DE102020132718A1

DE102020132718A1 - Energieversorgungseinrichtung zum Versorgen zweier elektrischer Maschinen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020132718A1
Application number: DE102020132718.8A
Authority: DE
Inventors: Vincent Molina
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung (12) zum Versorgen zweier elektrischer Maschinen (14, 16), umfassend Batteriezellen (26), die zu mehreren Zellsträngen (18; 20, 22, 24) für jeweils eine Phase zusammengefasst sind. Für jede Batteriezelle (26) ist eine Brückenschaltung (28) zum Ein- und Auskoppeln vorgesehen. Die Energieversorgungseinrichtung (12) umfasst eine erste Schalteinrichtung (46) zum Verbinden eines Endausgangs (44) der Zellstränge (18; 20, 22, 24; 58) für die erste elektrischen Maschine (14) mit einem Phasenanschluss (46, 48) für diese. Die Energieversorgungseinrichtung (12) umfasst eine zweite Schalteinrichtung (52, 64) zum Verbinden der Phasenanschlüsse (52, 54) für die zweite elektrische Maschine (16) mit den phasenkorrespondierenden Zellsträngen (18; 20, 22, 24) für die erste elektrische Maschine (14). Ein Steuergerät (56) ist dazu eingerichtet, die Brückenschaltungen (28) und die Schalteinrichtungen (46, 52) abhängig von einer Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen (14, 16) anzusteuern. Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug (10) mit einer derartigen Energieversorgungseinrichtung (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung zum Versorgen zweier elektrischer Maschinen sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Elektrische Maschinen sind ebenso wie deren Versorgung aus Batterien zwar grundsätzlich seit langer Zeit bekannt, es besteht jedoch nach wie vor Bedarf und Interesse an Weiterentwicklungen und Verbesserungen derartiger Anordnungen. Dies gilt nicht zuletzt für elektrische Antriebskonzepte in Kraftfahrzeugen, die derzeit zunehmende Verbreitung finden. Dort wären beispielsweise eine verbesserte Flexibilität, geringere Kosten, eine größere Lebensdauer oder Zuverlässigkeit und dergleichen mehr von besonderem Interesse.
Ein Ansatz zur Verbesserung eines Speichers für elektrische Energie ist beispielsweise aus der DE 10 2018 109 921 B3 bekannt. Das dort beschriebene elektrische Energiespeichersystem weist mehrere Stränge aus Energiespeichermodulen mit jeweils mindestens zwei Schaltern und mindestens einer Energiespeichereinheit auf. An einem jeweiligen Strangende ist dabei ein Anschluss angeordnet, an dem eine Phase einer als Elektromaschine ausgebildeten elektrischen Last anschließbar ist. Mehrere Stränge sind dabei zueinander so angeordnet, dass mindestens zwei Elektromaschinen an das Energiespeichersystem anschließbar sind. Dazu sind mehrere Stränge zueinander sternförmig angeordnet, wobei das Energiespeichersystem einen gemeinsamen Anschluss aufweist, an den jeweils eine Phase von mindestens zwei elektrischen Lasten anschließbar ist. Die jeweilige Phase ist über jeweils eine Leitung an dem gemeinsamen Anschluss angeschlossen, wobei die Elektromaschinen als elektrische Lasten die elektrische Energie direkt von den Strängen erhalten. Für die Elektromaschinen können je nach Stellung der Schalter unterschiedliche Werte der elektrischen Spannung direkt erzeugt und bereitgestellt werden, wobei eine Frequenz und/oder Amplitude der Spannung eingestellt wird.
Ein weiteres Beispiel auf diesem technischen Gebiet ist aus der DE 10 2018 109 925 A1 in Form einer elektrischen Anordnung bekannt. Die dort beschriebene Anordnung weist ein elektrisches Energiespeichersystem und eine Auswahlschaltung auf. Das Energiespeichersystem weist seinerseits mehrere Stränge aus Energiespeichermodulen mit jeweils einer Energiespeichereinheit auf. An mindestens einem Strangende eines jeweiligen Strangs ist mindestens ein Anschluss angeordnet. Die Auswahlschaltung weist einen Satz mit einer Anzahl an Eingängen und mehrere Sätze mit jeweils einer Anzahl an Ausgängen auf, wobei der Satz der Anzahl an Eingängen mit einer der Anzahl an Eingängen entsprechenden Anzahl an Anschlüssen des Energiespeichersystems verbunden ist. Der eine Satz mit der Anzahl an Eingängen ist innerhalb der Auswahlschaltung mit den mehreren Sätzen mit der jeweiligen Anzahl an Ausgängen verbunden und mit mindestens einer Phase von mindestens zwei elektrischen Lasten verbindbar. Auch damit soll ein Speicher für elektrische Energie verbessert werden, insbesondere um damit eine Mehrzahl von Elektromotoren zu versorgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Nutzung eines Antriebs mit zwei batterieversorgten elektrischen Maschinen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung ist für einen elektrischen Antrieb mit zwei elektrischen Maschinen, also zu deren Energieversorgung oder Betrieb eingerichtet. Die Energieversorgungseinrichtung umfasst dazu eine Vielzahl von Batteriezellen, die in mehreren Zellsträngen zur Versorgung jeweils einer Phase der elektrischen Maschinen zusammengefasst sind. Die Anzahl der Zellstränge kann dabei also der Summe der Anzahl der Phasen einer ersten der elektrischen Maschinen und der Anzahl der Phasen einer zweiten der elektrischen Maschinen entsprechen. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. So kann ebenso ein bestimmter Zellstrang zur Versorgung einer Phase der ersten elektrischen Maschine und auch einer Phase der zweiten elektrischen Maschine, also zum Bereitstellen von Ausgangs- oder Betriebsspannungen für beide elektrischen Maschinen eingerichtet sein. Dies wird an anderer Stelle noch näher erläutert. In jedem Fall können die Zellstränge zur Versorgung der Phasen der elektrischen Maschinen entsprechende elektrische Kontakte, Anschlussstellen oder Anschlussleitungen aufweisen. Ebenso kann eine entsprechende Steuerung der Zellsträngen bzw. der Batteriezellen vorgesehen sein, durch welche die Zellstränge bzw. die Batteriezellen zum Bereitstellen der entsprechenden Ausgangs- oder Betriebsspannung angesteuert werden können.
Erfindungsgemäß weisen die Zellstränge für jede ihrer Batteriezellen eine Brückenschaltung zum individuellen Einkoppeln der Batteriezellen in eine Reihenschaltung der Batteriezellen des jeweiligen Zellstrangs und zum individuellen Auskoppeln der Batteriezellen aus dieser Reihenschaltung auf. Durch entsprechende Ansteuerung der Brückenschaltungen können die einzelnen Batteriezellen mit anderen Worten also in die jeweilige Reihenschaltung, also in die elektrische Versorgung der jeweiligen Phase eingebunden oder entsprechend getrennt werden. Die Brückenschaltungen können als H- oder Vollbrückenchips auf Batteriezellenlevel realisiert sein. Die Brückenschaltungen können also jeweils vier Schalter, beispielsweise Halbleiter- oder Leistungsschalter wie etwa IGBTs oder MOSFETs, aufweisen, wobei ein eigentliches Energiespeicherelement der Batteriezellen jeweils in der Mitte der Brückenschaltung angeordnet ist.
Weiter umfasst die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung eine erste Schalteinrichtung, mittels derer ein jeweiliger Endausgang einer der Anzahl der Phasen der ersten elektrischen Maschine entsprechenden Anzahl der Zellsträngen jeweils elektrisch leitend mit einem jeweiligen Phasenanschluss für die erste elektrische Maschine verbindbar ist. Mit anderen Worten können durch die erste Schalteinrichtung mehrere elektrische Verbindungen geschaltet, also hergestellt und getrennt werden. In bestimmungsgemäßer Einbaulage der Energieversorgungseinrichtung, beispielsweise in einem mit den beiden elektrischen Maschinen ausgestatteten Kraftfahrzeug oder dergleichen, kann also mittels der ersten Schalteinrichtung die erste elektrische Maschine elektrisch mit einer entsprechenden Anzahl der Zellsträngen verbunden werden, um die elektrische Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine zu aktivieren oder zu ermöglichen. Die erste Schalteinrichtung kann dazu eine der Anzahl der Phasen der jeweiligen elektrischen Maschine entsprechende Anzahl von individuellen Schaltern, Schaltelementen, Schützen oder dergleichen mehr umfassen, die jeweils eine Leitung zu einer der Phasen unterbrechen bzw. schalten können. In einem typischen Anwendungsfall kann die erste elektrische Maschine beispielsweise drei Phasen aufweisen, die dann über jeweilige Leitungen mit entsprechend drei unterschiedlichen Zellsträngen an deren Endausgängen verbunden bzw. über die erste Schalteinrichtung verbindbar sind.
Die Endausgänge der Zellstränge sind dabei Verbindungs- oder Anschlussstellen, die derart angeordnet sind, dass sie zusammen mit einem Eingang des jeweiligen Zellstrangs sämtliche Batteriezellen des jeweiligen Zellstrangs umfassen. Mit anderen Worten kann also am Endausgang die maximale von dem jeweiligen Zellstrang bereitstellbare Ausgangsspannung abgegriffen werden, insbesondere wenn sämtliche Batteriezellen des jeweiligen Zellstrangs mit der gleichen Polarität relativ zu dem Eingang und dem Endausgang des jeweiligen Zellstrangs in Reihe geschaltet sind.
Die Phasenanschlüsse bezeichnen im vorliegenden Sinne Stellen, insbesondere Anschluss- oder Kontaktstellen, die in bestimmungsgemäßer Einbaulage der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung jeweils in elektrischer oder schaltungstechnischer Betrachtungsweise zwischen einem Endausgang der Zellstränge und einer der elektrischen Maschinen angeordnet sind. Je nach Ausgestaltung können die Phasenanschlüsse beispielsweise physische Schalter oder Stecker bzw. jeweils eine Seite oder ein Ende davon sein. Aus den Zellsträngen bereitgestellter Strom kann dann also über die jeweilige Schalteinrichtung zu dem entsprechenden Phasenanschluss und darüber in die jeweils daran angeschlossene elektrische Maschine fließen.
Weiter umfasst die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung eine zweite Schalteinrichtung, mittels derer Phasenanschlüsse für die zweite elektrische Maschine jeweils elektrisch leitend mit den zur Versorgung der korrespondierenden Phase der ersten elektrischen Maschine vorgesehenen Zellsträngen verbindbar sind. Die zweite Schalteinrichtung kann hier analog zu der ersten Schalteinrichtung aufgebaut sein, also beispielsweise eine der Anzahl der Phasen der zweiten elektrischen Maschine entsprechende Anzahl von Schaltern, Schaltelementen, Schützen oder dergleichen umfassen.
Die einzelnen Schalter, Schaltelemente, Schütze oder dergleichen innerhalb einer der Schalteinrichtungen können individuell, also unabhängig voneinander, oder gemeinsam, also miteinander synchronisiert schaltbar sein.
Zueinander korrespondierende Phasen der beiden elektrischen Maschinen sind Phasen, in beiden elektrischen Maschinen die gleiche - zunächst willkürliche aber dann dauerhaft festgelegte - Nummer oder Bezeichnung bzw. die gleiche Funktion haben. Mit anderen Worten korrespondiert also eine erste Phase der der ersten elektrischen Maschine mit der ersten Phase der zweiten elektrischen Maschine, eine zweite Phase der ersten elektrischen Maschine mit der zweiten Phase der zweiten elektrischen Maschine und eine dritte Phase der ersten elektrischen Maschine mit der dritten Phase der zweiten elektrischen Maschine, wenn die beiden elektrischen Maschinen jeweils drei Phasen aufweisen. Entsprechendes gilt analog für andere Phasenanzahlen der elektrischen Maschinen.
Wird die zweite Schalteinrichtung geschlossen, also die entsprechenden elektrischen Verbindungen hergestellt, so sind dann diejenigen der Zellstränge, die in bestimmungsgemäßer Einbaulage die Phasen der ersten elektrischen Maschine versorgen, dann auch mit den Phasenanschlüssen die für die zweite elektrische Maschine, gegebenenfalls also mit der daran angeschlossenen zweiten elektrischen Maschine selbst, elektrisch leitend verbunden.
Weiter umfasst die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, die Brückenschaltungen und/oder die Schalteinrichtungen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Last- oder Betriebsanforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen, also in Abhängigkeit von einer an die Energieversorgungseinrichtung gestellte Anforderung zum Bereitstellen einer bestimmten Ausgangs- oder Betriebsspannung an eine oder beide der elektrischen Maschinen, anzusteuern. Mit anderen Worten ist das Steuergerät dazu eingerichtet, eine jeweils zum gewünschten Betrieb einer oder beider der elektrischen Maschinen notwendige Ausgangs- oder Betriebsspannung an den jeweiligen Phasenanschlüssen bereitzustellen, eine Rekuperation, also eine Aufnahme von durch wenigstens eine der elektrischen Maschinen im generatorischen Betrieb erzeugter elektrischer Energie in die Batteriezellen, zu ermöglichen und/oder ein bestimmtes Verhältnis von Ladezuständen (englisch: States of Charge, SoC) bzw. einen Ausgleich der Ladezustände zwischen verschiedenen Batteriezellen innerhalb eines der Zellsträngen oder zwischen verschiedenen Zellsträngen einzustellen oder zu bewirken. Wird also beispielsweise eine Ausgangs- oder Betriebsspannung angefordert, die kleiner ist als eine Maximalspannung, die von einem der Zellstränge maximal bereitstellbar ist, so kann durch entsprechendes Ansteuern der Brückenschaltungen nur eine gerade zum Erreichen dieser angeforderten Spannung benötigte Anzahl der Batteriezellen eingebunden werden.
Diese Effekte oder Wirkungen werden durch die beschriebene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung vorteilhaft besonders flexibel und besonders einfach, also mit besonders geringem Bauteil-, Schaltungs-, Bauraum- und Kostenaufwand ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht also beispielsweise die flexible, wahlweise gleichzeitige oder selektive, Versorgung zweier elektrischer Maschinen mit jeweils beispielsweise drei Phasen durch beispielsweise nur drei anstatt sechs Zellstränge. Damit werden entsprechend weniger Batteriezellen und Brückenschaltungen benötigt, sodass entsprechend Aufwand, Bauraum und Kosten eingespart werden können. Zusätzlich oder alternativ kann durch die vorliegende Erfindung besonders einfach und effektiv ein Ausgleich zwischen verschiedenen Batteriezellen und/oder Zellsträngen ermöglicht werden. Dazu kann je nach Situation oder Implementierung zum Betreiben der elektrischen Maschinen benötigte Energie priorisiert aus den Batteriezellen mit dem höchsten Ladezustand abgerufen werden und/oder mehrere Zellsträngen derart miteinander verschaltet werden, das von einem Zellstrang, dessen Batteriezellen einen höheren Ladezustand aufweisen, Energie in einen anderen Zellstrang fließen kann, dessen Zellen einen niedrigeren Ladezustand aufweisen. Diese Konzepte werden an anderer Stelle noch näher erläutert können aber vorteilhaft auf relativ einfache Weise in bestehende Antriebs- oder Fahrzeugkonzepte integriert werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Ladezustand aller Batteriezellen zu erfassen und die Brückenschaltungen und/oder die Schalteinrichtungen unter Erfüllung der jeweiligen Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen zum Angleichen oder Ausgleichen der Ladezustände anzusteuern. Mit anderen Worten kann das Steuergerät dazu eingerichtet sein, innerhalb der Energieversorgungseinrichtung entsprechende Spannungslagen zu erzeugen unter Verwendung der Batteriezellen mit den höchsten Ladezuständen bzw. soweit möglich unter Auskoppeln der Batteriezellen mit den niedrigsten Ladezuständen und/oder durch Verbinden zweier Zellstränge, die ein Spannungsgefälle vom Zellstrang mit dem höheren Ladezustand zu dem Zellstrang mit dem niedrigeren Ladezustand aufweisen. Dabei kann der durchschnittliche Ladezustand oder der Ladezustand der innerhalb des jeweiligen Zellstrangs in dessen Reihenschaltung eingebundenen Batteriezellen ausschlaggebend sein. Dadurch kann letztlich automatisch ein möglichst gleichmäßiger Ladezustand der Batteriezellen bzw. der Zellstränge erreicht werden. Dies kann zum einen zu einer gleichmäßigen Belastung und Alterung der Batteriezellen führen, was beispielsweise hinsichtlich der Lebensdauer und der Bewahrung der Kapazität der Zellsträngen positiv sein kann. Das Steuergerät kann dazu beispielsweise entsprechende Schnittstellen, eine Speichereinrichtung, auf der ein entsprechendes Betriebsprogramm gespeichert ist, sowie eine Prozessoreinrichtung zum Ausführen dieses Betriebsprogramms umfassen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jeder der Zellstränge, deren Endausgänge mit der ersten Schalteinrichtung verbunden sind, zwischen seinem Endausgang und seinem Eingang einen Zwischenausgang oder Zwischenabgriff auf. Diese Zwischenausgänge sind jeweils elektrisch leitend mit der zweiten Schalteinrichtung verbunden. Somit kann in dieser Ausgestaltung die Gesamtanzahl der Zellstränge der Anzahl der Phasen der ersten elektrischen Maschine entsprechen, wobei diese Anzahl wiederum gleich der Anzahl der Phasen der zweiten elektrischen Maschine ist. Die genannten Zellstränge können also über ihren jeweiligen Endausgang die erste elektrische Maschine und über ihren Zwischenausgang die zweite elektrische Maschine versorgen, also eine Betriebsspannung zum Versorgen oder Betreiben der zweiten elektrischen Maschine bereitstellen. Der Zwischenausgang ist dabei an einem vorgegebenen Punkt zwischen Anfang und Ende des jeweiligen Zellstrangs angeordnet. Die Zellsträngen stellen hier also über ihre beiden Ausgänge zwei Ausgangs- oder Betriebsspannungen, also Versorgungsspannungen für die elektrischen Maschinen, bereit, die - je nach Schaltzustand der Brückenschaltungen - gleich oder unterschiedlich sein können.
In von den Endausgängen zu den Phasenanschlüssen für die erste elektrische Maschine und von den Zwischenausgängen zu den Phasenanschlüssen für die zweite elektrische Maschine führenden Leitungen ist hier jeweils eine der genannten Schalteinrichtungen zum Unterbrechen der Versorgung der jeweiligen elektrischen Maschine angeordnet. Dadurch, dass die Zwischenausgänge jeweils zwischen dem Eingang und dem Endausgang des jeweiligen Zellstrangs angeordnet sind, sind zwischen dem Eingang und dem jeweiligen Zwischenausgang weniger der Batteriezellen des jeweiligen Zellstrangs angeordnet bzw. einbindbar als zwischen dem Eingang und dem Endausgang. Somit kann bei Einbindung sämtlicher Batteriezellen an dem Zwischenausgang eine entsprechend geringere Maximalspannung bereitgestellt werden als an dem Endausgang. Die beiden elektrischen Maschinen können dann also zwar nicht mit derselben Maximalspannung versorgt werden, die hier vorgeschlagene Ausgestaltung bietet aber dennoch einen für praktische Anwendungen attraktiven Kompromiss aus Flexibilität und Kosten- und Bauteilaufwand.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind jeweils zwischen dem Eingang und dem Zwischenausgang 55 % bis 80 %, insbesondere 60 % bis 70 %, der Batteriezellen des jeweiligen Zellstrangs angeordnet. Mit anderen Worten kann die an dem jeweiligen Zwischenausgang bereit Stellage maximal Spannung 55 % bis 80 %, insbesondere 60 % bis 70 %, der an dem Endausgang des jeweiligen Zellstrangs bereitstellbaren Maximalspannung betragen. Es hat sich gezeigt, dass diese Ausgestaltung für praktische Anwendungen, beispielsweise als Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, einen flexiblen und effektiven Betrieb ermöglicht. So kann beispielsweise die erste elektrische Maschine als primärer Traktionsmotor dienen, während die zweite elektrische Maschine zur Unterstützung in Spitzenlastsituationen und/oder zur Kooperation eingesetzt werden kann. Die zweite elektrische Maschine kann dazu gegebenenfalls kleiner bzw. leichter als die erste elektrische Maschine gebaut sein, sodass sich insgesamt ein attraktives Verhältnis von Flexibilität, Leistungsfähigkeit, Gewicht und Bauraumbedarf ergibt. Auch wenn mit der hier beschriebenen Ausgestaltung nicht beide elektrischen Maschinen mit der gleichen Maximalspannung betrieben werden können, besteht dennoch eine nützliche individuelle Steuerbarkeit und somit beispielsweise ein entsprechender Freiheitsgrad für eine Drehmomentanpassung oder dergleichen.
In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Zellsträngen in zwei Gruppen mit jeweils einer der Anzahl der Phasen jeder der elektrischen Maschinen entsprechenden Anzahl von Zellsträngen aufgeteilt. Dabei sind jeweilige Anschluss- oder Verbindungsleitungen der Endausgängen der Zellsträngen der ersten Gruppe mit der ersten Schalteinrichtung und die Endausgänge der Zellstränge der zweiten Gruppe mit der zweiten Schalteinrichtung elektrisch leitend verbunden. Durch die zweite Schalteinrichtung sind die Anschlussleitungen der ersten Gruppe von Zellsträngen, insbesondere an einer aus elektrischer bzw. schaltungstechnischer Sicht zwischen den Endausgängen der ersten Gruppe und der ersten Schalteinrichtung liegenden Stelle, jeweils phasenkorrespondierend mit einer der Anschlussleitungen der zweiten Gruppe von Zellsträngen verbindbar, um eine Angleichung eines Ladezustands der Batteriezellen aus phasenkorrespondierenden Zellsträngen unterschiedlicher Gruppen zu ermöglichen. Dies ist hier insbesondere auch bei gleichzeitigem Betrieb der elektrischen Maschinen möglich.
Im vorliegenden Sinne sind zwei Zellsträngen zueinander phasenkorrespondierend, wenn sie Teil unterschiedlicher Gruppen und zur Versorgung zueinander korrespondierender, also einander entsprechender Phasen der beiden elektrischen Maschinen vorgesehen, also eingerichtet sind. In bestimmungsgemäßer Einbaulage korrespondiert also ein erster Zellstrang der ersten Gruppe, der die erste Phase der ersten elektrischen Maschine versorgt, mit einem ersten Zellstrang der zweiten Gruppe, der die erste Phase der zweiten elektrischen Maschine versorgt, usw.
In der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die Gesamtzahl der Zellstränge der Summe der Phasen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine entsprechen. Mit anderen Worten kann dann jeder der Zellstränge zur Versorgung genau einer Phase genau einer der elektrischen Maschinen dienen. Weist beispielsweise einer der Zellstränge der ersten Gruppe im Durchschnitt oder für eine bestimmte zum Bereitstellen einer angeforderten Betriebsspannung verwendbare bzw. verwendete Gruppe von Batteriezellen einen höheren Ladezustand auf als der dazu phasenkorrespondierende Zellstrang aus der zweiten Gruppe, so kann die zweite Schalteinrichtung geschlossen werden. Über die zweite Schalteinrichtung kann dann Energie aus dem entsprechenden Zellstrang der ersten Gruppe in den entsprechenden Zellstrang der zweiten Gruppe fließen, wobei gleichzeitig auch die erste elektrische Maschine aus dem Zellstrang der ersten Gruppe versorgt werden kann. Analog kann im umgekehrten Fall die Energie ebenso in entgegengesetzte Richtung fließen. Damit kann also eine Angleichung der Ladezustände der Zellsträngen untereinander auf besonders einfache Weise realisiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen bei einem Unterschied der Ladezustände in den zu der gleichen Phase der elektrischen Maschinen korrespondierenden Zellsträngen der beiden Gruppen jeweils unterschiedlich viele Batteriezellen einzukoppeln und die zweite Schalteinrichtung zu schließen. Dabei werden durch das Steuergerät die Batteriezellen derart eingekoppelt, also die Brückenschaltungen derart geschaltet, dass der Zellstrang, der bzw. dessen Batteriezellen den höheren Ladezustand aufweisen, eine größere Spannung liefert als der korrespondierende Zellstrang aus der anderen Gruppe und insgesamt an den Phasenanschlüssen für die erste elektrische Maschine und/oder die zweite elektrische Maschine eine jeweils anforderungsgerechte Ausgangs- oder Betriebsspannung anliegt, also bereitgestellt wird.
Das Steuergerät kann mit anderen Worten also automatisch bestimmen, in dem Zellstrang welcher Gruppe der Ladezustand niedriger ist. Das Steuergerät schaltet dann entsprechend unterschiedlich viele Zellen aus den jeweiligen beiden phasenkorrespondierenden Zellsträngen zusammen, sodass insgesamt die angeforderte Spannung geliefert wird, der Zellstrang mit dem höheren Ladezustand aber mehr Spannung liefert als der Zellstrang mit dem niedrigeren Ladezustand, sodass Energie aus dem Zellstrang mit dem höheren Ladezustand sowohl zu der zu versorgenden elektrischen Maschine als auch in den Zellstrang mit dem niedrigeren Ladezustand fließt bzw. fließen kann.
Je nach individuellen Zellspannungen und für den Betrieb einer oder beider der elektrischen Maschinen angeforderter Spannung kann das Steuergerät automatisch die beste Kombination von Batteriezellen aus den jeweiligen zueinander phasenkorrespondierenden Zellsträngen bestimmen, um die genannten Bedingungen für den Betrieb der wenigstens einen elektrischen Maschine und den Ladezustandsausgleich zu erfüllen. Dabei sind wie beschrieben innerhalb jeweils eines einzelnen Zellstrangs dessen Batteriezellen seriell miteinander verschaltet oder verschaltbar war, während - bezogen auf die Versorgung der wenigstens einen elektrischen Maschine - die beiden phasenkorrespondierenden Zellsträngen und damit auch deren Batteriezellen durch Schließen des entsprechenden Schalters oder Schaltelements der zweiten Schalteinrichtung zueinander parallel geschaltet bzw. schaltbar sind.
Damit ergibt sich eine erhebliche Flexibilität hinsichtlich der an die elektrischen Maschinen bereitstellbaren Versorgungsspannungen und der Verhältnisse der Spannungslagen der phasenkorrespondierenden Zellstränge. Je nach Ladezustand oder Situation bzw. Anforderung können beispielsweise jeweils alle Schalter oder Schaltelemente der zweiten Schalteinrichtung stets gleichzeitig, also synchron miteinander oder aber individuell einzeln, also unabhängig voneinander geschaltet werden. Dies kann beispielsweise abhängig sein von der jeweiligen Anforderung, den tatsächlichen Differenzen der Ladezustände, einem verfügbaren Energie- oder Wärme- bzw. Kühlleistungsbudget und/oder dergleichen mehr sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung können die Ladezustände der Zellsträngen besonders einfach und automatisch, also für einen Nutzer transparent aneinander angeglichen bzw. ausgeglichen gehalten werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Energieversorgungseinrichtung eine dritte Schalteinrichtung, auch als Zwischenschalteinrichtung bezeichnet, auf. Mittels dieser dritten Schalteinrichtung sind die Anschlussleitungen der zweiten Gruppe zwischen deren Kontaktpunkt mit der zweiten Schalteinrichtung und den Phasenanschlüssen für die zweite elektrische Maschine unterbrechbar. Mit anderen Worten können dann also mittels der zweiten Schalteinrichtung zueinander phasenkorrespondierende Zellsträngen aus unterschiedlichen Gruppen miteinander verbunden werden, um einen Ausgleich von deren Ladezuständen zu ermöglichen, während gleichzeitig die dritte Schalteinrichtung je nach Bedarf zum Versorgen der zweiten elektrischen Maschine geöffnet oder zum Unterbrechen der Versorgung der zweiten elektrischen Maschine geöffnet sein kann. Dies kann eine Verwendung von Spannungslagen der jeweiligen Zellsträngen aus den beiden Gruppen zum Angleichen von deren Ladezustände ermöglichen, die - zumindest in der jeweiligen Betriebssituation der elektrischen Maschinen - nicht zur Versorgung oder zum Betrieb der zweiten elektrischen Maschine geeignet sind.
Die Schaltung zum Verbinden der beiden Gruppen von Zellsträngen mit den beiden elektrischen Maschinen kann hier also zumindest aus elektrischer oder Schaltung technischer Sicht asymmetrisch ausgebildet sein. Dies schafft auf besonders einfache Weise ein weiter erhöhtes Maß an Flexibilität zum Betreiben der Energieversorgungseinrichtung und/oder der elektrischen Maschinen, da der Ausgleich bzw. das Angleichen der Ladezustände zwischen den Gruppen von Zellsträngen zumindest teilweise oder in gewissem Maße unabhängig von einem Betrieb der elektrischen Maschinen möglich ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung und zwei an deren Phasenanschlüsse angeschlossene elektrische Maschinen aufweist. Die beiden elektrischen Maschinen können insbesondere Traktionsmaschinen des Kraftfahrzeugs sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung genannte Kraftfahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die erste elektrische Maschine zum Antreiben einer ersten Antriebsachse des Kraftfahrzeugs und die zweite elektrische Maschine zum Antreiben einer davon verschiedenen zweiten Antriebsachse des Kraftfahrzeugs angeordnet bzw. eingerichtet. Die erste Antriebsachse kann insbesondere eine Hinterachse sein, während die zweite Antriebsachse insbesondere eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs sein kann. Die erste elektrische Maschine kann dementsprechend also insbesondere als Hinterachsmotor und die zweite elektrische Maschine als Vorderachsmotor des Kraftfahrzeugs ausgebildet bzw. angeordnet sein. Dadurch können unterschiedliche Fahr- oder Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs besonders effektiv realisiert werden, in dem durch entsprechende Ansteuerung oder Versorgung der beiden elektrischen Maschinen unterschiedliche Antriebsmomente auf die beiden unterschiedlichen Antriebsachsen des Kraftfahrzeugs geleitet, also ausgeübt werden. So kann beispielsweise für eine maximale Beschleunigung oder Leistungsentfaltung durch die beiden elektrischen Maschinen Antriebsmoment auf beide Antriebsachsen geleitet werden. Für einen besonders energiesparenden Reise- oder Dauerbetrieb kann hingegen nur eine der beiden Antriebsachsen angetrieben, also nur eine der beiden elektrischen Maschinen betrieben werden.
In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine zum Antreiben von an entgegengesetzten Enden derselben Antriebsachse des Kraftfahrzeugs angeordneten angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeugs angeordnet bzw. eingerichtet. Auf diese Weise kann besonders einfach beispielsweise eine flexible Drehmomentverteilung, also eine flexible, insbesondere unterschiedliche Aufteilung eines Antriebsmoments auf die beiden an derselben Antriebsachse angeordneten angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden (englisch: active yaw bzw. torque vectoring). Dadurch kann das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs auf einfache und sichere Weise gezielt beeinflusst werden.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei elektrischen Maschinen und einer damit verbindbaren Energieversorgungseinrichtung in einer ersten Variante; und
2 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei elektrischen Maschinen und einer damit verbindbaren Energieversorgungseinrichtung in einer zweiten Variante

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittweise schematische Darstellung ein Kraftfahrzeug 10. Dabei handelt es sich vorliegend um ein elektrisches Fahrzeug, das eine elektrische Energieversorgungseinrichtung 12 sowie zwei elektrische Maschinen, nämlich eine erste elektrische Maschine 14 und eine zweite elektrische Maschine 16, aufweist. Die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 sind hier an das Energieversorgungssystem 12 angeschlossen, werden also durch dieses mit elektrischer Energie zu ihrem Betrieb versorgt. Die elektrischen Maschinen 14, 16 können hier insbesondere Traktionsmaschinen des Kraftfahrzeugs 10 sein. Dabei kann beispielsweise die erste elektrische Maschine 14 eine Hinterachse und die zweite elektrische Maschine 16 eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 antreiben. Ebenso können die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 beispielsweise Radmotoren sein, die jeweils ein Rad einer gemeinsamen Achse antreiben.
Prinzipiell kann das hier beschriebene System ebenso auf weitere elektrische Maschinen des Kraftfahrzeugs 10 erweitert werden.
In der hier dargestellten Variante umfasst die Energieversorgungseinrichtung 12 mehrere Zellsträngen 18. Konkret sind hier ein erster Zellstrang 20, ein zweiter Zellstrang 22 und ein dritter Zellstrang 24 vorgesehen, die untereinander gleichartig aufgebaut sind. Die hier vorgesehene Anzahl der Zellsträngen 18 entspricht der Anzahl der Phasen jeder der beiden elektrischen Maschinen 14, 16.
Die Zellstränge 18 umfassen jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen 26, die jeweils in eine individuelle Brückenschaltung 28 integriert sind. Die Brückenschaltungen 28 umfassen ihrerseits jeweils vier Schalter 30, die in einer H-Anordnung um die jeweilige Batteriezelle 26 angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Batteriezellen 26 und der Brückenschaltungen 28 des ersten Zellstrangs 20 repräsentativ dargestellt und nur einige der Schalter 30 explizit gekennzeichnet. Innerhalb eines jeden der Zellstränge 18 sind dessen die Batteriezellen 26 und die zugehörigen Brückenschaltungen 28 umfassenden Energiespeichermodule seriell, also in Reihe angeordnet bzw. verschaltet. Konkret gekennzeichnet sind hier eine Anfangsbatteriezelle 32 am Anfang, also eingangsseitig dieser Reihenschaltung, eine Zwischenbatteriezelle 34 in einem mittleren Bereich oder Abschnitt der Reihenschaltung und eine Endbatteriezelle 36 am Ende, also ausgangsseitig der Reihenschaltung. Über die gesamte Reihenschaltung, also die Gesamtmenge der Batteriezellen 26 eines jeden der Zellsträngen 18 fällt maximal, also bei Einbindung sämtlicher jeweiliger Batteriezellen 26 in die jeweilige Reihenschaltung maximal eine hier schematisch durch einen Pfeil angedeutete erste Spannung 38 zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine 14 ab. Da zwischen der Anfangsbatteriezelle 32 und der Zwischenbatteriezelle 34 nur ein entsprechend der Position der Zwischenbatteriezelle 34 in der jeweiligen Reihenschaltung geringerer Anteil der Batteriezellen 26 angeordnet, also in Reihe geschaltet oder schaltbar ist, fällt von der Anfangsbatteriezelle 32 bis zu der Zwischenbatteriezelle 34 maximal eine entsprechend kleinere, hier ebenfalls durch einen Pfeil schematisch angedeutete zweite Spannung 40 zur Versorgung der zweiten elektrischen Maschine 16 ab.
Die Zellstränge 18, also deren jeweilige Anfangsbatteriezelle 32 sind eingangsseitig durch eine jeweilige Strangeingangsleitung 42 elektrisch kontaktiert oder angebunden. Ausgangsseitig sind die Zellsträngen 18 bzw. deren jeweilige Endbatteriezelle 36 entsprechend durch eine jeweilige Strangausgangsleitung 44 elektrisch kontaktiert bzw. angebunden.
Die Strangausgangsleitungen 44 führen hier zu einer - hier nur teilweise und schematisch angedeuteten - ersten Schalteinrichtung 46. An ein anderes Ende, also einen von den Zellsträngen 18 abgewandten Anschluss oder Kontaktpunkt der ersten Schalteinrichtung 46 sind erste Anschlussleitungen 48 elektrisch angeschlossen oder angebunden, die zu der ersten elektrischen Maschine 14 führen. Jede der - hier beispielhaftdrei - Phasen der ersten elektrischen Maschine 14 kann hier individuell schaltbar über die jeweilige Strangausgangsleitung 44, einen jeweiligen Schalter der ersten Schalteinrichtung 46 und die jeweilige erste Anschlussleitung 48 aus dem jeweiligen Zellstrang 18 mit elektrischer Energie versorgt werden.
Analog dazu sind die Zellstränge 18 an oder unmittelbar nach der jeweiligen Zwischenbatteriezelle 34 über ein eine jeweilige Zwischenausgangsleitung 50 mit einer zweiten Schalteinrichtung 52 verbunden. Auch die zweite Schalteinrichtung 52 kann hier mehrere individuelle Schalter oder Schaltelemente umfassen, um jeweils eine der Zwischenausgangsleitungen 50 zeit- oder bedarfsweise zu unterbrechen. An einem anderen Ende, also einem von den Zellsträngen 18 abgewandten Anschluss oder Kontaktpunkt der zweiten Schalteinrichtung 52 sind zweite Anschlussleitungen 54 elektrisch angeschlossen oder angebunden, die zu der zweiten elektrischen Maschine 16 führen und bei geschlossener zweite Schalteinrichtung 52 jeweils eine der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 16 elektrisch versorgen können.
Weiter ist hier ein Steuergerät 56 vorgesehen, das ebenfalls Teil der Energieversorgungseinrichtung 12 sein kann. Das Steuergerät 56 ist hier zum Ansteuern der Brückenschaltungen 28 und/oder der Schalteinrichtungen 46, 52 eingerichtet.
Vorliegend ist also ein System vorgesehen, in dem zwei Traktionsmotoren, nämlich die elektrischen Maschinen 14, 16, betrieben und versorgt werden sollen, insbesondere zumindest teilweise unabhängig voneinander. Ein solches Szenario bzw. eine entsprechende Topologie ist besonders anspruchsvoll bzw. einschränkend, da die elektrischen Maschinen 14, 16 gegebenenfalls mit unterschiedlichen Spannungen versorgt, also betrieben werden müssen oder sollen. Damit müssen die Batteriezellen 26 zur Versorgung der beiden elektrischen Maschinen 14, 16 zumindest teilweise unabhängig voneinander schaltbar bzw. verwendbar sein. Dies kann wiederum in unerwünschter Weise zu unterschiedlichen Ladezuständen der Batteriezellen 26 innerhalb der Zellstränge 18 oder zu einer eingeschränkten Nutzbarkeit der Batteriezellen 26 für bestimmte Anwendungen oder Betriebsmodi führen. Wenn beispielsweise in einer herkömmlichen Konfiguration mit einem einzelnen dedizierten Zellstrang 18 je Phase der elektrischen Maschinen 14, 18 die Batteriezellen 26 der zur Versorgung der zweiten elektrischen Maschine 16 vorgesehenen Zellsträngen 18 einen Ladezustand von 100 % aufweisen, kann die zweite elektrische Maschine 16 nicht zum Rekuperieren von Energie eingesetzt werden, auch wenn die Batteriezellen 26 der zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine 14 vorgesehenen Zellsträngen 18 noch freie Kapazität, also einen Ladezustand von weniger als 100 % aufweisen. Weisen die zur Versorgung der zweiten elektrischen Maschine 16 vorgesehenen Batteriezellen 26 hingegen einen Ladezustand von 0 % auf, kann in dieser herkömmlichen Konfiguration die zweite elektrische Maschine 16, beispielsweise während einer Beschleunigungsphase, nicht zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 beitragen, was wiederum eine reduzierte Effizienz und Benutzerfreundlichkeit bedeuten kann.
Um diesen Problemen zumindest teilweise zu begegnen, werden vorliegend nur die beschriebenen drei Zellstränge 18 eingesetzt, die aber über die Strangausgangsleitungen 44 und die Zwischenausgangsleitungen 50 dennoch jeweils zwei unterschiedliche Spannungen zur Versorgung jeweils einer Phase der ersten elektrischen Maschine 14 und einer Phase der zweiten elektrischen Maschine 16 bereitstellen können.
So werden vorliegend die Batteriezellen 26 von der Anfangsbatteriezelle 32 bis einschließlich der Zwischenbatteriezelle 34 verwendet, um die je nach Anforderung notwendige Wechselspannung bzw. entsprechende Ströme zum Versorgen der Phasen der zweiten elektrischen Maschine 16 zu generieren. Die ausgangsseitig der Zwischenbatteriezelle 34 angeordneten Batteriezellen 26 bis einschließlich der Endbatteriezelle 36 können hingegen Differenzspannungen bereitstellen, um an den Strangausgangsleitungen 44 eine jeweils gewünschte Ausgangs- oder Betriebsspannung zur Versorgung der Phasen der ersten elektrischen Maschine 14 zu generieren. Dabei kann über die Brückenschaltungen 28 auch die Polarität, mit welcher die Batteriezellen 26 eingebunden werden, eingestellt werden. Damit können die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 je nach Schaltzustand bzw. Ansteuerung der Brückenschaltungen 28 gleiche oder unterschiedliche Drehmomente erzeugen.
Beispielsweise kann es sich bei der ersten elektrischen Maschine 14 um einen Hinterachsmotor und bei der zweiten elektrischen Maschine 16 um einen Vorderachsmotor des Kraftfahrzeugs 10 handeln. Bei einem Bremsmanöver des Kraftfahrzeugs 10 kann dann die zweite elektrische Maschine 16 ein höheres Bremsdrehmoment erzeugen als die erste elektrische Maschine 14. Beim Beschleunigen kann hingegen die erste elektrische Maschine 14 ein größeres Antriebsdrehmoment erzeugen als die zweite elektrische Maschine 16. In einem Reise- oder Dauerbetrieb des Kraftfahrzeugs 10 kann beispielsweise nur eine der beiden elektrischen Maschinen 14, 16 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden. Dazu kann die jeweils andere Schalteinrichtung 46, 52 geöffnet werden. Wenn die beiden elektrischen Maschinen werden 14, 16 an entgegengesetzten Rädern derselben Achse des Kraftfahrzeugs 10 eingesetzt werden, können unterschiedliche Momente der elektrischen Maschinen 14, 16 für ein sogenanntes Torque-Vectoring eingesetzt werden, beispielsweise um eine Lenkwirkung zu erreichen, ohne dass lenkbare Vorderräder des Kraftfahrzeugs 10 eingeschlagen werden müssten.
Insgesamt können damit im Vergleich zur Verwendung dedizierter Zellstränge 18 für jede individuelle Phase der elektrischen Maschinen 14, 16, bei jeweils drei Phasen also von insgesamt sechs Zellsträngen 18, Kosten eingespart und gleichzeitig eine verbesserte Flexibilität und Modularität erreicht werden.
2 zeigt analog zu 1 ebenfalls eine ausschnittweise schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs 10 mit den beiden elektrischen Maschinen 14, 16. Hier ist jedoch die Energieversorgungseinrichtung 12 in einer alternativen Konfiguration oder Variante dargestellt. Dabei umfasst die Energieversorgungseinrichtung 12 hier für die einzelnen Phasen jeder der beiden elektrischen Maschinen 14, 16 einen individuellen Zellstrang 18. Im vorliegenden Beispiel mit jeweils drei Phasen der beiden elektrischen Maschinen 14, 16 umfasst die Energieversorgungseinrichtung 12 damit also insgesamt sechs Zellstränge 18. Diese Zellstränge 18 sind dabei in mehrere Gruppen aufgeteilt, wobei die Anzahl der Gruppen der Anzahl der durch die Energieversorgungseinrichtung 12 zu versorgenden elektrischen Maschinen 14, 16 entspricht. Da im vorliegenden Beispiel das Kraftfahrzeug 10 die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 aufweist, sind dementsprechend die Zellsträngen 18 hier in zwei Gruppen, nämlich eine erste Gruppe 58 und eine zweite Gruppe 60 mit jeweils drei individuellen Zellsträngen 18 aufgeteilt.
Die Zellstränge 18 der beiden Gruppen 58, 60 können hier sämtlich baugleich zueinander sein. Im Betrieb können aber beispielsweise zwischen einem Zellstrang 18 aus der ersten Gruppe 58 und dem dazu phasenkorrespondierenden Zellstrang 18 aus der zweiten Gruppe 60 unterschiedliche Ladezustände von deren Batteriezellen 26 entstehen. Dies ist der Fall, da die ersten Gruppe 58 hier primär zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine 14 über die Strangausgangsleitungen 44, die erste Schalteinrichtung 46 und die ersten Anschlussleitungen 48 vorgesehen sind, während die zweite elektrische Maschine 16 primär aus den Zellsträngen 18 der zweiten Gruppe 60 versorgt wird. Dazu sind vorliegend von jeweiligen Endausgängen, also ausgangsseitig der jeweiligen Endbatteriezelle 36 die Zellsträngen 18 der zweiten Gruppe 60 über jeweilige zweite Strangausgangsleitungen 62 elektrisch angebunden. Diese zweiten Strangausgangsleitungen 62 führen hier zu der zweiten Schalteinrichtung 52, welche wie beschrieben über die zweiten Anschlussleitungen 54 mit der zweiten elektrischen Maschine 16 verbunden ist.
Jeder der Zellstränge 18 aus den beiden Gruppen 58, 60 kann also hier die gleiche Maximalspannung bereitstellen, sodass dementsprechend auch die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 mit der gleichen Maximalspannung versorgt bzw. betrieben werden können.
Als weiteren Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante weist die in 2 dargestellte Variante der Energieversorgungseinrichtung 12 eine Zwischenschalteinrichtung 64 auf. Diese ist zellstrangseitig sowohl der ersten Schalteinrichtung 46 als auch der zweiten Schalteinrichtung 52 angeordnet und kann die von den Zellsträngen 18 der ersten Gruppe 58 ausgehenden Strangausgangsleitungen 44 elektrisch mit den von den Zellsträngen 18 der zweiten Gruppe 60 ausgehenden zweiten Strangausgangsleitungen 62 verbinden. Somit kann also Energie beispielsweise von einem Zellstrang 18 der ersten Gruppe 58 über die entsprechende Strangausgangsleitung 44, die dann geschlossene Zwischenschalteinrichtung 64 und von dort über die entsprechende zweite Strangausgangsleitung 62 zu dem phasenkorrespondierenden Zellstrang 18 der zweiten Gruppe 60 - oder in umgekehrter Richtung - fließen, um ein Angleichen oder einen Ausgleich der Ladezustände der jeweiligen Zellsträngen 18 bzw. von deren Batteriezellen 26 zu ermöglichen.
Bei geschlossener Zwischenschalteinrichtung 64 sind also sämtliche Zellstränge 18 aus beiden Gruppen 58, 60 mit einer oder beiden der elektrischen Maschinen 14, 16 durch Schließen einer oder beider der übrigen Schalteinrichtungen 46, 52 verbindbar.
Bei geöffneter Zwischenschalteinrichtung 64 können die beiden elektrischen Maschinen 14, 16 hier hingegen vollständig unabhängig voneinander versorgt und betrieben werden.
Wenn beispielsweise die Zwischenschalteinrichtung 64 und entweder die erste Schalteinrichtung 46 oder die zweite Schalteinrichtung 52 geschlossen sind, kann die gesamte Energie aus sämtlichen Zellsträngen 18 beider Gruppen 58, 60 zur Versorgung einer der elektrischen Maschinen 14, 16 eingesetzt werden, um beispielsweise in dem Reise- oder Dauerbetrieb auf besonders effiziente Weise eine besonders große Reichweite des Kraftfahrzeugs 10 zu ermöglichen. Ohne die Zwischenschalteinrichtung 64 wäre hingegen die Reichweite durch den Energiegehalt der Zellsträngen 18 einer der beiden Gruppen 58, 60 begrenzt oder die Effizienz durch gleichzeitige Verwendung beider elektrischer Maschinen 14, 16 limitiert.
Das genannte Angleichen der Ladezustände durch Schließen der Zwischenschalteinrichtung 64 kann beispielsweise besonders nützlich sein, wenn vor einer derartigen Reise- oder Dauerbetriebsphase einer Rekuperationsphase stattgefunden hat. In einer solchen Rekuperationsphase kann diejenige der elektrischen Maschinen 14, 16, die als Vorderachsmotor verwendet wird, ausschließlich oder in größerem Maße Energie rekuperieren und in die Zellsträngen 18 der entsprechenden Gruppe 58, 60 einspeisen als die andere, als Hinterachsmotor verwendete elektrische Maschine 16, 14.
Wird die Zwischenschalteinrichtung 64 dann geschlossen, kann der Energietransfer durch entsprechende Ansteuerung der Brückenschaltungen 28 initiiert bzw. gesteuert werden. Dies kann insbesondere bei gleichzeitigem Betrieb beispielsweise einer der beiden elektrischen Maschinen 14, 16 erfolgen, sodass das Kraftfahrzeug 10 auch während des Angleichens der Ladezustände weiter angetrieben werden kann.
Beispielsweise kann jede der Batteriezellen 26 bei voller Ladung eine Nennspannung von 4 V aufweisen. Die Batteriezellen 26 eines Zellstrangs 18 der ersten Gruppe 58 seien hier beispielhaft entsprechend voll aufgeladen, während die Batteriezellen 26 des phasenkorrespondierenden Zellstrangs 18 der zweiten Gruppe 60 teilweise entladen seien, sodass sie lediglich eine Spannung von jeweils 2,5 V bereitstellen können. Besteht in einem bestimmten Moment beispielsweise eine Anforderung zum Bereitstellen einer Ausgangs- oder Betriebsspannung von 7,75 V zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine 14, so können beispielsweise zwei Batteriezellen 26 des Zellstrangs 18 der ersten Gruppe 58 und drei Batteriezellen 26 aus dem Zellstrang 18 der zweiten Gruppe 60 eingebunden werden. Die beiden seriell verschalteten Batteriezellen 26 aus der ersten Gruppe 58 stellen damit eine Spannung von 8 V und die drei seriell verschalteten Batteriezellen 26 aus der zweiten Gruppe 60 eine Spannung von 7,5 V bereit. Da somit die aus der ersten Gruppe 58 bereitgestellte Spannungslage um 0,5 V höher ist als die aus der zweiten Gruppe 60 bereitgestellte Spannungslage, wird bei geschlossener Zwischenschalteinrichtung 64 ein entsprechender Strom aus der ersten Gruppe 58 in die zweite Gruppe 60 fließen, durch den die Ladezustände aneinander angeglichen werden. Gleichzeitig wird an der ersten Schalteinrichtung 46 eine Gesamtspannungslage bereitgestellt, die zwischen den Spannungslagen der ersten Gruppe 58 und der zweiten Gruppe 60 liegt und damit zumindest nahezu der im vorliegenden Beispiel angeforderten Betriebsspannung von 7,75 V entspricht.
Zu einem späteren Betriebszeitpunkt kann beispielsweise eine Anforderung nach einer Betriebsspannung von 304 V bestehen. Hier kann der gleiche Effekt erreicht werden, in dem in dem Zellstrang 18 der ersten Gruppe 58 77 Zellen und in dem Zellstrang 18 der zweiten Gruppe 60 120 Zellen eingebunden werden. Damit ergibt sich für die erste Gruppe 58 eine Spannungslage von 308 V und für die zweite Gruppe 60 eine Spannungslage von 300 V, sodass der Energietransfer von der ersten Gruppe 58 in die zweite Gruppe 60 ermöglicht wird, während sich zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine 16 zumindest näherungsweise die angeforderte Spannungslage von 304 V ergibt.
In analoger Weise kann für jede Spannungsanforderung durch das Steuergerät 56 die jeweils am besten geeignete Kombination aus Batteriezellen 26 eingebunden werden, um sowohl die jeweilige Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen 14, 16 zu bedienen, als auch das Angleichen der Ladezustände aneinander, also den Energietransfer zwischen den Gruppen 58, 60 zu ermöglichen.
Eine analoge Funktionsweise ist bei anderen oder umgekehrten Spannungslagen bzw. Verhältnissen der Ladezustände ebenso wie bei entgegengesetzten Schaltstellungen der Schalteinrichtungen 46, 52 möglich.
Sind sowohl die Zwischenschalteinrichtung 64 als auch die erste Schalteinrichtung 46 und die zweite Schalteinrichtung 52 geschlossen, so kann das Kraftfahrzeug 10 gleichzeitig durch beide elektrischen Maschinen 14, 16 angetrieben und ein Zell-Balancing, also ein Angleichen oder Gleichhalten der Ladezustände der Batteriezellen 26 der ersten Gruppe 58 und der zweiten Gruppe 60, ermöglicht werden.
Durch die Zwischenschalteinrichtung 64 können diese Funktionen oder Betriebsarten auf besonders einfache Weise realisiert werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine verbesserte Zelllevel-Invertertopologie für Systeme mit zwei elektrischen Maschinen realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Energieversorgungseinrichtung
14: erste elektrische Maschine
16: zweite elektrische Maschine
18: Zellstränge
20: erster Zellstrang
22: zweiter Zellstrang
24: dritter Zellstrang
26: Batteriezelle
28: Brückenschaltung
30: Schalter
32: Anfangsbatteriezelle
34: Zwischenbatteriezelle
36: Endbatteriezelle
38: erste Spannung
40: zweite Spannung
42: Strangeingangsleitungen
44: Strangausgangsleitungen
46: erste Schalteinrichtung
48: erste Anschlussleitungen
50: Zwischenausgangsleitungen
52: zweite Schalteinrichtung
54: zweite Anschlussleitungen
56: Steuergerät
58: erste Gruppe
60: zweite Gruppe
62: zweite Strangausgangsleitungen
64: Zwischenschalteinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018109921 B3 [0003]
DE 102018109925 A1 [0004]

Claims

Energieversorgungseinrichtung (12) für einen elektrischen Antrieb mit zwei elektrischen Maschinen (14, 16), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (26), die in mehreren Zellsträngen (18; 20, 22, 24) zur Versorgung jeweils einer Phase der elektrischen Maschinen (14, 16) zusammengefasst sind, und mehrere Phasenanschlüsse (46, 52; 48, 54) als Anschlusspunkte für die Phasen der elektrischen Maschinen (14, 16) wobei - die Zellstränge (18; 20, 22, 24) für jede ihrer Batteriezellen (26) eine Brückenschaltung (28) zum individuellen Einkoppeln in eine und Auskoppeln aus einer Reihenschaltung der Batteriezellen (26) des jeweiligen Zellstrangs (18; 20, 22, 24) aufweisen, - die Energieversorgungseinrichtung (12) eine erste Schalteinrichtung (46) umfasst, mittels derer ein jeweiliger Endausgang (44) einer der Anzahl der Phasen der ersten elektrischen Maschine (14) entsprechenden Anzahl der Zellstränge (18; 20, 22, 24) elektrisch leitend mit einem jeweiligen Phasenanschluss (46; 48) für die erste elektrische Maschine (14) verbindbar ist, - die Energieversorgungseinrichtung (12) eine zweite Schalteinrichtung (52, 64) umfasst, mittels derer die Phasenanschlüsse (52; 54) für die zweite elektrische Maschine (16) jeweils elektrisch leitend mit den zur Versorgung der korrespondierenden Phase der ersten elektrischen Maschine (14) vorgesehenen Zellsträngen (18; 20, 22, 24) verbindbar sind, und - die Energieversorgungseinrichtung (12) ein Steuergerät (56) umfasst, das dazu eingerichtet ist, die Brückenschaltungen (28) und die Schalteinrichtungen (46, 52, 64) in Abhängigkeit von einer jeweiligen Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen (14, 16) anzusteuern.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (56) dazu eingerichtet ist, den Ladezustand aller Batteriezellen (26) zu erfassen und die Brückenschaltungen (28) und/oder die Schalteinrichtungen (46, 52, 64) unter Erfüllung der jeweiligen Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen (14, 16) zum Angleichen der Ladzustände anzusteuern.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellstränge (18; 20, 22, 24), deren Endausgänge (44) mit der ersten Schalteinrichtung (46) verbunden sind, zwischen seinem Endausgang (44) und seinem Eingang (42) einen Zwischenausgang (50) aufweist, der mit der zweiten Schalteinrichtung (52) verbunden ist.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen dem Eingang und dem Zwischenausgang 55% bis 80%, insbesondere 60% bis 70%, der Batteriezellen (26) des jeweiligen Zellstrangs (18; 20, 22, 24) angeordnet sind.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstränge (18) in zwei Gruppen (58, 60) mit jeweils einer der Anzahl der Phasen jeder der elektrischen Maschinen (14, 16) entsprechenden Anzahl von Zellsträngen (18) aufgeteilt sind, wobei durch jeweilige Anschlussleitungen (44, 62) die Endausgänge (44) der Zellstränge (18) der ersten Gruppe (58) mit der ersten Schalteinrichtung (46) und die Endausgänge (62) der Zellstränge (18) der zweiten Gruppe (60) mit der zweiten Schalteinrichtung (64) verbunden sind und durch die zweite Schalteinrichtung (64) die Anschlussleitungen (44) der ersten Gruppe (58) von Zellsträngen (18), insbesondere an einer zwischen den Endausgängen der ersten Gruppe (58) und der ersten Schalteinrichtung (46) liegenden Stelle, jeweils phasenkorrespondierend mit einer der Anschlussleitungen (62) der zweiten Gruppe (60) von Zellsträngen (18) verbindbar sind, um eine Angleichung eines Ladezustands der Batteriezellen (26) aus Zellsträngen (18) unterschiedlicher Gruppen (58, 60) zu ermöglichen.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (56) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anforderung zum Betrieb der elektrischen Maschinen (14, 16) bei einem Unterschied der Ladezustände in den zu der gleichen Phase der elektrischen Maschinen (14, 16) korrespondierenden Zellsträngen (18) der beiden Gruppen (58, 60) jeweils unterschiedlich viele Batteriezellen (26) einzukoppeln und die zweite Schalteinrichtung (64) zu schließen, sodass der Zellstrang (18), dessen Batteriezellen (26) den höheren Ladezustand aufweisen, eine größere Spannung liefert als der korrespondierende Zellstrang (18) aus der anderen Gruppe (58, 60) und insgesamt an den Phasenanschlüssen (46, 48; 52, 54) für die erste elektrische Maschine (14) und/oder die zweite elektrische Maschine (16) eine jeweils anforderungsgerechte Ausgangsspannung anliegt.
Energieversorgungseinrichtung (12) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (12) eine dritte Schalteinrichtung (52) aufweist, mittels derer die Anschlussleitungen (62) der zweiten Gruppe (60) zwischen deren Kontaktpunkt mit der zweiten Schalteinrichtung (64) und den Phasenanschlüssen (52, 54) für die zweite elektrische Maschine (16) unterbrechbar sind.
Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine Energieversorgungseinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zwei an deren Phasenanschlüsse (46, 48; 52, 54) angeschlossene elektrische Maschinen (14, 16).
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (14) zum Antreiben einer ersten Antriebsachse, insbesondere einer Hinterachse, des Kraftfahrzeugs (10) und die zweite elektrische Maschine (16) zum Antreiben einer zweiten Antriebsachse, insbesondere Vorderachse des Kraftfahrzeugs (10) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (14) und die zweite elektrische Maschine (16) zum Antreiben von an entgegengesetzten Enden derselben Antriebsachse des Kraftfahrzeugs (10) angeordneten Rädern des Kraftfahrzeugs (10) angeordnet sind.