DE102020133288A1 - Umschaltbare Energiespeichervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugantriebs, aufweisend mehrere Speichermodule mit jeweils mehreren Speicherzellen, und einen Fahrzeugantrieb, aufweisend eine elektrische Maschine, eine solche Energiespeichervorrichtung und ein Steuermittel zur Steuerung der elektrischen Maschine und der Energiespeichervorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine eines solchen Fahrzeugantriebs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Energiespeichervorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugantriebs, sowie einen Fahrzeugantrieb.
  • In gegenwärtigen Elektrofahrzeugkonzepten ist die Antriebs-Gleichspannung - also die Ausgangs-Gleichspannung der Energiespeicher - immer eine konstante Größe und abhängig von der Anzahl seriell verschalteter Batteriezellen im Speicher. Dieses Spannungsniveau kann im Betrieb nicht gezielt verändert werden.
  • Dies erweist sich im Fahrbetrieb von Kraftfahrzeugen mit einem solchen elektrischen Antrieb als nachteilhaft, weil in unterschiedlichen Fahrsituationen das Effizienzoptimum des E-Antriebes bei unterschiedlichen anliegenden Eingangs-Gleichspannungen eines Wechselrichters des elektrischen Antriebs liegt.
  • Mit den bekannten Bordnetzen, die eine konstante Spannung aufweisen, ergibt sich daher immer ein Kompromiss bei der Antriebseffizienz.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung und/oder ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1, einen Fahrzeugantrieb mit den Merkmalen von Anspruch 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugantriebs offenbart, wobei die Energiespeichervorrichtung mehrere Speichermodule mit jeweils mehreren, insbesondere gleich vielen, Speicherzellen aufweist.
  • Die Energiespeichervorrichtung ist dazu eingerichtet, insbesondere zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wenigstens zwei unterschiedliche Ausgangs-Gleichspannungen zum Betrieb der elektrischen Maschine bereitzustellen, insbesondere als Eingangs-Gleichspannung eines Wechselrichters der elektrischen Maschine.
  • Dadurch kann die elektrische Maschine in unterschiedlichen Fahrsituationen mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Energiespeichervorrichtung dazu eingerichtet, die Ausgangs-Gleichspannung in Abhängigkeit von einer Ausprägung eines Betriebsparameters des Fahrzeugantriebs, insbesondere der elektrischen Maschine, auszuwählen.
  • Damit kann die aus dem Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung an die Ausprägung des Betriebsparameters und deren Auswirkung auf die Energieaufnahme der elektrischen Maschine angepasst werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeugantrieb offenbart, aufweisend (i) eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, (ii) ein Steuermittel zur Steuerung der elektrischen Maschine und/oder der Energiespeichervorrichtung, (iii) eine Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und gemäß einer Ausführung (iv) einen Wechselrichter zur Überführung der elektrischen Energie zwischen einem Speicher-Gleichstrom (der die Ausgang-Gleichspannung aufweist) und einem Antriebs-Drehstrom.
  • Dabei steht insbesondere eine Ausgangs-Gleichspannung der Energiespeichervorrichtung als Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters und damit mittelbar der elektrischen Maschine zur Verfügung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine eines Fahrzeugantriebs offenbart, wobei der Fahrzeugantrieb eine elektrische Maschine und ein Steuermittel aufweist, sowie eine Energiespeichervorrichtung, die insbesondere gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgebildet ist.
  • Das Verfahren weist zumindest den folgenden Verfahrensschritt auf: Einstellen eines Schaltzustands der Energiespeichervorrichtung (d.h. insbesondere: Überführen der Energiespeichervorrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten Verschaltung und/oder zwischen einem ersten und einem zweiten Spannugnspfad) in Abhängigkeit von einer Ausprägung eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine.
  • Unter einem Schaltzustand ist vorliegend insbesondere eine Schaltstellung einer Veranstaltung der Speichermodule und/oder Speicherzellen der Energiespeichervorrichtung zu verstehen und/oder ein Schaltzustand eines Gleichspannungswandlers am Sammelausgang der Energiespeichervorrichtung.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass das Wirkungsgradkennfeld der Wechselrichter-Maschine-Baugruppe eine Spannungsabhängigkeit aufweist.
  • Die genannten Antriebskomponenten weisen im niedrigeren Drehmomentbereich bei einer niedrigeren Spannung auf einen besseren Wirkungsgrad. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass Taktverluste im kleinen Drehmomentbereich der E-Maschine (insbesondere Eisenverluste) bei einer geringeren Eingangsspannung geringer sind als bei einer höheren Eingangsspannung. Bei höheren Drehmomentlasten ist es umgekehrt.
  • Beispielsweise stellt man im niedrigeren Drehmomentbereich Vorteile bei einer Eingangsspannung von 300 V fest. Bei einem Betriebspunkt von 17 Nm bei circa 8400 U/min liegt der Wirkungsgradvorteil bei ca. 1,2% gegenüber einer Eingangsspannung von 400 V. Bei höheren Lasten ist es genau umgekehrt - ein Wirkungsgradvorteil ist bei einer höheren Eingangsspannung festzustellen.
  • Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, die Hochvolt-Batterie-/Bordnetzspannung zu variieren, um gezielt, fahrzustandsabhängig den Antrieb in einen besseren Effizienzbereich zu versetzen.
  • Die Spannung aus dem Energiespeicher kann dabei in unterschiedlichen Ausführungen mit unterschiedlichen Maßnahmen variabel/schaltbar gemacht werden; beispielsweise durch eine im Speicher integrierte Umschaltmatrix, die zwischen zwei Zellverschaltungszustände schalten kann. Andere Maßnahmen können gemäß einer Ausführung eine gezielte Modulabschaltung oder ein Gleichspannungswandler zwischen Speicher und Wechselrichter sein. Verschiedene Ausführungen sind in vorliegend detailliert beschrieben, auch im Zusammenhang mit den Figuren.
  • Gemäß der Ausführung wertet eine geeignete Betriebsstrategie den aktuellen Betriebspunkt während der Fahrt aus und/oder steuert in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt eine optimale Ausgangs-Gleichspannung des Energiespeichers als Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters an.
  • In Testverfahren wie WLTP bedeutet eine - damit beispielsweise erreichbare - Wirkungsgradverbesserung von 1,25% beim Antrieb aufgrund der Rekuperation kinetischer Energie und die Wiederverwendung dieser Energie eine Verbrauchsverbesserung von ca. 2,5%. Diese Optimierung ermöglicht eine Reduzierung der Speichergröße bei gleich bleibender Fahrzeugreichweite, mit dem Resultat einer möglichen Herstellkosteneinsparung.
  • Gemäß einer Ausführung ist der Betriebsparameter des Fahrzeugantriebs, in dessen Abhängigkeit die Ausgangs-Gleichspannung auswählbar ist, ein Motordrehmoment und/oder ein Lastdrehment der elektrischen Maschine.
  • Damit kann die Ausgangs-Gleichspannung an dem Lastfall der elektrischen Maschine angepasst und diese damit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Momenten mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Energiespeichervorrichtung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Ausprägung des Betriebsparameters eine erste Ausgangs-Gleichspannung oder eine zweite Ausgangs-Gleichspannung auszuwählen. Dabei werden insbesondere als Ausprägungen dieses Betriebsparameters ein erster Niedrig-Drehmomentenbereich und ein zweiter, daran angrenzender Hoch-Drehmomentbereich unterschieden. Insbesondere ist die Energiespeichervorrichtung dazu eingerichtet, in den beiden unterschiedlichen Drehmomentbereichen unterschiedliche, insbesondere jeweils eine andere, Ausgangs-Gleichspannung(en) für den Betrieb der elektrischen Maschine bereitzustellen.
  • Durch das Vorsehen zweier unterschiedlicher Ausgangs-Gleichspannungen lässt sich eine Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung mit einer verhältnismäßig einfach bzw. günstig umzusetzenden Anpassung des Energiespeichervorrichtung erreichen.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Energiespeichervorrichtung wenigstens zwei unterschiedliche, insbesondere alternativ schaltbare, Spannungspfade zwischen einem Sammelausgang der Speichermodule und einer Ausgangs-Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung auf, wobei einer der Spannungspfade dazu eingerichtet ist, eine niedrigere Gleichspannung zu stellen, insbesondere mittels eines Gleichspannungswandlers, beispielsweise eines Tiefsetzstellers, als der andere der Spannungspfade.
  • Dadurch kann die Spannungsanpassung ohne einen Eingriff in die Verschaltung der Speicherzellen erreicht werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Energiespeichervorrichtung eine Umschaltvorrichtung zum Verändern der Verschaltung der Speichermodule untereinander auf. Die Umschaltvorrichtung dient insbesondere zum Überführen der Verschaltung zwischen einer ersten Verschaltung, bei der in einer größeren Anzahl von parallel geschalteten Speichersträngen jeweils eine kleinere Anzahl von Speicherzellen (bzw. identischen Speichermodulen) in Reihe geschaltet ist, und einer zweiten Verschaltung, bei der in einer kleineren Anzahl von parallel geschalteten Speichersträngen jeweils eine größere Anzahl von Speicherzellen (bzw. identischen Speichermodulen) in Reihe geschaltet ist.
  • Damit wird eine verlustfreie Spannungsanpassung, insbesondere auch ohne zusätzlichen Spannungswandler, ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Energiespeichervorrichtung eine Bypassvorrichtung zum vorübergehenden Überbrücken eines oder mehrerer Speichermodule eines Speicherstrangs auf, insbesondere indem der Spannungspfad des Speicherstrangs parallel zu dem/den Speichermodul(en) geschaltet wird.
  • Dies ermöglicht einen speicherschonenden Betrieb im Niedriglastbereich, bei dem ohnehin nicht die volle Leistung des Energiespeichers erforderlich ist. Damit kann zudem eine Lösung realisiert werden, mit der nötigenfalls defekte Batteriemodule sicher aus dem Lastpfad geshuntet bzw. geschaltet werden können.
  • Die Bypassvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ zum vorübergehenden Überbrücken einer oder mehrerer Speicherzellen eines Speichermoduls ausgebil-det sein, insbesondere indem der Spannungspfad des Speichermoduls parallel zu der/den Speicherzelle(m) geschaltet wird.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Energiespeichervorrichtung dazu eingerichtet, nacheinander verschiedene, insbesondere alle, Speichermodule zu überbrücken und/oder eine bestimmte Überbrückungsfolge, insbesondere während einer bestimmten Aus-prägung des Betriebsparameters, zu wiederholen.
  • Damit können Differenzen im Ladezustand der unterschiedlichen Speichermodule vermieden werden.
  • Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
    • 1 zeigt schematisch einen Fahrzeugantrieb gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
    • 2 zeigt in zwei Diagrammen zu unterschiedlichen Eingangs-Gleichspannungen einen Wirkungsgrad des Fahrzeugantriebs gemäß 1.
    • 3 zeigt eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung für den Fahrzeugantrieb gemäß 1.
    • 4 zeigt eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung für den Fahrzeugantrieb gemäß 1.
    • 5 zeigt eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung für den Fahrzeugantrieb gemäß 1.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Fahrzeugantrieb 1, aufweisend eine elektrische Synchronmaschine 2, eine Energiespeichervorrichtung 4, und einen Wechselrichter 6 zur Überführung der elektrischen Energie zwischen einem Speicher-Gleichstrom IZ der Energiespeichervorrichtung 4, der eine Ausgang-Gleichspannung UZ aufweist, und einem Antriebs-Drehstrom IA, IB, IC. Zudem weist der Fahrzeugantrieb 1 ein Steuermittel 8 zur Steuerung der elektrischen Maschine 2, der Energiespeichervorrichtung 4 und des Wechselrichters 6 auf.
  • Die Energiespeichervorrichtung 4 ist zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für die Synchronmaschine 2 ausgebildet und weist mehrere Speichermodule 31, 41, 51 (vergleiche 3, 4, und 5) mit jeweils gleich vielen (im Ausführungsbeispiel jeweils 27) Speicherzellen Z auf.
  • Die Energiespeichervorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, zwei unterschiedliche Ausgangs-Gleichspannungen UZ zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 bereitzustellen. Dadurch kann die elektrische Maschine 2 in unterschiedlichen Fahrsituationen mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Die Energiespeichervorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, die Ausgangs-Gleichspannung UZ in Abhängigkeit von einer Ausprägung eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine 2, nämlich des Motordrehmoments M auszuwählen.
  • Damit kann die Ausgangs-Gleichspannung UZ an den Lastfall der elektrischen Maschine angepasst und diese damit sowohl bei niedrigen Drehmomenten, beispielsweise bis maximal 50 Nm, insbesondere bis maximal 25 oder 30 Nm, als auch bei hohen Drehmomenten, beispielsweise ab 50 Nm, insbesondere ab 25 oder 30 Nm mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Die Energiespeichervorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Ausprägung des Betriebsparameters eine erste Ausgangs-Gleichspannung UZ1 = ca. 300 V oder eine zweite Ausgangs-Gleichspannung UZ2 = ca. 400 V auszuwählen. Als Ausprägungen des Betriebsparameters M wird im Ausführungsbeispiel ein erster Niedrig-Drehmomentenbereich M1 = [0Nm ; 50Nm] und ein zweiter, daran angrenzender Hoch-Drehmomentbereich M2 > 50Nm verwendet.
  • Durch das Vorsehen zweier unterschiedlicher Ausgangs-Gleichspannungen UZ1 und UZ2 lässt sich eine Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung mit einer verhältnismäßig einfach bzw. günstig umzusetzenden Anpassung des Energiespeichervorrichtung erreichen.
  • 2 zeigt eine Wirkungsgradbetrachtung eines elektrischen Antriebes bei Unterschiedlichen Spannungslagen UZ1 = 300 V und UZ2 = 400 V.
  • Im niedrigeren Drehmomentbereich M1 stellt man Vorteile bei einer Eingangsspannung UZ1 in Höhe von ca. 300V fest. Im dargestellten Beispiel (Betriebspunkt 17Nm bei 8385 U/min) liegt der Wirkungsgradvorteil bei ca. 1,2% gegenüber einer Spannungslage UZ2 von ca. 400V. In einem höheren Drehmomentbereich M2 ist es genau umgekehrt - ein Wirkungsgradvorteil ist bei einer höheren Eingangsspannung UZ2 festzustellen.
  • In Testverfahren wie WLTP bedeutet eine Wirkungsgradverbesserung von 1,25% beim Antrieb aufgrund der Rekuperation kinetischer Energie und die Wiederverwendung dieser Energie gleich eine Verbrauchsverbesserung von ca. 2,5%. Diese Optimierung ermöglicht Reduzierung der Größe der Energiespeichervorrichtung 4 bei gleich bleibender Fahrzeugreichweite.
  • Diese Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung UZ im Sinne einer Wirkungsgradoptimierung kann auf unterschiedliche Weisen erreicht werden, die als Ausführungsbeispiele in den 3 bis 5 detailliert beschrieben sind.
  • 3 zeigt in dem Fahrzeugantrieb 1 aus 1 die Energiespeichervorrichtung 4 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung, mit einer Umschaltvorrichtung 30 zum Umschalten zwischen der ersten Ausgangs-Gleichspannung UZ1 und der zweiten Ausgangs-Gleichspannung UZ2.
  • Die Umschaltvorrichtung 30 ist als Umschaltmatrix im Sinne eines energiespeicherinternen, schaltbaren Zellkontaktiersystems ausgebildet und kann zwischen einem ersten Betriebszustand BPA1 und der zweiten Betriebszustand BPA2 umgeschaltet werden, um die Anordnung der Speichermodule 31 untereinander zu variieren. Jedes der Speichermodule 31 weist eine Mehrzahl von, im Ausführungsbeispiel siebenundzwanzig, Speicherzellen Z auf.
  • Die Systemspannung (= Ausgangs-Gleichspannung UZ) hängt von der Anzahl in Serie verschalteter Zellen ab. Eine Kennfeld-basierte Betriebsstrategie (vergleiche die verwendeten Kennfelder aus 2) kann den aktuellen Lastpunkt auswerten und zwischen den Spannungszuständen UZ1 und UZ2 schalten, indem die Kontaktierung der einzelnen Speichermodule 31 zueinander wie in 3 dargestellt verändert wird.
  • Im Ausführungsbeispiel sind im Betriebszustand BPA2 drei Speicherstränge 33, 34 und 35 mit jeweils vier in Reihe geschaltete Speichermodulen 31 zueinander parallel geschaltet. Daraus ergibt sich im Ausführungsbeispiel eine dreifach parallele Serienschaltung von jeweils einhundertacht Speicherzellen Z, sodass sich aufgrund der Zellspannung von ca. 3,7 V eine Ausgangs-Gleichspannung UZ2 von ca. 400 V ergibt.
  • Im Betriebszustand BPA 1 hingegen sind vier Speicherstränge 36, 37, 38 und 39 mit jeweils drei in Reihe geschalteten Speichermodule 31 zueinander parallel geschaltet. Daraus ergibt sich im Ausführungsbeispiel eine vierfach parallele Serienschaltung von jeweils einundachtzig Speicherzellen Z, sodass sich aufgrund der Zellspannung von ca. 3,7 V eine Ausgangs-Gleichspannung UZ1 von ca. 300 V ergibt.
  • Ein Vorteil der Lösung gemäß 3 ist die Gewährleistung des vollen Energieinhaltes und der maximalen Systemleistung unabhängig von Betriebszustand BPA1 oder BPA2 und der entsprechenden Verschaltung V3.1 bzw. V3.2.
  • Im Ausführungsbeispiel weist also die Energiespeichervorrichtung eine Umschaltvorrichtung 30 zum Verändern der Verschaltung der Speichermodule 31 untereinander auf. Das Verändern der Verschaltung erfolgt durch Überführen zwischen einer ersten Verschaltung V3.1, bei der in einer größeren Anzahl von parallel geschalteten Speichersträngen 36, 37, 38 und 39 jeweils eine kleinere Anzahl von Speicherzellen Z in Reihe geschaltet ist, und einer zweiten Verschaltung V3.2, bei der in einer kleineren Anzahl von parallel geschalteten Speichersträngen 33, 34 und 35 jeweils eine größere Anzahl von Speicherzellen Z in Reihe geschaltet ist. In der ersten Verschaltung V3.1 stellt die Energiespeichervorrichtung 4 eine kleinere Ausgangs-Gleichspannung UZ1 bereit; in einer zweiten Verschaltung V3.2 stellt die Energiespeichervorrichtung 4 eine größere Ausgangs-Gleichspannung UZ2 bereit. Damit wird eine verlustfreie Spannungsanpassung, insbesondere auch ohne zusätzlichen Spannungswandler, ermöglicht.
  • 4 zeigt in dem Fahrzeugantrieb 1 aus 1 die Energiespeichervorrichtung 4 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung, mit einer Bypassvorrichtung 40 zur gezielten und wechselnden Überbrückung 42 einzelner Speichermodule 41 (bezüglich der Anzahl und der internen Eigenschaften der Speicherzellen Z insbesondere aufgebaut wie die Speichermodule 31 gemäß 3) in allen parallelen Speichersträngen 43, 44 und 45, um so ein Umschalten zwischen der ersten Ausgangs-Gleichspannung UZ1 und der zweiten Ausgangs-Gleichspannung UZ2 zu erreichen.
  • Durch die Überbrückung 42 einzelner Speichermodule 41 - sprich indem der Spannungspfad des Speicherstrangs 43, 44 bzw. 45 parallel zu dem jeweils überbrückten Speichermodul 41 geschaltet wird - kann anstatt einer nativen Ausgangs-Gleichspannung UZ2 des Energiespeichers 4 eine niedrigere Ausgangs-Gleichspannung UZ1 erreicht werden.
  • Um zu große Differenzen im Ladezustand der unterschiedlichen Module zu vermeiden, darf ein Speichermodul 41 nur für kurze Zeit abgetrennt sein, während der Rest des Speicher entladen bzw. geladen wird. Um dauerhaften Zustand mit niedrigerem Spannungsniveau UZ1 gewährleisten zu können müssen alle Speichermodule abschaltbar sein. In geeigneter Reihenfolge können dann die einzelnen Speichermodule in einer vorgegebenen Taktfolge abgeschaltet und wieder zugeschaltet werden. Die Taktfolge kann solange wiederholt werden, wie die niedrigere Spannung benötigt wird. Mit dieser Lösung kann eine große Flexibilität bei der Gestaltung der Speicherkonfiguration erreicht werden.
  • Im Ausführungsbeispiel weist also die Energiespeichervorrichtung eine Bypassvorrichtung 40 zum vorübergehenden Überbrücken eines oder mehrerer Speichermodule 41 jedes der Speicherstränge 43, 44 und 45 auf, indem der Spannungspfad des jeweiligen Speicherstrangs 43, 44 oder 45 parallel zu dem überbrückten Speichermodul geschaltet wird. Dies ermöglicht unter anderem einen speicherschonenden Betrieb im Niedriglastbereich, bei dem ohnehin nicht die volle Leistung des Energiespeichers 4 erforderlich ist. Damit kann zudem eine Lösung realisiert werden, mit der nötigenfalls defekte Batteriemodule sicher aus dem Lastpfad geshuntet bzw. geschaltet werden können.
  • Nacheinander werden alle Speichermodule 41 eines Speicherstrangs 43, 44 bzw. 45 in einer bestimmten Überbrückungsfolge überbrückt. Für jeden Speicherstrang 43, 44 und 45 wird eine Überbrückungsfolge festgelegt. Die Überbrückungsfolgen können sich unterscheiden und werden im Ausführungsbeispiel so lange wiederholt, wie der Fahrzeugantrieb 1 aufgrund eines Niedriglastbetriebs BPA1 mit einer reduzierten Ausgangs-Gleichspannung UZ1 des Energiespeichers 4 betrieben werden soll. Damit können unter anderem Differenzen im Ladezustand der unterschiedlichen Speichermodule vermieden werden.
  • 5 zeigt in dem Fahrzeugantrieb 1 aus 1 die Energiespeichervorrichtung 4 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung, mit einem zuschaltbaren Gleichstromwandler 50 zum Umschalten zwischen der ersten Ausgangs-Gleichspannung UZ1 und der zweiten Ausgangs-Gleichspannung UZ2. Die Speichermodule 51 sind bezüglich der Anzahl und der internen Eigenschaften der Speicherzellen Z insbesondere aufgebaut wie die Speichermodule 31 gemäß 3.
  • Mit Hilfe eines zusätzlichen Gleichstromwandlers 50, der im Ausführungsbeispiel als Tiefsetzsteller ausgebildet ist, kann je nach Betriebspunkt UZ1 oder UZ2 der Stromkreis so geschlossen werden, dass der elektrischen Antrieb entweder mit einer hohen Spannung (400V) oder mit einer niedrigeren Spannung (300V) versorgt wird. Das Umschalten erfolgt mit den Schaltern 53.1 und 53.2.
  • Der Wandler kann ggf. zusammen mit Steuerung in die Leistungselektronik der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters integriert werden und damit flexibel bei allen Arten von Hochvoltspeicher-Konfigurationen eingesetzt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel weist also die Energiespeichervorrichtung zwei alternativ schaltbare Spannungspfade 54 und 55 zwischen einem Sammelausgang der Speichermodule und einer Ausgangs-Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 4 auf, wobei einer der Spannungspfade 54 dazu eingerichtet ist, mittels des Gleichspannungswandlers 50 eine niedrigere Gleichspannung UZ1 zu stellen als der andere der Spannungspfade. Dadurch kann die Spannungsanpassung ohne einen Eingriff in die Verschaltung der Speicherzellen erreicht werden.
  • Mit jeder der drei gemäß den 3, 4 und 5 beschriebenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die Synchronmaschine 2 des Fahrzeugantriebs 2 durchgeführt werden. Das Verfahren weist zumindest einen Verfahrensschritt auf, nach welchem - je nach Ausführungsform - ein Überführen der Energiespeichervorrichtung 4 zwischen der ersten Verschaltung V3.1 und der zweiten Verschaltung V3.2 und/oder zwischen dem ersten Spannungspfad 54 und dem zweiten Spannungspfad 55 in Abhängigkeit einem ermittelten Betriebszustand, der je nach dem anliegenden Motordrehmoment M der Synchronmaschine 2 ein erster Betriebszustand BPA1 oder ein zweiter Betriebszustand BPA2 ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeugantrieb
    2
    elektrische Synchronmaschine
    4
    Energiespeichervorrichtung
    6
    Wechselrichter
    8
    Steuermittel
    30
    Umschaltvorrichtung
    31
    Speichermodule
    33, 34, 35
    Speicherstränge
    36, 37, 38, 39
    Speicherstränge
    40
    Bypassvorrichtung
    41
    Speichermodule
    42
    Überbrückung
    43, 44, 45
    Speicherstränge
    50
    Gleichstromwandler
    53
    Schalter
    54, 55
    Spannungspfade
    BPA1
    erster Betriebszustand
    BPA2
    zweiter Betriebszustand
    IA, IB , IC
    Antriebs-Drehstrom
    IZ
    Speicher-Gleichstrom
    M
    otor Drehmoment
    UZ
    Ausgangs-Gleichspannung
    UZ1
    erste Ausgangs-Gleichspannung
    UZ2
    zweite Ausgangs-Gleichspannung
    V3.1
    erste Verschaltung
    V3.2
    zweite Verschaltung

Claims (9)

  1. Energiespeichervorrichtung (4) zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine (2) eines Fahrzeugantriebs (1), aufweisend mehrere Speichermodule (31, 41, 51) mit jeweils mehreren Speicherzellen (Z), und dazu eingerichtet, wenigstens zwei unterschiedliche Ausgangs-Gleichspannungen (UZ1, UZ2) zum Betrieb der elektrischen Maschine bereitzustellen.
  2. Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, dazu eingerichtet, die Ausgangs-Gleichspannung in Abhängigkeit von einer Ausprägung (BPA1, BPA2) eines Betriebsparameters (M) des Fahrzeugantriebs auszuwählen.
  3. Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter ein Motordrehmoment (M) der elektrischen Maschine ist.
  4. Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei unterschiedliche Spannungspfade (V3.1, V3.2; 54, 55) zwischen einem Sammelausgang der Speichermodule und einer Ausgangs-Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung, wobei einer der Spannungspfade (V3.1; 54) dazu eingerichtet ist, eine niedrigere Gleichspannung (UZ1) zu stellen als der andere der Spannungspfade (V3.2; 55).
  5. Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung (30) zum Verändern der Verschaltung (V3.1; V3.2) der Speichermodule untereinander.
  6. Energiespeichervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Bypassvorrichtung (40) zum vorübergehenden Überbrücken (42) eines oder mehrerer Speichermodule eines Speicherstrangs.
  7. Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 6, dazu eingerichtet, nacheinander verschiedene Speichermodule zu überbrücken und/oder eine bestimmte Überbrückungsfolge zu wiederholen.
  8. Fahrzeugantrieb (1), aufweisend - eine elektrische Maschine (2), insbesondere eine Synchronmaschine, - eine Energiespeichervorrichtung (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und - ein Steuermittel (8) zur Steuerung der elektrischen Maschine und der Energiespeichervorrichtung.
  9. Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine elektrische Maschine (2) eines Fahrzeugantriebs (1), der gemäß Anspruch 8 ausgebildet ist, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: - Einstellen eines Schaltzustands einer/der Energiespeichervorrichtung in Abhängigkeit von einer Ausprägung eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine.
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