DE102018000465A1

DE102018000465A1 - Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102018000465A1
Application number: DE102018000465.2A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; André Haspel; Christian Ohms; Holger Schulze; Jörg Weigold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-07-12
Also published as: WO2019141492A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine Batterie (2) mit zwei unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) und zwei Inverter (IV1, IV2), welche jeweils mit einem Teilbereich (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind.Erfindungsgemäß umfasst das elektrische Antriebssystem (1) zwei elektrische Drehstrommaschinen (M1, M2), welche mit jeweils einem der Inverter (IV1, IV2) elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, wobei Sternpunkte (SP1, SP2) der elektrischen Drehstrommaschinen (M1, M2) mit jeweils einem Ladekontakt (4.1, 4.2) eines Gleichstromladeanschlusses (4) des elektrischen Antriebssystems (1) elektrisch koppelbar oder gekoppelt 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 sind, wie in der DE 10 2016 015 314 A1 beschrieben, ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb bekannt. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Drehstrommaschine und eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine. Die elektrische Drehstrommaschine weist zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem Inverter elektrisch gekoppelt sind, wobei die Inverter mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind und wobei eine Schalteinheit vorgesehen ist, mittels welcher die elektrochemischen Teilbereiche der Batterie elektrisch in Reihe schaltbar oder voneinander elektrisch trennbar sind.
In der DE 10 2016 012 876 A1 wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug beschrieben. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine elektrische Drehstrommaschine, eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine und zwei Inverter. Die elektrische Drehstrommaschine weist zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem der Inverter elektrisch gekoppelt sind, die mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind.
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 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, umfasst eine Batterie mit zwei unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen und zwei Inverter, welche jeweils mit einem Teilbereich der Batterie elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind.
Erfindungsgemäß umfasst das elektrische Antriebssystem zwei elektrische Drehstrommaschinen, welche mit jeweils einem der Inverter elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, wobei Sternpunkte der elektrischen Drehstrommaschinen mit jeweils einem Ladekontakt eines Gleichstromladeanschlusses des elektrischen Antriebssystems elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ein vollständiges Laden der Batterie auch an fahrzeugexternen Gleichstromenergiequellen, deren bereitgestellte Gleichspannung kleiner ist als eine Gesamtspannung der Batterie und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs der Batterie, wobei zudem eine Maximierung einer Ladeleistung ermöglicht wird. Insbesondere sind hierfür keine zusätzlichen Schütze in der Batterie und im Hochvoltsystem erforderlich, beispielsweise sind lediglich Ladeschalteinheiten zwischen den Sternpunkten und den Ladekontakten erforderlich.
Durch die Nutzung der beiden elektrochemischen Teilbereiche der Batterie wird zudem eine Verlustoptimierung des elektrischen Antriebssystems erreicht, da die Komponenten oder zumindest einige der Komponenten auf die halbe Bordnetzspannung des elektrischen Antriebssystems ausgelegt werden können. Des Weiteren wird dadurch eine Kostenoptimierung ermöglicht, da Komponenten, welche für die volle Bordnetzspannung ausgelegt sind, vermieden werden können.
Zum Laden an derartigen fahrzeugexternen Gleichstromenergiequellen werden dafür erforderliche Leistungsschalter im Inverter getaktet eingeschaltet und ausgeschaltet, wenn eine solche fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle mit dem Gleichstromladeanschluss des elektrischen Antriebssystems elektrisch gekoppelt ist und die Batterie geladen werden soll.
Des Weiteren ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung, einen jeweiligen elektrochemischen Teilbereich der Batterie zu laden, wenn eine von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle bereitgestellte Gleichspannung einer momentanen Klemmenspannung dieses elektrochemischen Teilbereichs der Batterie entspricht, wobei dann die erforderlichen Leistungsschalter in den Invertern eingeschaltet werden und permanent eingeschaltet bleiben. Auch dabei wird eine Maximierung der Ladeleistung ermöglicht.
Zum Laden der Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung der Gesamtspannung der Batterie entspricht, werden die erforderlichen Leistungsschalter in den Invertern ebenfalls eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug,
2 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens einer Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung einer Gesamtspannung der Batterie entspricht,
3 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens der Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung kleiner ist als die Gesamtspannung der Batterie und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs der Batterie,
4 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens eines der beiden elektrochemischen Teilbereiche der Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung einer momentanen Klemmenspannung dieses elektrochemischen Teilbereichs der Batterie entspricht,
5 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens des anderen elektrochemischen Teilbereichs der Batterie an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, deren bereitgestellte Gleichspannung einer momentanen Klemmenspannung dieses elektrochemischen Teilbereichs der Batterie entspricht,
6 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Ladens der Batterie an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle, und
7 schematisch das elektrische Antriebssystem während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 7 zeigen schematische Darstellungen eines elektrischen Antriebssystems 1 für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug.
1 zeigt einen Prinzipaufbau des elektrischen Antriebssystems 1. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst zwei elektrische Drehstrommaschinen M1, M2, insbesondere als Antriebsmotoren für das Fahrzeug, und eine Batterie 2, insbesondere eine Hochvoltbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2.
Die 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 U_G von 800 V ausgebildet und weist zwei elektrochemische Teilbereiche 2.1, 2.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsspannung von 400 V auf, wobei ein Mittelabgriff zwischen den beiden elektrochemischen Teilbereichen 2.1, 2.2 zugänglich ist. Die Gesamtspannung U_G der Batterie 2 ergibt sich aus der Summe der beiden Teilbereichsspannungen, auch als Strangspannungen bezeichnet.
Die elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 sind über jeweils einen Inverter IV1, IV2, auch als Wechselrichter bezeichnet, mit jeweils einem der elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 elektrisch gekoppelt. Die beiden elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 werden somit von getrennten Invertern IV1, IV2 betrieben. Der erste Inverter IV1 mit der ersten elektrischen Drehstrommaschine M1 und der zweite Inverter IV2 mit der zweiten elektrischen Drehstrommaschine M2 sind als gleich starke Antriebsstränge ausgebildet.
Eine elektrische Verschaltung der jeweiligen Drehstrommaschine M1, M2 mit dem jeweiligen Inverter IV1, IV2 erfolgt als eine Sternschaltung. Eine Gleichspannungsversorgung der Inverter IV1, IV2 erfolgt jeweils über Teilabgriffe der Batterie 2, d. h. über die oben beschriebene elektrische Kopplung des jeweiligen Inverters IV1, IV2 mit jeweils einem elektrochemischen 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 U_G von 800 V ausgebildet ist und zwei elektrochemische Teilbereiche 2.1, 2.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsspannung von 400 V aufweist, kann somit der eine Inverter IV1 mit 400 V des einen elektrochemischen Teilbereichs 2.1 versorgt werden und der andere Inverter IV2 mit 400 V des anderen elektrochemischen Teilbereichs 2.2 versorgt werden.
Die dargestellten Leistungsschalter LS im jeweiligen Inverter IV1, IV2 sind zweckmäßigerweise als Halbleiterschalter ausgebildet. Die Inverter IV1, IV2 und die Drehstrommaschinen M1, M2 sind beispielsweise ausgelegt auf Luft- und Kriechstrecken eines Hochvolt-Bordnetzes mit der Gesamtspannung U_G der Batterie 2 von beispielsweise 800 V, jedoch sind leistungselektronische Komponenten der Inverter IV1, IV2 vorteilhafterweise auf einen Arbeitsspannungsbereich ausgelegt, welcher geringer ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2. Beispielsweise sind sie auf einen Arbeitsspannungsbereich von 400 V oder maximal 500 V ausgelegt. Durch den geringeren Arbeitsspannungsbereich können beispielsweise als Leistungsschalter LS Halbleiterschalter mit einer geringeren Sperrfestigkeit verwendet werden.
Die anderen Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes, insbesondere auch ein elektrisches Nebenaggregatesystem 3, umfassend ein oder mehrere Nebenaggregate, welche ebenfalls von der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgbar sind, sind ausgelegt auf die Spannungslage der Gesamtspannung U_G der Batterie 2 von in diesem Beispiel 800 V.
Wie bereits beschrieben, sind die beiden elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 über jeweils eine Sternschaltung mit dem der jeweiligen elektrischen Drehstrommaschine M1, M2 zugeordneten Inverter IV1, IV2 elektrisch gekoppelt, wobei Sternpunkte SP1, SP2 der Sternschaltungen der elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 mit jeweils einem Ladekontakt 4.1, 4.2 eines Gleichstromladeanschlusses 4 des elektrischen Antriebssystems 1 elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind. Der Gleichstromladeanschluss 4 kann zum Laden der Batterie 2 mit einer elektrischen Gleichspannung U_DC mit einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt werden, die diese elektrische Gleichspannung U_DC bereitstellt.
Um auch das Laden der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 6 zu ermöglichen, ist des Weiteren eine On-Board-Wechselstromladevorrichtung 7 vorgesehen.
Während des Ladens der Batterie 2 mit einer Gleichspannung U_DC oder Wechselspannung und ebenfalls während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs wird zudem das elektrische Nebenaggregatesystem 3 mit elektrischer Energie versorgt.
Zur elektrischen Kopplung der Sternpunkte SP1, SP2 der elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 mit dem jeweiligen Ladekontakt 4.1, 4.2 des Gleichstromladeanschlusses 4 sind im dargestellten Beispiel Ladeschalteinheiten S1, S2 vorgesehen, welche jeweils beispielsweise als Schalter und/oder Schütz ausgebildet sind. D. h. zwischen dem ersten Sternpunkt SP1 der ersten elektrischen Drehstrommaschine M1 und dem ersten Ladekontakt 4.1 des Gleichstromladeanschlusses 4 und zwischen dem zweiten Sternpunkt SP2 der zweiten elektrischen Drehstrommaschine M2 und dem zweiten Ladekontakt 4.2 des Gleichstromladeanschlusses 4 ist jeweils eine solche Ladeschalteinheit S1, S2 angeordnet.
Dadurch ist durch Öffnen der Ladeschalteinheiten S1, S2 eine Spannungsfreiheit am Gleichstromladeanschluss 4 herstellbar, wenn der Gleichstromladeanschluss 4 nicht benötigt wird, d. h. insbesondere wenn die Batterie 2 nicht über den Gleichstromladeanschluss 4 geladen werden soll, insbesondere während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs und/oder während des Ladens der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 6. Während des Ladens der Batterie 2 über den Gleichstromladeanschluss 4 sind die Ladeschalteinheiten S1, S2 geschlossen.
Das elektrische Antriebssystem 1, insbesondere die beschriebene Kopplung des Gleichstromladeanschlusses 4 mit den Sternpunkten SP1, SP2 der elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2, ermöglicht es, wie im Folgenden näher beschrieben, die Batterie 2 sowohl an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 zu laden, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC der Gesamtspannung U_G der Batterie 2 von beispielsweise 800 V entspricht, d. h. der Summe der beiden Teilbereichsspannungen, als auch an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 zu laden, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als diese Gesamtspannung U_G der Batterie 2.
D. h. diese Schaltung ermöglicht es, die Batterie 2 beispielsweise auch an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 zu laden, die beispielsweise lediglich eine Gleichspannung U_DC von 500 V oder 400 V bereitstellt. Dabei kann die gesamte Batterie 2 geladen werden, wenn die von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs 2.1, 2.2 der Batterie 2, oder es kann ein jeweiliger elektrochemischer Teilbereich 2.1, 2.2 der Batterie 2 geladen werden, wenn eine von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 bereitgestellte Gleichspannung U_DC einer momentanen Klemmenspannung dieses elektrochemischen Teilbereichs 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht.
2 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC der Gesamtspannung U_G der Batterie 2 von in diesem Beispiel 800 V entspricht. Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U_DC . Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geschlossen.
Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, die erste elektrische Drehstrommaschine M1, den ersten Inverter IV1, die beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, den zweiten Inverter IV2 und die zweite elektrische Drehstrommaschine M2 ein, wie mittels durchgezogener Ladestrompfeile LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Dafür erforderliche Leistungsschalter LS innerhalb der beiden Inverter IV1, IV2 sind während dieses Ladevorgangs permanent eingeschaltet, wodurch Verluste in den Invertern IV1, IV2 minimiert werden.
Das Nebenaggregatesystem 3 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 3 wird/werden durch die Batterie 2 und/oder die Gleichstromenergiequelle 5 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.
In einem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß 2 zum Laden der Batterie 2 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC der Gesamtspannung U_G der Batterie 2 von in diesem Beispiel 800 V entspricht, der Gleichstromladeanschluss 4 mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt und die Ladeschalteinheiten S1, S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS in den Invertern IV1, IV2 werden eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.
3 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs 2.1, 2.2 der Batterie 2. Beispielsweise stellt die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5 eine Gleichspannung U_DC von 500 V bereit, d. h. sie ist nur für diese maximale Gleichspannung U_DC ausgelegt.
Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U_DC . Um eine Ladeleistung zu maximieren, ist es vorteilhaft, die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5 auf ihre maximale Gleichspannung U_DC zu kommandieren. Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geschlossen.
Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, die erste elektrische Drehstrommaschine M1, den ersten Inverter IV1, die beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, den zweiten Inverter IV2 und die zweite elektrische Drehstrommaschine M2 ein, wie mittels durchgezogener Ladestrompfeile LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Die dafür erforderlichen Leistungsschalter LS innerhalb der beiden Inverter IV1, IV2 takten, d. h. sie schalten getaktet ein und aus, und regeln somit eine Summenspannung an beiden Invertern IV1, IV2 auf eine Summenspannung über den beiden elektrochemischen Teilbereichen 2.1, 2.2 der Batterie 2.
Das Nebenaggregatesystem 3 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 3 wird/werden durch die Batterie 2 und/oder die Gleichstromenergiequelle 5 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.
Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß 3 zum Laden der Batterie 2 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs 2.1, 2.2 der Batterie 2 und beispielsweise 500 V beträgt, der Gleichstromladeanschluss 4 mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt und die Ladeschalteinheiten S1, S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS in den beiden Invertern IV1, IV2 werden getaktet eingeschaltet und ausgeschaltet.
4 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens des Teilbereichs 2.1 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und einer momentanen Klemmenspannung des ersten elektrochemischen Teilbereichs 2.1 der Batterie 2 entspricht. Diese Variante bietet sich an, wenn die beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 unterschiedlich geladen sind und nun Ladezustände der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 angeglichen werden sollen.
Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U_DC , die dem ersten elektrochemischen Teilbereich 2.1 der Batterie 2 entspricht. Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geschlossen.
Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, die erste elektrische Drehstrommaschine M1, den ersten Inverter IV1, den ersten elektrochemischen Teilbereich 2.1 der Batterie 2, den zweiten Inverter IV2 und die zweite elektrische Drehstrommaschine M2 ein, wie mittels durchgezogener Ladestrompfeile LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Dafür erforderliche Leistungsschalter LS innerhalb der beiden Inverter IV1, IV2 sind während dieses Ladevorgangs permanent eingeschaltet, wodurch Verluste in den Invertern IV1, IV2 minimiert werden.
Das Nebenaggregatesystem 3 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 3 wird/werden durch die Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.
In einem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß 4 zum Laden der Teilbereich 2.1 der Batterie 2 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und einer momentanen Klemmenspannung des ersten elektrochemischen Teilbereichs 2.1 der Batterie 2 entspricht, der Gleichstromladeanschluss 4 mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt und die Ladeschalteinheiten S1, S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS in den Invertern IV1, IV2 werden eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.
5 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens des Teilbereichs 2.2 der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und einer momentanen Klemmenspannung des zweiten elektrochemischen Teilbereichs 2.2 der Batterie 2 entspricht. Wie bereits zu 4 beschrieben, bietet sich diese Variante an, wenn die beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 unterschiedlich geladen sind und nun Ladezustände der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 angeglichen werden sollen.
Die beispielsweise als Ladesäule ausgebildete fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, insbesondere galvanisch getrennt, erzeugt eine vom Fahrzeug kommandierte, d. h. vorgegebene, Gleichspannung U_DC , die dem zweiten elektrochemischen Teilbereich 2.2 der Batterie 2 entspricht. Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geschlossen.
Ein Ladestromkreis stellt sich über die fahrzeugexterne Gleichstromenergiequelle 5, die erste elektrische Drehstrommaschine M1, den ersten Inverter IV1, den zweiten elektrochemischen Teilbereich 2.2 der Batterie 2, den zweiten Inverter IV2 und die zweite elektrische Drehstrommaschine M2 ein, wie mittels durchgezogener Ladestrompfeile LP für den fließenden Ladestrom gezeigt. Dafür erforderliche Leistungsschalter LS innerhalb der beiden Inverter IV1, IV2 sind während dieses Ladevorgangs permanent eingeschaltet, wodurch Verluste in den Invertern IV1, IV2 minimiert werden.
Das Nebenaggregatesystem 3 oder zumindest notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 3 wird/werden durch die Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.
In einem Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 wird somit gemäß 5 zum Laden der Teilbereich 2.2 der Batterie 2 an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5, deren bereitgestellte Gleichspannung U_DC kleiner ist als die Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. kleiner als die Summe der beiden Teilbereichsspannungen, und einer momentanen Klemmenspannung des zweiten elektrochemischen Teilbereichs 2.2 der Batterie 2 entspricht, der Gleichstromladeanschluss 4 mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt und die Ladeschalteinheiten S1, S2 werden geschlossen. Die erforderlichen Leistungsschalter LS in den Invertern IV1, IV2 werden eingeschaltet und bleiben permanent eingeschaltet.
6 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während des Ladens der Batterie 2 an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 6. Die On-Board-Wechselstromladevorrichtung 7 lädt die Batterie 2, wie mittels der durchgezogenen Ladestrompfeile LP gezeigt, und versorgt notwendige elektrische Verbraucher im Hochvolt-Bordnetz, insbesondere Nebenaggregate des Nebenaggregatesystems 3, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt.
Zum Laden der Batterie 2 erzeugt die On-Board-Wechselstromladevorrichtung 7 eine Spannung, die der Summenspannung der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2 entspricht, und regelt den Ladestrom. Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geöffnet, damit keine elektrische Spannung am Gleichstromladeanschluss 4 anliegt.
Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 werden somit gemäß 6 zum Laden der Batterie 2 an der fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 6 die Ladeschalteinheiten S1, S2 geöffnet und die On-Board-Wechselstromladevorrichtung 7 wird mit der fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle 6 elektrisch gekoppelt.
7 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs, wobei die elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 von der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt werden, wie mittels durchgezogener Antriebsstrompfeile AP für den fließenden Antriebsstrom gezeigt. Dabei wird der erste Inverter IV1 und somit die erste Drehstrommaschine M1 vom ersten elektrochemischen Teilbereich 2.1 der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt und der zweite Inverter IV2 und somit die zweite Drehstrommaschine M2 wird vom zweiten elektrochemischen Teilbereich 2.2 der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt. Die Ladeschalteinheiten S1, S2 sind geöffnet, damit keine elektrische Spannung am Gleichstromladeanschluss 4 anliegt.
Das Nebenaggregatesystem 3 wird durch die Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt, wie durch gestrichelte Versorgungsstrompfeile VP für den fließenden Versorgungsstrom gezeigt. Genauer gesagt wird das Hochvolt-Bordnetz mit dem Nebenaggregatesystem 3 mit der Summenspannung der Gesamtspannung U_G der Batterie 2, d. h. mit der Summenspannung der beiden elektrochemischen Teilbereiche 2.1, 2.2 der Batterie 2, versorgt.
Im Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems 1 werden somit gemäß 7 zur Durchführung des Fahrbetriebs die Ladeschalteinheiten S1, S2 geöffnet. Die elektrischen Drehstrommaschinen M1, M2 werden von der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt, wobei der erste Inverter IV1 und somit die erste Drehstrommaschine M1 vom ersten elektrochemischen Teilbereich 2.1 der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt wird und der zweite Inverter IV2 und somit die zweite Drehstrommaschine M2 vom zweiten elektrochemischen Teilbereich 2.2 der Batterie 2 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Batterie
2.1, 2.2: Teilbereich
3: Nebenaggregatesystem
4: Gleichstromladeanschluss
4.1, 4.2: Ladekontakt
5: Gleichstromenergiequelle
6: Wechselstromenergiequelle
7: On-Board-Wechselstromladevorrichtung
AP: Antriebsstrompfeil
IV1, IV2: Inverter
LP: Ladestrompfeil
LS: Leistungsschalter
M1, M2: Drehstrommaschine
S1, S2: Ladeschalteinheit
SP1, SP2: Sternpunkt
U_DC: Gleichspannung
U_G: Gesamtspannung
VP: Versorgungsstrompfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016015314 A1 [0002]
DE 102016012876 A1 [0003]

Claims

Elektrisches Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend eine Batterie (2) mit zwei unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen (2.1, 2.2) und zwei Inverter (IV1, IV2), welche jeweils mit einem Teilbereich (2.1, 2.2) der Batterie (2) elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, gekennzeichnet durch zwei elektrische Drehstrommaschinen (M1, M2), welche mit jeweils einem der Inverter (IV1, IV2) elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind, wobei Sternpunkte (SP1, SP2) der elektrischen Drehstrommaschinen (M1, M2) mit jeweils einem Ladekontakt (4.1, 4.2) eines Gleichstromladeanschlusses (4) des elektrischen Antriebssystems (1) elektrisch koppelbar oder gekoppelt sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Sternpunkt (SP1, SP2) und dem ihm zugeordneten Ladekontakt (4.1, 4.2) eine Ladeschalteinheit (S1, S2) angeordnet ist oder dass zwischen beiden Sternpunkten (SP1, SP2) und dem jeweiligen Ladekontakt (4.1, 4.2) jeweils eine Ladeschalteinheit (S1, S2) angeordnet ist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine On-Board-Wechselstromladevorrichtung (7) mit der Batterie (2) elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Laden der Batterie (2) an einer fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) der Gleichstromladeanschluss (4) mit der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) elektrisch gekoppelt wird, - wobei dafür erforderliche Leistungsschalter (LS) in den Invertern (IV1, IV2) eingeschaltet werden und permanent eingeschaltet bleiben, wenn eine von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) bereitgestellte Gleichspannung (U_DC) einer Gesamtspannung (U_G) der Batterie (2) entspricht, und die gesamte Batterie (2) geladen wird, - wobei dafür erforderliche Leistungsschalter (LS) in den Invertern (IV1, IV2) getaktet eingeschaltet und ausgeschaltet werden, wenn die von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) bereitgestellte Gleichspannung (U_DC) kleiner ist als die Gesamtspannung (U_G) der Batterie (2) und größer ist als eine momentane Klemmenspannung jedes elektrochemischen Teilbereichs (2.1, 2.2), und die gesamte Batterie (2) geladen wird, - wobei dafür erforderliche Leistungsschalter (LS) in den Invertern (IV1, IV2) eingeschaltet werden und permanent eingeschaltet bleiben, wenn eine von der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) bereitgestellte Gleichspannung (U_DC) einer momentanen Klemmenspannung eines der beiden elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) entspricht, und dieser elektrochemische Teilbereich (2.1, 2.2) geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Batterie (2) an der fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle (5) die Ladeschalteinheiten (S1, S2) geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Batterie (2) an einer fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle (6) die On-Board-Wechselstromladevorrichtung (7) mit der fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle (6) elektrisch gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der On-Board-Wechselstromladevorrichtung (7) eine Spannung erzeugt wird, die einer Summenspannung der beiden elektrochemischen Teilbereiche (2.1, 2.2) der Batterie (2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden der Batterie (2) an der fahrzeugexternen Wechselstromenergiequelle (6) die Ladeschalteinheiten (S1, S2) geöffnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs jeder der Inverter (IV1, IV2) von dem mit ihm elektrisch gekoppelten elektrochemischen Teilbereich (2.1, 2.2) der Batterie (2) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs die Ladeschalteinheiten (S1, S2) geöffnet werden.