DE102016120589A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, mit einem mehrphasigen Elektromotor (22) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einer Traktionsbatterie (30) zur Versorgung des Elektromotors (22) mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie (30) in mehrere Untermodule (31) unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen (32) aufweisen, wobei jedes Untermodul (31) eine eigene Leistungselektronik (34) aufweist, wobei jedes Untermodul (31) über die Leistungselektronik (34) mit mindestens einer Phase des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, mit einem mehrphasigen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einer Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie in mehrere Untermodule unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen aufweisen.
  • Kraftfahrzeuge mit mindestens einem Elektromotor sind üblicherweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Elektrofahrzeug bzw. Hybridfahrzeuge weisen eine elektrische Antriebseinheit auf, die sich Im Wesentlichen aus einem Elektromotor, einer Traktionsbatterie, einer Leistungselektronik und ggfs. einem Getriebe zusammensetzt. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen beim eingesetzten Elektromotor, bei der Ausführung der Traktionsbatterie oder bei der Ausgestaltung der Leistungselektronik. Die DE 10 2015 101 093 A1 beschreibt beispielsweise eine Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs mit einem mehrphasigen Elektromotor, welcher mittels einer Leistungselektronik angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Leistungselektronik ist mit einer Traktionsbatterie verbunden und dient unter Anderem dazu, den von der Traktionsbatterie bereitgestellten elektrischen Strom in einen zum Betreiben des Elektromotors benötigten Strom umzurichten. Beispielsweise richtet die Leistungselektronik einen von der Traktionsbatterie bereitgestellten Gleichstrom in einen zum Betreiben des Elektromotors erforderlichen Wechselstrom um.
  • Die in einem Elektrofahrzeug verbauten Traktionsbatterien sind üblicherweise Lithium-Ionen-Batterien, die sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine geringe Selbstentladung auszeichnen. Die Lithium-Ionen-Batterien weisen eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, wobei durch die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen die Traktionsbatterie Spannungen von mehreren 100V aufweist. Dabei werden die einzelnen Batteriezellen direkt zu einer Traktionsbatterie oder zunächst zu Untermodulen und die Untermodule miteinander zu einer Traktionsbatterie verschaltet. Üblicherweise Ist die Traktionsbatterie über eine zentrale Leistungselektronik mit dem Elektromotor verbunden. Nachteilig an einer derartigen Ausführung Ist, dass Spannungen von mehreren 100 V durch die Leistungselektronik strömen, wodurch teure Halbleiter bei der Herstellung der zentralen Leistungselektronik eingesetzt werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein Ausfall der Leistungselektronik zu einem Ausfall des gesamten Antriebssystems führt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass jedes Untermodul eine eigene Leistungselektronik aufweist, wobei jedes Untermodul über die eigene Leistungselektronik mit mindestens einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist, kann der Elektromotor von den einzelnen Untermodulen unabhängig von den sonstigen Untermodulen mit elektrischem Strom versorgt werden, wobei ein Ausfall eines Untermoduls oder der Leistungselektronik eines Untermoduls nur zu einem Leistungsabfall des Elektromotors und nicht zu einem totalen Ausfall des gesamten Antriebssystems führen würde. So wird die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht. Außerdem weisen die einzelnen Untermodule eine um ein Vielfaches kleinere Spannung auf, so dass kostengünstigere Halbleiter für die Leistungselektronik eingesetzt werden können.
  • Vorzugsweise weist jede Phase des mehrphasigen Elektromotors mindestens zwei voneinander unabhängige Wicklungen auf, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht wird, da der Elektromotor weiter betrieben werden kann, auch wenn eine der beiden Wicklung, beispielsweise durch einen Bruch des Drahtes, ausfällt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Elektromotor drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen auf, wobei die Traktionsbatterie in neun Untermodule unterteilt ist und die Untermodule über jeweils eine Wicklung mit den drei Phasen des Elektromotors elektrisch verbunden ist. Die Unterteilung der Traktionsbatterie in neun Untermodule führt dazu, dass jedes einzelne Untermodul eine geringe Spannung im Vergleich zur Spannung der Traktionsbatterie aufweist und dadurch die von der Traktionsbatterie ausgehende Gefahren in einem Crashfall reduziert werden. Außerdem kann die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen erhöht werden, da durch die Aufteilung der Traktionsbatterie in neun Untermodule der Aufladevorgang der Batteriezellen gleichmäßiger erfolgen kann.
  • Durch die Verbindung der einzelnen Untermodule mit allen drei Phasen des Elektromotors wirken die Untermodule komplett unabhängig von den anderen Untermodulen mit dem Elektromotor zusammen, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Elektromotor drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen auf, wobei die Traktionsbatterie in neun Untermodule unterteilt ist und jedes Untermodul über jeweils eine Wicklung ausschließlich mit einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist. Dadurch kann die Leistungselektronik einfacher gestaltet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Üblicherwelse werden bei Antriebssystemen für ein Elektrofahrzeug Gleichstrommotoren, Reluktanzmotoren und mehrphasige Synchronmotoren eingesetzt. Die permanenterregter Synchronmotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad aus.
  • Es wird somit ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, welches kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
    • 1 zeigt Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem in schematischer Darstellung, und
    • 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in schematischer Darstellung.
  • Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Antriebssystem 20. Das Antriebssystem 20 kann in einem rein elektrisch angetriebenen Elektrofahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden, wobei beim Hybridfahrzeug die Antriebsleistung durch einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor bereitgestellt wird.
  • Das Antriebssystem 20 weist einen Elektromotor 22 zur Bereitstellung von Antriebsleistung auf, wobei das Antriebssystem 20 zum Antreiben von Rädern 60, 62 dient. Dabei ist der Elektromotor 22 über eine ein Übersetzungsgetriebe 24 und ein Differentialgetriebe 26 mit den Rädern 60, 62 verbunden. Eine alternative Ausführung des Antriebssystems 10 ist, den Elektromotor in der Radnabe anzuordnen, wodurch die Räder direkt angetrieben werden.
  • 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Antriebssystem 20 bestehend aus dem Elektromotor 10 und der Traktionsbatterie 30. Die Traktionsbatterie 30 ist als eine Hochvolt-Batterie ausgeführt, wobei die Traktionsbatterie 30 eine Spannung von mehreren 100 V aufweist. Dabei teilt sich die Traktionsbatterie 30 in mehrere Untermodule 311-n, in der vorliegenden Ausführung in neun Untermodule 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 319, auf. Jedes Untermodul 311-n weist eine Vielzahl an Batteriezellen 321, 322, 323, 321-n auf, die miteinander beispielsweise in Reihe verschaltet sind. Die Spannung der Untermodule 311-n summiert sich aus den einzelnen Spannungen der Batteriezellen 321, 322, 323, 321-n. Die Untermodule 311-n können dabei mit der gleichen Anzahl von Batteriezellen 321, 322, 323, 321-n ausgeführt werden, so dass alle Untermodule 311-n die gleiche Spannung aufweisen. Alternativ kann die Anzahl der Batteriezellen 321, 322, 323, 321-n je Untermodul 311-n variiert werden, so dass sich die Spannungen der Untermodule 31 voneinander unterscheiden. Vorzugsweise überschreiten die einzelnen Spannungen der Untermodule 311-n die Spannung von 60 V nicht, um in jedem Fall die für den Menschen gefährliche Mindestspannung unterscheiden.
  • Jedes Untermodul 311-n ist direkt mit dem Elektromotor 20 elektrisch verbunden, wobei jedes Untermodul 311-n eine eigene Leistungselektronik 341-n aufweist. In der vorliegenden Ausführung weist jedes der neun Untermodule 311-n eine eigene Leistungselektronik 341, 342, 343, 344, 345, 346, 347, 348, 349 auf. Über die jeweilige Leistungselektronik 341-n wird beispielsweise der durch die Untermodule 311-n bereitgestellte elektrische Strom in einen zum Betreiben des Elektromotors 20 benötigten elektrischen Strom umgewandelt. Der Elektromotor 20 ist ein Synchronmotor, der durch Wechselspannung betrieben wird. Der von den Untermodulen 311-n der Traktionsbatterie 20 bereitgestellte elektrische Strom Ist ein Gleichstrom, so dass der Gleichstrom über die Leistungselektronik 341-n der Untermodule 311-n in Wechselstrom umgerichtet wird.
  • Der Elektromotor 22 ist ein dreiphasiger, permanenterregter Synchronmotor, wobei ein konstant magnetisierter Rotor von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen wird. Üblicherweise weist jede Phase eines derartigen Elektromotors eine Wicklung auf, die zeitversetzt bestromt werden. Beim vorliegenden dreiphasigen Elektromotor 20 weist jede Phase drei Wicklungen auf, so dass der Elektromotor 22 insgesamt neun Wicklungen aufweist. Auf diese Weise kann der Elektromotor 22 auch weiter betrieben werden, auch wenn beispielsweise eine Wicklung ausfällt.
  • Die 3 zeigt schematisch den Elektromotor 22 mit seinen drei Phasen, wobei der Elektromotor 22 mit Wechselspannung gespeist wird und alle drei Phasen des Elektromotors 22 über jede Leistungselektronik 341-n der jeweiligen Untermodule 311-n mit elektrischem Strom versorgt werden.
  • Die 4 zeigt schematisch den Elektromotor 22 mit seinen drei Phasen, wobei jedes Untermodul 311-n über seine Leistungselektronik 341-n ausschließlich eine Phase des Elektromotors 22 mit elektrischem Strom speist. Dabei ist jede Wicklung des Elektromotors 22 ausschließlich mit einem Untermodul 311-n elektrisch verbunden. In 4 sind exemplarisch drei der Leistungselektroniken 341-n der jeweiligen Untermodul 311-n dargestellt, die an jeweils eine Phase anschließen.
  • Im Betrieb des Antriebssystems 10 wird der Elektromotor 20 durch alle Untermodule 311-n der Traktionsbatterie 30 mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch, dass die Untermodule 311-n eine eigene Leistungselektronik 341-n aufweisen und dadurch voneinander unabhängig sind, führt beispielsweise der Ausfall eines Untermoduls oder der Leistungselektronik 341-n nicht zu einem Ausfall des gesamten Antriebssystems 10. Auf diese Welse wird die Zuverlässigkeit des Antriebssystems 10 gesteigert.
  • Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausführungsformen des Antriebssystems im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015101093 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, mit einem mehrphasigen Elektromotor (22) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einer Traktionsbatterie (30) zur Versorgung des Elektromotors (22) mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie (30) in mehrere Untermodule (311-n) unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen (321-n) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Untermodul (311-n) eine eigene Leistungselektronik (341-n) aufweist, wobei jedes Untermodul (311-n) über die Leistungselektronik (341-n) mit mindestens einer Phase des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist.
  2. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase des mehrphasigen Elektromotors (22) mindestens zwei voneinander unabhängige Wicklungen aufweist.
  3. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (22) drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen aufweist, wobei die Traktionsbatterie (30) in neun Untermodule (311-n) unterteilt ist und die Untermodule (311-n) über jeweils eine Wicklung mit den drei Phasen des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist.
  4. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (22) drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen aufweist, wobei die Traktionsbatterie (30) in neun Untermodule (311-n) unterteilt ist und jedes Untermodul (311-n) über jeweils eine Wicklung ausschließlich mit einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist.
  5. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Untermodul (311-n) die gleiche Spannung aufweist.
  6. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Untermodule (311-n) unterschiedliche Spannungen aufweisen.
  7. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der vorergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (22) ein Synchronmotor ist.
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