DE102018207373A1

DE102018207373A1 - Umrichtervorrichtung für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102018207373A1
Application number: DE102018207373.2A
Authority: DE
Inventors: Jian Xie
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Universitaet Ulm
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umrichtervorrichtung (1) für einen Elektromotor (2), insbesondere für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batterieblock (2), welcher ausgebildet ist, eine einstellbare Zwischenkreisspannung (UDC) bereitzustellen, wobei der Batterieblock (2) mehrere verschaltete Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) mit je zumindest einer Batteriezelle (5, 5a, 5b,..) aufweist, und die Zwischenkreisspannung (UDC) durch Umschalten der verschalteten Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) einstellbar ist, einem Wechselrichter (6), welcher ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Pulsmusters die Zwischenkreisspannung (UDC) in eine Wechselspannung für den Elektromotor (2) umzuwandeln und einer Motorsteuereinrichtung (9) für ein Steuern des Elektromotors (2), wobei die Motorsteuereinrichtung (9) ausgebildet ist, ein Drehmoment des Elektromotors (2) durch ein Einstellen der Zwischenkreisspannung (UDC) zu regeln, um die Schaltverluste der Umrichtervorrichtung (1) zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umrichtervorrichtung für einen Elektromotor, insbesondere für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batterieblock, welcher ausgebildet ist, eine einstellbare Zwischenkreisspannung U_DC bereitzustellen, wobei der Batterieblock mehrere verschaltete Batteriemodule mit je zumindest einer Batteriezelle aufweist, und die Zwischenkreisspannung U_DC durch Umschalten der verschalteten Batteriemodule einstellbar ist, mit einem Wechselrichter, welcher ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Pulsmusters die Zwischenkreisspannung U_DC in eine Wechselspannung für den Elektromotor umzuwandeln und mit einer Motorsteuereinrichtung für ein Steuern des Elektromotors. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Regeln eines Drehmoments eines Elektromotors.
Größere Batteriespeichersysteme können beispielsweise in der Stromversorgung oder in Elektroautos zum Einsatz kommen. Für solche Systeme werden meistens Batteriespannungen bis zu mehreren hundert Volt benötigt, beispielsweise 600V oder 800V. Die Zellspannungen von Batteriezellen liegen jedoch lediglich bei einigen Volt (z.B. 3,7V bei der Lithium-Ionen-Batterie). Dadurch ist es notwendig, viele einzelne Batteriezellen in Reihe zu schalten. Für einen solchen Batteriepack oder Batterieblock gibt es fabrikationsbedingt bei jeder Batteriezelle leichte Unterschiede in ihren Eigenschaften, wie zum Beispiel der Zellkapazität, der Selbstentladungsrate und der Temperaturcharakteristik. Diese Unterschiede werden durch Alterungseffekte in der Batteriezelle noch weiter verstärkt. Beim Laden der Zellen führt dies dazu, dass einzelne Zellen noch nicht ihren maximal möglichen Ladestand erreicht haben, während andere Zellen bereits voll aufgeladen sind. Der Ladevorgang muss in diesem Fall abgebrochen werden, da sonst einzelne Zellen überladen werden, was zu einer Schädigung bis hin zur Zerstörung der Batteriezellen führen kann. Beim Entladevorgang verhält es sich ähnlich. Während einzelne Zellen schon entladen sind, haben andere durchaus noch ausreichend Energie gespeichert, um beispielsweise ein Fahrzeug noch weiter antreiben zu können. Der Fahrbetrieb muss allerdings eingestellt werden, da sonst die schwächeren Zellen zu tief entladen werden, was zur Zerstörung dieser Zellen führen kann. Um all dies zu vermeiden, ist ein Batteriemanagementsystem mit einem Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen zwingend notwendig [1].
Das zurzeit am weitesten verbreitete Verfahren ist der passive Ladungsausgleich, bei dem Zellen, die bereits voll aufgeladen sind, über einen Widerstand wieder entladen werden, um das weitere Laden der anderen Zellen zu eimöglichen. Bei diesem Verfahren wird aber die wertvolle elektrische Energie in Wärme umgesetzt. Außerdem bietet dieses Verfahren keine Lösung für den Entladevorgang.
Diese Probleme können durch den Einsatz eines aktiven Ladungsausgleichs vermieden werden. Bei dieser Technik sind jedoch aufwendige Schaltungen mit leistungselektronischen Bauteilen und komplizierter Steuerung erforderlich [1] [2]. Für induktive Ausgleichschaltungen werden beispielsweise zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder sonstige Schaltelemente pro Batteriezelle benötigt; für kapazitive derer sogar vier. Weiter sind Drosseln, Transformatoren oder Kondensatoren als Energiespeicher notwendig.
In einem verteilten Batteriemanagementsystem werden die einzelnen Batteriezellen überwacht und bei Überladung, Tiefentladung oder Ausfall mittels leistungselektronischer Schaltelemente ausgeschaltet und überbrückt. Defekte Batteriezellen können sicher aus dem System entfernt und ausgewechselt werden. Dadurch lässt sich die Nutzungsdauer eines Batteriesystems deutlich erhöhen. Für das Ausschalten und Überbrücken einer Batteriezelle werden zumindest zwei MOSFETs benötigt.
Zur Erzeugung von Drehspannungen z.B. für die elektrischen Maschinen in einem Elektroauto werden selbstgeführte Wechselrichter, die auch als Wechselrichtereinrichtungen bezeichnet werden können, eingesetzt. Bei den meisten Anwendungen besteht der Wechselrichter aus sechs leistungselektronischen Steuereinheiten, „Ventilen“, die zu einer Drehstrombrücke zusammen geschaltet sind. Bei einem solchen „Zweipunkt-Wechselrichter“ werden die sinusförmigen Wechselspannungen aus pulsförmigen Spannungen mit drei Spannungsleveln (0, ±U_DC) erzeugt. Die Höhe der Spannungspulse ist von der Zwischenkreisspannung U_DC, die vom Batterieblock bereitgestellt wird, abhängig und damit konstant. Um Wechselspannungen zu generieren, kann als Stellglied die Zeitdauer der Spannungspulse variiert werden. Sie wird in der Regel mit dem Verfahren der Pulsweitemodulation (PWM) berechnet. In diesem Fall haben die erzeugten Wechselspannungen jedoch hohe Störspannungen in den überlagerten Frequenzen. Um die Spannungsoberschwingungen zu reduzieren, müssen die Taktfrequenzen des Wechselrichters deshalb erhöht werden. In der Regel liegen die Taktfrequenzen eines modernen Wechsel- oder Umrichters im Bereich mehrerer kHz bis hin zu 100 kHz. Dadurch steigen aber auch die Schaltverluste der Wechselrichter proportional mit der Taktfrequenz.
Um dieses Problem zu umgehen, werden Multi-Level-Wechselrichter eingesetzt, bei denen die Anzahl der Spannungsstufen erhöht wird [3]. Bei einer vorgegebenen Spannungsqualität können so die Taktfrequenzen und somit die Schaltverluste des Wechselrichters reduziert werden. Ein Konzept des Multi-Level-Umrichters ist die sogenannte „kaskadierte H-Brücke“ [2] [4] [5]. Bei dieser Technik werden die einzelnen Batteriezellen nicht direkt, sondern über leistungselektronische H-Brücken in Reihe geschaltet. Die sinusförmigen Ausgangsspannungen werden hier nicht durch pulsförmige, sondern durch kleinstufige, treppenförmige Spannungen erzeugt [2] [5]. Die Höhe der kleinsten Spannungsstufe ist dabei gleich der Zellspannung der eingesetzten Batterien (z.B. 3,7V). Die Taktfrequenz der Ventile kann daher auf den niedrigstmöglichen Wert, die Grundschwingungsfrequenz der Ausgangsspannung (z.B. 50Hz), gesenkt werden. Die Schaltverluste des Umrichters lassen sich dadurch nahezu eliminieren.
Da die einzelnen Batteriezellen jeweils über eine separate H-Brücke geschaltet werden können, ist ein Ladungsausgleich der Batteriezellen möglich. Beim Ausfall einzelner Batteriezellen kann der Wechselrichter mit den gesunden Zellen weiter betrieben werden. Die Verfügbarkeit ist hier viel höher als bei der konventionellen Technik mit der direkten Reihenschaltung der Batteriezellen. Defekte Batteriezellen werden ausgeschaltet und überbrückt und können daher sicher ausgewechselt werden. Diese Schaltung stellt also eine Kombination eines Multi-Level-Wechselrichters, eines aktiven Ladungsausgleiches und eines verteilten Batteriemanagements dar. Vorteilhaft für die Sicherheit ist, dass nur eine Batteriezelle bei einem Defekt in der Schaltung kurzgeschlossen werden kann. Der Fehlerstrom und die dabei freigesetzte Energie sind deutlicher geringer als in der konventionellen Beschaltung. Außerdem liegt nach Ausschalten des Wechselrichters nur die Spannung einer Batteriezelle an. Dies erleichtert die Wartungsarbeit erheblich. Weiter können Batteriezellen unterschiedlichen Alters und unterschiedlichen Typs in einem Batterieblock eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Ersatz von defekten Batteriezellen und erhöht damit die Nutzungsdauer eines Batterieblocks erheblich.
Als leistungselektronische Ventile in der H-Brücke können MOSFETs mit niedrigen Sperrspannungen eingesetzt werden, beispielweise mit Sperrspannungen unter 50V. Solche Bauelemente haben im Vergleich mit den anderen Leistungshalbleiterventilen keine Durchlassspannung und sehr niedrige Durchlasswiderstände (unter 1 mΩ). Außerdem sind die Preise von solchen MOSFETs sehr niedrig. Daher werden keine hohen Durchlassverluste und keine hohen Kosten durch die Reihenschaltung von vielen MOSFETs hervorgerufen. Ein Beispiel für solche Bauteile ist der PSMN1R0-30YLC der Firma NXP mit folgenden Kenndaten: Sperrspannung: 30V, Dauerstrom: 100A, Durchlasswiderstand: 0,85 mΩ.
Der wesentliche Nachteil bekannten Schaltung aus [2] [4] [5] ist die hohe Anzahl der notwendigen MOSFETs (4 pro Batteriezelle). Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungsvarianten ist ein hoher Wechselstromanteil im Batteriestrom. Dies liegt zum einen am einphasigen Wechselstrom, der über die H-Brücken direkt in die Batterie geleitet wird. Zum anderen werden die einzelnen Batteriezellen zur Generierung einer Sinusspannung nur für einen Bruchteil einer Periode eingeschaltet. Durch den Wechselstromanteil werden zusätzliche Verluste in der Batterie verursacht.
Um Gewicht und Volumen des Motors zu reduzieren, werden in Elektroautos hochtourige Drehstromantriebe mit hohen Grundschwingungsfrequenzen eingesetzt. Die Taktfrequenz des Wechselrichters lässt sich jedoch wegen der Schaltverluste nicht beliebig erhöhen. Bei hohen Drehzahlen ist das Verhältnis zwischen Taktfrequenz und Grundschwingungsfrequenz (Pulszahl) sehr niedrig. Aus diesem Grund ist eine synchrone Pulsweitenmodulation erforderlich. Bei niedrigen Pulszahlen hat die Ausgangsspannung des Wechselrichters jedoch hohe Oberschwingungen. Diese Störspannungen, vor allem die von niedriger Ordnungszahl, führen zu erhöhten Verlusten im Motor. Außerdem lassen sich die Oberschwingungen, die kritisch für die Geräuschbildung sind, mit dem Modulationsverfahren PWM nicht gezielt reduzieren. Um diese Problematik zu lösen, können optimierte Pulsmuster eingesetzt werden [6]. Dabei werden die Pulsmuster mit Blick auf die Minimierung von Erwärmung und Geräuschbildung im Motor optimiert. Eine Schwierigkeit bei Anwendung dieses Verfahrens besteht darin, dass die Pulsmuster, also die einzelnen Schaltwinkel, in Abhängigkeit der Amplitude der Grundschwingung ständig verändert werden müssen [6] [7]. Dies führt dazu, dass das Verfahren nur für langsame Systeme und niedrige Pulszahlen eingesetzt werden kann [7].
Quellen:

[1] J. Qi, D. Lu. Review of Battery Cell Balancing Techniques. Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014, Curtin University, Perth, Australia, 28 Sept. 1 Oct. 2014
[2] Z. Zheng, K. Wang, L. Xu, Y. Li. A Hybrid Cascaded Multilevel Converter for Battery Energy Management Applied in Electric Vehicles. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 29, NO. 7, JULY 2014
[3] Fr. Grundmann, „Reduktion der Spannungsoberschwingungen bei Mehr-Punkt Umrichtern" Dissertation der Uni Ulm, 2008
[4] B. Sarrazin, N. Rouger, J.P. Ferrieux. Benefits of cascaded inverters for electrical vehicles' drive-trains. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE
[5] St. Thomas, M. Stieneker, W. De Doncker. Benefits. Development of a Modular High Power Converter System for Battery Energy Storage Systems. Power Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 201 I-14th European Conference, sept. 2011
[6] KI. Peter, J. Böcker, „Minimierung niederfrequenter Oberschwingungen in Pulsmustern für 2-Level Umrichter in Antriebssystemen mittels winkelmodulierter Partikel Schwarm Optimierung", ETG-Kongress, Nov. 2013
[7] F. Jenni, D. Wüest, „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter", vdf Hochschulverlag AG und Teubner, 1993, ISDN 3-519-06176-7

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltverluste einer Umrichtervorrichtung für einen Elektromotor zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Umrichtervorrichtung für einen Elektromotor, insbesondere für einen elektrischen Antriebsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, mit Batteriezellen als Energiespeicher. Eine derartige Umrichtervorrichtung kann auch als Multi-Level-Umrichter bezeichnet werden. Die Umrichtervorrichtung weist einen Batterieblock auf, welcher ausgebildet ist, eine einstellbare Zwischenkreisspannung U_DC bereitzustellen. Die Zwischenkreisspannung U_DC kann eine Gleichspannung sein, deren Größe einstellbar ist. Dabei weist der Batterieblock mehrere, beispielsweise zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei oder mehr, verschaltete Batteriemodule mit je zumindest einer Batteriezelle auf. Die Zwischenkreisspannung U_DC ist dabei durch ein Umschalten der verschalteten Batteriemodule einstellbar. Zu dem Zweck des Umschaltens können die Batteriemodule jeweilige Schaltelemente, beispielsweise MOSFETs, aufweisen.
Die Umrichtervorrichtung weist auch einen Wechselrichter auf, welcher ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Pulsmusters die Zwischenkreisspannung U_DC in eine Wechselspannung für den Elektromotor umzuwandeln. Das Pulsmuster kann also als Steuermuster für den Wechselrichter bezeichnet werden. Die Zwischenkreisspannung U_DC kann als Batteriespannung so durch den Wechselrichter in eine Motorspannung für den Elektromotor, der mit Wechselstrom betrieben wird, umgewandelt werden.
Die Umrichtervorrichtung weist auch eine Motorsteuereinrichtung für ein Steuern des Elektromotors auf. Dabei ist die Motorsteuereinrichtung ausgebildet, ein Drehmoment des Elektromotors durch ein Einstellen der Zwischenkreisspannung U_DC zu regeln. Die Motorsteuereinrichtung kann also die verschalteten Batteriemodule des Batterieblocks umschalten und damit die Zwischenkreisspannung U_DC einstellen. Beispielsweise kann die Motorsteuereinrichtung entsprechende Schaltelemente des Batterieblocks steuern. Die Motorsteuereinrichtung kann dabei ausgebildet sein, das Drehmoment unabhängig von einem Wellensteuerwinkel κ für den Elektromotor, also für den Phasenwinkel eines Motorstroms zu der Polradachse des Elektromotors und/oder unabhängig von einem Pulsmuster des Wechselrichters, nach welchem dieser betrieben wird, zu regeln. Beispielsweise kann die Motorsteuereinrichtung ausgebildet sein, das Drehmoment durch Einstellen der Zwischenkreisspannung U_DC bei konstantem Wellensteuerwinkel κ zu verändern und/oder das Drehmoment durch Einstellen der Zwischenkreisspannung U_DC bei konstantem Pulsmuster zu verändern. Durch die Motorsteuereinrichtung kann also das Drehmoment bei gleichbleibendem Wellensteuerwinkel κ und/oder bei gleichbleibendem Pulsmuster einstellbar sein. Das Pulsmuster des Wechselrichters kann daher unabhängig von der Drehmomentregelung unverändert bleiben.
Das hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad des gesamten Systems durch Änderung der Zwischenkreisspannung U_DC optimiert werden kann. Dabei sind vor allem bei niedrigen Drehzahlen niedrige Zwischenkreisspannungen günstiger als hohe Zwischenkreisspannungen. Dies liegt daran, dass die Spannungsoberschwingungen und damit auch die Zusatzverluste der Elektromaschine mit der Zwischenkreisspannung steigen, wenn die Taktfrequenz und Grundschwingungsamplitude des Wechselrichters unverändert bleiben. Außerdem nehmen die Schaltverluste des Wechselrichters proportional mit der Zwischenkreisspannung zu. Die Verluste der Batterie sind jedoch bei einer vorgegebenen Leistung umgekehrt proportional von der Zwischenkreisspannung abhängig. Mit dem neuen vorgeschlagenen Regelungskonzept wird das Drehmoment des Elektromotors über der Zwischenkreisspannung U_DC geregelt. Der Phasenwinkel des Motorstroms zum Polrad (der Wellensteuerwinkel κ) wird dabei vom Wechselrichter gesteuert. Das Pulsmuster des Wechselrichters kann somit unabhängig von der Drehmomentregelung unverändert bleiben. Damit ist eine Reduktion der Taktfrequenz in Wechselrichter und/oder eine Verbesserung der Spannungsqualität bei gleichbleibender Taktfrequenz möglich, so dass insgesamt die Schaltverluste reduziert werden.
Die Drehmomentregelung kann beispielsweise über Schaltungen oder Schaltelemente in kaskadierenden Brücken wie oben beschrieben realisiert werden. Da die zu schaltende Spannung im Batterieblock hier typischerweise beispielsweise nur 3,7 Volt beträgt und somit viel niedriger als im Wechselrichter ist, welcher typischerweise mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) betrieben wird, sind auch die Schaltverluste viel niedriger. Außerdem sind die erforderlichen Taktfrequenzen in den einzelnen Batteriezellen viel niedriger als im Wechselrichter, insbesondere wesentlich niedriger als in einem Wechselrichter, welcher mit einer konstanten Gleichspannung versorgt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass das Pulsmuster des Wechselrichters für unterschiedliche Drehmomente, insbesondere für alle Drehmomente, und damit für unterschiedliche bzw. alle Zwischenkreisspannungen konstant vorgegeben ist. Der Wechselrichter kann also für unterschiedliche Drehmomente mit dem gleichen oder gleichbleibenden Pulsmuster betrieben bzw. gesteuert werden.
Das hat den Vorteil, dass die in herkömmlichen Umrichtervorrichtungen beträchtliche Anzahl der Pulsmuster reduziert wird, insbesondere auf eins reduziert wird, und somit das Pulsmuster, welches typischerweise im Vorfeld für unterschiedliche Betriebsszenarien berechnet wird, besonders genau bestimmt und optimiert werden kann. Der Aufwand für das genaue, d.h. ein vorgegebenes Qualitätskriterium, beispielsweise oben genannte minimierte Geräusch- und Wärmeentwicklung, erfüllendes Pulsmuster wesentlich geringer ist, als wenn eine Vielzahl von Pulsmustern optimiert werden muss.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Pulsmuster des Wechselrichters für unterschiedliche Wellensteuerwinkel, insbesondere für alle Wellensteuerwinkel identisch ist. Das identische Pulsmuster kann dabei für unterschiedliche Wellensteuerwinkel zeitlich versetzt oder verschoben werden, um den gewünschten Wellensteuerwinkel zu erreichen.
Das hat den Vorteil, dass die Anzahl der Pulsmuster weiter reduziert wird, so dass ein Optimieren der Pulsmuster bzw. des Pulsmusters besonders genau erfolgen kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist hier vorgesehen, dass der Wechselrichter nur ein einziges Pulsmuster hat bzw. nur gemäß einem einzigen Pulsmuster betrieben wird, welches in Abhängigkeit des gewünschten Wellensteuerwinkels zeitlich versetzt wird.
In einer anderen, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zwischenkreisspannung U_DC durch jeweiliges Überbrücken und/oder in-Reihe-Schalten von Batteriezellen, welche unterschiedlichen verschalteten Batteriemodulen zugeordnet sind, einstellbar ist. Es kann also vorgesehen sein, dass die Motorsteuereinrichtung über das Umschalten der Batteriemodule, d.h. durch das Umschalten jeweiliger Schaltelemente der Batteriemodule Batteriezellen überbrückt oder in Reihe mit anderen Batteriezellen schaltet.
Das hat den Vorteil, dass bereits mit sehr einfach aufgebauten Batteriemodulen die Zwischenkreisspannung U_DC angepasst werden kann und somit in besonders einfacher Weise die oben genannten Vorteile erreicht werden können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass jedes Batteriemodul ein erstes Schaltelement, insbesondere einen MOSFET, aufweist, durch welches ein erster Pol, beispielsweise ein Pluspol, der zugehörigen Batteriezelle von einem ersten Anschlusspol des Batteriemoduls elektrisch trennbar und mit dem ersten Anschlusspol des Batteriemoduls elektrisch koppelbar ist. Des Weiteren weist jedes Batteriemodul ein zweites Schaltelement, wiederum insbesondere einen MOSFET, auf, durch welches der erste Anschlusspol des Batteriemoduls (beispielsweise der Pluspol des Batteriemoduls) von einem zweiten Anschlusspol des Batteriemoduls (beispielsweise dem Minuspol des Batteriemoduls) elektrisch trennbar und mit dem ersten Anschlusspol des Batteriemoduls elektrisch koppelbar ist. Dabei ist ein zweiter Pol der zugehörigen Batteriezelle, beispielsweise der Minuspol, mit dem zweiten Anschlusspol des Batteriemoduls elektrisch gekoppelt. Insbesondere weist das Batteriemodul dabei nur zwei Schaltelemente auf, bevorzugt nur zwei MOSFETs, und keine weiteren schaltbaren Elemente. Die Batteriemodule sind dabei bevorzugt in Reihe geschaltet. Ein Anschlusspol kann hier als ein für das Anschließen des jeweiligen Batteriemoduls ausgebildeter elektrischer Anschluss zu verstehen sein, welcher entweder eine Plus- oder eine Minuspolarität oder gar keine Polarität aufweist. Es können somit jeweils Plus- und Minuspole der Batteriezelle eines Batteriemoduls über zwei Schaltelemente wie beispielsweise MOSFETs miteinander verbunden werden (was im Betrieb natürlich vermieden wird), der Minuspol direkt abgegriffen werden, und zwischen den beiden Schaltelementen der zweite Spannungsabgriff erfolgen.
Das hat den Vorteil, dass im Vergleich zu den bekannten Schaltungen die Anzahl der erforderlichen Schaltelemente, beispielsweise die Anzahl der MOSFETs auf zwei pro Batteriezelle halbieren lassen. Zudem dient der nachgeschaltete Wechselrichter, beispielsweise der IGBT-Wechselrichter, dann lediglich der Umkehr der Spannung und kann mit der Grundschwingungsfrequenz getaktet werden. Die Anzahl der verwendeten Leistungshalbleiter und damit die Gesamtkosten des Systems sind identisch mit einem herkömmlichen Zweipunkt-Wechselrichter mit aktivem Ladungsausgleich oder einem verteilten Batteriemanagement. Die beschriebene Lösung hat aber die Vorteile eines Multi-Level-Umrichters mit sehr niedrigen Schaltverlusten und Oberschwingungen.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zwischenkreisspannung U_DC durch jeweiliges Parallelschalten von Batteriezellen, welche den verschalteten Batteriemodulen zugeordnet sind, einstellbar ist. Dieses Parallelschalten kann alternativ oder ergänzend zu dem in Reiheschalten oder Überbrücken von Batteriezellen, welches oben beschrieben ist, erfolgen.
Da die Verluste P_V der Batterien bei einer vorgegebenen Leistung P durch die Gleichung $P_{V} = {(I_{B a t})}^{2} \cdot R_{B a t} = {(\frac{P}{U_{D C}})}^{2} \cdot R_{B a t} = {(\frac{P}{N \cdot U_{Z e l l e}})}^{2} \cdot N \cdot R_{Z e l l e} = \frac{1}{N} \cdot {(\frac{P}{U_{Z e l l e}})}^{2} \cdot R_{Z e l l e}$
gegeben ist, steigen die Verluste P_V bei einer sinkenden Zwischenkreisspannung U_DC mit überbrückten Batteriezellen. Dabei ist N die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen, also die Anzahl der aktiven, nicht über die Schaltelemente ausgeschalteten oder überbrückten Batteriezellen, R_Zelle und U_Zelle der innere Widerstand und die Spannung einer jeweiligen Batteriezelle. Es steigen somit die Verluste der Batterien umgekehrt proportional mit der sinkenden Anzahl der nicht überbrückten und in Reihe geschalteten Batteriezellen und damit auch mit der sinkenden Zwischenkreisspannung U_DC.
Die auftretenden Schaltungsverluste können jedoch reduziert werden, indem die Batteriezellen nicht überbrückt, sondern parallel geschaltet werden und somit das Reduzieren der Zwischenkreisspannung U_DC kein Sinken der Anzahl N nach sich zieht. Durch das Parallelschalten von beispielsweise zwei Batteriezellen lässt sich somit z.B. der Strom in den einzelnen Batteriezellen halbieren. Da die Verluste der Zelle quadratisch mit dem Strom abnehmen, kann die verringerte Zwischenkreisspannung U_DC somit ohne nennenswerte Erhöhung der Verluste bis auf ihren halben maximalen Wert reduziert werden. Im Gegensatz dazu werden bei den bisher bekannten Schaltungen die Batterieverluste bei einer Spannungshalbierung verdoppelt. Für eine weitere Spannungsreduktion kann beispielsweise wie bei der bisherigen Schaltung das Parallelschalten von Batteriezellen mit einem entsprechenden Überbrücken kombiniert werden, was jedoch ein Steigen der Verluste nach der oben beschriebenen Gleichung mit sinkender Zwischenkreisspannung U_DC nach sich zieht. Als Schaltelemente können hier sowohl für das Parallelschalten, als auch für das in Reiheschalten oder Überbrücken Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOSFETs, mit einer geringen Sperrspannung, beispielsweise einer Sperrspannung von weniger als 50 Volt, zum Beispiel 30 Volt, genutzt werden, da die Sperrspannung wesentlich höher ist, als die typischerweise von den Batteriezellen bereitgestellte Spannung, beispielsweise 3,7 Volt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist hierbei vorgesehen, dass der Batterieblock ein Basis-Batteriemodul, zumindest ein Erweiterungs-Batteriemodul und ein End-Batteriemodul aufweist. Dabei weist das Basis-Batteriemodul einen ersten Ausgangs-Anschlusspol auf, welcher mit einem ersten Pol, beispielsweise einem Pluspol, einer Batteriezelle des Basis-Batteriemoduls, elektrisch gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspol, der mit einem zweiten Pol, beispielsweise dem Minuspol der Batteriezelle, elektrisch gekoppelt ist. Mit diesen beiden Ausgangs-Anschlusspolen wird das Basisbatteriemodul an die Eingangs-Anschlusspole eines der oder des Erweiterungs-Batteriemoduls angeschlossen. Dabei wird der erste Ausgangs-Anschlusspol an den ersten Eingangs-Anschlusspol des Erweiterungs-Batteriemoduls angeschlossen und der zweite Ausgangs-Anschlusspol des Basisbatteriemoduls an den zweiten Eingangs-Anschlusspol des Erweiterungs-Batteriemoduls.
Entsprechend weist das Erweiterungs-Batteriemodul den ersten Eingangs-Anschlusspol und den zweiten Eingangs-Anschlusspol auf. Überdies hat das Erweiterungs-Batteriemodul einen ersten Ausgangs-Anschlusspol und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspol, sowie eine Batteriezelle und drei Schaltelemente. Dabei ist der zweite Eingangs-Anschlusspol mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol elektrisch gekoppelt. Überdies ist ein erster Pol, beispielsweise der Pluspol, der Batteriezelle des Erweiterungs-Batteriemoduls mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol elektrisch gekoppelt und durch das erste Schaltelement elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol koppelbar, so dass durch das erste Schaltelement der erste Pol der Batteriezelle unabhängig von einem Schaltzustand der weiteren Schaltelemente elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol gekoppelt oder von diesem getrennt werden kann. Des Weiteren ist ein zweiter Pol, beispielweise der Minuspol, der Batteriezelle des Erweiterungs-Batteriemoduls durch das zweite Schaltelement elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol koppelbar, so dass durch das zweite Schaltelement der zweite Pol der Batteriezelle unabhängig von den anderen Schaltelementen elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol gekoppelt oder von diesem getrennt werden kann. Schließlich ist der zweite Pol durch das dritte Schaltelement elektrisch mit den beiden miteinander elektrisch gekoppelten zweiten Anschlusspolen des Erweiterungs-Batteriemoduls koppelbar, und zwar wiederum derart, dass durch das dritte Schaltelement der zweite Pol der Batteriezelle unabhängig von den anderen beiden Schaltelementen mit den beiden zweiten Anschlusspolen elektrisch gekoppelt oder von diesen getrennt werden kann.
Im Falle eines Batterieblocks mit einem einzigen Erweiterungs-Batteriemodul ist der erste Ausgangsanschlusspol des Erweiterungs-Batteriemoduls mit einem ersten Eingangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls elektrisch gekoppelt und der zweite Ausgangs-Anschlusspol des Erweiterungs-Batteriemoduls mit einem zweiten Eingangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls.
Im Falle eines Batterieblocks mit einer Reihe von mehrerer Erweiterungs-Batteriemodule ist der erste Ausgangs-Anschlusspol eines jeweiligen vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls, also beispielsweise des mit dem Basis-Batteriemodul gekoppelten ersten Erweiterungs-Batteriemoduls, mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol eines jeweiligen nachfolgenden, beispielsweise zweiten Erweiterungs-Batteriemoduls elektrisch gekoppelt, und der zweite Ausgangs-Anschlusspol des vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls, beispielsweise des mit dem Basis-Batteriemodul gekoppelten ersten Erweiterungs-Batteriemoduls, mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspol des nachfolgenden Erweiterungs-Batteriemoduls, beispielsweise des zweiten Erweiterungs-Batteriemoduls. Entsprechend kann so mutatis mutandis auch ein drittes, viertes, oder n-tes Erweiterungs-Batteriemodul in der Reihe an das zweite, dritte oder (n-1)-te Erweiterungs-Batteriemodul angeschlossen und die entsprechenden Anschlusspole miteinander elektrisch gekoppelt werden. An das letzte Erweiterungs-Batteriemodul der Reihe ist dann das End-Batteriemodul angeschlossen.
Das End-Batteriemodul weist entsprechend einen ersten Eingangs-Anschlusspol, einen zweiten Eingangs-Anschlusspol, einen ersten Ausgangs-Anschlusspol und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspol auf. Dabei ist der erste Eingangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls elektrisch gekoppelt und der zweite Eingangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls. Die beiden Ausgangs-Anschlusspole des End-Batteriemoduls sind durch ein Schaltelement elektrisch koppelbar, so dass durch das Schaltelement die beiden Ausgangs-Anschlusspole unabhängig von dem weiter unten eingeführten weiteren Schaltelement elektrisch trennbar oder miteinander koppelbar sind. In dem End-Batteriemodul ist der erste Eingangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol des End-Batteriemoduls durch ein weiteres Schaltelement elektrisch koppelbar, so dass durch das weitere Schaltelement der erste Eingangs-Anschlusspol von dem ersten Ausgangs-Anschlusspol unabhängig von dem einen Schaltelement des End-Batteriemoduls elektrisch trennbar oder mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol koppelbar ist.
Die Zwischenkreisspannung U_DC kann dabei insbesondere zwischen den beiden Ausgangs-Anschlusspolen des End-Batteriemoduls bereitgestellt werden. Alternativ kann der Batterieblock mehrere mit den Ausgangs-Anschlusspolen in Reihe geschaltete End-Batteriemodule aufweisen und die Zwischenkreisspannung U_DC zwischen den dem ersten Ausgangs-Anschlusspol des ersten und dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol des letzten End-Batteriemoduls bereitgestellt werden. In diesem Fall sind mit jedem End-Batteriemodul zumindest ein Erweiterungs-Batteriemodul und ein Basis-Batteriemodul in der oben beschriebenen Weise elektrisch verbunden.
Das hat den Vorteil, dass in modularer Weise eine Schaltung bereitgestellt werden kann, bei welcher unterschiedliche Batteriezellen sowohl in Reihe geschaltet, als auch parallel geschaltet, als auch überbrückt werden können, so dass die Spannung im Wechselrichter ohne Verlusterhöhung eingestellt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass der Batterieblock zumindest zwei Erweiterungs-Batteriemodule aufweist, insbesondere zumindest drei Erweiterungs-Batteriemodule.
Das hat den Vorteil, dass die Zwischenkreisspannung auch ohne Verlusterhöhung unter die 50%-Grenze gesenkt werden kann. So kann beispielsweise bei einem Batterieblock mit zwei Erweiterungs-Batteriemodulen die Zwischenkreisspannung ohne Verlusterhöhung auf bis zu 33 % bzw. bei zumindest drei Erweiterungs-Batteriemodulen auf bis auf 25 % ihres maximalen Wertes reduziert werden. Auch hier reichen die üblichen Sperrspannungen eines Feldeffekttransistors, beispielsweise eines MOSFETs mit einer Sperrspannung von 30 Volt aus.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Schaltelemente jeweils einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET). Die Schaltelemente können auch ein solcher Feldeffekttransistor sein.
Das hat den Vorteil, dass die Schaltungen günstig und schnell schaltend realisiert werden können, wobei die handelsüblichen Feldeffekttransistoren oder MOSFETs mit einer Sperrspannung von weniger als 50 Volt, beispielsweise 30 Volt, hier geeignet sind, um die oben genannten Vorteile zu realisieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Drehmoments eines Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs. Ein Verfahrensschritt ist dabei das Bereitstellen einer einstellbaren Zwischenkreisspannung U_DC durch einen Batterieblock, welche mehrere verschaltete Batteriemodule mit je zumindest einer Batteriezelle aufweist, wobei die Zwischenkreisspannung U_DC durch Umschalten der verschalteten Batteriemodule einstellbar ist. Ein weiterer Verfahrensschritt betrifft dabei ein Umwandeln der Zwischenkreisspannung U_DC in eine Wechselspannung für den Elektromotor durch einen Wechselrichter in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Pulsmusters. Dabei erfolgt als weiterer Schritt ein Regeln des Drehmoments des Elektromotors durch Einstellen der Zwischenkreisspannung U_DC mit einer Motorsteuereinrichtung. Das Pulsmuster kann insbesondere durch die Motorsteuereinrichtung vorgegeben werden.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen hier Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der geschilderten Umrichtervorrichtung.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüberhinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Umrichtervorrichtung mit einem Elektromotor;
2: ein Ersatzschaltbild eines beispielhaften Batteriemoduls;
3: das Verhältnis der Oberschwingungen zur Grundschwingung als Funktion der Ordnung der Oberschwingungen;
4: das Verhältnis der Oberschwingungen zur Grundschwingung über der Zeit bei Regeln eines Motor-Drehmoments über die Zwischenkreisspannung;
5: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften ersten Ausführungsform eines Batterieblocks;
6: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften zweiten Ausführungsform eines Batterieblocks; und
7: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften dritten Ausführungsform eines Batterieblocks.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine beispielhafte Umrichtervorrichtung 1 für einen Elektromotor 2. Bei dem Elektromotor 2 kann es sich insbesondere um einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs handeln. Die Umrichtervorrichtung weist dabei einen Batterieblock 3 auf, welcher ausgebildet ist, eine einstellbare Zwischenkreisspannung U_DC bereitzustellen. Der Batterieblock 3 weist mehrere verschaltete Batteriemodule 4a, 4b, .....4n auf, welche im gezeigten Beispiel in Serie geschaltet sind. Jedes Batteriemodul 4a, 4b, ....4n weist dabei je zumindest eine Batteriezelle 5a, 5b, .... 5n auf. Des Weiteren weist die Umrichtervorrichtung 1 einen Wechselrichter 6 auf, welcher ausgebildet ist in Abhängigkeit eines Pulsmusters, die Zwischenkreisspannung U_DC in eine Wechselspannung für den Elektromotor 2 umzuwandeln. Vorliegend handelt es sich bei dem Wechselrichter 6 um einen dreiphasigen Wechselrichter 6, bei welchem jeder der beiden Pole des Batterieblocks mit drei Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) 7a bis 7f nebst zugehöriger Diode 8a bis 8f verbunden ist, um aus der Zwischenkreisspannung U_DC gemäß einem Pulsmuster einen vorliegend dreiphasigen Wechselstrom für den Elektromotor 2 zu generieren.
Die Umrichtervorrichtung 1 umfasst auch eine Motorsteuereinrichtung 9, welche ausgebildet ist, ein Drehmoment des Elektromotors 2 durch ein Einstellen der Zwischenkreisspannung U_DC zu regeln. Zu diesem Zweck ist die Motorsteuereinrichtung 9 ausgebildet, ein Signal eines Lagegebers 10 zu empfangen und (vorliegend über eine Momentregelungseinheit 11) die Batteriemodule 5a, 5b, 5n mit entsprechenden Schaltelementen 15, 15' (2) anzusteuern. Beispielsweise kann so durch die Momentregelungseinheit 11 ein Überbrücken, in Serie-Schalten oder Parallelschalten von einer oder mehrerer der Batteriezellen 5a, 5b, ... 5n realisiert werden. Vorliegend kann dabei eine Wellensteuerwinkel- und Pulsmuster-Vorgabeeinheit 12 unabhängig von der Momentregelungseinheit 11 ein Pulsmuster und einen Wellensteuerwinkel für den Wechselrichter 6 vorgeben. Insbesondere kann das Pulsmuster hier konstant bleiben, d. h. für bevorzugt sämtliche Drehmomente konstant vorgegeben sein und zur Anpassung des Wellensteuerwinkels lediglich zeitlich verschoben werden.
In 2 ist ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls dargestellt. Das Batteriemodul 4 weist vorliegend eine Batteriezelle 5 sowie einen ersten Anschlusspol 13 und einen zweiten Anschlusspol 14 auf. Bei einer Serienschaltung von mehreren derartigen Batteriemodulen 4 wird nun jeweils der erste Anschlusspol 13 eines vorangehenden Batteriemoduls 4b mit dem zweiten Anschlusspol 14 eines nachfolgenden Batteriemoduls 4a verbunden. Über ein erstes Schaltelement 15 ist hier der eine Pol der Batterie 5, vorliegend der Pluspol, von dem ersten Anschlusspol 13 trennbar oder mit diesem elektrisch koppelbar. Der zweite Pol der Batterie 5, vorliegend der Minuspol ist hier dauerhaft mit dem zweiten Anschlusspol 14 elektrisch gekoppelt und kann über ein zweites Schaltelement 15' mit dem ersten Anschlusspol 13 gekoppelt werden oder von diesem getrennt werden. In der gezeigten Ausführungsform sind oder umfassen die beiden Schallelemente 15, 15' jeweils einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Somit kann mit einer geringen Anzahl von Schaltelementen 15, 15' die einstellbare Zwischenkreisspannung U_DC bereitgestellt werden. Der Wechselrichter 6 dient in diesem Fall lediglich der Umkehr der Spannung und kann mit der Grundschwingungsfrequenz, beispielsweise 50 Hz, getaktet werden.
In den 3 und 4 sind Ergebnisse für die beschriebene Regelung dargestellt. Bei einer siebenfachen Taktung können, wie in 3 durch das Verhältnis der Amplitude der Oberschwingung A(f_h) zu der Amplitude der Grundschwingung A(f_f) über der Ordnung der Oberschwingungen #(f_h) dargestellt, alle Spannungsoberschwingungen bis zur Ordnungszahl 23 weitgehend eliminiert, d. h. auf eine Amplitude von deutlich unter 0,5 % der Grundschwingung reduziert werden. Dies gilt für einen stationären Betrieb (stat) wie für einen dynamischen Betrieb (dyn), bei welchem die Zwischenkreisspannung U_DC vorliegend mit einer Steilheit von ca. 120 V/sec linear über mehrere Sekunden erhöht wird. Damit steigt auch die Grundschwingungsamplitude des Wechselrichters 6. Wie in 4 im Verlauf über die Zeit t gezeigt, bleibt im beispielhaften dynamischen Betrieb die Spannung U_DC nach Erreichen der maximalen Spannung von vorliegend 600V konstant. Dabei wurden im dynamischen Betrieb (von 0,5 bis 4 Sekunden), als auch im stationären Betrieb (von 4 bis 5 Sekunden) die Grundschwingungsfrequenz und das Pulsmuster im Wechselrichter 6 nicht verändert. Es ist somit gezeigt, dass alle Oberschwingungen bis zur Ordnungszahl 23 mit der vorgeschlagenen Regelung im stationären und auch im dynamischen Betrieb vernachlässigbar klein sind.
In 5 ist ein Ersatzschaltbild eines beispielhaften Batterieblocks dargestellt. Der Batterieblock 3 weist dabei ein Basis-Batteriemodul 4a mit einer Batteriezelle 5a auf, deren erster Pol, vorliegend Plus-Pol, als erster Ausgangs-Anschlusspol 13a' dient, hier mit diesem gekoppelt ist. Der zweite Pol, vorliegend der Minus-Pol, dient als zweiter Ausgangs-Anschlusspol 14a', ist hier mit diesem gekoppelt. Der erste Ausgangs-Anschlusspol 13a' ist dabei mit einem ersten Eingangs-Anschlusspol 13b des Erweiterungs-Batteriemoduls 4b verbunden, der zweite Ausgangs-Anschlusspol 14a' mit einem zweiten Eingangs-Anschlusspol 14b des Erweiterungs-Batteriemoduls 4b.
Das Erweiterungs-Batteriemodul 4b des Batterieblocks 3 weist neben dem ersten Eingangs-Anschlusspol 13b und dem zweiten Eingangs-Anschlusspol 14b einen entsprechenden ersten Ausgangs-Anschlusspol 13b' und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14b' auf, sowie eine Batterie 5b und drei Schaltelemente 15b, 15b', 15b". Dabei ist der zweite Eingangs-Anschlusspol 14b dauerhaft mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14b' elektrisch gekoppelt. Ein erster Pol der Batteriezelle 5b, vorliegend der Plus-Pol, ist dauerhaft mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol 13b' elektrisch gekoppelt und durch das erste Schaltelement 15b elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol 13b koppelbar und auch von diesem trennbar. Der zweite Pol, vorliegend der Minus-Pol, der Batteriezelle 5b ist hier durch das zweite Schaltelement 15b' elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol 13b koppelbar und von diesem trennbar. Durch das dritte Schaltelement 15b" ist der zweite Pol der Batteriezelle 5b elektrisch mit den beiden zweiten Anschlusspolen 14b, 14b' koppelbar und auch von diesen trennbar.
In der gezeigten Ausführungsform ist ein erster Eingangs-Anschlusspol 13n eines End-Batteriemoduls 4n mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol 13b' des Erweiterungs-Batteriemoduls 4b elektrisch gekoppelt und ein zweiter Eingangs-Anschlusspol 14n des End-Batteriemoduls 4n mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14b' des Erweiterungs-Batteriemoduls 4b. Das End-Batteriemodul 4n weist zudem einen ersten Ausgangs-Anschlusspol 13n' und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14n' auf, sowie zwei Schaltelemente 15n, 15n'. Dabei ist in dem End-Batteriemodul 4n der zweite Eingangs-Anschlusspol 14n dauerhaft mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14n' gekoppelt. Der erste Eingangs-Anschlusspol 13n ist durch das erste Schaltelemente 15n mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol 13n' des End-Batteriemoduls 4n koppelbar und auch von diesem trennbar. Der erste Ausgangs-Anschlusspol 13n' ist über das zweite Schaltelement 15n' elektrisch mit den beiden miteinander gekoppelten Anschlusspolen 14n, 14n' koppelbar und auch von diesen trennbar. An den beiden Ausgangs-Anschlusspolen 13n', 14n' des End-Batteriemoduls 4n kann dabei die Zwischenkreisspannung U_DC bereitgestellt werden.
Die beschriebene Schaltung ermöglicht es, unterschiedliche Schaltzustände zu realisieren:

1. Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 5a und 5b:
- Schaltelement 15b' und 15n ein (koppelnd/leitend) sowie 15b, 15b" und 15n' aus (trennend/nichtleitend)
2. Parallelschaltung der beiden Batteriezellen 5a, 5b:
- Schaltelement 15b, 15b", 15n ein und 15b' sowie 15n' aus
3. Überbrücken der beiden Batteriezellen 5a, 5b:
- Schaltelement 15n' ein und 15b, 15b', 15b" sowie 15n aus
4. Überbrücken der Batteriezelle 5a:
- Schaltelement 15b" sowie 15n ein und 15b, 15b' und 15n' aus
5. Überbrücken der Batteriezelle 5b:
- Schaltelement 15b, 15n ein und 15b', 15b" sowie 15n' aus.

Es ist somit möglich, die Zwischenkreisspannung U_DC nicht wie bisher durch Ausschalten und Überbrücken der Batteriezellen, sondern auch durch Parallelschaltung der beiden Batteriezellen 5a, 5b zu reduzieren. Dadurch halbiert sich der Strom in den einzelnen Batteriezellen 5a, 5b. Die Verluste der Zelle nehmen quadratisch mit dem Strom ab. Die Zwischenkreisspannung U_DC kann daher ohne nennenswerte Erhöhung der Verluste bis auf ihren halben maximalen Wert reduziert werden. Für die weitere Spannungsreduktion unterhalb von 50 % müssen entweder, wie bei der bisherigen Schaltung, die jeweiligen Batteriezellen 5a, 5b durch das Schaltelement 15n' überbrückt werden, oder aber auf alternative Batterieblöcke 3 mit mehreren Erweiterungs-Batteriemodulen 4b, 4c, 4d (6, 7) zurückgegriffen werden.
In 6 weist das Batteriemodul 3 zusätzlich zum ersten Erweiterungs-Batteriemodul 4b von 5 ein weiteres Erweiterungs-Batteriemodul 4c auf. Dabei ist der erste Eingangs-Anschlusspol 13c des weiteren Erweiterungs-Batteriemoduls 4c mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol 13b elektrisch gekoppelt und der zweite Eingangs-Anschlusspol 14c des weiteren Erweiterungs-Batteriemoduls mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14b'. Entsprechend ist nun das End-Batteriemodul 4n mit seinem Eingangs-Anschlusspol 13n an den ersten Ausgangs-Anschlusspol 13c'des weiteren Erweiterungs-Batteriemoduls 4c gekoppelt und der zweite Eingangs-Anschlusspol 14n mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol 14c' des zweiten Erweiterungs-Batteriemoduls 4c.
Das zweite Erweiterungs-Batteriemodul 4c ist identisch zum bereits beschriebenen Erweiterungs-Batteriemodul 4b aufgebaut. Auf diese Weise können beliebig viele Erweiterungs-Batteriemodule 4b, 4c, 4d zwischen das Basis-Batteriemodul 4a und das End-Batteriemodul 4n geschaltet werden, wobei jeweils der erste Ausgangs-Anschlusspol eines vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls, beispielsweise des Batteriemoduls 4b mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol eines jeweiligen nachfolgenden Erweiterungs-Batteriemoduls, beispielweise des Batteriemoduls 4c, elektrisch gekoppelt ist und der zweite Ausgangs-Anschlusspol des vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspol des nachfolgenden Erweiterungs-Batteriemoduls.
Wie dies in 6 mit dem Erweiterungs-Batteriemodul 4b als vorangehendem und dem Erweiterungs-Batteriemodul 4c als nachfolgendem Erweiterungs-Batteriemodul gezeigt ist, so ist dies in 7 mit dem Erweiterungs-Batteriemodul 4c als vorangehendem Erweiterungs-Batteriemodul und dem Batteriemodul 4d als nachfolgendem Erweiterungs-Batteriemodul dargestellt. Entsprechend können mutatis mutandis noch weitere Batterieblöcke mit einer beliebigen Anzahl von Erweiterungs-Batteriemodulen zwischen dem Basis-Batteriemodul 4a und dem End-Batteriemodul 4n erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Qi, D. Lu. Review of Battery Cell Balancing Techniques. Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014, Curtin University, Perth, Australia, 28 Sept. 1 Oct. 2014 [0011]
Z. Zheng, K. Wang, L. Xu, Y. Li. A Hybrid Cascaded Multilevel Converter for Battery Energy Management Applied in Electric Vehicles. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 29, NO. 7, JULY 2014 [0011]
Fr. Grundmann, „Reduktion der Spannungsoberschwingungen bei Mehr-Punkt Umrichtern“ Dissertation der Uni Ulm, 2008 [0011]
B. Sarrazin, N. Rouger, J.P. Ferrieux. Benefits of cascaded inverters for electrical vehicles' drive-trains. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE [0011]
St. Thomas, M. Stieneker, W. De Doncker. Benefits. Development of a Modular High Power Converter System for Battery Energy Storage Systems. Power Electronics and Applications (EPE 2011), Proceedings of the 201 I-14th European Conference, sept. 2011 [0011]
KI. Peter, J. Böcker, „Minimierung niederfrequenter Oberschwingungen in Pulsmustern für 2-Level Umrichter in Antriebssystemen mittels winkelmodulierter Partikel Schwarm Optimierung“, ETG-Kongress, Nov. 2013 [0011]
F. Jenni, D. Wüest, „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter“, vdf Hochschulverlag AG und Teubner, 1993, ISDN 3-519-06176-7 [0011]

Claims

Umrichtervorrichtung (1) für einen Elektromotor (2), insbesondere für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit - einem Batterieblock (2), welcher ausgebildet ist, eine einstellbare Zwischenkreisspannung (UDC) bereitzustellen, wobei der Batterieblock (2) mehrere verschaltete Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) mit je zumindest einer Batteriezelle (5, 5a, 5b,..) aufweist, und die Zwischenkreisspannung (UDC) durch Umschalten der verschalteten Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) einstellbar ist; - einem Wechselrichter (6), welcher ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Pulsmusters die Zwischenkreisspannung (UDC) in eine Wechselspannung für den Elektromotor (2) umzuwandeln; und - einer Motorsteuereinrichtung (9) für ein Steuern des Elektromotors (2); dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinrichtung (9) ausgebildet ist, ein Drehmoment des Elektromotors (2) durch ein Einstellen der Zwischenkreisspannung (UDC) zu regeln.
Umrichtervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsmuster für unterschiedliche, insbesondere alle, Drehmomente konstant vorgegeben ist.
Umrichtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsmuster für unterschiedliche, insbesondere alle, Wellensteuerwinkel identisch ist.
Umrichtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UDC) durch jeweiliges Überbrücken und/oder In-Reihe-Schalten von Batteriezellen (5, 5a, 5b,..5n), welche unterschiedlichen verschalteten Batteriemodulen (4, 4a, 4b,..4n) zugeordnet sind, einstellbar ist.
Umrichtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UDC) durch jeweiliges Parallelschalten von Batteriezellen (5, 5a, 5b,..5n), welche den verschalteten Batteriemodulen (4, 4a, 4b,..4n) zugeordnet sind, einstellbar ist.
Umrichtervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieblock (2) aufweist: - ein Basis-Batteriemodul (4a) mit erstem Pol einer Batteriezelle (5a) des Basis-Batteriemoduls (4a) als ersten Ausgangs-Anschlusspol (13a') des Basis-Batteriemoduls (4a) und mit zweitem Pol der Batteriezelle (5a) als zweiten Ausgangs-Anschlusspol (14a') des Basis-Batteriemoduls (4a); - zumindest ein Erweiterungs-Batteriemodul (4b, 4c, 4d) mit einem ersten Eingangs-Anschlusspol (13b, 13c, 13d), einem zweiten Eingangs-Anschlusspol (14b, 14c, 14d), einem ersten Ausgangs-Anschlusspol (13b', 13c', 13d') und einem zweiten Ausgangs-Anschlusspol (14b', 14c', 14d'), einer Batteriezelle (5b, 5c, 5d) und drei Schaltelementen (15b, 15b', 15b",15c, 15c', 15c",15d, 15d', 15d"), wobei - der zweite Eingangs-Anschlusspol (14b, 14c, 14d) mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol (14b', 14c', 14d') elektrisch gekoppelt ist; - ein erster Pol der Batteriezelle (5b, 5c, 5d) mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol (13b', 13c', 13d') elektrisch gekoppelt ist und durch das erste Schaltelement (15b, 15c, 15d) elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol (13b, 13c, 13d) koppelbar ist, - ein zweiter Pol der Batteriezelle (5b, 5c, 5d) durch das zweite Schaltelement (15b', 15c', 15d') elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol (13b, 13c, 13d) und durch das dritte Schaltelement (15b", 15c", 15d") elektrisch mit den beiden zweiten Anschlusspolen (14b, 14c, 14d, 14b', 14c', 14d') koppelbar ist; und - ein End-Batteriemodul (4n) mit ersten Eingangs-Anschlusspol (13n), einem zweiten Eingangs-Anschlusspol (14n), einem ersten Ausgangs-Anschlusspol (13n') und einem zweiten Ausgangs-Anschlusspol (14n'), in welchem - der zweite Eingangs-Anschlusspol (14n) mit dem zweiten Ausgangs-Anschlusspol (14n') elektrisch gekoppelt ist, - die beiden Ausgangs-Anschlusspole (13n', 14n') des End-Batteriemoduls durch ein Schaltelement (15n') elektrisch koppelbar sind, - der erste Eingangs-Anschlusspol (13n) mit dem ersten Ausgangs-Anschlusspol (13n') durch ein weiteres Schaltelement (15n) elektrisch koppelbar ist; wobei - der erste Ausgangs-Anschlusspol (13a') des Basis-Batteriemoduls (4a) mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol (13b) eines Erweiterungs-Batteriemoduls (4b) elektrisch gekoppelt ist und der zweite Ausgangs-Anschlusspol (14a') des Basis-Batteriemoduls (4a) mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspol (14b) des einen Erweiterungs-Batteriemoduls (4b); und - der erste Ausgangs-Anschlusspol (13b', 13c', 13d'), eines Erweiterungs-Batteriemoduls (4b, 4c, 4d) mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol (13n) des End-Batteriemoduls (4n) elektrisch gekoppelt ist und der zweite Ausgangs-Anschlusspol (14b', 14c', 14d') dieses Erweiterungs-Batteriemoduls (4b, 4c, 4d) mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspol (14n) des End-Batteriemoduls (4n); und - im Falle mehrerer Erweiterungs-Batteriemodule (4b, 4c, 4d) der erste Ausgangs-Anschlusspol (13b', 13c', 13d') eines jeweiligen vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls (4b, 4c, 4d) mit dem ersten Eingangs-Anschlusspol (13c, 13d) eines jeweiligen nachfolgenden Erweiterungs-Batteriemoduls (4c, 4d) elektrisch gekoppelt ist und der zweite Ausgangs-Anschlusspol (14b', 14c', 14d') des vorangehenden Erweiterungs-Batteriemoduls (4b, 4c, 4d) mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspol (14c, 14d) des nachfolgenden Erweiterungs-Batteriemoduls (4c, 4d).
Umrichtervorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieblock (2) zumindest zwei Erweiterungs-Batteriemodule 4b, 4c, 4d) aufweist, insbesondere zumindest drei Erweiterungs-Batteriemodule (4b, 4c, 4d).
Umrichtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (15, 15', 15b, 15b', 15b",15c, 15c', 15c",15d, 15d', 15d", 15n, 15n') jeweils einen Feldeffekttransistor umfassen, insbesondere einen Metall-Oxid-Feldeffekttransistor.
Verfahren zum Regeln eines Drehmoments eines Elektromotors (2), insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen einer einstellbaren Zwischenkreisspannung (UDC) durch einen Batterieblock (2), welcher mehrere verschaltete Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) mit je zumindest einer Batteriezelle (5, 5a, 5b,..) aufweist, wobei die Zwischenkreisspannung (UDC) durch Umschalten der verschalteten Batteriemodule (4, 4a, 4b,..) einstellbar ist; b) Umwandeln der Zwischenkreisspannung (UDC) in eine Wechselspannung für den Elektromotor (2) durch einen Wechselrichter (6) in Abhängigkeit eines Pulsmusters; gekennzeichnet durch ein c) Regeln des Drehmoments des Elektromotors (2) durch Einstellen der Zwischenkreisspannung (UDC) mit einer Motorsteuereinrichtung (9).