DE102022200577A1

DE102022200577A1 - Antriebsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022200577A1
Application number: DE102022200577.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Müller; Felix Prauße
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Eine Antriebsvorrichtung (102) für ein Fahrzeug (100) umfasst eine Speicherschnittstelle (112) zu einem Energiespeicher (104), eine elektrische Maschine (106), einen Wechselrichter (110), eine Ladeschnittstelle (114) und eine Steuereinrichtung (116). Die Steuereinrichtung (116) ist ausgebildet, um in einem Antriebsmodus den Wechselrichter (110) so anzusteuern, dass unter Verwendung einer an der Speicherschnittstelle (112) anliegenden Batteriespannung eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine (106) bereitgestellt wird. In einem Lademodus wird der Wechselrichter (110) so angesteuert, dass unter Verwendung einer an der Ladeschnittstelle (114) anliegenden Einspeisespannung eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers (104) an der Speicherschnittstelle (112) bereitgestellt wird, die größer als die Einspeisespannung ist. Der Wechselrichter (110) wird in dem Lademodus so angesteuert, dass ein Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten der elektrischen Maschine bewirkt wird, der ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine (106) generiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug
Bei Elektrofahrzeugen, die als 800V batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) ausgeführt sind, existiert heute das Problem, dass der überwiegende Teil der Ladeinfrastruktur der öffentlichen DC-Ladestationen nur bis zu 400V laden kann.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Antriebsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht es, einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs mit einer Ladespannung zu laden, die größer als eine von einer Ladeinfrastruktur bereitgestellte Gleichspannung ist. Vorteilhafterweise ist dazu keine Integration eines zusätzlichen DCDC-Boosters erforderlich. Stattdessen kann eine kostengünstige Doppelnutzung eines ohnehin vorhandenen Inverters und vorhandener Induktivitäten einer elektrischen Maschine der Antriebsvorrichtung erfolgen. Der Inverter und die Induktivitäten können während des Fahrzeugstillstands beim Laden als Ladebooster verwendet werden.
Eine entsprechende Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:

eine einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisende Speicherschnittstelle zu einem Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie;
eine elektrische Maschine mit einer Mehrzahl von Induktivitäten;
einen Wechselrichter mit einer Mehrzahl von Schalteinrichtungen mit je einem Schalter und einer parallel geschalteten Diode, wobei der Wechselrichter zwischen die Speicherschnittstelle und die elektrische Maschine geschaltet ist;
eine einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisende Ladeschnittstelle zum Anlegen einer Einspeisespannung; und
eine Steuereinrichtung zum Steuern eines Betriebs des Wechselrichters, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um in einem Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung die Schalter des Wechselrichters anzusteuern, um unter Verwendung einer an der Speicherschnittstelle anliegenden Batteriespannung eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine bereitzustellen und in einem Lademodus der Antriebsvorrichtung die Schalter des Wechselrichters anzusteuern, um unter Verwendung einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Einspeisespannung eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers an der Speicherschnittstelle bereitzustellen, wobei die Ladespannung größer als die Einspeisespannung ist, und wobei die Steuereinrichtung in dem Lademodus ausgebildet ist, um die Schalter des Wechselrichters anzusteuern, um einen Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten der elektrischen Maschine zu bewirken, wobei der Stromfluss während des Lademodus ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine generiert.

Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Elektrofahrzeug handeln, das zumindest teilweise unter Verwendung von aus dem Energiespeicher entnehmbarer elektrischer Energie angetrieben werden kann. Beispielsweise kann der Energiespeicher als eine wiederaufladbare Batterie ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann als ein Elektromotor ausgeführt sein, wie er in bekannten Elektrofahrzeugen als Antrieb eingesetzt wird. Die Mehrzahl von Induktivitäten können Spulen der elektrischen Maschine darstellen, die zum Erzeugen eines Magnetfelds zum Antreiben eines Rotors der elektrischen Maschine verwendet werden. Der Wechselrichter kann auch als Inverter bezeichnet werden. Die Schalter des Wechselrichters können als Transistoren, beispielsweise als Halbleiter-Leistungsschalter mit isolierter Gate-Elektrode ausgeführt sein. Die Steuereinrichtung kann entsprechend bekannter Steuereinrichtungen zum Steuern eines Betriebs des Wechselrichters ausgeführt sein. Im Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung kann der Wechselrichter entsprechend bekannter Wechselrichter von Elektrofahrzeugen verwendet werden, um die von dem Energiespeicher bereitgestellte Batteriespannung, die typischerweise einer Zwischenkreisspannung entspricht, per Pulsweitenmodulation in eine Wechselspannung zum Antreiben der elektrischen Maschine zu wandeln. Im Antriebsmodus kann die elektrische Maschine unter Verwendung des Wechselrichters so bestromt werden, dass sie ein Drehmoment zum Fortbewegen des Fahrzeugs bereitstellen kann. In dem Lademodus kann der Wechselrichter so angesteuert werden, dass ein sogenanntes Inverterladen durchgeführt werden kann. Dabei kann die an der Ladeschnittstelle anliegende Einspeisespannung unter Verwendung der elektrischen Maschine und des Wechselrichters in die Ladespannung zum Laden des Energiespeichers gewandelt werden. Ein dabei durch zumindest eine der Induktivtäten fließender Strom kann so eingestellt werden, dass die elektrische Maschine während des Lademodus, beispielswese während eines gesamten Zeitraums des Lademodus, durchgängig das Drehmoment aufweist. Der konstante Drehsinn des Drehmoments kann dabei bedeuten, dass das Drehmoment betragsmäßig durchgängig ungleich Null ist und durchgängig dieselbe Richtung aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Geräuschbildung innerhalb der Antriebsvorrichtung vermieden werden. Das Drehmoment kann geeignet abgestützt werden, beispielsweise über eine während des Ladevorgangs aktivierte Feststellbremse.
Die Steuereinrichtung kann in dem Lademodus ausgebildet sein, um die Schalter und Dioden des Wechselrichters sowie die Induktivitäten der elektrischen Maschine zu einem ersten Aufwärtswandler und zu einem zweiten Aufwärtswandler zum Wandeln der Einspeisespannung in die Ladespannung zu verschalten. Ein Aufwärtswandler wird auch als Boost-Converter bezeichnet und stellt einen Gleichspannungswandler dar, bei dem die Ausgangsspannung stets größer als die Eingangsspannung ist.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung in dem Lademodus ausgebildet sein, um die Schalter des Wechselrichters so anzusteuern, dass der erste Aufwärtswandler und der zweite Aufwärtswandler mit einem Phasenunterschied von 180° betrieben werden. Eine solche Verschaltung wird auch als Interleaved boost converter bezeichnet. Dabei können die beiden Aufwärtswandler mit einer Phasenverzögerung von 180° parallel verschaltet sein und mit der gleichen Frequenz betrieben werden. Dazu können die den Aufwärtswandlern zugeordneten Schaltern alternierend geschlossen und geöffnet werden. Werden mehr als zwei Aufwärtswandler eingesetzt, können diese mit einem geeigneten anderen Phasenunterschied betrieben werden, beispielsweise 120° bei drei Aufwärtswandlern. Durch die Verwendung von mehr als einem Aufwärtswandler kann eine hohe Signalqualität der generierten Ladespannung erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die die Steuereinrichtung in dem Lademodus ausgebildet sein, um ein Bremssignal zum Aktivieren einer mit der elektrischen Maschine gekoppelten Bremseinrichtung zum Abstützen des Drehmoments bereitzustellen. Dadurch kann verhindert werden, dass sich das Fahrzeug während des Ladevorgangs in Bewegung setzt.
Beispielsweise kann der erste Anschluss der Ladeschnittstelle über einen Sternpunktschalter mit einem Sternpunkt der Induktivitäten der elektrischen Maschine verbunden sein. Die Steuereinrichtung kann in dem Lademodus ausgebildet sein, um den Sternpunktschalter zu schließen. Dadurch kann ein über die Ladeschnittstelle fließender Strom in die elektrische Maschine eingespeist werden.
Der zweite Anschluss der Ladeschnittstelle kann über einen Ladeschalter mit dem zweiten Anschluss der Speicherschnittstelle verbunden sein. Die Steuereinrichtung kann in dem Lademodus ausgebildet sein, um den Ladeschalter zu schließen. Auf diese Weise kann die Ladeschnittstelle je nach Betriebsmodus der Antriebsvorrichtung zu- oder abgekoppelt werden.
Die Schalteinrichtungen können zwischen den ersten Anschluss der Speicherschnittstelle und ersten Anschlüssen der Induktivitäten sowie zwischen den zweiten Anschluss der Speicherschnittstelle und den ersten Anschlüssen der Induktivitäten geschaltet sein. Somit können die einzelnen Induktivitäten über die Schalteinrichtungen abwechselnd mit den unterschiedlichen Spannungspotentialen der Speicherschnittstelle verbunden werden, entsprechend bekannter Wechselrichter.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Anschluss der Ladeschnittstelle über einen Bypassschalter mit dem ersten Anschluss der Speicherschnittstelle verbunden sein. Dabei kann die Steuereinrichtung in einem weiteren Lademodus ausgebildet sein, um den Bypassschalter zu schließen, um die an der Ladeschnittstelle anliegende Einspeisespannung als die Ladespannung an die Speicherschnittstelle bereitzustellen. Dies ist vorteilhaft, wenn die Einspeisespannung bereits der erforderlichen Ladespannung entspricht.
Die Antriebsvorrichtung kann den Energiespeicher aufweisen, der an der Speicherschnittstelle angeschlossen ist. Der Energiespeicher kann als eine Batterie ausgeformt sein, in der zum Antrieb des Fahrzeugs erforderliche elektrische Energie gespeichert sein kann.
Die Steuereinrichtung kann eine Schnittstelle zu einer Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine aufweisen. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um in dem Lademodus die Schalter des Wechselrichters unter Verwendung zumindest eines den Betriebsparameter repräsentierenden Sensorsignals anzusteuern. Die Sensoreinrichtung kann Sensoren umfassen, wie sie herkömmlicherweise zum Steuern des Betriebs einer elektrischen Maschine verwendet werden. Beispielsweise kann der Betriebsparameter einen durch die Induktivitäten der elektrischen Maschine fließenden Strom und/oder einen Wert des von der elektrischen Maschine generierten Drehmoments und/oder eine Stellung eines Rotors der elektrischen Maschine repräsentiert. Unter Verwendung entsprechender Messwerte kann während des Lademodus sichergestellt werden, dass der durch die elektrische Maschine fließende Strom eine Generierung des Drehmoments mit konstantem Drehsinn bewirkt. Über das zumindest eine Sensorsignal abgebildete Messwerte der Sensoreinrichtung können im Betriebsmodus der Antriebsvorrichtung in entsprechender Weise zum Ansteuern der Schalter verwendet werden. Somit kann eine Regelschleife realisiert werden, um die Schalter des Wechselrichters so anzusteuern, dass von der elektrischen Maschine ein angefordertes Drehmoment bereitgestellt werden kann.
Ein Verfahren zum Betreiben einer genannten Antriebsvorrichtung umfasst die folgenden Schritte:

Ansteuern der Schalter des Wechselrichters in einem Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung, um unter Verwendung einer an der Speicherschnittstelle anliegenden Batteriespannung eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine bereitzustellen; und

Ansteuern der Schalter des Wechselrichters in einem Lademodus der Antriebsvorrichtung, um unter Verwendung einer an der Ladeschnittstelle anliegenden Einspeisespannung eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers an der Speicherschnittstelle bereitzustellen, wobei die Ladespannung größer als die Einspeisespannung ist, und wobei das Ansteuern der Schalter in dem Lademodus einen Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten der elektrischen Maschine bewirkt, der während des Lademodus ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine generiert.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Steuereinrichtung ausgeführt wird.
Eine Steuereinrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Steuereinrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Steuereinrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Schaltbild einer Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Antriebsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise ist das Fahrzeug 100 als ein Elektrofahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 104 zum Speichern elektrischer Energie und zumindest einer elektrischen Maschine 106 zum Antreiben zumindest eines Rads 108 des Fahrzeugs unter Verwendung von in dem Energiespeicher 104 gespeicherter Energie. Ein Wechselrichter 110 wird verwendet, um eine von dem Energiespeicher 104 bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine zum Betrieb der elektrischen Maschine 106 geeignete Wechselspannung zu wandeln. Dazu ist der Wechselrichter 110 einerseits direkt oder über zumindest eine weitere Einrichtung über eine Speicherschnittstelle 112 mit dem Energiespeicher 104 und anderseits mit der elektrischen Maschine verbunden. Der Energiespeicher 104 ist optional Teil der Antriebsvorrichtung 102.
Um den Energiespeicher aufzuladen, weist das Fahrzeug 100 eine Ladeschnittstelle 114 auf, über die das Fahrzeugs 100 beispielsweise an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen werden kann. Zumindest eine Induktivität der elektrischen Maschine kann zusammen mit Elementen des Wechselrichters verwendet werden, um eine an der Ladeschnittstelle anliegende Einspeisespannung in eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers 104 umzuwandeln. Vorteilhafterweise wird ein Stromfluss durch die zumindest eine Induktivität dabei so gesteuert, dass die elektrische Maschine während des Wandelns der Einspeisespannung in die Ladespannung kontinuierlich ein Drehmoment generiert, dass einen konstanten Drehsinn aufweist. Auf diese Weise kann eine Geräuschbildung innerhalb der Antriebsvorrichtung 102 vermieden werden.
Die Antriebsvorrichtung 102 weist einen Antriebsmodus auf, in dem die elektrische Maschine 106 zum Fortbewegen des Fahrzeugs 100 verwendet wird. Fener weist die Antriebsvorrichtung 102 einen Lademodus auf, in dem zumindest eine Induktivität der elektrischen Maschine verwendet wird, um den Energiespeicher unter Verwendung der an der Ladeschnittstelle bereitgestellten Einspeisespannung aufzuladen.
Die Antriebsvorrichtung 102 weist eine Steuereinrichtung 116 zum Steuern eines Betriebs des Wechselrichters 110 während des Antriebsmodus und des Lademodus auf. Die Steuereinrichtung 116 ist ausgebildet, um den Wechselrichter 110 während des Antriebsmodus so anzusteuern, dass die von dem Energiespeicher 104 an der Speicherschnittstelle 112 bereitgestellte Batteriespannung in die Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine 106 gewandelt wird. Ferner ist die Steuereinrichtung 116 ausgebildet, um den Wechselrichter 110 während des Lademodus so anzusteuern, dass die an der Ladeschnittstelle 114 anliegenden Einspeisespannung in die Ladespannung zum Laden des Energiespeichers 104 hochgesetzt wird. Vorteilhafterweise ist die Steuereinrichtung 116 ausgebildet, um den Wechselrichter 110 während des Lademodus so anzusteuern, dass ein Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten der elektrischen Maschine 106 ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine 106 bewirkt.
Das Laden des Energiespeichers 104 über die Ladeschnittstelle 114 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel während eines Stillstands des Fahrzeugs 110 ausgeführt. Das von der elektrischen Maschine 106 während des Ladevorgangs generierte Drehmoment kann auf geeignete Weise abgestützt werden, um ein Wegrollen des Fahrzeugs 100 zu verhindern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 116 ausgebildet, um in dem Lademodus ein Bremssignal 118 zum Aktivieren einer mit der elektrischen Maschine 106 mechanisch gekoppelten Bremseinrichtung 120 zum Abstützen des Drehmoments bereitzustellen. Beispielsweise ist die Bremseinrichtung 120 mit einer Antriebswelle oder einem Rotor der elektrischen Maschine 106 oder mit einem der Räder 108 des Fahrzeugs 100 gekoppelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Steuereinrichtung 116 eine Schnittstelle zu einer Sensoreinrichtung 122 zum Erfassen zumindest eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine 106. Optional ist die Sensoreinrichtung 122 Teil der Antriebsvorrichtung 102. Die Sensoreinrichtung 122 umfasst einen oder mehrere Sensoren. Beispielsweise umfasst die Sensoreinrichtung 122 einen Lagegeber zum Erfassen einer Rotorlage der elektrischen Maschine 106 und zusätzlich oder alternativ einen oder mehrere Stromsensoren zum Erfassen von durch die Induktivitäten der elektrischen Maschine 106 fließenden Phasenströmen und zusätzlich oder alternativ einen Drehmomentsensor zum Erfassen des von der elektrischen Maschine 106 generierten Drehmoments. Beispielsweise ist die Sensoreinrichtung 122 ausgebildet, um erfasste Betriebsparameter über zumindest ein Sensorsignal 124 an die Steuereinrichtung 116 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 116 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um unter Verwendung des zumindest einen Sensorsignals 124 sowie beispielsweise eines Vorgabesignals zum Vorgeben eines gewünschten von der elektrischen Maschine 106 bereitzustellenden Drehmoments zumindest ein Steuersignal 126 zum Steuern des Wechselrichters 110 bereitzustellen. Das Steuersignal 126 ist geeignet, um Schalter des Wechselrichters 110 sowohl während des Antriebsmodus als auch während des Lademodus geeignet anzusteuern. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 116 ausgebildet, um das Steuersignal 126 unter Verwendung einer Regelschleife zu bestimmen.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine geräuschlose Regelstrategie für das sogenannte Inverterladen. Dabei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine definierte Regelung des erwünschten Abtriebsmoments in der elektrischen Maschine 106 während des Ladevorgangs durchgeführt, um eine Geräuschbildung zu unterdrücken. Ziel ist die Erreichung eines möglich kleinen, aber rein schwellenden Moments. Ein Abstützen dieses Moments erfolgt beispielsweise durch die Bremseinrichtung 120 in Form eines mechanischen Elements, wie z.B. ein Parklock oder eine Feststellbremse. Der beschriebene Ansatz kann dabei im Zusammenhang mit Traktionsinverters und Gesamtsystemen mit Traktionsinverter in der E-Mobility eingesetzt werden.
Durch den beschriebenen Ansatz kann verhindert werden, dass beim Inverterladen in der Praxis durch die Bestromung der Induktivitäten (Wicklungen) der elektrischen Maschine 106 unerwünschte Drehmomente entstehen, welche durch das Spiel im Antriebsstrang, der beispielsweise ein Getriebe und ein Differential umfasst, bis hin zum mechanisch blockierenden Element (Parklock oder Feststellbremse) zu störenden Geräuschbildung oder Beschädigungen durch „Klackern“ führen könnten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Regelverfahren umgesetzt, das dieses Klackern vermeidet.
Ein solches Regelverfahren verschiebt das mittlere erwünschte Abtriebsmoment an der elektrischen Maschine 106 durch gezielte Strommodulation im Mittel von Null Abtriebsmoment, welches dann in der Praxis immer etwas wechseln schwingt, in Richtung eines definierten, einseitigen Abtriebsmoments, welches sich über den Antriebsstrang beispielsweise an der Bremseinrichtung 120 in Form eines mechanisch blockierenden Elements abstützt. Im Antriebsstrang herrscht somit während des Ladevorgang kein geringfügig wechselndes Moment mehr vor, sondern ein rein schwellendes, welches keine Geräusche und keine Beschädigungen durch „Klackern“, z.B. an Zahnflanken, mehr verursacht.
2 zeigt ein Schaltbild einer Antriebsvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Ausführungsbeispiel der anhand von 1 beschriebenen Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug.
Der Energiespeicher 104 ist beispielhaft als eine Hochvolt-Batterie, beispielsweise eine 800V Batterie ausgeführt und über die Speicherschnittstelle 112 angebunden. Die Speicherschnittstelle 112 weist einen ersten Anschluss 230 und einen zweiten Anschluss 232 auf.
Der Wechselrichter 110 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die an der Speicherschnittstelle 112 anliegende Batteriespannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine 106 zu wandeln. Die elektrische Maschine weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel drei Induktivitäten 234, 236, 238 auf. Der Wechselrichter 110 weist entsprechend bekannter Wechselrichter eine Mehrzahl, hier sechs Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 mit je einem Schalter 248 und einer parallel geschalteten Diode 249 auf.
Die erste Schalteinrichtung 240 ist zwischen dem ersten Anschluss 230 der Speicherschnittstelle 112 und einem ersten Anschluss der ersten Induktivität 234 angeordnet. Die zweite Schalteinrichtung 241 ist zwischen dem zweiten Anschluss 232 der Speicherschnittstelle 112 und dem ersten Anschluss der ersten Induktivität 234 angeordnet. Die dritte Schalteinrichtung 242 ist zwischen dem ersten Anschluss 230 der Speicherschnittstelle 112 und einem ersten Anschluss der zweiten Induktivität 236 angeordnet. Die vierte Schalteinrichtung 243 ist zwischen dem zweiten Anschluss 232 der Speicherschnittstelle 112 und dem ersten Anschluss der zweiten Induktivität 236 angeordnet. Die fünfte Schalteinrichtung 244 ist zwischen dem ersten Anschluss 230 der Speicherschnittstelle 112 und einem ersten Anschluss der dritten Induktivität 238 angeordnet. Die sechste Schalteinrichtung 245 ist zwischen dem zweiten Anschluss 232 der Speicherschnittstelle 112 und dem ersten Anschluss der dritten Induktivität 238 angeordnet.
Die Schalter 248 der Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 werden beispielsweise von der anhand von 1 beschriebenen Steuereinrichtung angesteuert, also geöffnet oder geschlossen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen die ersten Anschlüsse 230, 232 der Speicherschnittstelle 112 ein Zwischenkreiskondensator 250 geschaltet. Optional ist zwischen dem Wechselrichter 110 und der Speicherschnittstelle 112 ein Filter 252 angeordnet.
Zum Laden des Energiespeichers 104 ist die Ladeschnittstelle 114 der Antriebsvorrichtung 102 mit einer Ladestation 254 koppelbar. Beispielsweise ermöglicht die Ladestation 254 ein Gleichstromladen mit bis zu 200kW oder ein Gleichstromladen mit bis zu 400kW. Die Ladeschnittstelle 114 weist einen ersten Anschluss 265 und einen zweiten Anschluss 258 auf an die eine von der Ladestation 254 bereitstellbare Einspeisespannung angelegt werden kann. Beispielsweise ist die Ladeschnittstelle 114 für eine Einspeisestrom von maximal 500A ausgelegt. Optional ist an der Ladeschnittstelle 114 ein Filter 260 angeordnet. Zwischen die Anschlüsse 256, 258 der Ladeschnittstelle 114 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Kondensator 262 geschaltet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Anschluss 258 der Ladeschnittstelle 114 über einen Ladeschalter 264 mit dem zweiten Anschluss 232 der Speicherschnittstelle 112 verbunden ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Anschluss 256 der Ladeschnittstelle 114 über einen Sternpunktschalter 266 mit einem Sternpunkt 268 der Induktivitäten 234, 236, 238 der elektrischen Maschine 106 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Anschlüsse der Induktivitäten 234, 236, 238 über den Sternpunkt 268 miteinander verbunden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Anschluss 256 der Ladeschnittstelle 114 über einen Bypassschalter 270 mit dem ersten Anschluss 230 der Speicherschnittstelle 112 verbunden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Schalter 264, 266, 270 unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Steuereinrichtung gesteuert, also geschlossen oder geöffnet.
Während des Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung 102 werden die Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 des Wechselrichters 110 sowie die Schalter 264, 266, 270 gemäß einem Ausführungsbeispiel so geschaltet, dass die elektrische Maschine 106 unter Verwendung der von dem Energiespeicher 104 bereitgestellten Batteriespannung ein Drehmoment bereitstellt, das zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Schalter 264, 266, 270 in dem Antriebsmodus geöffnet, sodass die Speicherschnittstelle 112 und die Ladeschnittstelle 114 nicht elektrisch leitfähig verbunden sind.
Während des Lademodus der Antriebsvorrichtung 102 werden die Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 des Wechselrichters sowie die Schalter 264, 266, 270 gemäß einem Ausführungsbeispiel so geschaltet, dass die an der Ladeschnittstelle 114 anliegende Einspeisespannung in die Ladespannung zum Laden des Energiespeichers 104 an der Speicherschnittstelle 112 hochgesetzt wird. Beispielsweise wird dabei eine 400V Einspeisespannung in eine 800V Ladespannung gewandelt. Dazu werden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Bypassschalter 270 geöffnet und der Ladeschalter 264 und der Sternpunktschalter 266 geschlossen. Die die Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 des Wechselrichters 110 werden so geschaltet, dass ein Stromfluss über den Sternpunkt 268 und durch zumindest eine der Induktivitäten 234, 236, 238 ermöglicht wird. Dabei werden die Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 so geschaltet, dass ein Stromfluss durch die zumindest eine der Induktivitäten 234, 236, 238 ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine 106 generiert. Das Drehmoment hat gemäß einem Ausführungsbeispiel während des gesamten Lademodus oder für eine definierte Dauer, von beispielsweise zumindest einigen Sekunden, während des Lademodus entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen. Dadurch wird ein permanentes Wechseln der Richtung des Drehmoments, das eine Geräuschbildung zur Folge haben kann, vermieden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Induktivitäten 234, 236, 238 und die Schalteinrichtungen 240, 241, 242, 243, 244, 245 in dem Lademodus zu zumindest einem Aufwärtswandler zu verschalten. Beispielsweise umfasst ein solcher Aufwärtswandler die erste Induktivität 234, die Diode der ersten Schalteinrichtung 240 und den Schalter 248 der zweiten Schalteinrichtung 241. Der Schalter 248 der ersten Schalteinrichtung 240 ist während des Lademodus beispielsweise durchgängig geöffnet und der Schalter 248 der zweiten Schalteinrichtung 241 wird alternierend geöffnet und geschlossen.
Optional wird ein zweiter Aufwärtswandler parallel dazu betrieben. Der zweite Aufwärtswandler umfasst beispielsweise die zweite Induktivität 236, die Diode der dritten Schalteinrichtung 242 und den Schalter 248 der vierten Schalteinrichtung 243. Der Schalter 248 der dritten Schalteinrichtung 242 ist während des Lademodus beispielsweise durchgängig geöffnet und der Schalter 248 der vierten Schalteinrichtung 243 wird alternierend geöffnet und geschlossen. Beispielsweise werden die Schalter 248 der zweiten Schalteinrichtung 241 und der vierten Schalteinrichtung 243 dabei entgegengesetzt geöffnet und geschlossen, um den ersten Aufwärtswandler und den zweiten Aufwärtswandler mit einem Phasenunterschied von 180° zu betreiben.
Optional wird auf entsprechende Weise ein dritter Aufwärtswandler betrieben.
Dies ermöglicht es einen 3-Phasen Boost Converter zu realisieren, wobei die elektrische Maschine 106 als Boost-Induktivität eingesetzt wird.
Der Sternpunktschalter 266 ermöglicht eine Verbindung zu dem Sternpunkt 268 der elektrischen Maschine 106, beispielsweise einem Elektromotor. Dazu besteht eine Verdrahtung des Sternpunkts 268 aus der elektrischen Maschine 106 heraus.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermöglicht die Antriebsvorrichtung 102 einen weiteren Lademodus. In dem weiteren Lademodus werden die Anschlüsse 256, 258 der Ladeschnittstelle 144 direkt mit den Anschlüssen 230, 232 der Speicherschnittstelle 112 verbunden. Dazu werden der Ladeschalter 264 und der Bypassschalter 270 geschlossen und der Sternpunktschalter 266 geöffnet. Dadurch kann die an der Ladeschnittstelle 114 anliegende Einspeisespannung, beispielsweise 800V Gleichspannung, direkt als die Ladespannung an der Speicherschnittstelle 112 bereitgestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird während eines 400V-Ladevorgangs der Wechselrichter 110 in Form eines Inverters nach dem Prinzip eines Interleaved Boost Converters angesteuert. Gegenüber einer typischen DCDC-Wandler Anwendung wird hier aber auch immer die Drehmomentgenerierung in der elektrischen Maschine 106 betrachtet. Im Falle einer Regelstrategie mit dem Sollwert Drehmoment = 0 kann es zu Geräuschen, beispielsweise in mit der elektrischen Maschine 106 gekoppelten Elementen, beispielsweise Getriebe und Achse eines Fahrzeugs, kommen, da das Drehmoment in Wirklichkeit um die Null herum schwingt, wodurch sich ein ständiger Vorzeichenwechsel ergibt. Um dies zu vermeiden wird die Maschine 106 im Ladevorgang so angeregt, dass sich diese Schwingung nicht um Null herum, sondern um ein kleines Drehmoment konstanten Vorzeichens ergibt. Dadurch werden Geräusche, beispielsweise in Getriebe und Achse deutlich reduziert oder eliminiert. In anderen Worten liegt gemäß einem Ausführungsbeispiel immer ein schwellendes, aber hinsichtlich des Vorzeichens konstantes Drehmoment an.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann es dabei um eine Antriebsvorrichtung handeln, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben wurde.
Um die von der elektrischen Maschine bereitstellbare Antriebsleistung nutzen zu können, werden in einem Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung in einem Schritt 301 die Schalter des Wechselrichters so angesteuert, dass unter Verwendung der an der Speicherschnittstelle anliegenden Batteriespannung die Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine bereitgestellt wird.
Um den Energiespeicher wieder aufladen zu können, werden in einem Lademodus der Antriebsvorrichtung in einem Schritt 303 die Schalter des Wechselrichters so angesteuert, dass unter Verwendung der an der Ladeschnittstelle anliegenden Einspeisespannung die Ladespannung zum Laden des Energiespeichers an der Speicherschnittstelle bereitgestellt wird und zudem eine Bereitstellung eines Drehmoments mit konstantem Drehsinn durch die elektrische Maschine angeregt wird.
Die Schritte 301, 303 können wiederholt und in erforderlicher Reihenfolge durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
102: Antriebsvorrichtung
104: Energiespeicher
106: elektrische Maschine
108: Rad
110: Wechselrichter
112: Speicherschnittstelle
114: Ladeschnittstelle
116: Steuereinrichtung
118: Bremssignal
120: Bremseinrichtung
122: Sensoreinrichtung
124: Sensorsignal
126: Steuersignal
230: erster Anschluss der Speicherschnittstelle
232: zweiter Anschluss der Speicherschnittstelle
234: erste Induktivität
236: erste Induktivität
238: erste Induktivität
240: erste Schalteinrichtung
241: zweite Schalteinrichtung
242: dritte Schalteinrichtung
243: vierte Schalteinrichtung
244: fünfte Schalteinrichtung
245: sechste Schalteinrichtung
248: Schalter
249: Diode
250: Zwischenkreiskondensator
252: Filter
254: Ladestation
256: erster Anschluss der Ladeschnittstelle
258: zweiter Anschluss der Ladeschnittstelle
260: Filter
262: Kondensator
264: Ladeschalter
266: Sternpunktschalter
268: Sternpunkt
270: Bypassschalter
301: Schritt des Ansteuerns während eines Antriebsmodus
303: Schritt des Ansteuerns während eines Lademodus

Claims

Antriebsvorrichtung (102) für ein Fahrzeug (100), wobei die Antriebsvorrichtung (102) die folgenden Merkmale umfasst: eine einen ersten Anschluss (230) und einen zweiten Anschluss (232) aufweisende Speicherschnittstelle (112) zu einem Energiespeicher (104) zum Speichern elektrischer Energie; eine elektrische Maschine (106) mit einer Mehrzahl von Induktivitäten (234, 236, 238); einen Wechselrichter (110) mit einer Mehrzahl von Schalteinrichtungen (240, 241, 242, 243, 244, 245) mit je einem Schalter (248) und einer parallel geschalteten Diode (249), wobei der Wechselrichter (110) zwischen die Speicherschnittstelle (112) und die elektrische Maschine (106) geschaltet ist; eine einen ersten Anschluss (256) und einen zweiten Anschluss (258) aufweisende Ladeschnittstelle (114) zum Anlegen einer Einspeisespannung; und eine Steuereinrichtung (116) zum Steuern eines Betriebs des Wechselrichters (110), wobei die Steuereinrichtung (116) ausgebildet ist, um in einem Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung (102) die Schalter (248) des Wechselrichters (110) anzusteuern, um unter Verwendung einer an der Speicherschnittstelle (112) anliegenden Batteriespannung eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine (106) bereitzustellen und in einem Lademodus der Antriebsvorrichtung (102) die Schalter (248) des Wechselrichters (110) anzusteuern, um unter Verwendung der an der Ladeschnittstelle (114) anliegenden Einspeisespannung eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers (104) an der Speicherschnittstelle (112) bereitzustellen, wobei die Ladespannung größer als die Einspeisespannung ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um die Schalter (248) des Wechselrichters (110) anzusteuern, um einen Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten (234, 236, 238) der elektrischen Maschine (106) zu bewirken, wobei der Stromfluss während des Lademodus ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine (106) generiert.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um die Schalter (248) und Dioden (249) des Wechselrichters (110) sowie die Induktivitäten (234, 236, 238) der elektrischen Maschine (106) zu einem ersten Aufwärtswandler und zu einem zweiten Aufwärtswandler zum Wandeln der Einspeisespannung in die Ladespannung zu verschalten.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um die Schalter (248) des Wechselrichters (110) anzusteuern, um den ersten Aufwärtswandler und den zweiten Aufwärtswandler mit einem Phasenunterschied von 180° zu betreiben.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um ein Bremssignal (118) zum Aktivieren einer mit der elektrischen Maschine (106) gekoppelten Bremseinrichtung (120) zum Abstützen des Drehmoments bereitzustellen.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (256) der Ladeschnittstelle (114) über einen Sternpunktschalter (266) mit einem Sternpunkt (268) der Induktivitäten (234, 236, 238) der elektrischen Maschine (106) verbunden ist, und die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um den Sternpunktschalter (266) zu schließen.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (258) der Ladeschnittstelle (114) über einen Ladeschalter (264) mit dem zweiten Anschluss (232) der Speicherschnittstelle (112) verbunden ist, und die Steuereinrichtung (116) in dem Lademodus ausgebildet ist, um den Ladeschalter (264) zu schließen.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (240, 241, 242, 243, 244, 245) zwischen den ersten Anschluss (230) der Speicherschnittstelle (112) und ersten Anschlüssen der Induktivitäten (234, 236, 238) sowie zwischen den zweiten Anschluss (232) der Speicherschnittstelle (112) und den ersten Anschlüssen der Induktivitäten (234, 236, 238) geschaltet sind.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (256) der Ladeschnittstelle (114) über einen Bypassschalter (270) mit dem ersten Anschluss (230) der Speicherschnittstelle (112) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (116) in einem weiteren Lademodus ausgebildet ist, um den Bypassschalter (270) zu schließen, um die an der Ladeschnittstelle (114) anliegende Einspeisespannung als die Ladespannung an die Speicherschnittstelle (112) bereitzustellen.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (102) den Energiespeicher (104) aufweist, der an der Speicherschnittstelle (112) angeschlossen ist.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (116) eine Schnittstelle zu einer Sensoreinrichtung (122) zum Erfassen eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine (106) aufweist und ausgebildet ist, um in dem Lademodus die Schalter (248) des Wechselrichters (110) unter Verwendung eines den Betriebsparameter repräsentierenden Sensorsignals (124) anzusteuern.
Antriebsvorrichtung (102) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter einen durch die Induktivitäten (234, 236, 238) der elektrischen Maschine (106) fließenden Strom und/oder einen Wert des von der elektrischen Maschine (106) generierten Drehmoments und/oder eine Stellung eines Rotors der elektrischen Maschine (106) repräsentiert.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung (102) für ein Fahrzeug (100), wobei die Antriebsvorrichtung (102) eine einen ersten Anschluss (230) und einen zweiten Anschluss (232) aufweisende Speicherschnittstelle (112) zu einem Energiespeicher (104) zum Speichern elektrischer Energie, eine elektrische Maschine (106) mit einer Mehrzahl von Induktivitäten (234, 236, 238), einen Wechselrichter (110) mit einer Mehrzahl von Schalteinrichtungen (240, 241, 242, 243, 244, 245) mit je einem Schalter (248) und einer parallel geschalteten Diode (249), wobei der Wechselrichter (110) zwischen die Speicherschnittstelle (112) und die elektrische Maschine (106) geschaltet ist, und eine einen ersten Anschluss (256) und einen zweiten Anschluss (258) aufweisende Ladeschnittstelle (114) zum Anlegen einer Einspeisespannung aufweist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ansteuern (301) der Schalter (248) des Wechselrichters (110) in einem Antriebsmodus der Antriebsvorrichtung (102), um unter Verwendung einer an der Speicherschnittstelle (112) anliegenden Batteriespannung eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine (106) bereitzustellen; und Ansteuern (301) der Schalter (248) des Wechselrichters (110) in einem Lademodus der Antriebsvorrichtung (102), um unter Verwendung einer an der Ladeschnittstelle (114) anliegenden Einspeisespannung eine Ladespannung zum Laden des Energiespeichers (104) an der Speicherschnittstelle (112) bereitzustellen, wobei die Ladespannung größer als die Einspeisespannung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der Schalter (248) in dem Lademodus einen Stromfluss durch zumindest eine der Induktivitäten (234, 236, 238) der elektrischen Maschine (106) bewirkt, der während des Lademodus ein einen konstanten Drehsinn aufweisendes Drehmoment der elektrischen Maschine (106) generiert.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens gemäß Anspruch 12 unter Verwendung einer Steuereinrichtung (116) auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.