Spannungsteiler der beiden Zwischenkreiskondensatoren ZK1, ZK2 werden die beiden dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordneten Bordnetze inklusive der Nebenverbraucher 11 betrieben. Die Inverter 7, 8 können zum Balancing der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, währenddessen Leistung übertragen, dargestellt durch den Pfeil der magnetischen Leistungsübertragung P1.
10 zeigt die Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß 6 während eines elektrischen Fahrbetriebs des Fahrzeugs. Die Stellung der Schalteinheit 9, die magnetische Leistungsübertragung P1, der Ladestromhauptanteil P2 und der Balancingstrom P3 entsprechen dabei der Darstellung in 5. Zur Durchführung dieses elektrischen Fahrbetriebs wird die Schalteinheit 9 geöffnet, wodurch die beiden Teilbereiche 2.1, 2.2 elektrisch voneinander getrennt sind. Beide dem jeweiligen Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 zugeordnete Bordnetze sind nun galvanisch getrennt.
Beide Teilbereiche 2.1, 2.2 werden während des normalen Fahrbetriebs entladen, wie durch die Pfeile des Entladestroms P4 dargestellt. Über die magnetische Kopplung in der elektrischen Drehstrommaschine 6, d. h. über den magnetischen Fluss in der elektrischen Drehstrommaschine 6, kann zum Balancing, d. h. zum Ausgleich eines Ladestandes der Teilbereiche 2.1, 2.2, Leistung übertragen werden. Beide elektrische Teilantriebssysteme sind redundant und ermöglichen somit eine Weiterfahrt im Fehlerfall eines der Teilantriebssysteme oder eines der Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Batterie
2.1, 2.2: Teilbereich
6: Drehstrommaschine
6.1, 6.2: Drehstromsystem
7, 8: Inverter
9: Schalteinheit
10: On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung
11: Nebenverbraucher
IS: Inverterschalter
P1: magnetische Leistungsübertragung
P2: Ladestromhauptanteil
P3: Balancingstrom
P4: Entladestrom
U1, U2: Teilbereichsspannung
Uh: hohe Gleichspannung
Un: niedrige Gleichspannung
Uw: Wechselspannung
W1, W2: Wicklung
ZK1, ZK2: Zwischenkreiskondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015014612 A1 [0002]
DE 102015006208 A1 [0003, 0026, 0028]

Claims

Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine elektrische Drehstrommaschine (6) und eine Batterie (2) zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine (6), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Drehstrommaschine (6) zwei getrennte Drehstromsysteme (6.1, 6.2) aufweist, wobei die beiden Drehstromsysteme (6.1, 6.2) mit jeweils einem Inverter (7, 8) elektrisch gekoppelt sind, wobei die Inverter (7, 8) mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch gekoppelt sind und wobei eine Schalteinheit (9) vorgesehen ist, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung (10) zum Laden der Batterie (2) mit einer von einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle bereitgestellten Wechselspannung (Uw) als Ladespannung mit einem der beiden elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) oder mit beiden elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (9) in Abhängigkeit von einer jeweiligen Betriebsart des elektrischen Antriebssystems (1) geschlossen wird, um die elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch in Reihe zu schalten, oder geöffnet wird, um die elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch voneinander zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) zum elektrischen Laden der Batterie (2) mit einer hohen Gleichspannung (Uh) als Ladespannung, welche einer Gesamtspannung der Batterie (2) bei elektrisch in Reihe geschalteten elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) entspricht, geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) zum elektrischen Laden der Batterie (2) mit einer niedrigen Gleichspannung (Un) als Ladespannung, welche einer Teilbereichsspannung (U1, U2) der elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) entspricht, geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) für einen elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) zum elektrischen Laden der Batterie (2) mit einer Wechselspannung (Uw) als Ladespannung geöffnet wird, wenn die On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung (10) mit einem der beiden elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (9) zum elektrischen Laden der Batterie (2) mit einer Wechselspannung (Uw) als Ladespannung geschlossen wird, wenn die On-Board-Wechselspannungsladevorrichtung (10) mit beiden elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch gekoppelt ist.