DE102022116681A1

DE102022116681A1 - Elektrische Antriebseinheit mit schaltbarer Spannungslage und Windungszahl

Info

Publication number: DE102022116681A1
Application number: DE102022116681.3A
Authority: DE
Inventors: Henry Krueger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2024-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend:- eine elektrische Maschine (3) aufweisend einen Stator mit bestrombaren Statorwicklungen (7, 8, 9) und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor,- eine Traktionsbatterie (2), welche zumindest zwei seriell oder parallel verschaltbare Batterieeinheiten (2a, 2b) aufweist, wobei die Traktionsbatterie (2) im parallel verschalteten Zustand der Batterieeinheiten (2a, 2b) eine erste Spannungslage (U) aufweist und im seriell verschalteten Zustand der Batterieeinheiten (2a, 2b) zumindest eine im Vergleich zur ersten Spannungslage (U) höhere zweite Spannungslage (2*U) aufweist,- eine mit der Traktionsbatterie (2) verbundene erste Schalteinrichtung (5) zum Verschalten der Batterieeinheiten (2a, 2b) ,- eine Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, die Batterieeinheiten (2a, 2b) durch Ansteuern der ersten Schalteinrichtung (5) in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine (3) parallel oder seriell zu verschalten, sodass den Statorwicklungen (7, 8, 9) der elektrischen Maschine (3) betriebspunktabhängig die erste Spannungslage (U) oder die zumindest eine zweite Spannungslage (2*U) bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Antriebseinheit umfasst eine elektrische Maschine aufweisend einen Stator mit bestrombaren Statorwicklungen und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor. Außerdem umfasst die elektrische Antriebseinheit eine Traktionsbatterie, welche zumindest zwei seriell oder parallel verschaltbare Batterieeinheiten aufweist, wobei die Traktionsbatterie im parallel verschalteten Zustand der Batterieeinheiten eine erste Spannungslage aufweist und im seriell verschalteten Zustand der Batterieeinheiten zumindest eine im Vergleich zur ersten Spannungslage höhere zweite Spannungslage aufweist. Darüber hinaus umfasst die elektrische Antriebseinheit eine mit der Traktionsbatterie verbundene erste Schalteinrichtung zum Verschalten der Batterieeinheiten und eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die erste Schalteinrichtung anzusteuern. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebseinheiten für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Die elektrischen Antriebseinheiten weisen üblicherweise eine Traktionsbatterie, beispielsweise einen Hochvoltenergiespeicher, und eine elektrische Maschine auf, wobei die Traktionsbatterie und die elektrische Maschine über einen Inverter elektrisch verbunden sind. Die Traktionsbatterie kann zumindest zwei Batterieeinheiten aufweisen, welche über eine Schalteinrichtung, eine sogenannte Umschaltmatrix, seriell oder parallel verschaltet werden können. Beispielsweise können die Batterieeinheiten, wie in der DE 10 2016 207 272 A1 beschrieben, für einen Ladevorgang seriell und für einen Fahrbetrieb parallel verschaltet werden. Somit wird im Fahrbetrieb von der Traktionsbatterie die immer gleiche Spannungslage für die elektrische Maschine bereitgestellt. Diese Spannungslage kann aber je nach Betriebspunkt der elektrischen Maschine zu einer nicht optimalen Effizienz oder Dynamik führen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche über einen Betriebsbereich einer elektrischen Maschine der Antriebseinheit effizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Eine erfindungsgemäße eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine aufweisend einen Stator mit bestrombaren Statorwicklungen und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor. Außerdem umfasst die elektrische Antriebseinheit eine Traktionsbatterie, welche zumindest zwei seriell oder parallel verschaltbare Batterieeinheiten aufweist, wobei die Traktionsbatterie im parallel verschalteten Zustand der Batterieeinheiten eine erste Spannungslage aufweist und im seriell verschalteten Zustand der Batterieeinheiten zumindest eine im Vergleich zur ersten Spannungslage höhere zweite Spannungslage aufweist. Darüber hinaus umfasst die elektrische Antriebseinheit eine mit der Traktionsbatterie verbundene erste Schalteinrichtung zum Verschalten der Batterieeinheiten und eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die erste Schalteinrichtung anzusteuern. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Batterieeinheiten durch Ansteuern der ersten Schalteinrichtung in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine parallel oder seriell zu verschalten, sodass den Statorwicklungen der elektrischen Maschine betriebspunktabhängig die erste oder die zumindest eine zweite Spannungslage bereitgestellt wird.
Die elektrische Maschine ist eine Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs und wird von der Traktionsbatterie mit elektrischer Spannung zum Anlegen an die Statorwicklungen der elektrischen Maschine versorgt. Die Spannungslage der elektrischen Spannung ist dabei variabel und zwischen zumindest zwei Werten, beispielsweise 400 V und 800 V, umschaltbar. Dazu weist die Traktionsbatterie die zumindest zwei Batterieeinheiten auf, welche jeweils eine Verschaltung mehrerer Batteriezellen aufweisen können. Die Batterieeinheiten sind über die erste Schalteinrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine seriell oder parallel verschaltbar. Dazu weist die erste Schalteinrichtung mehrere, selektiv von der Steuereinrichtung ansteuerbare Schaltelemente, beispielsweise Relais und/oder Halbleiterschalter, auf. Je nachdem, ob eine hohe Effizienz oder eine hohe Dynamik der elektrischen Antriebseinheit gefordert ist, können die Batterieeinheiten zum Bereitstellen der jeweiligen Spannungslage für die elektrische Maschine entsprechend verschaltet werden.
Beispielsweise können bei schwachlastigen Betriebspunkte des Kraftfahrzeugs, welche beispielsweise ein unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegendes Drehmoment sowie Leistung der Antriebsmaschine erfordern, die Batterieeinheiten mittels der ersten Schalteinrichtung parallel verschaltet werden und somit den Statorwicklungen die erste Spannungslage bereitgestellt werden. Hingegen werden bei hochlastigen Betriebspunkten, beispielsweise, wenn das von der Antriebsmaschine geforderte, betriebspunktspezifisches Drehmoment sowie die Leistung oberhalb der vorbestimmten Schwellwertes liegt, die Batterieeinheiten mittels der ersten Schalteinrichtung in Reihe geschaltet und somit den Statorwicklungen die zweite Spannungslage bereitgestellt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Statorwicklungen jeweils zumindest zwei bestrombare Spuleneinheiten aufweisen und die elektrische Antriebseinheit eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare zweite Schalteinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung durch Ansteuern der zweiten Schalteinrichtung dazu ausgelegt ist, die zumindest zwei Spuleneinheiten pro Statorwicklung in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine zum Einstellen einer Windungszahl der Statorwicklungen zu verschalten, wobei die Statorwicklungen im unverschalteten Zustand der Spuleneinheiten eine erste Windungszahl und im verschalteten Zustand der Spuleneinheiten eine im Vergleich zur ersten Windungszahl größere zweite Windungszahl aufweisen. Zusätzlich zu der Spannungslage ist somit auch die Windungszahl der Statorwicklungen variabel. Zum Bereitstellen der ersten Windungszahl sind die Spuleneinheiten beispielsweise unverschaltet und es wird beispielsweise nur einer der Spuleneinheiten die jeweilige, von der Traktionsbatterie bereitgestellte Spannungslage zugeführt. Zum Erhöhen der Windungszahl werden die Spuleneinheiten parallel verschaltet und es wird der Verschaltung an Spuleneinheiten die von der Traktionsbatterie bereitgestellte Spannungslage zugeführt.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Antriebseinheit eine von der Steuereinrichtung auslesbare Speichereinrichtung mit einer Umsetzungstabelle aufweist, in welcher zu jedem Betriebspunkt eine vorbestimmte Spannungslage und eine vorbestimmte Windungszahl hinterlegt sind, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die zu dem aktuellen Betriebspunkt gehörige Spannungslage und Windungszahl aus der Umsetzungstabelle auszulesen und die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung zum Bereitstellen der ausgelesenen Spannungslage und Windungszahl anzusteuern. Durch die vorbestimmte, in der Speichereinrichtung hinterlegte Umsetztabelle kann die Steuereinrichtung schnell und einfach die entsprechende, zu dem jeweiligen Betriebspunkt gehörige Spannungslage und Windungszahl auslesen und durch Ansteuern der Schalteinrichtungen bereitstellen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Antriebseinheit 1 für ein Kraftfahrzeug.
Die Antriebseinheit 1 weist eine Traktionsbatterie 2, eine elektrische Maschine 3 sowie einen die Traktionsbatterie 2 und die elektrische Maschine 3 verbindenden Inverter 4 auf. Die Traktionsbatterie 2 weist zumindest zwei Batterieeinheiten 2a, 2b auf, welche über eine erste Schalteinrichtung 5 seriell oder parallel verschaltet werden können. Die erste Schalteinrichtung 5 weist mehrere Schaltelemente 5a, 5b, 5c, 5d, 5e auf, welche von einer Steuereinrichtung 6 der Antriebseinheit 1 angesteuert werden können. Das Schaltelement 5a verbindet die zwei Batterieeinheiten 2a, 2b, während die Schaltelemente 5b, 5c, 5d, 5e einen jeweiligen Batteriepol mit einem jeweiligen Anschluss A1, A2 der Traktionsbatterie 2 verbinden. Zum seriellen Verschalten der Batterieeinheiten 2a, 2b werden beispielsweise die Schaltelemente 5a, 5b, 5c geschlossen und die Schaltelemente 5d, 5e geöffnet. Zum parallelen Verschalten der Batterieeinheiten 2a, 2b werden beispielsweise die Schaltelemente 5b, 5c, 5d, 5e geschlossen und die Schalteinheit 5a geöffnet. Die Steuereinrichtung 6 bestimmt dabei einen jeweiligen Betriebspunkt der elektrischen Maschine und verschaltet die Batterieeinheiten 2a, 2b durch Ansteuern der jeweiligen Schaltelemente 5a bis 5e seriell oder parallel. Im parallel verschalteten Zustand wird der elektrischen Maschine eine erste Spannungslage U bereitgestellt und im seriell verschalteten Zustand wird der elektrischen Maschine eine zweite Spannungslage 2*U bereitgestellt. Die Spannungslage U, 2*U ist somit betriebspunktabhängig.
Außerdem ist eine Windungszahl von Statorwicklungen 7, 8, 9 eines Stators der elektrischen Maschine 3 variabel. Beispielsweise weist jede Statorwicklung 7, 8, 9 zwei Spuleneinheiten 7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b auf, welche mittels einer von der Steuereinrichtung 6 ansteuerbaren zweiten Schalteinrichtung 10 parallel verschaltet werden können. Zum Bereitstellen einer ersten Windungszahl der Statorwicklungen 7, 8, 9 werden die Spuleneinheiten 7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b nicht verschaltet, sodass die erste oder die zweite Spannungslage U, 2*U nur an erste Spuleneinheiten 7a, 8a, 9a oder zweite Spuleneinheiten 7b, 8b, 9b angelegt werden. Zum Bereitstellen einer größeren zweiten Windungszahl der Statorwicklungen 7, 8, 9 werden die Spuleneinheiten 7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b verschaltet, sodass die erste oder die zweite Spannungslage U, 2*U an die verschalteten Spuleneinheiten 7a+7b, 8a+8b, 9a+9b angelegt werden. Auch die Windungszahl wird in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine 3 vorgegeben.
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 102016207272 A1 [0002]

Claims

Elektrische Antriebseinheit (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend: - eine elektrische Maschine (3) aufweisend einen Stator mit bestrombaren Statorwicklungen (7, 8, 9) und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor, - eine Traktionsbatterie (2), welche zumindest zwei seriell oder parallel verschaltbare Batterieeinheiten (2a, 2b) aufweist, wobei die Traktionsbatterie (2) im parallel verschalteten Zustand der Batterieeinheiten (2a, 2b) eine erste Spannungslage (U) aufweist und im seriell verschalteten Zustand der Batterieeinheiten (2a, 2b) zumindest eine im Vergleich zur ersten Spannungslage (U) höhere zweite Spannungslage (2*U) aufweist, - eine mit der Traktionsbatterie (2) verbundene erste Schalteinrichtung (5) zum Verschalten der Batterieeinheiten (2a, 2b) , - eine Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, die erste Schalteinrichtung (5) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, die Batterieeinheiten (2a, 2b) durch Ansteuern der ersten Schalteinrichtung (5) in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine (3) parallel oder seriell zu verschalten, sodass den Statorwicklungen (7, 8, 9) der elektrischen Maschine (3) betriebspunktabhängig die erste Spannungslage (U) oder die zumindest eine zweite Spannungslage (2*U) bereitgestellt wird.
Elektrische Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungslage (U) 400 V und die zumindest eine zweite Spannungslage (2*U) 800 V beträgt.
Elektrische Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (7, 8, 9) jeweils zumindest zwei bestrombare Spuleneinheiten (7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b) aufweisen und die elektrische Antriebseinheit (1) eine von der Steuereinrichtung (6) ansteuerbare zweite Schalteinrichtung (10) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, die zumindest zwei Spuleneinheiten (7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b) pro Statorwicklung (7, 8, 9) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der elektrischen Maschine (3) zum Einstellen einer Windungszahl der Statorwicklungen (7, 8, 9) zu verschalten, wobei die Statorwicklungen (7, 8, 9) im unverschalteten Zustand der Spuleneinheiten (7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b) eine erste Windungszahl und im verschalteten Zustand der Spuleneinheiten (7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b) eine im Vergleich zur ersten Windungszahl größere zweite Windungszahl aufweisen.
Elektrische Antriebseinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit (1) eine von der Steuereinrichtung (6) auslesbare Speichereinrichtung mit einer Umsetzungstabelle aufweist, in welcher zu jedem Betriebspunkt eine vorbestimmte Spannungslage (U, 2*U) und eine vorbestimmte Windungszahl hinterlegt sind, wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, die zu dem aktuellen Betriebspunkt gehörige Spannungslage (U, 2*U) und Windungszahl aus der Umsetzungstabelle auszulesen und die erste und die zweite Schalteinrichtung (5, 10) zum Bereitstellen der ausgelesenen Spannungslage (U, 2*U) und Windungszahl anzusteuern.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche.