DE19910091C1 - Elektroantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektroantrieb mit einem Elektromotor und einer Motorelektronik, wobei der Strom für den Elektromotor von einer Stromquelle erzeugt wird, wobei mindestens zwei voneinander unabhängige Stromquellen vorgesehen sind, und daß jeder Stromquelle eine Elektromotorwicklung zugeordnet ist, wobei z. B. ein Elektromotor zwei parallele Wicklungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektroantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Elektroantrieb ist aus der DE 44 12 450 A1 bekannt. Dort ist ein Antriebsaggregat mit einem Elektromotor, einer dem Elektromotor zugeordneten Motorelektronik und einer Brennstoffzelle offenbart, welches in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird.

Aus dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigten Artikel von W. Heine et al. in der Zeitschrift Siemens Energie- und Automation 7 (1985), Heft 1, Seiten 55 bis 59 ist ein Elektroantrieb mit einem Elektromotor mit zwei Elektromotorwicklungen und einer Motorelektronik bekannt, bei dem der Strom für den Elektromotor von mindestens zwei Stromquellen bereitgestellt ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen solchen Elektroantrieb zu verbessern, insbesondere einen Elektroantrieb mit Notlaufeigenschaften zu versehen, sowie die Verwendung eines Elektroantriebs anzugeben.

Die Aufgabe ist bei einem Elektroantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnende Merkmale gelöst sowie bei einer Verwendung gemäß Patentanspruch 8.

Der erfindungsgemäße Elektroantrieb weist eine Motorelektronik und einen Elektromotor auf, wobei der Strom für den Elektromotor von Brennstoffzellen erzeugt wird. Dabei sind mindestens zwei Brennstoffzellenstapel vorgesehen, und jedem Brennstoffzellenstapel ist eine Elektromotorwicklung zugeordnet.

Vorzugsweise weist der Elektromotor mindestens zwei parallele Wicklungen auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind zumindest zwei Elektromotoren mit nur je einer Wicklung vorgesehen.

Der Vorteil ist, daß auch bei Ausfall eines Brennstoffzellenstapels der Elektromotor noch betriebsbereit ist. Sind Wicklungen und Brennstoffzellenstapel gleich ausgelegt, stehen auch bei Ausfall eines Stapels noch 50% der Leistung zur Verfügung.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist jeder Wicklung des Elektromotors eine separate Leistungselektronik zugeordnet.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist mehreren Leistungselektroniken eine gemeinsames Motorsteuergerät zugeordnet.

Der Vorteil ist, daß die separate Leistungsversorgung des Antriebs erst im Motor selbst zusammengeführt wird. Da für jeden Brennstoffzellenstapel eine vorgesehen ist, ist die Leistungselektronik redundant vorhanden. Ein gemeinsames Motorsteuergerät vereinfacht die Handhabung und das Management der Energieversorgung und des Elektromotors.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Brennstoffzellenstapel durch gemeinsame Betriebsmittel versorgt. Dies ermöglicht ein geringes Einbauvolumen der Anordnung und eine Kostenersparnis durch Einsparung von Komponenten.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weisen Brennstoffzellenstapel separate Betriebsmittel auf. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Elektroantriebs.

Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßer Elektroantrieb in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Elektroantriebs mit einem einzigen Elektromotor und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Elektroantriebs mit mehreren Elektromotoren.

Der erfindungsgemäße Elektroantrieb kann sowohl für stationäre als auch für mobile Einsatzzwecke verwendet werden. Im folgenden ist die Erfindung zwar anhand eines Elektroantriebs in einem Elektrofahrzeug beschrieben, jedoch nicht auf diesen Einsatzbereich eingeschränkt.

In Fig. 1 ist ein erster bevorzugter erfindungsgemäßer Elektroantrieb 1 dargestellt. Mehrere Stromquellen S1, S2, . . ., Sn stellen Leistungen P1, P2, . . ., Pn bereit. Bevorzugte Stromquellen sind Brennstoffzellen. Weitere bevorzugte Stromquellen sind elektrochemische Speicher oder Batterien. Den Stromquellen S1, S2, . . ., Sn sind Stromquellensteuereinheiten SC1, SC2, . . ., SCn zugeordnet. Die Stromquellensteuereinheiten SC1, SC2, . . ., SCn sind dazu vorgesehen, kritische Betriebszustände der Stromquellen S1, S2, . . ., Sn zu erkennen und gegebenenfalls einen derartigen kritischen Betriebszustand an eine übergeordnete Steuerung weiterzumelden und/oder die entsprechende Stromquelle abzuschalten. Kritische Betriebszustände können typischerweise eine zu hohe oder eine zu niedrige Spannung oder auch eine zu hohe Stromstärke der Stromquelle sein, die benötigt würde, um eine aktuelle Momentanforderung des Motors M zu erfüllen.

Die Leistungen P1, P2, . . ., Pn werden über einzelne Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn einem Motor M zugeführt. Die Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn sind vorzugsweise Schalter, z. B. sogen. IGBT-Schalter, die einen Gleichstrom, der von den Stromquellen S1, S2, . . ., Sn geliefert wird, in einen Wechselstrom zu transformieren, der dem Motor M zugeführt wird.

Jeder Stromquelle S1, S2, . . ., Sn ist jeweils eine Wicklung W1, W2, . . ., Wn des Motors M zugeordnet. Der Motor M weist vorzugsweise so viele Wicklungen W1, W2, . . ., Wn auf, wie Stromquellen S1, S2, . . ., Sn vorhanden sind. Die Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn werden von einer gemeinsamen Motorsteuereinheit MCU gesteuert, die die zur Steuerung und Regelung der Leistungseinheiten notwendigen Programme enthält. Die Stromquellen S1, S2, . . ., Sn von einer gemeinsamen Antriebssteuereinheit VCU gesteuert, welche auf die Steuereinheiten Sc1, SC2, . . ., SCn der Stromquellen S1, S2, . . ., Sn einwirkt. Die Antriebssteuereinheit VCU bildet eine übergeordnete Steuereinheit für die einzelnen Komponenten des gesamten Systems sowie für die Motorsteuereinheit MCU. Damit ist gewährleistet, daß die Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn so synchronisiert werden, so daß die einzelnen Leistungen P1, P2, . . ., Pn sich am Motor zu einer Gesamtleistung P_total = P1 + P2 + . . . + Pn aufsummieren und vom Motor M ein von einem Verbraucher 2 gewünschtes Moment bereitgestellt werden kann.

Die Stromquellen S1, S2, . . ., Sn sind vorzugsweise galvanisch und räumlich voneinander getrennt angeordnet. Vorzugsweise ist der Elektromotor M ein Reluktanzmotor oder eine Asynchronmaschine. Bevorzugt werden die Wicklungen W1, W2, . . ., Wn parallel in Statornuten des Elektromotors M angebracht. In diesen Wicklungen W1, W2, . . ., Wn fließen dann galvanisch getrennte, von getrennten Stromquellen gelieferte Ströme. Das Drehmoment des Motors M wird durch den verketteten magnetischen Fluß der sich im betrieb befindlichen Stromquellen erzeugt.

Werden Umrichter in den Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn entsprechend synchronisiert, stellt sich am Elektromotor M das maximal mögliche Moment ein.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Ausfallsicherheit des Elektroantriebs 1 verbessert wird. Der Elektroantrieb 1 ist solange betriebsbereit, solange mindestens eine Stromquelle S1, S2, . . ., Sn in Betrieb ist. Ist der Elektroantrieb 1 mit zwei Stromquellen S1, S2 ausgerüstet, so stehen bei Ausfall einer Stromquelle S1 oder S2 noch 50% der Leistung P_total zur Verfügung. Damit ist ein ausreichender Notlauf des Elektroantriebs gewährleistet.

Eine besonders günstige Stromquelle S1, S2, . . ., Sn stellt ein Brennstoffzellensystem dar. Vorteilhaft ist, die Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellensysteme mit unabhängigen Steuer- und Betriebsmitteln zu versorgen, so daß die Stromquellen S1, S2, . . ., Sn voneinander möglichst entkoppelt sind. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Anordnung zusätzlich.

Bei geringeren Anforderungen an die Betriebssicherheit können einzelne oder mehrere übliche Versorgungseinheiten für die Stromquellen S1, S2, . . ., Sn von mehreren Stromquellen gemeinsam genutzt werden. Bei Brennstoffzellensystemen können übliche Mittel zur Gasversorgung, Gasreinigung, Kühlung, Reformierung und dergleichen gemeinsam genutzt oder für jedes Brennstoffzellensystem separat vorgesehen sein.

Wird der Elektroantrieb 1 in einem Fahrzeug, insbesondere einem Brennstoffzellenfahrzeug, eingesetzt, bietet der erfindungsgemäße Elektroantrieb 1 den zusätzlichen Vorteil, daß durch die separaten Stromquellen S1, S2, . . ., Sn eine symmetrische Gewichtsverteilung im Fahrzeug möglich ist. Besonders bevorzugt ist der Elektroantrieb 1 symmetrisch zur Längsachse eines Fahrzeugs angeordnet.

Dies ist günstig für die Fahreigenschaften, vor allem, wenn erhöhte Anforderungen an Längs- und Querdynamik und Straßenlage des Fahrzeugs zu erfüllen sind. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug mit zwei Brennstoffzellensystemen als Stromquellen S1, S2 stehen beim Ausfall eines Brennstoffzellensystems noch 50% der Antriebsleistung zur Verfügung. Damit ist es möglich, z. B. noch eine Werkstatt zu erreichen, um den Schaden zu beheben.

In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Elektroantriebs 1 dargestellt. Mehrere Stromquellen S1, S2, . . ., Sn mit zugeordneten Stromquellensteuereinheiten SC1, SC2, . . ., SCn stellen Leistungen P1, P2, . . ., Pn zur Verfügung, welche jeweils einer Leistungseinheit PU1, PU2, . . ., PUn zugeführt wird. Jede Leistungseinheit PU1, PU2, . . ., PUn ist mit einem Elektromotor M1, M2, . . ., Mn verbunden, dem eine Motorsteuereinheit MCU1, MCU2, . . ., MCUn zugeordnet ist. Jeder Leistungseinheit PU1, PU2, . . ., PUn ist eine Motorsteuereinheit MCU1, MCU2, . . ., MCUn zugeordnet, welche auf die Leistungseinheiten PU1, PU2, . . ., PUn einwirken.

Die Elektromotoren M1, M2, . . ., Mn stellen Antriebsleistungen für Verbraucher D1, D2, . . ., Dn eines anzutreibenden Systems 2 zur Verfügung. Ein bevorzugtes System 2 ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellenfahrzeug mit Brennstoffzellensystemen als Stromquellen S1, S2, . . ., Sn, wobei die Verbraucher D1, D2, . . ., Dn Antriebsachsen oder Einzelradantriebe sein können.

Es ist auch möglich, eine Anordnung wie in Fig. 2 dargestellt dergestalt weiterzuentwickeln, daß mindestens einer der Elektromotoren mehr als eine Wicklung aufweist, wobei jede dieser Wicklungen durch eine Stromquelle gemäß einer Anordnung, die der in Fig. 1 entspricht, versorgt ist.

Claims (8)

1. Elektroantrieb mit einem Elektromotor (1) und einer Motorelektronik (MCU, MCU1, MCU2, . . ., MCUn), wobei der Strom für den Elektromotor (1) von einer Stromquelle (S1, S2, . . ., Sn) bereitgestellt ist, wobei der Elektromotor mindestens zwei Wicklungen aufweist und mindestens zwei Stromquellen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Stromquellen (S1, S2, . . ., Sn) voneinander unabhängig sind und daß jeder Stromquelle (S1, S2, . . ., Sn) eine Elektromotorwicklung (W1, W2, . . ., Wn) zugeordnet ist.

2. Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (S1, S2, . . ., Sn) durch ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel gebildet ist.

3. Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von einem Motor (1) mit mehreren Wicklungen (W1, W2, . . ., Wn) zumindest zwei Elektromotoren (M1, M2, . . ., Mn) mit je einer einzigen Elektromotorwicklung (W1, W2, . . ., Wn) vorgesehen sind.

4. Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Leistungselektroniken (PU1, PU2, . . ., PUn) ein gemeinsames Antriebssteuergerät (VCU) zugeordnet ist.

5. Elektroantrieb nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Leistungselektroniken (PU1, PU2, . . ., PUn) ein gemeinsames Motorsteuergerät (MCU1, MCU2, . . ., MCUn) zugeordnet ist.

6. Elektroantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellensysteme separate Betriebsmittel und/oder Steuermittel für den Betrieb der Brennstoffzellen aufweisen.

7. Elektroantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brennstoffzellensysteme gemeinsame Betriebsmittel und/oder Steuermittel für den Betrieb der Brennstoffzellen aufweisen.

8. Verwendung eines Elektroantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Brennstoffzellenfahrzeug.