DE102020112742A1

DE102020112742A1 - Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020112742A1
Application number: DE102020112742.1A
Authority: DE
Inventors: György Farkas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (10) für ein wenigstens ein Antriebsrad (42) aufweisendes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (50), mit einer mehrphasigen permanenterregte Synchronmaschine (12), die zum Zwecke des Antriebs mit dem wenigstens einen Antriebsrad (42) mechanisch koppelbar ist, und einem einerseits mit der Synchronmaschine (12) und andrerseits mit einem elektrischen Bordnetz (16) des Kraftfahrzeugs (50) elektrisch gekoppelten Wechselrichter (14). Erfindungsgemäß ist der Wechselrichter (14) ausgebildet, eine der Anzahl der Phasen der Synchronmaschine (12) entsprechende mehrphasige Wechselspannung bei einer Taktrate bereitzustellen, die zumindest teilweise einer Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein wenigstens ein Antriebsrad aufweisendes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer mehrphasigen permanenterregten Synchronmaschine, die zum Zwecke des Antriebs mit dem wenigstens einen Antriebsrad mechanisch koppelbar ist, und einem einerseits mit der Synchronmaschine und andrerseits mit einem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch gekoppelten Wechselrichter. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang, einem elektrischen Bordnetz und wenigstens einem Antriebsrad, welches mittels des Antriebsstrangs antreibbar ist.
Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge und Antriebsstränge hierfür sind im Stand der Technik umfangreich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür dem Grund nach nicht bedarf. Ein Antriebsstrang ist eine Fahrzeugkomponente, die dazu dient, das wenigstens eine Antriebsrad des Kraftfahrzeugs, insbesondere während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Kraftfahrzeugs, in vorgebbarer Weise anzutreiben. Das Kraftfahrzeug kann durch beschleunigt oder verzögert werden, oder es kann auch eine vorgebbare Geschwindigkeit gehalten werden. Zu diesem Zweck umfasst der Antriebsstrang zumindest die mehrphasige permanenterregte Synchronmaschine sowie den Wechselrichter.
Die mehrphasige permanenterregte Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere in Bewegungsenergie in Form einer Rotation und/oder in einem Generatorbetrieb mechanische Energie in eine elektrische Energie umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer gegenüber dem Ständer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer drehfest angeordnet, das heißt, bei einer Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt, und im Generatorbetrieb dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form eines Drehmoments in elektrische Energie umwandelt. Zu diesem Zweck weisen der Ständer und gelegentlich teilweise auch der Läufer eine von einem elektrischen Strom durchflossene Wicklung auf. Rotierende elektrische Maschinen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Drehfeldmaschinen, die an ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, elektrisches Energieversorgungsnetz anschließbar sind, und zwar insbesondere Synchronmaschinen, vorzugsweise permanenterregte Synchronmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig und/oder dergleichen.
Die rotierende elektrische Maschine weist in der Regel einen Ständer und einen gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten und über den Luftspalt vom Ständer beabstandeten Läufer auf. Die rotierende elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug dient die rotierende elektrische Maschine häufig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Daneben kann sie jedoch auch für andere Antriebsfunktionen vorgesehen sein, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einer Öl- und/oder Wasserpumpe oder dergleichen.
Bei gattungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschinen als rotierender elektrischen Maschine wird ein Magnetfeld des Läufers in der Regel zumindest teilweise durch Permanentmagnete bereitgestellt. Im bestimmungsgemäßen Betrieb ist das Magnetfeld des Läufers mit einem Magnetfeld des Ständers verkettet, welches mittels der strombeaufschlagten Ständerwicklung bereitgestellt wird. Die Ständerwicklung ist mehrphasig, in der Regel dreiphasig, ausgebildet, zu welchem Zweck die Ständerwicklung entsprechende Phasenwicklungen für jede der Phasen aufweist. Die Ständerwicklung kann als Sternpunktwicklung oder auch als Dreieck- beziehungsweise bei mehr als drei Phasen als n-Eckwicklung ausgebildet sein.
Die Funktion der permanenterregten Synchronmaschine ist dem Fachmann bekannt, weshalb von detaillierten Erläuterungen hierzu abgesehen wird. Die permanenterregten Synchronmaschine wird gelegentlich auch als bürstenlose Gleichstrommaschine (englisch: brushless DC machine; BLDC) bezeichnet, obwohl deren Funktion nicht auf dem Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine beruht, sondern sie vielmehr auf dem Funktionsprinzip einer Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete basiert.
Die permanent erregte Synchronmaschine wird gelegentlich auch als bürstenlose Gleichstrommaschine bezeichnet. Es ist jedoch bei dieser Bezeichnung darauf zu achten, dass es sich bei dem Funktionsprinzip nicht um eine Gleichstrommaschine handelt, sondern vielmehr um eine mehrphasige Synchronmaschine mit Permanenterregung, vorzugsweise unter Nutzung von läuferseitig angeordneten Permanentmagneten. Zugleich ist jedoch zu beachten, dass eine Regelverhalten dieser Synchronmaschine dem einer Gleichstrom-Nebenschlussmaschine ähneln kann. Die Synchronmaschine kann je nach Bedarf als Innenläufer oder auch als Außenläufer ausgebildet sein. In der Regel ist eine Ständerwicklung der Synchronmaschine dreiphasig realisiert. Je nach Ausgestaltung können hier jedoch auch mehr als drei Phasen vorgesehen sein, beispielsweise fünf Phasen, sechs Phasen oder auch noch mehr Phasen. Je nach Konstruktion der Wicklung kann die Wicklung als Sternpunktwicklung oder auch Dreieck- beziehungsweise Mehreckwicklung ausgebildet sein.
Der Läufer der Synchronmaschine ist mit dem wenigstens einen Antriebsrad des Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelt. Damit ist gemeint, dass eine Drehzahl und ein Drehmoment übertragen werden können. Dem Grunde nach kann die mechanische Kopplung zwar unmittelbar ausgebildet sein, beispielsweise bei einem Radantrieb, jedoch erfolgt die mechanische Kopplung in der Regel über ein oder mehrere Getriebe. Damit können die Drehzahl und/oder das Drehmoment bedarfsweise angepasst werden.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Synchronmaschine mit einer an die Anzahl der Phasen der Synchronmaschine angepassten mehrphasigen Wechselspannung beaufschlagt. Die einzelnen Phasenspannungen der mehrphasigen Wechselspannung sind dabei zeitlich versetzt zueinander. Da alle Phasenwechselspannung in der Regel die gleiche Frequenz aufweisen, kann der zeitliche Versatz auch durch einen Phasenwinkel gekennzeichnet sein. In der Regel können unmittelbar zeitlich aufeinanderfolgenden Phasenspannungen durch einen gleichen Phasendifferenzwinkel zeitlich voneinander beabstandet sein. Bei einer dreiphasigen Wechselspannung ist dies in der Regel ein Winkel von etwa 120°.
Die mehrphasige Wechselspannung wird durch den Wechselrichter bereitgestellt, der für jede der Phasen einen Phasenanschluss aufweist, der an eine jeweilige der Phasenwicklungen der Ständerwicklung elektrisch angeschlossen ist. Wechselrichter sind eine Form eines Energiewandlers, mittels dem elektrische Energie einer Gleichspannung in elektrische Energie einer Wechselspannung, und zwar einer mehrphasigen, insbesondere einer dreiphasigen, Wechselspannung gewandelt werden kann. Heutzutage werden Wechselrichter in Form sogenannter statischer Energiewandler eingesetzt, das heißt, dass sie anders als dynamische Energiewandler keine mechanisch bewegbaren, insbesondere rotierbaren Teile aufweisen. Wechselrichter der gattungsgemäßen Art als statische Energiewandler sind in der Regel als getaktete elektronische Energiewandler ausgebildet, und weisen zu diesem Zweck vorzugsweise wenigstens ein Halbbrückenmodul mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern auf, mittels welchem eine mittels eines Zwischenkreises bereitgestellte elektrische Zwischenkreisgleichspannung in die Phasenwechselspannungen umgewandelt werden kann. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Halbbrückenschaltung genannt.
Der Gleichspannungszwischenkreis ist an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch angeschlossen und hier insbesondere mit einer Fahrzeugbatterie des Bordnetzes elektrisch gekoppelt. Die Fahrzeugbatterie stellt im bestimmungemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs die elektrische Energie zur Verfügung, die mittels des Antriebsstrangs auf das wenigstens eine Antriebsrad übertragen wird.
Das Kraftfahrzeug muss in regelmäßigen Abständen mit einer Ladestation elektrisch gekoppelt werden, damit der Fahrzeugbatterie elektrische Energie zugeführt werden kann. Die Fahrzeugbatterie und auch die Nutzung ihrer elektrischen Energie bestimmen zumindest teilweise eine Reichweite der Kraftfahrzeugs, das heißt, eine Entfernung, die ohne externe Energiezufuhr von dem Kraftfahrzeug zurückgelegt werden kann. Dabei zeigt sich, dass der Betrieb des Wechselrichters einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Reichweite hat. Dies ergibt sich dadurch, dass die Schaltelemente des Wechselrichters bei jedem Schaltvorgang eine Verlustenergie erzeugen. Die Schaltelemente sind mit einer hohen Taktrate betrieben, beispielsweise 10 kHz oder sogar mehr. Soll die Taktrate über einer Hörschwelle liegen, kann die Taktrate sogar größer als 20 kHz sein. Dadurch ist der Einfluss des Wechselrichter auf die Reichweite nicht zu vernachlässigen.
In diesem Zusammenhang offenbart zum Beispiel die WO 2014/159092 A2 einen sinusmodifizierten Trapezantrieb für bürstenlose Gleichstrommotoren. Ferner offenbart die DE 197 00 893 C1 einen seriellen Elektro-Hybrid-Antrieb mit kinetischem Speicher für umweltschonenden Betrieb von Kraftfahrzeugen, insbesondere Bussen, ein zugehöriges Betriebsverfahren und Anwendung des letzteren. Schließlich offenbart die DE 103 39 028 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Antriebsstrangs hinsichtlich des Wirkungsgrads zu verbessern und/oder eine Reichweite des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zu vergrößern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Antriebsstrang und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Antriebsstrangs wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Wechselrichter ausgebildet ist, eine der Anzahl der Phasen der Synchronmaschine entsprechende mehrphasige Wechselspannung bei einer Taktrate bereitzustellen, die zumindest teilweise einer Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung entspricht.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch die Verbesserung der Effizienz der Nutzung der elektrischen Energie die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wechselrichter - im Unterschied zum Betrieb beim Stand der Technik - nicht mehr mit einer besonders hohen Taktrate betrieben wird, die weit oberhalb der Frequenz der Wechselspannung ist, die durch den Wechselrichter bereitgestellt werden soll, sondern dadurch, dass die Taktrate im Wesentlichen zumindest teilweise der Frequenz der Wechselspannung entspricht. Dadurch kann die Schalthäufigkeit der Schaltelemente des Wechselrichters gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden, wodurch zugleich auch Schaltverluste beim Wechselrichter entsprechend erheblich reduziert werden können. Dadurch besteht die Möglichkeit, die fahrzeugseitig bereitgestellte elektrischen Energie für den Betrieb des Antriebsstrangs mit einem größeren Wirkungsgrad als beim Stand der Technik zu nutzen, wodurch der Verbrauch an elektrischer Energie während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs reduziert werden kann. Dadurch kann bei einer vorgegebenen Kapazität einer Fahrzeugbatterie des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs eine entsprechende Vergrößerung der Reichweite erreicht werden.
Insbesondere wenn die Taktrate im Wesentlichen ausschließlich der Frequenz der Wechselspannung entspricht, kann auch ein Steuerungsaufwand für den Wechselrichter deutlich reduziert werden. Dies ermöglicht es, auch steuerungsseitig bezüglich des Wechselrichters Aufwand und Kosten einzusparen. Darüber hinaus erlaubt es die Erfindung, dass wechselrichterseitig vorgesehene Schaltelemente nicht nur durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, bipolare Transistoren oder dergleichen realisiert sein können, sondern - aufgrund der vergleichsweise geringen Taktrate - auch Thyristoren, insbesondere Gate-Turn-Off-Thyristoren zum Einsatz kommen können. Dadurch können Wechselrichter bei großer Leistung mit wenig Aufwand realisiert werden.
Die Taktrate beziehungsweise Taktfrequenz bezieht sich darauf, wie der Wechselrichter die mehrphasige Wechselspannung bereitstellt. Die Taktrate bezieht sich auf Schaltwechsel bei einem Zweipunkt-Wechselrichter beziehungsweise Mehrpunkt-Wechselrichter. Der Zweipunkt-Wechselrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er an einem jeweiligen Phasenanschluss lediglich zwei elektrische Potentiale bereitzustellen vermag, die gemäß der Taktrate gewechselt werden. Bei einem Mehrpunkt-Wechselrichter stehen entsprechend mehr elektrische Potentiale zur Verfügung, die an einem jeweiligen Phasenanschluss bereitstellbar sind. In der überwiegenden Zahl der Fälle werden Zweipunktwechselrichter genutzt. Die bei einem Zweipunkt-Wechselrichter bereitstellbaren Potentiale ergeben sich im Wesentlichen durch elektrische Potentiale eines Gleichspannungszwischenkreises, an dem der Zweipunkt-Wechselrichter angeschlossen ist. Die elektrischen Potentiale werden über die jeweiligen Schaltelemente des Wechselrichters an den jeweiligen Phasenanschlüssen bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung ist die Taktrate im Wesentlichen die Wechselspannungsfrequenz. Dadurch kann an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters jeweils eine im Wesentlichen etwa rechteckförmige Wechselspannung bereitgestellt sein.
Dem Grunde nach besteht jedoch auch die Möglichkeit, insbesondere bei Polaritätswechseln an einem jeweiligen Phasenanschluss im Bereich eines jeweiligen Polaritätswechsels ergänzend auch eine hochfrequente Taktung vorzusehen, um zum Beispiel einen Übergang von einem ersten Potential zu einem zweiten Potential einstellen zu können. Beispielsweise kann hierdurch eine vorgebbare Trapezform oder dergleichen realisiert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang einen Drehschwingungsdämpfer zum mechanischen Koppeln der Synchronmaschine mit dem wenigstens einen Antriebsrad aufweist. Dieser Weiterbildung liegt unter anderem der Gedanke zugrunde, dass der vorgenannte Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine dazu führen kann, dass ein nicht unerheblicher Drehmomentrippel beziehungsweise eine Drehmomentschwankung durch die Synchronmaschine abgegeben wird. Dies kann zu entsprechenden, teilweise hohen, Belastungen im mechanischen Bereich des Antriebsstrangs führen. Durch den Drehschwingungsdämpfer kann diese Beanspruchung reduziert werden. Der Drehschwingungsdämpfer kann zum Beispiel ausgelegt sein, eine Drehschwingung zu dämpfen, die hinsichtlich einer Amplitude der Drehschwingung etwa 30 % oder sogar weniger eines Antriebsmoments beträgt. Zu diesem Zweck kann der Drehschwingungsdämpfer eine Eingangswelle aufweisen, die mit einer Läuferwelle des Läufers der Synchronmaschine mechanisch gekoppelt ist. Eine Ausgangswelle des Drehschwingungsdämpfers kann unmittelbar oder auch mittelbar mit dem wenigstens einen Antriebsrad gekoppelt sein. Eine mittelbare Kopplung kann zum Beispiel mittels eines Getriebes, insbesondere eines Differentialgetriebes, realisiert sein. Drehschwingungsdämpfer können Drehmomentschwingungen beziehungsweise Torsionsschwingungen dämpfen. Als Dämpfungsmaterial kann zum Beispiel Gummi, Kautschuk, Silikon, Öl, Tellerfedern und/oder dergleichen genutzt werden. Der Drehschwingungsdämpfer kann zum Beispiel eine Torsionskupplung aufweisen. Die Torsionskupplung kann im Wesentlichen ein Innen- und ein Außenteil aufweisen, die über ein gemeinsames Gehäuse miteinander verbunden sind. Das Innenteil kann sich bei Drehmomentbeanspruchung gegenüber dem Außenteil verdrehen. Ein Verdrehwinkel kann dabei begrenzt sein. Die Begrenzung kann ferner Federn oder dergleichen aufweisen. Zur Dämpfung können zum Beispiel Fette, Schrauben, Axialfedern, Bogen- und Spiralfedern, Silikone, Öle mit großer Viskosität und/oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Drehschwingungsdämpfer als Zweimassenschwungrad ausgebildet ist. Mit dem Zweimassenschwungrad können ebenfalls Drehmomentschwingungen reduziert werden. Das Zweimassenschwungrad weist in der Regel eine primäre und eine sekundärseitige Schwungmasse auf, die mittels elastischen Dämpfereinheiten miteinander verbunden sind. Die Dämpfereinheiten können zum Beispiels durch Bogenfedern, einer Kombination aus Gleitlagern und Schraubenfedern und/oder dergleichen gebildet sein, sodass die beiden Schwungmassen torsionsweich miteinander gekoppelt werden können. Darüber hinaus können Dämpferelemente vorgesehen sein. Die grundlegende Funktion des Zweimassenschwungrads ist dem Fachmann bekannt, sodass von weiteren detaillierten Erläuterungen hierzu abgesehen wird.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Antriebsstrang ein Getriebe zum mechanischen Koppeln der Synchronmaschine mit dem wenigstens einen Antriebsrad auf. Dadurch ist es möglich, eine geeignete Drehzahlanpassung und/oder Drehmomentanpassung zwischen der Synchronmaschine und dem Antriebsrad zu realisieren. Auch die Ausgestaltung eines Getriebes ist dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass von einer detaillierten Erläuterung hierzu abgesehen wird.
Vorzugsweise ist die Synchronmaschine über den Drehschwingungsdämpfer mit dem Getriebe gekoppelt. Dadurch kann erreicht werden, dass bereits das Getriebe bezüglich der Beaufschlagung mit Drehschwingungen, insbesondere Drehmomentschwingungen, zumindest teilweise geschützt werden kann. Dadurch kann der Aufwand für das Getriebe reduziert und/oder die Lebensdauer vergrößert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang zum Antreiben von genau einem Antriebsrad ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Antriebsstrang lediglich für eine Antriebsleistung eines einzelnen Antriebsrads ausgelegt zu sein braucht. Dadurch kann der Antriebsstrang sehr kompakt ausgebildet sein, sodass er zumindest teilweise sogar in ein Antriebsrad integriert werden kann. Insbesondere ein etwaiges Differentialgetriebe kann dadurch eingespart werden. Darüber hinaus kann der Antriebsstrang nach Art eines Moduls für den Einbau in der Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang zum Antreiben von an einer gemeinsamen Achse angeordneten Antriebsrädern ausgebildet ist. Vorzugsweise sind an der gemeinsamen Achse, auch Antriebsachse genannt, wenigstens zwei Antriebsräder angeordnet. Dadurch kann eine Antriebsfunktion über die wenigstens zwei Antriebsräder erreicht werden, sodass mittels eines einzigen Antriebsstrangs, der für eine entsprechend große Leistung ausgelegt sein kann, eine Antriebsfunktion realisiert werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass mittels eines Differentialgetriebes die Antriebsleistung bedarfsweise angepasst auf die Antriebsräder verteilt werden kann. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft bei unterschiedlichen Laufwegen der wenigstens zwei Antriebsräder, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt, oder dergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Wechselrichter ausgebildet ist, eine oder mehrere Phasen der mehrphasigen Wechselspannung zusätzlich bei einer Taktrate bereitzustellen, die mindestens doppelt so groß wie die Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung ist. Dadurch ist es möglich, durch eine, vorzugsweise begrenzte, zusätzliche Anzahl von Schaltvorgängen der Schaltelemente wechselrichterseitig eine verbesserte Funktion der Drehmomenterzeugung durch die Synchronmaschine zu erreichen. Dies kann einerseits zum Beispiel dazu genutzt werden, um große Spitzenleistungen kurzzeitig bereitstellen zu können, oder zusätzlich den Drehmomentrippel beziehungsweise eine Drehschwingung zu reduzieren, vorzugsweise wenn eine Resonanzstelle des Antriebsstrangs durchfahren wird oder dergleichen. Die zusätzlichen Schaltvorgänge können jedoch auch zum Einstellen einer Leistung beziehungsweise einer Drehzahl genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Wechselrichter einen einstellbaren Spannungswandler auf. Vorzugweise ist der Spannungswandler zwischenkreisseitig angeordnet und versorgt den Wechselrichter mit der einstellbaren Spannung, die eine Gleichspannung, nämlich die Zwischenkreisgleichspannung, ist. Dadurch kann auf eine einfache Weise die Leistung und/oder die Drehzahl der Synchronmaschine eingestellt werden. Dabei kann ein Effekt genutzt werden, nämlich dass sich die permanenterregte Synchronmaschine ähnlich wie eine Gleichstrom-Nebenschlussmaschine verhält.
Mit der Erfindung ist es also insgesamt möglich, die verfügbare Energie des Bordnetzes, insbesondere seiner Fahrzeugbatterie, besser zu nutzen, und dadurch eine vergrößerte Reichweite für das Kraftfahrzeug zu erreichen. Zugleich ist es möglich, eine Verlustleistung des Antriebsstrangs zu reduzieren, wodurch Vorteile in Bezug auf die Konstruktion, insbesondere die Kühlung und/oder dergleichen, erreicht werden können.
Die für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen auch das mit dem erfindungsgemäßem Antriebsstrang ausgerüstete Kraftfahrzeug.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuervorrichtung kann unter anderem zum Steuern des Wechselrichters dienen. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein Elektrofahrzeug mit einem Antriebsstrang;
2 eine schematische Blockansicht des Elektrofahrzeugs gemäß 1 mit einem Einzelachsantrieb;
3. eine schematische Blockansicht eines Elektrofahrzeugs wie 2 mit zwei Doppelachsantrieben; und
4 eine schematische Blockansicht eines Elektrofahrzeugs wie 2 mit einem Doppelachsantrieb und zwei Einzelradantrieben.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Elektrofahrzeug 50 als Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang 10, einem elektrischen Bordnetz 16, welches eine Fahrzeugbatterie 18 umfasst, und zwei Antriebsräder 42, die an einer Antriebsachse 46 endseitig angeordnet sind. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug 50 zwei nicht angetriebene Räder 40, die an einer Fahrzeugachse 44 angeordnet sind. In 1 ist eine Ausgestaltung des Elektrofahrzeugs 50 gezeigt, bei welchem die Antriebsachse 46 eine Hinterachse ist. In dualerweise können jedoch auch die Antriebsachse 46 und die Achse 44 vertauscht sein. Je nach Bedarf kann hierdurch ein frontbetriebenes Elektrofahrzeug 50 oder ein heckbetriebenes Elektrofahrzeug 50 erreicht werden.
Der Antriebsstrang 10 dient dazu, die Antriebsräder 42 anzutreiben, um das Elektrofahrzeug 50 bestimmungsgemäß in einem Fahrbetrieb betreiben zu können. Zu diesem Zweck umfasst der Antriebsstrang 10 eine vorliegend dreiphasige permanenterregte Synchronmaschine 12, die zum Zwecke des Antriebs mit den Antriebsrädern 42 mechanisch gekoppelt ist. Der Antriebstrang 10 umfasst ferner einen einerseits mit der Synchronmaschine 12 und andererseits mit dem elektrischen Bordnetz 16 des Elektrofahrzeugs 50 elektrisch gekoppelten Wechselrichter 14. Vorliegend ist der Wechselrichter 14 unmittelbar mit seinem nicht dargestellten Gleichspannungszwischenkreis an die Fahrzeugbatterie 18 angeschlossen und wird von dieser während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs mit elektrischer Energie versorgt.
Der Wechselrichter 14 ist vorliegend ausgebildet, eine der Anzahl der Phasen der Synchronmaschine 12 entsprechende mehrphasige Wechselspannung bei einer Taktrate bereitzustellen, die im Wesentlichen einer Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung entspricht. Dadurch kann gegenüber dem Stand der Technik die Schalthäufigkeit von Schaltelementen des Wechselrichters 14 erheblich reduziert werden, sodass Schaltverluste des Wechselrichters 14 entsprechend reduziert werden können. Je nach Bedarf kann dies durch eine Art Blockkommutierung für die Synchronmaschine 12 erreicht werden. Zu diesem Zweck stellt der Wechselrichter 14 die entsprechenden Spannungssignale bereit. Der Wechselrichter 14 ist vorliegend als Zweipunktwechselrichter ausgebildet.
Der vorgenannte Betrieb der Synchronmaschine 12 am Wechselrichter 14 kann Drehmomentschwankungen zur Folge haben, die für die mechanische Seite des Antriebsstrangs 10 unerwünscht sind. Zu diesem Zweck umfasst der Antriebsstrang 10 ein Zweimassenschwungrad 20 als Drehschwingungsdämpfer, welches mit einer nicht dargestellten Eingangswelle mit einem ebenfalls nicht dargestellten Läufer der Synchronmaschine 12 mechanisch verbunden ist. Eine Ausgangswelle des Zweimassenschwungrads 20 ist mit einer Eingangswelle eines Getriebes 22 verbunden (2). Eine Ausgangswelle des Getriebes 22 ist mit einem Differentialgetriebe 24 verbunden, welches seinerseits mit der Antriebsachse 46 verbunden ist, um die Räder 42 entsprechend antreiben zu können. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter 14, die Synchronmaschine 12 sowie das Zweimassenschwungrad 20 eine Baueinheit 26 bilden.
Das in 2 dargestellte Antriebskonzept gemäß der dort gezeigten schematischen Blockansicht sieht vor, dass lediglich eine Antriebsachse 46 vorhanden ist. Eine zweite Achse 44 ist antriebslos. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann dies auch anders gewählt sein, wie im Folgenden noch dargestellt wird.
3 zeigt in einer schematischen Blockansicht wie 2 ein Elektrofahrzeug wie das Elektrofahrzeug 50 gemäß 1, welches vier Antriebsräder 42 an zwei jeweiligen Antriebsachsen 46 aufweist. Zu diesem Zweck sind zwei Baueinheiten 26 vorgesehen, deren Wechselrichter 14 parallel an die Fahrzeugbatterie 18 des Bordnetzes 16 des Elektrofahrzeugs 50 angeschlossen sind. Jeweils eine der Baueinheiten 26 dient dazu, die Antriebsräder 42 einer jeweiligen der Antriebsachsen 46 anzutreiben. Die Baueinheit 26 entspricht dem, wie es bereits anhand der 1 und 2 erläutert ist, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Zu erkennen ist, dass jede der Antriebsachsen 46 über ein jeweiliges Differenzialgetriebe 24, ein jeweiliges Getriebe 22 sowie ein jeweiliges Zweimassenschwungrad 20 an eine jeweilige Synchronmaschine 12 angeschlossen sind, wobei die jeweilige Synchronmaschine 12 an einen jeweiligen Wechselrichter 14 angeschlossen ist. Das Steuerungsprinzip ist dem Grunde wie das, welches bereits anhand der 1 und 2 erläutert wurde.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Elektrofahrzeugs 50 gemäß einer schematischen Blockansicht wie 2, wobei hier eine Antriebsachse 46 mit ihren Antriebsrädern 42 von einer Blockeinheit 26 angetrieben wird und für die Antriebsräder 42 einer weiteren Antriebsachse 46 individuelle Antriebseinheiten in einer Blockeinheit 28 vorgesehen sind. Bezüglich der linken Antriebsachse 46 entspricht die Ausgestaltung der, wie sie bereits anhand von 3 erläutert ist. Bezüglich der rechten Antriebsachse 46 ist vorgesehen, dass die Antriebsräder 42 einzeln mit einer jeweiligen Blockeinheit 28 angetrieben werden können. Zu diesem Zweck sind diese Antriebsräder 42 unmittelbar an jeweilige Getriebe 22 angeschlossen, die ihrerseits an jeweilige Zweimassenschwungräder 20 angeschlossen sind. Die jeweiligen Zweimassenschwungräder 20 sind an jeweilige Synchronmaschinen 12 angeschlossen, die ihrerseits an jeweilige Wechselrichter 14 elektrisch angeschlossen sind. Die Wechselrichter 14 sind wiederum parallel an die Fahrzeugbatterie 18 des Bordnetzes 16 angeschlossen. Durch diese Ausgestaltung können sehr unterschiedliche Antriebseigenschaften realisiert werden. Die Ausgestaltung gemäß 2 ist dabei vergleichsweise kostengünstig, wohingegen die Ausgestaltungen gemäß der 3 und 4 aufwendiger und kostenintensiver sind. Dagegen ermöglichen sie spezifischere Realisierungen von Fahreigenschaften.
Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen des Stands der Technik weisen Antriebsstränge beziehungsweise Antriebseinheiten wegen einer großen Taktrate der Wechselrichter große Verluste im Bereich der Leistungselektronik auf. Schaltfrequenzen der Schaltelemente, die beispielsweise durch Transistoren gebildet sein können, liegen im Bereich von etwa 10 kHz oder mehr. Vorzugsweise liegt die Taktrate höher als etwa 20 kHz, sodass die akustische Wahrnehmbarkeit reduziert ist. Jedoch ist zu bedenken, dass mit zunehmender Taktrate auch die entsprechenden Schaltverluste des Wechselrichters, insbesondere seiner Schaltelemente ansteigen. Beispielsweise kann ein Wirkungsgrad eines pulsweitenmodulierten Wechselrichters bei einer Drehzahl von etwa 6000 Umdrehungen pro Minute, etwa 97 % sein. Bei kleineren Drehzahlen sinkt der Wirkungsgrad entsprechend ab. Der Wechselrichter ist in der Regel als statischer Wechselrichter im Taktbetrieb ausgebildet. Zur Bereitstellung der elektrischen Energie wird der Wechselrichter bei einer Taktrate betrieben, die erheblich größer als eine Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine ist, beispielsweise 10 kHz oder sogar noch mehr. Vorzugsweise wird die Taktrate so hoch gewählt, dass keine akustisch hörbaren Geräusche entstehen. Die Taktrate liegt hierbei in der Regel bei etwa 20 kHz oder höher. Die hohe Taktrate hat jedoch zur Folge, dass entsprechende Schaltverluste im Wechselrichter entstehen. Dies reduziert den Wirkungsgrad der Energiebereitstellung für die rotierende elektrische Maschine und kann sich nachteilig auf eine Reichweite des elektrische antreibbaren Kraftfahrzeugs auswirken.
Ein Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters und der elektrischen Maschine kann mit der Formel: $η_{Gesamt} = η_{LE}_{*} η_{EM}$
angegeben werden, in der η_gesamt dem Gesamtwirkungsgrad, ηLE dem Wirkungsgrad des Wechselrichters 14 und ηEM dem Maschinenwirkungsgrad der Synchronmaschine 12 entspricht. Im Stand der Technik kann mit dem Wechselrichter 14 beispielsweise ein Wirkungsgrad von maximal etwa 93 % erreicht werden. Der Maschinenwirkungsgrad der Synchronmaschine 12 kann etwa maximal 97 % betragen. Daraus ergibt sich eine Gesamtwirkungsgrad von maximal etwa 91 %.
Die Idee der Erfindung erreicht eine Verbesserung des Wirkungsgrads unter anderem dadurch, dass anstelle von pulsweitenmodulierten Phasenspannungen und sinusförmig beaufschlagten elektrischen Maschinen die permanent erregte Synchronmaschine 12 mit im Wesentlichen rechteckigen, insbesondere etwa trapezförmigen elektrischen Signalen beaufschlagt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass die Taktrate des Wechselrichters 14 etwa der Frequenz der Wechselspannung der einzelnen Phasen entspricht, vorzugsweise genau dieser Frequenz entspricht. Hierdurch kann die Schalthäufigkeit wechselrichterseitig erheblich reduziert werden, wodurch Schaltverluste reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden können. Eine etwaige höhere Drehmomentwelligkeit bei diesem Steuerungsprinzip kann durch das Zweimassenschwungrad 20 nahezu vollständig kompensiert werden. Zu diesem Zweck ist das Zweimassenschwungrad 20 entsprechend ausgelegt. Vorzugweise ist das Zweimassenschwungrad 20 speziell für den Antriebsstrang 10 konstruiert und ausgelegt. Dabei kann berücksichtigt werden, dass eine geringere Drehmomentwelligkeit auszugleichen ist, als es zum Beispiel bei einem Verbrennungsmotor erforderlich ist. Deshalb kann auch der Wirkungsgrad des Zweimassenschwungrads erheblich besser sein, als er bei einem Einsatz mit Verbrennungsmotor wäre. Zu diesem Zwecke können zum Beispiel mehr Federelemente und weniger Stoßdämpferelemente beim Zweimassenschwungrad vorgesehen sein.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
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

WO 2014/159092 A2 [0014]
DE 19700893 C1 [0014]
DE 10339028 A1 [0014]

Claims

Antriebsstrang (10) für ein wenigstens ein Antriebsrad (42) aufweisendes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (50), mit einer mehrphasigen permanenterregten Synchronmaschine (12), die zum Zwecke des Antriebs mit dem wenigstens einen Antriebsrad (42) mechanisch koppelbar ist, und einem einerseits mit der Synchronmaschine (12) und andrerseits mit einem elektrischen Bordnetz (16) des Kraftfahrzeugs (50) elektrisch gekoppelten Wechselrichter (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (14) ausgebildet ist, eine der Anzahl der Phasen der Synchronmaschine (12) entsprechende mehrphasige Wechselspannung bei einer Taktrate bereitzustellen, die zumindest teilweise einer Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung entspricht.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Drehschwingungsdämpfer (20) zum mechanischen Koppeln der Synchronmaschine (12) mit dem wenigstens einen Antriebsrad (42).
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschwingungsdämpfer (20) als Zweimassenschwungrad ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Getriebe (22) zum mechanischen Koppeln der Synchronmaschine (12) mit dem wenigstens einen Antriebsrad (42).
Antriebsstrang nach den vorhergehenden Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (12) über den Drehschwingungsdämpfer (20) mit dem Getriebe (22) gekoppelt ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10) zum Antreiben von genau einem Antriebsrad (42) ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (42) zum Antreiben von an einer gemeinsamen Antriebsachse (46) angeordneten Antriebsrädern (42) ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (14) ausgebildet ist, eine oder mehrere Phasen der mehrphasigen Wechselspannung zusätzlich bei einer Taktrate bereitzustellen, die mindestens doppelt so groß wie die Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (14) einen einstellbaren Spannungswandler aufweist.
Kraftfahrzeug (50) mit einem Antriebsstrang, (10) einem elektrischen Bordnetz (16) und wenigstens einem Antriebsrad (42), welches mittels des Antriebsstrangs (10) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.