DE102021129953B3 - Multi-compatible power converter, method of operating a power converter, drive system and electrically powered device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen multikompatiblen Stromrichter für einen Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Verfahren zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters, ein Antriebssystem und eine zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtung. Der Stromrichter umfasst zumindest eine Steuervorrichtung, ist mit zumindest einer Energiespeichervorrichtung gekoppelt und zum Antrieb von zumindest xielektrischen Maschinen des Fahrzeugs eingerichtet, die jeweils yi-phasig sind. Zumindest xiist gleich oder größer 1. Die Energiespeichervorrichtung umfasst mehrere Speicherzellen mit jeweils zugeordneten Zellschaltern. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Zellschalter derart zu schalten, dass zumindest∑i=1nxiyiZellstränge gebildet sind. Der Stromrichter umfasst zumindest∑i=1nxiyiMehrfachwahlschalter. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Zellstränge anhand der Mehrfachwahlschalter jeweils variabel mit einer Stromphase einer elektrischen Maschine zu koppeln.The present invention relates to a multi-compatible power converter for a drive train of an at least partially electrically powered vehicle, a method for operating a multi-compatible power converter, a drive system and an at least partially electrically powered device. The power converter includes at least one control device, is coupled to at least one energy storage device and is set up to drive at least xi-electric machines of the vehicle, which are each yi-phase. At least xi is equal to or greater than 1. The energy storage device comprises a plurality of storage cells, each with associated cell switches. The control device is set up to switch the cell switches in such a way that at least ∑i=1nxiyi cell strands are formed. The power converter comprises at least ∑i=1nxiyi multi-selector switches. The control device is set up to variably couple the cell strings to a current phase of an electrical machine using the multiple selector switch.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen multikompatiblen Stromrichter für einen Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Verfahren zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters für den Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Antriebssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug und eine zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtung mit einem Antriebssystem.The present invention relates to a multi-compatible power converter for a drive train of an at least partially electrically powered vehicle, a method for operating a multi-compatible power converter for the drive train of an at least partially electrically powered vehicle, a drive system for an at least partially electrically powered vehicle and an at least partially electrically powered device with a propulsion system.
Elektrisch angetriebene Vorrichtungen, insbesondere Fahrzeuge, umfassen üblicherweise mehrphasige elektrische Maschinen, die mit Energiespeichervorrichtungen gekoppelt sind, die mehrere Zellstränge aufweisen. Einzelne Zellstränge sind dann mit unterschiedlichen Stromphasen der elektrischen Maschine gekoppelt. Die Zellstränge können in Abhängigkeit der gekoppelten Stromphase unterschiedlich stark beansprucht werden, sodass sich dadurch unterschiedliche Ladezustände und/oder Alterungszustände der Zellstränge ergeben.Electrically powered devices, particularly vehicles, typically include multi-phase electric machines coupled to energy storage devices having multiple cell strings. Individual cell strings are then coupled to different current phases of the electrical machine. Depending on the coupled current phase, the cell strings can be stressed to different extents, resulting in different states of charge and/or aging of the cell strings.
Zusätzlich können Variationen der Ladezustände und/oder Alterungszustände der Zellstränge auch daraus resultieren, dass ein Zellstrang mit einem Peripheriekreislauf des Fahrzeugs gekoppelt ist. Das Fahrzeug kann einen Sekundärverbraucher (elektrische Maschine ist der Primärverbraucher) umfassen, beispielsweise eine Fahrzeugbeleuchtung. Der Energieverbrauch der elektrischen Maschine weicht in der Regel vom Energieverbrauch von solchen Sekundärverbrauchern (deutlich) ab. Zudem kann die elektrische Maschine anders, als typischerweise die Sekundärverbraucher, zur Rekuperation genutzt werden, sodass Ladezustände von Zellsträngen, die mit Stromphasen der elektrischen Maschine gekoppelt sind, auch wieder anwachsen können. Ein solcher Effekt kann für Zellstränge, die mit Sekundärverbrauchern gekoppelt sind, nicht erzielt werden.In addition, variations in the charge states and/or aging states of the cell strings can also result from a cell string being coupled to a peripheral circuit of the vehicle. The vehicle can include a secondary consumer (electrical machine is the primary consumer), for example vehicle lighting. The energy consumption of the electrical machine generally deviates (significantly) from the energy consumption of such secondary consumers. In addition, the electrical machine can be used for recuperation in a way that is different from the typical secondary consumers, so that the charge states of cell strings that are coupled to current phases of the electrical machine can also increase again. Such an effect cannot be achieved for cell strings coupled to secondary consumers.
Die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, allgemein die Nutzungsdauer einer elektrisch angetriebenen Vorrichtung, hängt im Allgemeinen vom Ladezustand und/oder dem Alterungszustand der gesamten Energiespeichervorrichtung ab. Hier stellt allerdings diejenige Teilkomponente, die den niedrigsten Ladezustand aufweist, die limitierende Komponente für die Reichweite bzw. die Nutzungsdauer dar, obwohl gegebenenfalls andere Teilkomponenten noch signifikante Ladezustände und/oder ausreichende Alterungszustände aufweisen. Dennoch ist dann die Reichweite bzw. die Nutzungsdauer der elektrisch angetriebenen Vorrichtung durch die den niedrigsten Ladezustand und/oder schwächsten Alterungszustand aufweisenden Teilkomponente begrenzt.The range of an electrified vehicle, generally the useful life of an electrified device, generally depends on the state of charge and/or the aging state of the entire energy storage device. Here, however, the sub-component that has the lowest state of charge represents the limiting component for the range or service life, although other sub-components may still have significant states of charge and/or sufficient aging states. Nevertheless, the range or the service life of the electrically driven device is then limited by the subcomponents that have the lowest charging state and/or the weakest aging state.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen multikompatiblen Stromrichter, ein Verfahren zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters, ein Antriebssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug und eine zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtung mit einem Antriebssystem derart bereitzustellen, dass die Reichweite und/oder Nutzungsdauer von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Vorrichtungen, insbesondere Fahrzeugen, verbessert werden bzw. wird.The invention is therefore based on the object of providing a multicompatible power converter, a method for operating a multicompatible power converter, a drive system for an at least partially electrically powered vehicle and an at least partially electrically powered device with a drive system such that the range and/or service life of at least partially electrically driven devices, in particular vehicles, are or will be improved.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Erfindung darstellen kann.The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are specified in the dependent patent claims and the following description, each of which can represent aspects of the invention on its own or in (sub)combination.
Gemäß einem Aspekt wird ein multikompatibler Stromrichter für einen Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitgestellt. Der Stromrichter umfasst zumindest eine Steuervorrichtung, ist mit zumindest einer Energiespeichervorrichtung gekoppelt und zum Antrieb von zumindest xi elektrischen Maschinen des Fahrzeugs eingerichtet. Die xi elektrischen Maschinen des Fahrzeugs sind jeweils yi-phasig. Dabei ist zumindest xi gleich oder größer 1, insbesondere eine ganzzahlige Zahl. Die Energiespeichervorrichtung umfasst mehrere Speicherzellen mit jeweils zugeordneten Zellschaltern. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Zellschalter derart zu schalten, dass zumindest
Der so eingerichtete multikompatible Stromrichter ermöglicht es, die Zuordnung zwischen Zellsträngen und Stromphasen der elektrischen Maschine während des Betriebs variabel zu gestalten. Somit kann die Steuerungsvorrichtung unterschiedliche Zellstränge an unterschiedliche Stromphasen der elektrischen Maschinen zu verschiedenen Zeitpunkten koppeln, um so die Betriebseffizienz zu verbessern. Es wird eine Redundanz bezüglich der Zuordnung geschaffen, wodurch die Ausfallsicherheit und die Lebensdauer des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verbessert werden.The multicompatible power converter set up in this way makes it possible to variably design the allocation between cell strings and current phases of the electrical machine during operation. Thus, the control device under couple different cell strings to different power phases of the electric machines at different points in time so as to improve operational efficiency. A redundancy is created with regard to the assignment, as a result of which the reliability and the service life of the at least partially electrically driven vehicle are improved.
Der vorliegende Stromrichter ist nicht auf die Verwendung mit einer einzelnen elektrischen Maschine des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs beschränkt. Zum Beispiel kann das Fahrzeug auch mehrere elektrische Maschinen umfassen. Denkbar sind zum Beispiel mehrere elektrische Maschinen zum Antrieb der Vorderachse und der Hinterachse oder zum Antrieb einzelner Räder. Die elektrischen Maschinen können zudem unterschiedliche Anzahlen an Stromphasen aufweisen. Der multikompatible Stromrichter ist insofern nicht auf die Verwendung mit lediglich einem Typ von elektrischer Maschine beschränkt. In diesem Zusammenhang ist unter xi die Anzahl von elektrischen Maschinen mit einer bestimmten Anzahl an Stromphasen yi zu verstehen.The present power converter is not limited to use with a single electrical machine of the at least partially electrically powered vehicle. For example, the vehicle may also include multiple electrical machines. For example, several electric machines for driving the front axle and the rear axle or for driving individual wheels are conceivable. The electrical machines can also have different numbers of current phases. In this respect, the multi-compatible power converter is not limited to use with just one type of electrical machine. In this context, x i is to be understood as meaning the number of electrical machines with a specific number of current phases y i .
Umfasst das Fahrzeug beispielsweise eine fünf-phasige elektrische Maschine (x1 = 1; y1 = 5), zwei drei-phasige elektrische Maschinen (x2 = 2;y2 = 3) und drei vier-phasige elektrische Maschinen (x3 = 3; y3 = 4), so ergibt sich für die Anzahl z der durch die Steuervorrichtung mittels der Zellschalter gebildeten Zellstränge:
Die Steuervorrichtung bildet also zumindest 23 Zellstränge aus. xi und yi sind demzufolge natürliche Zahlen (größer null). The control device thus forms at least 23 cell strands. x i and y i are therefore natural numbers (greater than zero).
Üblicherweise wird die Anzahl an gebildeten Zellsträngen nicht derart hoch sein, dies stellt lediglich ein Beispiel zur Verdeutlichung der Kompatibilität und Flexibilität des Stromrichters dar.Usually, the number of cell strings formed is not that high, this is just an example to illustrate the compatibility and flexibility of the power converter.
Der multikompatible Stromrichter ist an verschiedenste Stromphasen-Topologien unterschiedlichster Vorrichtungen adaptierbar.The multi-compatible power converter can be adapted to a wide variety of current phase topologies in a wide variety of devices.
Das generelle Konzept des Stromrichters bleibt dabei gleich, sodass der Stromrichter eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten bereitstellt. Dadurch stellt der Stromrichter ein Höchstmaß an Skalierbarkeit und Austauschbarkeit bereit, sowohl in Bezug auf die Zellstränge als auch im Hinblick auf deren Teilkomponenten. Der Stromrichter ermöglicht auch eine verbesserte Sicherheit und Zuverlässigkeit. Denn je mehr Zellstränge gebildet werden, desto geringer sind die Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Energiespeichervorrichtung, wenn z.B. ein Zellstrang oder ein Teil davon ausfällt und überbrückt werden muss.The general concept of the power converter remains the same, so that the power converter provides a large number of possible applications. As a result, the power converter provides maximum scalability and interchangeability, both with regard to the cell strings and their subcomponents. The power converter also enables improved safety and reliability. Because the more cell strings are formed, the lower the impact on the overall performance of the energy storage device if, for example, a cell string or part of it fails and has to be bridged.
Umfasst das elektrisch angetriebene Fahrzeug (im Allgemeinen: die elektrisch angetriebene Vorrichtung) mehrere elektrische Maschinen, so können mit den Stromphasen der elektrischen Maschinen zudem jeweilige Zellstränge unabhängig gekoppelt werden. Dadurch können die elektrischen Maschinen beispielsweise bei verschiedenen Arbeitspunkten betrieben werden, sodass gleichzeitig unterschiedliche Drehmomente erzielbar sind. Beispielsweise ist das bei allradgetriebenen Fahrzeugen in Kurvenfahrten erforderlich, in denen aufgrund der asymmetrischen Gewichtsverteilung des Fahrzeugs und der unterschiedlichen Bahnradien der Antriebsräder abweichende Antriebsmomente vorteilhaft sind.If the electrically driven vehicle (in general: the electrically driven device) comprises a plurality of electric machines, then the respective cell strings can also be independently coupled to the current phases of the electric machines. As a result, the electrical machines can be operated at different operating points, for example, so that different torques can be achieved at the same time. For example, this is necessary in all-wheel drive vehicles when cornering, where different drive torques are advantageous due to the asymmetrical weight distribution of the vehicle and the different track radii of the drive wheels.
Unter den Mehrfachwahlschaltern können vorliegend Schalter (Relais) mit multistabilen Zuständen verstanden werden, die jeweils eine einzelne Stromphase in Abhängigkeit des Schaltzustandes eines Schaltelements an verschiedene Zellstränge der Energiespeichervorrichtung koppeln können. Der jeweilige Schaltzustand wird dabei von der Steuervorrichtung bestimmt. Beispiele für derartige Mehrfachwahlschalter sind mechanische Drehschalter mit zumindest einem Eingang und mehreren Ausgängen, die in Abhängigkeit der Stellung des Schaltelements koppelbar sind. Alternativ kann dieselbe Funktionalität auch durch eine Mehrzahl an Transistoren erzielt werden, die die Funktionalität eines Drehschalters nachbilden.In the present case, the multiple selection switches can be understood to mean switches (relays) with multistable states, which can each couple an individual current phase to different cell strings of the energy storage device depending on the switching state of a switching element. The respective switching state is determined by the control device. Examples of such multiple selector switches are mechanical rotary switches with at least one input and multiple outputs that can be coupled depending on the position of the switching element. Alternatively, the same functionality can also be achieved by a plurality of transistors that emulate the functionality of a rotary switch.
Unter der Steuervorrichtung kann vorliegend insbesondere eine elektronische Vorrichtung mit einem Prozessor verstanden werden, der auf Basis mehrerer Eingangssignale und Ausgangssignale entsprechende Schaltfolgen ermöglicht, sowohl bezüglich der Zellschalter als auch bezüglich der Mehrfachwahlschalter. Die Steuervorrichtung kann insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung umfassen. Die Schaltfolgen können computerimplementiert mithilfe entsprechender Software verwirklicht werden.In the present case, the control device can be understood in particular as an electronic device with a processor which, on the basis of a plurality of input signals and output signals, enables corresponding switching sequences, both with regard to the cell switches and with regard to the multiple selection switches. The control device can in particular comprise a programmable logic controller. The switching sequences can be computer-implemented using appropriate software.
Optional umfassen die Zellstränge jeweils mehrere Speicherzellen. Die jeweils zugeordneten Zellschalter sind durch die Steuervorrichtung derart schaltbar, dass eine Wechselspannung zwischen zwei Zellstrangknoten eines Zellstrangs bereitgestellt werden kann.Optionally, the cell strings each include a plurality of storage cells. The cell switches assigned in each case can be switched by the control device in such a way that an alternating voltage can be provided between two cell string nodes of a cell string.
Die Speicherzellen bilden die Grundeinheiten der Energiespeichervorrichtung. Den Speicherzellen zugeordnet sind jeweils Zellschalter, die verschiedene Schaltzustände einnehmen können. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Zellschalter zumindest derart zu steuern, dass eine Speicherzelle eine positive oder negative Spannung zwischen Speicherzellenknoten der Speicherzelle bereitstellen kann. Die Steuervorrichtung ist dann eingerichtet, ein generell variables Tastverhältnis (variable Impulsbreite) auf Schaltvorgänge der Zellschalter anzuwenden. Dadurch können, durch entsprechende Schaltfolgen, Wechselspannungen (beispielsweise Pseudo-Sinus-Wechselspannungen) durch die Steuervorrichtung an den Zellstrangknoten eines Zellstrangs bereitgestellt werden, um damit eine elektrische Maschine zu betreiben.The storage cells form the basic units of the energy storage device. Each cell switch, which can assume different switching states, is assigned to the memory cells. The control device is set up to control the cell switches at least in such a way that a storage cell can provide a positive or negative voltage between memory cell nodes of the memory cell. The controller is then configured to apply a generally variable duty cycle (variable pulse width) to switching operations of the cell switches. As a result, through appropriate switching sequences, AC voltages (for example pseudo-sinusoidal AC voltages) can be provided by the control device at the cell string nodes of a cell string in order to operate an electrical machine.
Alternativ können die Zellschalter aber auch derart gesteuert werden, dass zwischen den Zellstrangknoten eines Zellstrangs eine Gleichspannung bereitgestellt wird. Dadurch stellt der Stromrichter eine optimale Kompatibilität in Abhängigkeit des bereitzustellenden Spannungssignals für den jeweiligen Verbraucher zur Verfügung. Der multikompatible Stromrichter erzielt ein Höchstmaß an Flexibilität. Er kann deshalb in Kombination mit verschiedensten elektrischen Vorrichtungen genutzt werden. Dadurch können aufwändige spezialisierte Entwicklungsarbeiten für verschiedene Typen von elektrischen Vorrichtungen vermieden werden.Alternatively, the cell switches can also be controlled in such a way that a DC voltage is provided between the cell string nodes of a cell string. As a result, the power converter provides optimal compatibility depending on the voltage signal to be provided for the respective consumer. The multi-compatible power converter achieves maximum flexibility. It can therefore be used in combination with a wide variety of electrical devices. As a result, complex specialized development work for different types of electrical devices can be avoided.
Optional ist die Steuervorrichtung eingerichtet, in Abhängigkeit eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands einer Speicherzelle eines Zellstrangs, eine Impulsbreite bei Schaltvorgängen des der Speicherzelle zugeordneten Zellschalters zu variieren, bzw. des Signals, mit dem der Zellschalter beaufschlagt wird. Dadurch wird die Flexibilität des Stromrichters nochmal verbessert. Einzelne Teilbereiche einer Energiespeichervorrichtung können entsprechend ihrer individuellen Eigenschaften optimal genutzt werden, um die Lebensdauer des zugrundeliegenden elektrischen Fahrzeugs (der Vorrichtung) zu erhöhen, wodurch sich die Nutzungsdauer ebenfalls erhöht. Sollte die Steuervorrichtung beispielsweise feststellen, dass der Ladezustand und/oder Alterungszustand einer bestimmten Speicherzelle besonders schlecht ist, kann die Steuerungsvorrichtung die Schaltfolge entsprechend anpassen. Dadurch kann die Gleichmäßigkeit der Ladezustände und/oder Alterungszustände für die Speicherzellen innerhalb eines Zellstrangs gewährleistet werden.Optionally, the control device is set up to vary a pulse width during switching processes of the cell switch assigned to the storage cell, or the signal applied to the cell switch, depending on a state of charge and/or an aging state of a storage cell in a cell string. This further improves the flexibility of the power converter. Individual sections of an energy storage device can be optimally used according to their individual properties in order to increase the service life of the underlying electric vehicle (the device), which also increases the service life. If the control device determines, for example, that the state of charge and/or aging state of a specific storage cell is particularly poor, the control device can adapt the switching sequence accordingly. As a result, the uniformity of the charge states and/or aging states for the storage cells within a cell string can be ensured.
Unter dem Alterungszustand einer Energiespeicherkomponente wird vorliegend die Fähigkeit verstanden, elektrische Ladung möglichst verlustfrei zwischen einem Minimalladezustand und einem nominellen Maximalladezustand der Energiespeicherkomponente aufzunehmen oder abzugeben. Beispielsweise verändert sich der Innenwiderstand der Energiespeicherkomponente, sodass die Ladegeschwindigkeit oder Entladegeschwindigkeit sinkt. Auch kann der noch erreichbare Maximalladezustand während der Betriebsdauer gegenüber dem nominellen Maximalladezustand variieren.In the present case, the aging state of an energy storage component is understood to mean the ability to absorb or release electrical charge with as little loss as possible between a minimum charging state and a nominal maximum charging state of the energy storage component. For example, the internal resistance of the energy storage component changes so that the charging speed or discharging speed decreases. The maximum state of charge that can still be reached can also vary during the operating period compared to the nominal maximum state of charge.
Zudem kann die Steuervorrichtung in Abhängigkeit eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der Zellstränge eingerichtet sein, die Zellstränge variabel an unterschiedliche Stromphasen von elektrischen Maschinen zu koppeln. Sollte also festgestellt werden, dass durch die Kopplung zu einer bestimmten Stromphase der elektrischen Maschine der Ladezustand und/oder der Alterungszustand eines damit gekoppelten Zellstrangs besonders beansprucht wird, kann die Kopplung während des Betriebs variabel geschaltet werden, sodass auch andere Zellstränge mit dieser Stromphase der elektrischen Maschine gekoppelt werden. Folglich kann eine Gleichmäßigkeit der Ladezustände und/oder Alterungszustände der einzelnen Zellstränge der Energiespeichervorrichtung relativ zueinander gewährleistet werden. Dadurch werden die Reichweite und die Lebensdauer des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verbessert.In addition, depending on a state of charge and/or an aging state of the cell strings, the control device can be set up to variably couple the cell strings to different current phases of electrical machines. So if it is determined that the state of charge and/or the aging state of a cell string coupled to it is particularly stressed by the coupling to a certain current phase of the electrical machine, the coupling can be switched variably during operation, so that other cell strings with this current phase of the electrical machine to be coupled. Consequently, uniformity of the charge states and/or aging states of the individual cell strings of the energy storage device relative to one another can be ensured. This improves the range and the service life of the at least partially electrically powered vehicle.
Da der Stromrichter sowohl im Motorbetriebsmodus als auch im Rekuperationsbetriebsmodus genutzt werden kann, kann die Gleichmäßigkeit der Ladezustände und/oder Alterungszustände der Zellstränge und der davon jeweils umfassten Speicherzellen sowohl bei steigenden als auch sinkenden Ladezuständen und/oder Alterungszuständen gewährleistet werden.Since the power converter can be used both in the motor operating mode and in the recuperation operating mode, the uniformity of the states of charge and/or aging states of the cell strings and the storage cells they include can be ensured both with increasing and falling states of charge and/or aging states.
In einer besonderen Ausgestaltung sind Speicherzellen eines Zellstrangs durch die jeweils zugeordneten Zellschalter überbrückbar, sodass eine Zellstrangspannung im Wesentlichen null ist. Insbesondere kann die Steuervorrichtung die Zellschalter derart steuern, dass eine Zellstrangspannung null ist bevor der jeweilige Zellstrang an eine andere Stromphase gekoppelt wird. Unter der Zellstrangspannung wird hier die von einem jeweiligen Zellstrang ausgegebene Spannung zwischen zwei dem Zellstrang zugeordneten Zellstrangknoten verstanden. An den Zellstrangknoten wird üblicherweise eine Wechselspannung oder Gleichspannung ausgegeben oder an diese angelegt (Rekuperation).In a special configuration, storage cells of a cell string can be bypassed by the cell switches assigned in each case, so that a cell string voltage is essentially zero. In particular, the control device can control the cell switches in such a way that a cell string voltage is zero before the respective cell string is coupled to another current phase. The cell string voltage is understood here as meaning the voltage output by a respective cell string between two cell string nodes associated with the cell string. An AC voltage or DC voltage is usually output at the cell string nodes or applied to them (recuperation).
Die den Speicherzellen zugeordneten Zellschalter können zwischen verschiedenen Schaltzuständen besonders kurze Schaltzeiten aufweisen. Werden die Zellschalter derart geschaltet, dass von den Speicherzellen keine Spannung ausgegeben wird und demzufolge die Zellstrangspannung null ist, kann der Mehrfachwahlschalter von einer ersten Schaltkonfiguration in eine zweite Schaltkonfiguration ohne das Risiko einer Spannungsspitze umgeschaltet werden. Im Stand der Technik sind zwar Mehrfachwahlschalter bekannt, die besonders kurze Schaltzeiten aufweisen und Spannungsspitzen vermeiden können. Derartige Mehrfachwahlschalter sind aber teuer und erfordern komplexe Sekundärschaltungen. Da die Zellschalter ohnehin kurze Schaltzeiten aufweisen, können vorliegend kostengünstigere Mehrfachwahlschalter verwendet werden, die keine Sekundärschaltungen erfordern, wenn die jeweilige Zellstrangspannung während des Schaltvorgangs des Mehrfachwahlschalters null ist. Dadurch kann das Risiko von Beschädigungen von Teilen des zugrundeliegenden elektronischen Schaltkreises, die aus Spannungsspitzen resultieren können, vermieden werden. Zudem ermöglichen die Zellschalter dann selbst in Verbindung mit herkömmlichen Mehrfachwahlschaltern besonders kurze Schaltzeiten für eine Neuzuordnung der Kopplung. Die Schaltzeiten können nochmals verkürzt werden, wenn die Mehrfachwahlschalter jeweils durch kombinierte Transistoren gebildet sind.The cell switches assigned to the storage cells can have particularly short switching times between different switching states. If the cell switches are switched in such a way that no voltage is output from the storage cells and consequently the cell string voltage is zero, the multi-selector switch can be switched from a first switching configuration to a second switching configuration without the risk of a voltage spike. Multiple selector switches are known in the prior art that have particularly short switching times and can avoid voltage peaks. Such multiple selector switch but are expensive and require complex secondary circuitry. Since the cell switches have short switching times anyway, more cost-effective multiple selector switches can be used here that do not require secondary circuits if the respective cell string voltage is zero during the switching process of the multiple selector switch. This can avoid the risk of damage to parts of the underlying electronic circuitry that can result from voltage spikes. In addition, the cell switches then enable particularly short switching times for a reassignment of the coupling, even in conjunction with conventional multiple selection switches. The switching times can be further shortened if the multiple selector switches are each formed by combined transistors.
Abhängig von den Leistungs-/Energieanforderungen der einzelnen elektrischen Maschinen kann die Steuerungsvorrichtung sicherstellen, dass die Zellstränge sehr schnell an die verschiedenen Stromphasen angeschlossen/getrennt werden können, um Ladezustandsvariationen und/oder Alterungszustandsvariationen zwischen den Zellsträngen zu minimieren und die Energiespeichervorrichtung und die elektrischen Maschinen während des Betriebs voll auszunutzen.Depending on the performance/energy requirements of the individual electric machines, the control device can ensure that the cell strings can be connected/disconnected to the different power phases very quickly in order to minimize state of charge variations and/or state of health variations between the cell strings and the energy storage device and the electric machines during of operation to the fullest.
Unter den Zellschaltern können vorliegend sogenannte H-Brückenschalter verstanden werden. Dann sind relativ zum Kondensator der Speicherzelle vier Schaltelemente derart angeordnet, dass durch die Speicherzelle sowohl positive als auch negative Spannungen ausgebbar sind. Zusätzlich ist der Kondensator der Speicherzelle überbrückbar, sodass durch die Speicherzelle keine Spannung ausgegeben wird (die ausgegebene Spannung kann als null betrachtet werden). Die Schaltelemente der Speicherzellen können beispielsweise durch Transistoren (z.B. Metalloxid-Feldeffekttransistoren) realisiert sein, deren Gatespannungen durch die Steuervorrichtung entsprechend schaltbar sind. Dadurch wird auch die Möglichkeit geschaffen, fehlerhafte Speicherzellen außer Betrieb zu setzen, ohne dass dadurch ein Ausfall der Energiespeichervorrichtung insgesamt verursacht wird. Die entsprechende Speicherzelle kann dann überbrückt werden, sodass die Funktionalität der Energiespeichervorrichtung im Wesentlichen erhalten bleibt.In the present case, the cell switches can be understood to mean so-called H-bridge switches. Four switching elements are then arranged relative to the capacitor of the memory cell in such a way that both positive and negative voltages can be output by the memory cell. In addition, the capacitor of the memory cell is bypassable so that no voltage is output by the memory cell (the output voltage can be considered zero). The switching elements of the memory cells can be realized, for example, by transistors (e.g. metal oxide field effect transistors) whose gate voltages can be switched accordingly by the control device. This also creates the possibility of putting defective memory cells out of operation without causing a failure of the energy storage device as a whole. The corresponding storage cell can then be bridged, so that the functionality of the energy storage device is essentially retained.
Die Steuervorrichtung kann auch eingerichtet sein, die Zellschalter eines Zellstrangs derart zu schalten, dass zwischen Zellstrangknoten des Zellstrangs mehrere Unterzellstränge in einer Parallelschaltung ausgebildet sind. Durch die Parallelschaltung von mehreren Unterzellsträngen zwischen den Zellstrangknoten eines Zellstrangs kann die Amplitude des von diesem Zellstrang ausgegebenen Stroms erhöht werden. Dies kann für bestimmte Anwendungsfälle, beispielsweise besonders hohe, zu erzielende Drehmomente der elektrischen Maschine vorteilhaft sein (beispielsweise einen „Sportmodus“). Insgesamt wird dadurch nochmals die Flexibilität und Kompatibilität des Stromrichters verbessert. Es ist dann auch nicht erforderlich, dass die Speicherzellen dieselben Speicherkapazitäten aufweisen. Vielmehr kann beispielsweise ein Unterzellstrang mit Speicherzellen, die eine besonders hohe Leistungsabgabe ermöglichen, für derartige spezielle Anwendungsfälle vorgesehen sein, der im Bedarfsfall hinzugeschaltet wird, um die an den Zellstrangknoten ausgegebenen Leistungen anzupassen.The control device can also be set up to switch the cell switches of a cell string in such a way that a plurality of sub-cell strings are formed in a parallel circuit between cell string nodes of the cell string. The amplitude of the current emitted by this cell string can be increased by connecting several sub-cell strings in parallel between the cell string nodes of a cell string. This can be advantageous for certain applications, for example particularly high torques to be achieved by the electric machine (for example a “sports mode”). Overall, this again improves the flexibility and compatibility of the power converter. It is then also not necessary for the memory cells to have the same storage capacities. Rather, for example, a sub-cell string with storage cells that enable a particularly high power output can be provided for such special applications, which is added if necessary in order to adapt the power output at the cell string node.
Insgesamt kann die Steuervorrichtung also eingerichtet sein, Zellstränge bestehend aus mehreren in einer Reihenschaltung angeordneten Speicherzellen zwischen zwei Zellstrangknoten zu realisieren. Dabei können Unterzellstränge in Parallelschaltungen angeordnet sein. Reihen- und Parallelschaltungen von Speicherzellen können auch beliebig kombiniert werden, um an den Zellstrangknoten gewünschte Spannungsprofile bereitstellen zu können.Overall, the control device can therefore be set up to implement cell strings consisting of a plurality of storage cells arranged in a series connection between two cell string nodes. In this case, sub-cell strings can be arranged in parallel circuits. Series and parallel circuits of storage cells can also be combined as desired in order to be able to provide desired voltage profiles at the cell string nodes.
Durch die Schaltkonfigurationen, die durch die Steuervorrichtungen realisierbar sind, sind zusätzliche Schütze im Stromrichter zur Absicherung der Energiespeichervorrichtung nicht erforderlich. Es können die herkömmlichen Anschluss- und/oder Trennungssequenzen berücksichtigt werden, die üblicherweise bei derartigen Anordnungen Anwendung finden. Optional können natürlich Schütze, insbesondere Hochvolt-Schütze berücksichtigt werden, die dann, bevorzugt, zwischen den einzelnen Zellsträngen und den Mehrfachwahlschaltern angeordnet sind.Due to the switching configurations that can be implemented by the control devices, additional contactors in the power converter to protect the energy storage device are not required. The conventional connection and/or disconnection sequences commonly used in such arrangements can be considered. Naturally, contactors, in particular high-voltage contactors, can optionally be considered, which are then preferably arranged between the individual cell strings and the multiple selector switches.
Optional ist die Steuervorrichtung eingerichtet, zumindest einen zusätzlichen Zellstrang zu bilden. Der Stromrichter umfasst dann zumindest einen zusätzlichen Mehrfachwahlschalter und die Steuervorrichtung ist eingerichtet, den zusätzlichen Zellstrang zumindest anhand des zusätzlichen Mehrfachwahlschalters mit zumindest einer Peripherievorrichtung des zumindest teilweise angetriebenen elektrischen Fahrzeugs (der Vorrichtung) zu koppeln. Elektrische Maschinen von heutigen elektrischen Fahrzeugen werden üblicherweise mit hohen Spannungen beaufschlagt, beispielsweise Spannungsamplituden gleich oder größer 100V, insbesondere gleich oder größer 200V, weiter insbesondere gleich oder größer 400V, insbesondere bis zu 800V. Elektrische Fahrzeuge weisen in der Regel aber auch viele Peripherievorrichtungen (Nebenverbraucher, Sekundärverbraucher) auf, die deutlich geringere Versorgungsspannungen benötigen. Typischerweise liegen die Spannungsamplituden von Nebenverbrauchern im Bereich weniger Volt, beispielsweise 5V, 12V oder im Bereich von einigen 10V, beispielsweise 36V oder 40V. Daraus resultiert, dass ein Zellstrang, der mit einer elektrischen Maschine (Primärverbraucher) gekoppelt ist, in der Regel einen anderen Ladezustandsverlauf und/oder Alterungszustandsverlauf aufweist, als dies für einen Zellstrang der Fall ist, der mit Nebenverbrauchern gekoppelt ist. Der erfindungsgemäße Stromrichter ermöglicht es, die einzelnen Zellstränge während des Betriebs variabel zuzuordnen, sodass die Gleichmäßigkeit der Ladezustände und/oder der Alterungszustände der Zellstränge relativ zueinander gewährleistet wird. Zudem stellt der Stromrichter auch die Kompatibilität in Bezug auf das jeweils erforderliche Spannungssignal bereit. Beispielsweise können dann Nebenverbraucher durch einen bestimmten Zellstrang mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden, wohingegen derselbe Zellstrang auch zur Ausgabe einer Wechselspannung zu einem anderen Zeitpunkt genutzt werden kann, beispielsweise nachdem die Zuordnung von Zellsträngen zu Verbrauchern des Fahrzeugs anhand der Mehrfachwahlschalter geändert wurde.The control device is optionally set up to form at least one additional cell line. The power converter then includes at least one additional multiple selector switch and the control device is set up to couple the additional cell string to at least one peripheral device of the at least partially powered electric vehicle (the device) at least using the additional multiple selector switch. Electrical machines of today's electrical vehicles are usually subjected to high voltages, for example voltage amplitudes equal to or greater than 100V, in particular equal to or greater than 200V, more particularly equal to or greater than 400V, in particular up to 800V. As a rule, however, electric vehicles also have many peripheral devices (auxiliary consumers, secondary consumers) that require significantly lower supply voltages. Typically, the voltage amplitudes of secondary consumers are in the range of a few volts, for example 5V, 12V or in the range of a few 10V, for example 36V or 40V. The result of this is that a cell string that is coupled to an electrical machine (primary consumer) generally has a different state of charge profile and/or aging state profile than is the case for a cell string that is coupled to secondary consumers. The power converter according to the invention makes it possible to variably assign the individual cell strings during operation, so that the uniformity of the charge states and/or the aging states of the cell strings relative to one another is ensured. In addition, the power converter also provides compatibility with regard to the voltage signal required in each case. For example, a specific cell string can then apply a DC voltage to auxiliary consumers, whereas the same cell string can also be used to output an AC voltage at a different point in time, for example after the assignment of cell strings to consumers in the vehicle has been changed using the multiple selector switch.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters für den Antriebsstrang eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Allgemein kann das Verfahren aber auch zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters für den Antriebsstrang einer zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Vorrichtung im Allgemeinen vorgesehen sein. Die Vorrichtung bzw. das Fahrzeug umfasst zumindest xi elektrischen Maschinen, die jeweils yi-phasig sind. Die Anzahl der elektrischen Maschinen xi ist gleich oder größer 1. Das Verfahren umfasst zumindest den Schritt des Schaltens, durch eine Steuervorrichtung des Stromrichters, von Zellschaltern, die jeweils einer Speicherzelle einer Energiespeichervorrichtung der elektrisch angetriebenen Vorrichtung zugeordnet sind. Die Zellschalter werden derart geschaltet, dass zumindest
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird auch ein Antriebssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Grundsätzlich kann das Antriebssystem allgemein für eine zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtung vorgesehen sein. Das Antriebssystem umfasst einen Antriebsstrang mit xi elektrischen Maschinen, die jeweils yi-phasig sind, eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren Speicherzellen und jeweils zugeordneten Zellschaltern und einen multikompatiblen Stromrichter wie zuvor beschrieben. Alternativ umfasst das Antriebssystem einen Stromrichter, der nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben wird.According to yet another aspect, a drive system for an at least partially electrically powered vehicle is also provided. In principle, the drive system can generally be provided for an at least partially electrically driven device. The drive system includes a drive train with x i electrical machines that are each y i -phase, an energy storage device with a plurality of storage cells and respectively associated cell switches and a multi-compatible power converter as previously described. Alternatively, the drive system includes a power converter that is operated according to the method described above.
Zusätzlich wird gemäß einem weiteren Aspekt auch eine zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtung bereitgestellt, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Vorrichtung umfasst ein Antriebssystem wie zuvor beschrieben.In addition, according to a further aspect, an at least partially electrically powered device is also provided, in particular an at least partially electrically powered vehicle. The device includes a drive system as previously described.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge zumindest eine elektrische Maschine. Derartige Fahrzeuge können insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.Within the meaning of the present invention, at least partially electrically powered vehicles include at least one electric machine. Such vehicles can in particular include land vehicles, namely electric scooters, e-scooters, two-wheelers, motorcycles, three-wheelers, trikes, quads, off-road and road vehicles such as cars, buses, trucks, tractors and other commercial vehicles, rail vehicles (trains), but also watercraft (Boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller aircraft and jet aircraft, which have at least one electric motor used to propel the vehicle. Vehicles can be manned or unmanned. In addition to pure electric vehicles (BEV), plug-in hybrids (PHEV) and fuel cell vehicles (FCEV) can also be included.
Insofern entsprechen zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeuge zumindest teilweise elektrisch angetriebene Vorrichtungen dar.In this respect, at least partially electrically powered vehicles correspond to at least partially electrically powered devices.
Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.All of the features explained with regard to the various aspects can be combined individually or in (sub)combination with other aspects.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Speicherzelle in verschiedenen Schaltzuständen des zugeordneten Zellschalters und den resultierenden Spannungsverlauf gemäß dem Stand der Technik; - -
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Zellstrangs gemäß dem Stand der Technik; - -
3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Zellstrangs mit Unterzellsträngen gemäß dem Stand der Technik; - -
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines multikompatiblen Stromrichters, der mit zwei elektrischen Maschinen und einer Energiespeichervorrichtung gekoppelt ist; - -
5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines multikompatiblen Stromrichters; und - -
6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Antriebssystem umfassend einen multikompatiblen Stromrichter.
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1 a simplified schematic representation of a memory cell in different switching states of the associated cell switch and the resulting voltage profile according to the prior art; - -
2 a simplified schematic representation of a cell line according to the prior art; - -
3 a simplified schematic representation of a cell string with sub-cell strings according to the prior art; - -
4 a simplified schematic representation of a multi-compatible power converter, which is coupled to two electrical machines and an energy storage device; - -
5 a simplified schematic representation of a method for operating a multi-compatible power converter; and - -
6 a simplified schematic representation of an electrically powered vehicle with a drive system comprising a multi-compatible power converter.
Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.All features disclosed below in relation to the exemplary embodiments and/or the accompanying figures can be combined alone or in any sub-combination with features of the aspects of the present disclosure, including features of preferred embodiments, provided that the resulting combination of features is for a person skilled in the art field of technology makes sense.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Formulierung „mindestens eines von A, B und C“ beispielsweise (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Kombinationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff „mindestens eines von A und B“ bedeutet im Allgemeinen „A und/oder B“, nämlich „A“ allein, „B“ allein oder „A und B“.For purposes of this disclosure, the phrase “at least one of A, B, and C” means, for example, (A), (B), (C), (A and B), (A and C), (B and C), or (A, B and C), including all other possible combinations if more than three items are listed. In other words, the term "at least one of A and B" generally means "A and/or B", namely "A" alone, "B" alone or "A and B".
Die Speicherzelle 10 umfasst einen Kondensator 18, der zur Speicherung und Abgabe elektrischer Ladung eingerichtet ist. Der der Speicherzelle 10 zugeordnete Zellschalter 14 (H-Brückenschalter) umfasst vorliegend vier separate Schaltelemente 20A bis 20D. Die Schaltelemente 20A bis 20D können beispielsweise durch Transistoren verwirklicht sein. Die Schaltelemente 20A bis 20D sind eingerichtet, um durch eine Steuervorrichtung des multikompatiblen Stromrichters gesteuert zu werden. Beispielsweise können Schaltstellungen der Schaltelemente 20A bis 20D anhand von Gatespannungen der Transistoren variiert werden.The
Basierend auf den Schaltstellungen der Schaltelemente 20A bis 20D ist die Speicherzelle 10 eingerichtet, um positive Spannungen oder negative Spannungen auszugeben, oder um überbrückt zu werden.Based on the switching positions of the
Der Spannungsverlauf 16 zeigt beispielhaft die ausgegebene Spannung der Speicherzelle 10 in Bezug auf die verschiedenen Schaltstellungen des zugeordneten Zellschalters 14. Auf der Y-Achse 22 ist die Amplitude der von der Speicherzelle 10 ausgegebenen Spannung V gegenüber der auf der x-Achse 24 aufgetragenen Zeit t dargestellt.The
Während des Schaltintervalls t1, entsprechend des Schaltzustands 12A, wird die Speicherzelle 10 überbrückt, da die Schaltelemente 20C und 20D geschlossen sind und die Schaltelemente 20A und 20B offen sind. Folglich wird von der Speicherzelle 10 keine Spannung ausgegeben. Während des Schaltintervalls t2, entsprechend des Schaltzustands 12B, wird aufgrund der Schaltstellungen der Schaltelemente 20A bis 20D eine positive Spannung V-Zelle+ von der Speicherzelle 10 ausgeben. Während des Schaltintervalls t3 wird die Speicherzelle 10 wiederum überbrückt, wohingegen während des Schaltintervalls t4 von der Speicherzelle 10 eine negative Spannung V-Zelle- ausgegeben wird.During switching interval t1, corresponding to switching
Somit kann die Speicherzelle 10 derart gesteuert werden das beliebige ausgegebene Spannungstopologien erzeugt werden können. Insbesondere, kann das Tastverhältnis (die Impulsbreite), das den Schaltvorgängen des Zellschalters 14 zugrunde liegt, angepasst werden. Folglich müssen die Zeitintervalle t1 bis t4 nicht einheitlich sein, sondern können voneinander abweichen. Thus, the
Parallelschaltungen 34 und Reihenschaltungen 28 können je nach den Bedürfnissen angepasst werden, um an den Zellstrangknoten 30A, 30B gewünschte Spannungstopologien bereitzustellen.
Die den Speicherzellen 10 zugeordneten Zellschalter 14 können durch die Steuervorrichtung insbesondere so geschaltet werden, dass Ladezustände und/oder Alterungszustände der einzelnen Unterzellstränge gleichmäßig beansprucht werden, also gleichmäßige Verlaufscharakteristiken aufweisen.The cell switches 14 assigned to the
Die gezeigte Ausführungsform in Kombination mit zwei drei-phasigen elektrischen Maschinen 38A, 38B ist lediglich beispielhaft. Der multikompatible Stromrichter 36 ist grundsätzlich ebenfalls zur Kopplung mit einer anderen Anzahl an elektrischen Maschinen 38A oder mit elektrischen Maschinen 38A, die eine andere Stromphasenanzahl aufweisen, eingerichtet.The embodiment shown in combination with two three-phase
Der multikompatible Stromrichter 36 umfasst eine Steuervorrichtung 42 und mehrere Mehrfachwahlschalter 44A bis 44F. Die Steuervorrichtung 42 ist mit der Energiespeichervorrichtung 40 und den Mehrfachwahlschaltern 44A bis 44F gekoppelt. Die Energiespeichervorrichtung 40 umfasst mehrere Speicherzellen 10 mit jeweils zugeordneten Zellschaltern 14.The
Die Steuervorrichtung 42 schaltet die Zellschalter 14 derart, dass Zellstränge 26 gebildet werden. Die Anzahl der gebildeten Zellstränge 26 entspricht dabei zumindest der Gesamtanzahl an zu beaufschlagenden Stromphasen 46A bis 46F der elektrischen Maschinen 38A, 38B. Hier werden also zumindest sechs Zellstränge 26A bis 26F gebildet.The
Die Steuervorrichtung 42 steuert die Mehrfachwahlschalter 44A bis 44F derart, dass jeweils ein Zellstrang 26 mit einer Stromphase 46A bis 46F der elektrischen Maschinen 38A, 38B gekoppelt wird. Vorliegend ist dies aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für drei Zellstränge 26A bis 26C gezeigt.The
Aufgrund eines abweichenden Betriebsverhaltens der elektrischen Maschinen 38A, 38B kann es dazu kommen, dass die Ladezustände der Zellstränge 26A bis 26F voneinander abweichen. Beispielsweise ist hier gezeigt, dass die durchschnittlichen Ladezustände (durchschn. LZ.) Der Speicherzellen 10 der Zellstränge 26A bis 26C größer sind als diejenigen der übrigen Zellstränge 26D bis 26F. Die Steuervorrichtung 42 ist eingerichtet, die Kopplung zwischen den Zellsträngen 26A bis 26F und den Stromphasen 46A bis 46F variabel derart zu gestalten, dass eine Neuzuordnung während des Betriebs erfolgen kann.Due to a different operating behavior of the
Vor dem Umschalten der Mehrfachwahlschalter 44A bis 44F werden die Speicherzellen 10 des umzuschalten Zellstrangs 26A anhand der jeweils zugeordneten Zellschalter 14 überbrückt. Dann kann der jeweilige Mehrfachwahlschalter 44A durch die Steuervorrichtung 42 ohne das Risiko von Spannungsspitzen (Lichtbögen) umgeschaltet werden, da die resultierende Zellstrangspannung dann null ist. Nach dem Umschalten ergibt sich eine abweichende Schaltkonfiguration 48B der Mehrfachwahlschalter 44A bis 44F. Während in der ursprünglichen Schaltkonfiguration 48A die Zellstränge 26A bis 26C mit den Stromphasen 46A bis 46C der ersten elektrischen Maschine 38A gekoppelt sind, sind sie in der geänderten Schaltkonfiguration 48B mit den Stromphasen 46D bis 46F der zweiten elektrischen Maschine 38B gekoppelt.Before switching over the
Somit ist der multikompatible Stromrichter 36 eingerichtet, nicht nur die Speicherzellen 10 eines Zellstrangs 26A derart zu schalten, dass gleichmäßige Entwicklungen der Ladezustände und/oder Alterungszustände innerhalb des Zellstrangs 26A gewährleistet werden, sondern gleichfalls kann die Gleichmäßigkeit der Ladezustände und/oder Alterungszustände auch zwischen den verschiedenen Zellsträngen 26A bis 26F gewährleistet werden.Thus, the
Optional können zwischen der Energiespeichervorrichtung 40 und den Mehrfachwahlschaltern 44A bis 44F zusätzliche Schütze 50 vorgesehen sein, insbesondere Hochvoltschütze.Optionally,
Das Verfahren 52 umfasst zumindest den Schritt 54 des Schaltens, durch eine Steuervorrichtung 42 des Stromrichters 36, von Zellschaltern 14, die jeweils einer Speicherzelle 10 einer Energiespeichervorrichtung 40 der elektrisch angetriebenen Vorrichtung zugeordnet sind, derart, dass zumindest
Ferner umfasst das Verfahren 52 den Schritt 56 des Variables Koppelns, durch die Steuervorrichtung 42 anhand von zumindest
Das Fahrzeug 60 umfasst vier Räder 64A bis 64D. Die Vorderräder 64A, 64B werden durch eine erste elektrische Maschine 38A und die Hinterräder 64C, 64D werden durch eine zweite elektrische Maschine 38B angetrieben. Die elektrischen Maschinen 38A, 38B sind insofern Teil des Antriebssystems 62, das zudem eine Energiespeichervorrichtung 40 umfasst. Die Energiespeichervorrichtung 40 weist in bekannter Weise Speicherzellen 10 mit jeweils zugeordneten Zellschaltern 14 auf. Der Stromrichter 36 ist mittels der Steuervorrichtung 42 eingerichtet, Zellstränge 26 zu bilden und diese mit den Stromphasen 46 der elektrischen Maschinen 38A, 38B variabel zu koppeln.The
Durch die Steuervorrichtung 42 wird vorliegend ein zusätzlicher Zellstrang 26 gebildet, sodass die Anzahl der gebildeten Zellstränge 26 größer ist als die Anzahl der Stromphasen 46 der elektrischen Maschinen 38 der Vorrichtung 64. Der zusätzliche Zellstrang 26 wird durch die Steuervorrichtung 42 des Stromrichters 36 mit zumindest einer Peripherievorrichtung 66 der Vorrichtung 64 gekoppelt. Die Verbrauchscharakteristik in Bezug auf den Ladezustand und/oder den Alterungszustand des mit der Peripherievorrichtung 66 gekoppelten Zellstrangs 26 wird in der Regel von derjenigen, der mit den Stromphasen 46 der elektrischen Maschinen 38 gekoppelten Zellstränge 26 abweichen. Durch das variable Koppeln, bzw. die Neuzuordnung während des Betriebs, die durch die Steuervorrichtung 42 des Stromrichters 36 gewährleistet wird, können dennoch die Ladezustände und/oder Alterungszustände der unterschiedlichen Zellstränge 26 gleichmäßig beansprucht werden.In the present case, an
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |