EP2539174A1 - Verfahren zum laden und/oder entladen eines elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs und ein solches fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum laden und/oder entladen eines elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs und ein solches fahrzeug

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Publication number
EP2539174A1
EP2539174A1 EP11704441A EP11704441A EP2539174A1 EP 2539174 A1 EP2539174 A1 EP 2539174A1 EP 11704441 A EP11704441 A EP 11704441A EP 11704441 A EP11704441 A EP 11704441A EP 2539174 A1 EP2539174 A1 EP 2539174A1
Authority
EP
European Patent Office
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electric motor
vehicle
motor
electric
serves
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11704441A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Kepka
Bernhard Plail
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2539174A1 publication Critical patent/EP2539174A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Electric vehicles currently insbeson ⁇ wider reach for reasons of environmental protection increasingly into view ⁇ point the public.
  • Such vehicles are equipped with an electric energy storage device, such as a Lithiumbat ⁇ terie, is stored in the needed to power the vehicle electric ⁇ energy.
  • these vehicles have at least one electric motor which serves as a drive motor for at least one vehicle wheel and converts the electrical energy stored in the electric energy storage into mechanical energy for driving the vehicle.
  • the electric energy storage device When the electric energy storage device is discharged, it can be recharged with electrical energy when the vehicle is at rest by means of an energy supply device arranged outside the vehicle. For this purpose, electrical energy is transmitted from the power supply device to the electric energy storage of the vehicle. For safety reasons, ⁇ a galvanic separation between the electric energy storage of the vehicle and the power supply device is in this case desirable.
  • Such electrical isolation could be realized for example by means of an arranged on board the vehicle charger by means of Bauelemen ⁇ th power electronics. Due to the desired large charging power (for example, charging powers of up to 44 kW are aimed at three-phase alternating current), such chargers would, however, have a considerable weight and have a considerable space requirement.
  • the invention has for its object to provide a method for charging and / or discharging an electric energy storage of an electrically driven vehicle and such a vehicle in which no additional charger is required on board the vehicle for electrical isolation.
  • This object is achieved by a method for charging an electric energy storage of an electrically driven ⁇ vehicle, in particular an electrically driven road vehicles, in which a first electric motor of the vehicle is supplied by an outside of the vehicle power supply device with electrical energy, the first electric motor operates in engine operation and the motor shaft of the first electric motor is mechanically coupled to a motor shaft of a second electric motor of the vehicle, whereby the second electric motor is mechanically driven by the first electric motor, from the second, operating in the generator operating electric motor provided electrical energy to the electric power - Memory is transferred, and by means of this electrical
  • Power supply device is connected) realized in that the first electric motor and the second electric motor ⁇ are connected only mechanically via their motor shafts and the energy required for charging as mechanical rotation- tations energie from the first electric motor to the second
  • Electric motor is transmitted. Furthermore, it is advantageous that the first electric motor reacts on the energy supply device only like a conventional electric motor, ie only small network perturbations in the form of upper Generated vibrations. In particular, no network perturbations are generated in the form of disturbances, as z. B. occur in components of the power electronics (eg, voltage spikes or significant harmonics up to the 40th harmonic).
  • the above object is also according to the invention ge ⁇ dissolved by a method of discharging an electric energy store of an electrically driven vehicle, in which a second electric motor of the vehicle is supplied from the electric energy storage device with electrical energy, the second electric motor operates in the motor mode and the motor ⁇ shaft of the second electric motor is mechanically connected (coupled) to a motor shaft of a first electric motor of the vehicle, whereby the first electric motor is mechanically driven by the second electric motor, and from the first, operating in the generator operating electric motor supplied electrical energy in a vehicle disposed outside the power supply network is fed.
  • galvanic isolation between the electric energy store of the vehicle and the energy supply device (and a power supply network to which this energy supply device is connected) is advantageously realized by virtue of the fact that the first electric motor and the second electric motor only mechanically via their motor shafts are connected and the energy fed into the power supply network is transmitted as mechanical rotational energy from the second electric motor to the first electric motor.
  • the first electric motor acts on the energy supply device merely like a conventional generator, ie only slight unwanted effects in the form of harmonics are generated.
  • INS special arise no interference, as z. B. occur in construction ⁇ elements of the power electronics.
  • the method for charging the electric energy storage or the method for discharging the electric energy storage may be used.
  • the methods can proceed such that in each case an electric motor is used as the first electric motor and / or as the second electric motor, which serves as a drive motor for at least one vehicle wheel. It is advantageous that no additional first electric motor and / or no additional second electric motor is required for the Ver ⁇ drive, since the respective electric motor anyway exists as a drive motor for at least one vehicle wheel of the vehicle.
  • the method can also run so that at the beginning of loading and / or at the beginning of the discharge of the electric energy ⁇ memory, the motor shaft of the first electric motor and / or the motor shaft of the second electric motor is mechanically separated from the at least one respective vehicle. Since ⁇ through is advantageously prevented that, during the charging or discharging when the vehicle by the rotating motor shaft of the first electric motor and / or the second electric motor in the driving operation by means of this
  • the methods can also be configured such that an electric motor is used as the first electric motor or as the second electric motor, which serves as a drive motor for at least one vehicle wheel, and an (additional) electric motor is used as the respectively associated second or first electric motor serves as a drive motor for at least one vehicle wheel.
  • an electric motor is used as the first electric motor or as the second electric motor, which serves as a drive motor for at least one vehicle wheel
  • an (additional) electric motor is used as the respectively associated second or first electric motor serves as a drive motor for at least one vehicle wheel.
  • the methods can also be realized in such a way that an electric motor is used as the first electric motor, which serves as a drive motor for a vehicle wheel of a wheel axle, and as the second electric motor, an electric motor is used, which serves as a drive motor for an opposite vehicle wheel of the wheel ⁇ axis.
  • an electric motor is used as the first electric motor, which serves as a drive motor for a vehicle wheel of a wheel axle
  • an electric motor is used, which serves as a drive motor for an opposite vehicle wheel of the wheel ⁇ axis.
  • the methods may also be configured such that an electric motor is used as the first electric motor, which serves as a drive motor for a first wheel axle of the vehicle, and as the second electric motor, an electric motor is used, which serves as a drive motor for a second wheel axle of the vehicle.
  • the first wheel axle may be a front wheel axle and the second wheel axle may be a rear wheel axle of the vehicle or vice versa.
  • the methods may be such that the first and the second electric motor have the same amount of electrical power.
  • the methods can also run such that the first and the second electric motor have different levels of electrical power. This makes it very flexible in the realization of the method according to the invention. It can thus provided for the driving operation of the vehicle drive motors ⁇ also be used for the process of this invention, regardless of whether the first and second
  • Electric motor have an equal electrical power or different levels of electrical power. The smaller electrical power of the two electric motors determines the maximum charging power.
  • an electrically driven vehicle with an electric energy storage for storing electric energy for driving the vehicle, a first electric motor which is electrically connectable to a power supply device arranged outside the vehicle, and a second Electric motor, which is electrically connected to the electric energy storage, wherein the motor shaft of the first electric ⁇ motor mechanically connected to the motor shaft of the second Elektromo ⁇ sector of the vehicle (coupled).
  • This connection of the motor shafts can be made insoluble or detachable, a detachable connection can be realized, for example, by means of a releasable coupling, for example a disc clutch.
  • the vehicle may be configured such that the first electric motor which is electrically connectable to a power supply device arranged outside the vehicle, and a second Electric motor, which is electrically connected to the electric energy storage, wherein the motor shaft of the first electric ⁇ motor mechanically connected to the motor shaft of the second Elektromo ⁇ sector of the vehicle (coupled).
  • This connection of the motor shafts can be made insoluble or detachable
  • Electric motor and / or the second electric motor is an electric motor which serves as a drive motor for at least one vehicle ⁇ wheel.
  • the vehicle can also be configured so that a Kupp ⁇ averaging device for mechanically separating and re-connecting the motor shaft of the first electric motor to the at least one associated vehicle wheel and / or a coupling device for mechanically separating and re-connecting the motor shaft of the second electric motor with the at least one to ⁇ belonging vehicle wheel .
  • the vehicle can be constructed so that the first electric ⁇ motor or the second electric motor is an electric motor serving as a drive motor for at least one vehicle wheel, and the other electric motor is an (additional) electric motor, not as a drive motor for at least one vehicle serves.
  • the vehicle may be implemented such that the first electric ⁇ motor is an electric motor serving as a drive motor for a vehicle wheel of a wheel axle, and the second electric motor is an electric motor serving as a drive motor for an opposite vehicle wheel the wheel axle. It can do that a vehicle wheel is a left vehicle wheel of the wheel axle and the opposite vehicle wheel is a right vehicle wheel of the wheel axle or vice versa.
  • the vehicle can be constructed so that the first electric motor ⁇ is an electric motor serving as a drive motor for a first wheel axle, and the second electric motor is a
  • Electric motor is that serves as a drive motor for a second wheel axle.
  • the first wheel axle, a front wheel axle and the second axle ⁇ be a rear wheel axle of the driving ⁇ zeugs or vice versa.
  • the vehicle can be realized in such a way that the first and the second electric motor have the same amount of electrical power.
  • the vehicle may also be constructed so that the first and the second electric motor have different power levels.
  • Figure 1 is a schematic representation of selected elements of an electrically driven vehicle, which is connected to a power supply device, in
  • Figure 2 is a representation of this vehicle while driving
  • in 3 shows an illustration of this vehicle when charging the electric energy storage
  • in Figure 4 is a representation of this vehicle when unloading the
  • Figure 5 shows an embodiment of a vehicle with two
  • Figure 6 shows an embodiment of a vehicle with a
  • FIG. 1 selected elements or components of an electrically driven vehicle are shown in the left part of the illustration.
  • the exemplary embodiment is an electrically driven road vehicle in the form of an electrically driven automobile (electric car). This can be an exclusively electrically driven vehicle or a hybrid vehicle that in addition to an electric drive motor additionally has an internal combustion engine on board.
  • a first electric motor 1 and a second electric motor 2 are arranged, which are mechanically connected (coupled) via a connecting shaft 3.
  • the connecting shaft 3 By the connecting shaft 3, the rotor of the first electric motor 1 is rigidly connected to the rotor of the second electric motor 2; The rotors of both electric motors rotate at the same angular velocity.
  • a rotary arrow 4 is symbolic illustrated that the connecting shaft 3 rotates as soon as the first electric motor 1 or the second electric motor 2 generates a rotational movement.
  • the connecting shaft 3 which is a rigid coupling, the other one
  • Electric motor 2 are connected via a coupling 5 with a drive shaft ⁇ 7 of the vehicle.
  • This drive shaft 7 at least one vehicle wheel of the Vehicle driven to move the vehicle on the road (in Figure 1, the ange ⁇ exaggerated wheel is not shown).
  • the first electric motor 1 can be electrically connected via a switch 9 in a switch position of the switch with an outside of the vehicle ⁇ ordered power supply device 11 and in the other switching position (via a motor controller 13) with an electric energy storage 15 (battery, eg lithium battery) of the vehicle become.
  • the first electric motor 1 is connected via a charging cable 17, a charging plug 19, a charging socket 21 to the power supply device 11 (for example a current charging station installed at the roadside).
  • This energy supply device 11 is in turn supplied with electrical energy via a power supply network 23.
  • the arranged within the dashed frame 25 Bau ⁇ parts are components of the electrically driven vehicle 25, whereas the charging socket 21, the Energysavingsein- direction 11 and the power grid 23 outside the vehicle 25 is arranged.
  • the second electric motor 2 is connected via electrical connecting lines 26 and the motor controller 13 to the electric energy storage 15.
  • This rotary converters can be of symmetrical construction (ie, the electric power of the current in the motor mode the electric motor is equal to the electrical Leis ⁇ processing of the current in the generator mode the electric motor.) However, the rotary converters can also be designed asymmetrically, that is, the electric power of the two
  • Electric motors is greater than the electric power of the other of the two electric motors. This makes it possible to use two intended for drive purposes in an electric vehicle electric motors of different power for charging or discharging the electric energy storage. In ⁇ games for this are shown below in the figure descriptions.
  • the first electric motor 1 and the second electric motor 2 may be two electric motors, which are present anyway as a drive motor (drive motor) for at least one vehicle wheel in the vehicle.
  • one of the two electric motors may be an electric motor which does not serve as a drive motor for at least one vehicle wheel, wel ⁇ cher thus additionally for the purpose of charging / discharging of the electric energy storage device installed in the vehicle (so-called.
  • Auxiliary engine, additional engine can therefore be optimized advantageously for the purpose of charging / discharging the electric energy storage, for example with respect to its continuous power or the harmonics generated by it.
  • the electrically powered vehicle 25 is shown while driving, ie the vehicle 25 travels by means of electrical energy from the electric energy storage 15 originating from a road; the charging plug 19 is separated from the La ⁇ debuchse 21 and is located along with the charging cable 17 on board the vehicle 25th
  • Electric energy storage 15 is charged.
  • the charging of the electric energy storage 15 takes place when the vehicle is stationary, for example, when the vehicle is at the roadside at a Stromzapfklale.
  • the motor shaft of the first electric motor and the motor ⁇ shaft of the second electric motor are mechanically 7 of the drive ⁇ shaft (and connected to the drive shaft 7 driving ⁇ zeugrad of the vehicle) separated by the Kupp ⁇ lung. 5
  • the motor vehicle 25 is connected to the charging socket 21 of the Energyver ⁇ sorgungs worn. 11 As a result, electric current flows from the power supply network 23 via the power supply device 11, the charging socket 21, the charging plug 19, the charging cable 17 and the switch 9 to the first
  • Electric motor 1 This is indicated by an arrow 32. In the exemplary embodiment it is in this current to three-phase alternating current, there occurs an electric charging Leis ⁇ processing of for example 44 kW.
  • the first electric motor 1 operates during engine operation, ie converts the electrical energy originating from the energy supply device 11 into mechanical energy in the form of a rotational movement of the rotor of the motor.
  • the motor shaft of the first electric motor 1 is connected via the connecting shaft 3 rigidly connected to the motor shaft of the second electric motor 2, whereby the second
  • Electric motor 2 rotates at the same speed as the first electric motor 1. This is indicated by the rotary arrow 4.
  • the clutch 5 is disengaged, d. H. the clutch 5 separates the rotors of the electric motors 1 and 2 from the drive shaft 7 of the vehicle 25.
  • the drive shaft 7 stands still and does not rotate, this is symbolized by the crossed-out rotary arrow 34.
  • the second electric motor 2 operates in the generator mode, ie it converts the over the rotating connecting shaft. 3 transferred mechanical rotational energy into electrical energy, which is transmitted via the connecting lines 26 and the Mo ⁇ gate control 13 to the electric energy storage 15. This is indicated by arrows 36. By means of this electrical energy in the form of electric current of the electric energy storage 15 is charged.
  • the second electric motor 2 (drive motor 2) thus operates as a generator.
  • the engine controller 13 controls the charging of the
  • the Motorsteue ⁇ tion 13 are front, which is loaded with the current Elektroenergyspei ⁇ cher 15th
  • the charging current is, for example, depending on the type and the state of charge of 15 Elektroenergyspei ⁇ Chers According to the Kit- by the engine controller 13 set the charging current operating as a generator second electric motor 2 is charged.
  • the required mechanical Ener ⁇ energy is provided via the connecting shaft 3 by the first electric motor ⁇ 1, which in turn obtains the necessary for providing ⁇ position of this mechanical energy electric energy from the energy supply network 23rd
  • the second electric motor 2 operating as a generator is idling, as a result of which the first motor which operates as a motor also runs
  • Electric motor 1 is idling and only receives the comparatively ⁇ idle flow. The charging process of the electric energy storage is then completed.
  • Electric motor 2 (traction motor 2) thus works as a motor.
  • the mechanical ⁇ cal rotational energy is transmitted from the second electric motor 2 to the first electric motor 1, this is indicated by the rotary arrow 4.
  • the first electric motor 1 operates in Ge ⁇ nerator réelle, the second electric motor 2 thus drives the first electric motor 1 mechanically.
  • the working as a generator first electric motor 1 converts the mechanical rotational energy into electrical energy, in the form of electrical current through the switch 9, the charging cable 17, the charging connector 19, the charging socket 21 and the
  • Power supply device 11 is fed into the power supply network 23. This is indicated by an arrow ⁇ 38th
  • the power supply network 23 is supported.
  • the electric car 25 is used as a decentralized energy storage.
  • FIG. 5 shows, by way of example, an electrically driven vehicle (electric vehicle), in which the drive shaft 7 is connected to a wheel axle 42 via a differential gear (differential) 40.
  • the wheel axle 42 drives two vehicle wheels 44, which serve as drive wheels of the electric vehicle.
  • This embodiment has instead of a single electric drive motor (a so-called.
  • the Central engine via two electric motors in the form of the first electric motor 1 and the second electric motor 2, wherein the first electric motor has an electric power of 44 kW and the second electric motor has a power greater than 44 kW (for example, 56 kW).
  • both electric motors 1 and 2 work as drive motors (traction motors), so that add their electrical power and the vehicle is driven with an electrical power of 100 kW.
  • the motor with the smaller electrical power determines the maximum charging or regenerative power: in the exemplary embodiment, this is the first electric motor 1 with 44 kW of power.
  • the electric energy storage 15 can be charged or discharged with a maximum of 44 kW of power.
  • FIG. 6 shows an embodiment of an electrically ⁇ driven vehicle is shown, which differs from the previously illustrated embodiments, in that the first electric motor 61 is used in the driving mode as Antriebsmo ⁇ gate (driving motor) for the rear wheels, while the second electric motor 62 is used as a drive motor (drive motor) for the front wheels of the vehicle.
  • the first electric motor 61 has a greater electrical power than the second electric motor 62, which is represented symbolically by the size of the rectangular symbol of the first electric motor 61.
  • a Kupp ⁇ system is additionally provided 65 with which the rigid connection between the first electric motor can be interrupted 61 and the second electric motor 62nd
  • the clutch 65 is disengaged (opened), whereby the first electric motor 61 runs independently in the engine operation of the second electric motor 62, which also runs in engine operation.
  • a clutch 67 is provided, which can separate the first electric motor 61 from a differential gear (differential) 69 of a rear wheel axle 71.
  • the rear wheel axle 71 drives the rear vehicle wheels 73.
  • the rear wheel axle 71 includes two part axes that are respectively connected to the differential gear ⁇ 69th
  • the clutch 65 is disengaged (opened) and the clutches 5 and 67 are engaged (closed). In the loading mode and in the unloading / regenerative mode, however, the clutch 65 is engaged (closed), whereas the clutches 5 and 67 are disengaged (opened).
  • the first electric motor 81 when driving the vehicle as a drive motor (drive motor) for a right wheel 85 of a wheel axle, whereas the second electric motor 82 serves as a drive motor (drive motor) for a left wheel 86 of the wheel axle.
  • the connecting shaft 83 Similar to the embodiment of FIG. 6, three couplings 5, 65 and 67 are provided on the connecting shaft 83, -
  • This arrangement can be used on front axles and / or rear axles of vehicles.
  • the system consists of two mechanically coupled motors behaving like a conventional motor or generator, so that only small unwanted network ⁇ repercussions occur.
  • no unwanted desired disturbances occur, such as those of construction elements of the power electronics are generated, in particular special no voltage spikes. Such disturbances are therefore not fed into the power grid 23.
  • the charging or discharging of the electric energy storage is possible with high electrical power, since the Ladelust. Entlade oriental can be selected up to the continuous power of the possibly weaker power of the two electric motors used. Additional weight, additionally required installation space and costs for chargers with components of the power electronics as well as for their network interference filters do not apply to the vehicles according to the invention.
  • the first electric motor and the second electric motor are usually present as a drive motor on board the vehicles before ⁇ .
  • the possibly required clutches for interrupting the power flow between the first electric motor ⁇ tor and the second electric motor and / or between the electric motors and each driven by them wheels are often already present for security reasons.
  • the drive train of the vehicle is be ⁇ already dimensioned generally that the necessary services during charging and discharging of the electric energy storage device can be transferred over him.
  • the drive train of the vehicle is be ⁇ already dimensioned generally that the necessary services during charging and discharging of the electric energy storage device can be transferred over him.
  • the charging power is generally considerably lower (for example 50%, since only one motor feeds mechanical power instead of the two electric motors) than the intended recuperation power (braking power during the transition of the vehicle from engine operation to generator operation during electric power). regeneration during braking). This makes it possible to achieve high charging and discharging power, for example, three-phase power of 44 kW.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Elektroenergiespeichers (15) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (25). Ein erster Elektromotor (1) des Fahrzeugs wird von einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (11) mit elektrischer Energie versorgt. Der erste Elektromotor (1) arbeitet im Motorbetrieb und die Motorwelle des ersten Elektromotors ist mechanisch mit einer Motorwelle eines zweiten Elektromotors (2) des Fahrzeugs verbunden, wodurch der zweite Elektromotor (2) durch den ersten Elektromotor (1) mechanisch angetrieben wird. Von dem zweiten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor (2) bereitgestellte elektrische Energie wird zu dem Elektroenergiespeicher (15) übertragen, und mittels dieser elektrischen Energie wird der Elektroenergiespeicher (15) geladen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und ein solches Fahrzeug.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und ein solches Fahrzeug
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge gelangen derzeit insbeson¬ dere aus Gründen des Umweltschutzes verstärkt in den Blick¬ punkt der Öffentlichkeit. Derartige Fahrzeuge verfügen über einen Elektroenergiespeicher, beispielsweise eine Lithiumbat¬ terie, in dem zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Elektro¬ energie gespeichert ist. Weiterhin verfügen diese Fahrzeuge über mindesten einen Elektromotor, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient und die in dem Elektroener- giespeicher gespeicherte elektrische Energie in mechanische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs umwandelt.
Wenn der Elektroenergiespeicher entladen ist, kann dieser bei Stillstand des Fahrzeugs mittels einer außerhalb des Fahr- zeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung wieder mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Dazu wird elektrische Energie von der Energieversorgungseinrichtung zu dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs übertragen. Aus Sicherheits¬ gründen ist hierbei eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der Energieversorgungseinrichtung wünschenswert. Eine derartige galvanische Trennung ließe sich beispielsweise mittels eines an Bord des Fahrzeugs angeordneten Ladegerätes mit Hilfe von Bauelemen¬ ten der Leistungselektronik realisieren. Aufgrund der ge- wünschten großen Ladeleistungen (beispielsweise werden Ladeleistungen bis zu 44 kW bei Dreiphasenwechselstrom angestrebt) würden derartige Ladegeräte jedoch ein beträchtliches Gewicht aufweisen und einen erheblichen Platzbedarf haben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sowie ein derartiges Fahrzeug anzugeben, bei denen zur galvanischen Trennung kein zu- sätzliches Ladegerät an Bord des Fahrzeugs benötigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Laden eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch an¬ getriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines elektrisch ange- triebenen Straßenfahrzeuge, bei dem ein erster Elektromotor des Fahrzeugs von einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird, der erste Elektromotor im Motorbetrieb arbeitet und die Motorwelle des ersten Elektromotors mechanisch mit einer Motorwelle eines zweiten Elektromotors des Fahrzeugs verbunden (gekoppelt) ist, wodurch der zweite Elektromotor durch den ersten Elektromotor mechanisch angetrieben wird, von dem zweiten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor bereitgestellte elektrische Energie zu dem Elektroenergie- Speicher übertragen wird, und mittels dieser elektrischen
Energie der Elektroenergiespeicher geladen wird. Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungsein- richtung (und eines Energieversorgungsnetzes, an das diese
Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist) dadurch realisiert, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektro¬ motor lediglich mechanisch über ihre Motorwellen verbunden sind und die zum Laden benötigte Energie als mechanische Ro- tationsenergie von dem ersten Elektromotor zu dem zweiten
Elektromotor übertragen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der erste Elektromotor auf die Energieversorgungseinrichtung lediglich wie ein herkömmlicher Elektromotor rückwirkt, d. h. es werden nur geringe Netzrückwirkungen in Form von Ober- Schwingungen erzeugt. Insbesondere werden keine Netzrückwirkungen in Form von Störungen erzeugt, wie sie z. B. bei Bauelementen der Leistungselektronik auftreten (z. B. Spannungsspitzen oder signifikante Oberschwingungen bis hin zur 40. Harmonischen) .
Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß ge¬ löst durch ein Verfahren zum Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bei dem ein zweiter Elektromotor des Fahrzeugs von dem Elektroenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird, der zweite Elektromotor im Motorbetrieb arbeitet und die Motor¬ welle des zweiten Elektromotors mechanisch mit einer Motorwelle eines ersten Elektromotors des Fahrzeugs verbunden (ge- koppelt) ist, wodurch der erste Elektromotor durch den zweiten Elektromotor mechanisch angetrieben wird, und von dem ersten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor bereitgestellte elektrische Energie in ein außerhalb des Fahrzeugs angeordnetes Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (und eines Energieversorgungsnetzes, an das diese Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist) da- durch realisiert, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor lediglich mechanisch über ihre Motorwellen verbunden sind und die in das Energieversorgungsnetz eingespeiste Energie als mechanische Rotationsenergie von dem zweiten Elektromotor zu dem ersten Elektromotor übertragen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der erste Elektromotor auf die Energieversorgungseinrichtung lediglich wie ein herkömmlicher Generator wirkt, d. h. es werden nur geringe unerwünschte Wirkungen in Form von Oberschwingungen erzeugt. Ins- besondere entstehen keine Störungen, wie sie z. B. bei Bau¬ elementen der Leistungselektronik auftreten.
Bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann bedarfsweise das Verfahren zum Laden des Elektroenergiespeichers oder das Verfahren zum Entladen des Elektroenergiespeichers angewendet werden. Damit ergibt sich ein Verfahren zum Laden und Entladen eines in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordneten Elektroenergiespeichers, bei dem im Ladebetrieb die oben genannten Verfahrensschritte zum Laden des Elektroenergiespeichers und im Entladebetrieb die oben genannten Verfah¬ rensschritte des Verfahrens zum Entladen des Elektroenergie¬ speichers ausgeführt werden. Die Verfahren können so ablaufen, dass als erster Elektromotor und/oder als zweiter Elektromotor jeweils ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient. Dabei ist vorteilhaft, dass für die Ver¬ fahren kein zusätzlicher erster Elektromotor und/oder kein zusätzlicher zweiter Elektromotor benötigt wird, da der jeweilige Elektromotor sowieso als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad des Fahrzeugs vorhanden ist.
Die Verfahren können auch so ablaufen, dass bei Beginn des Ladens und/oder bei Beginn des Entladens des Elektroenergie¬ speichers die Motorwelle des ersten Elektromotors und/oder die Motorwelle des zweiten Elektromotors von dem mindestens einen jeweiligen Fahrzeugrad mechanisch getrennt wird. Da¬ durch wird vorteilhafterweise verhindert, dass während des Ladens oder Entladens bei Stillstand des Fahrzeugs durch die rotierenden Motorwellen des ersten Elektromotors und/oder des zweiten Elektromotors die im Fahrbetrieb mittels dieser
Elektromotoren jeweils angetriebenen Fahrzeugräder mitgedreht werden. Ein derartiges Mitdrehen der Fahrzeugräder ist bei Stillstand des Fahrzeuges unerwünscht.
Die Verfahren können auch so ausgestaltet sein, dass als ers- ter Elektromotor oder als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und als jeweils zugehöriger zweiter oder erster Elektromotor ein (zusätzlicher) Elektromotor verwendet wird, der nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahr- zeugrad dient. Hierbei wird vorteilhafterweise nur ein An¬ triebsmotor des Fahrzeugs für das Verfahren verwendet, während der andere bei dem Verfahren verwendete Elektromotor keinen Antriebsmotor des Fahrzeuges darstellt. Dieser (zu¬ sätzliche) Elektromotor kann dann vorteilhafterweise für das Verfahren zum Laden oder Entladen optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Leistung des Elektromotors (wel¬ che die maximale Ladeleistung begrenzt) oder hinsichtlich der Anordnung im Fahrzeug (da keine mechanische Verbindung zu einem der Fahrzeugräder realisiert zu werden braucht) . Diese Ausgestaltung des Verfahrens kann z.B. vorteilhafterweise auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die nur einen Antriebsmotor (insb. in Form eines Zentralmotors) aufweisen.
Die Verfahren können auch so realisiert sein, dass als erster Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für ein Fahrzeugrad einer Radachse dient, und als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad der Rad¬ achse dient. Dabei kann das eine Fahrzeugrad ein linkes
Fahrzeugrad der Radachse und das gegenüberliegende Fahrzeug¬ rad ein rechtes Fahrzeugrad der Radachse sein oder umgekehrt.
Alternativ können die Verfahren auch so ausgestaltet sein, dass als erster Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse des Fahrzeugs dient, und als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse des Fahrzeugs dient. Dabei kann die erste Radachse eine vordere Radachse und die zweite Radachse eine hintere Radachse des Fahrzeugs sein oder umgekehrt.
Die beiden letztgenannten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen es, bei Fahrzeugen mit un- terschiedlich angeordneten Elektromotoren die erfindungsgemäßen Verfahren zu realisieren.
Die Verfahren können so ablaufen, dass der erste und der zweite Elektromotor gleich große elektrische Leistungen auf- weisen.
Die Verfahren können aber auch so ablaufen, dass der erste und der zweite Elektromotor unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen. Dadurch ist man bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahren sehr flexibel. Es können also die für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs vorgesehenen Antriebs¬ motoren auch für die erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, unabhängig davon, ob der erste und der zweite
Elektromotor eine gleichgroße elektrische Leistung oder un- terschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen. Die kleinere elektrische Leistung der beiden Elektromotoren bestimmt dabei die maximale Ladeleistung.
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich ihres Anordnungs- aspektes gelöst durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Elektroenergiespeicher zur Speicherung von Elektroenergie zum Antrieb des Fahrzeugs, einem erster Elektromotor, der elektrisch mit einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung verbindbar ist, und einem zwei- ten Elektromotor, der elektrisch mit dem Elektroenergiespeicher verbindbar ist, wobei die Motorwelle des ersten Elektro¬ motors mechanisch mit der Motorwelle des zweiten Elektromo¬ tors des Fahrzeugs verbunden (gekoppelt) ist. Diese Verbin- dung der Motorwellen kann unlösbar oder lösbar ausgestaltet sein, eine lösbare Verbindung kann z.B. mittels einer lösbaren Kupplung, beispielsweise einer Scheibenkupplung, realisiert sein. Das Fahrzeug kann so ausgestaltet sein, dass der erste
Elektromotor und/oder der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeug¬ rad dient. Das Fahrzeug kann auch so ausgestaltet sein, dass eine Kupp¬ lungsvorrichtung zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motorwelle des ersten Elektromotors mit dem mindestens einen zugehörigen Fahrzeugrad und/oder eine Kupplungsvorrichtung zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motor- welle des zweiten Elektromotors mit dem mindestens einen zu¬ gehörigen Fahrzeugrad.
Das Fahrzeug kann so aufgebaut sein, dass der erste Elektro¬ motor oder der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und der jeweils andere Elektromotor ein (zusätzlicher) Elektromotor ist, der nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient. Das Fahrzeug kann so realisiert sein, dass der erste Elektro¬ motor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein Fahrzeugrad einer Radachse dient, und der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad der Radachse dient. Dabei kann das eine Fahrzeugrad ein linkes Fahrzeugrad der Radachse und das gegenüberliegende Fahrzeugrad ein rechtes Fahrzeugrad der Radachse sein oder umgekehrt. Das Fahrzeug kann so aufgebaut sein, dass der erste Elektro¬ motor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse dient, und der zweite Elektromotor ein
Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse dient. Dabei kann die erste Radachse eine vordere Rad¬ achse und die zweite Radachse eine hintere Radachse des Fahr¬ zeugs sein oder umgekehrt.
Das Fahrzeug kann so realisiert sein, dass der erste und der zweite Elektromotor gleich große elektrische Leistungen auf- weisen.
Das Fahrzeug kann auch so aufgebaut sein, dass der erste und der zweite Elektromotor unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs entsprechen den oben bereits im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Vorteilen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen näher erläutert. Dazu ist in
Figur 1 eine schematische Darstellung von ausgewählten Elementen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, welches mit einer Energieversorgungseinrichtung verbunden ist, in
Figur 2 eine Darstellung dieses Fahrzeugs im Fahrbetrieb, in Figur 3 eine Darstellung dieses Fahrzeugs beim Laden des Elektroenergiespeichers, in Figur 4 eine Darstellung dieses Fahrzeugs beim Entladen des
Elektroenergiespeichers, in
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges mit zwei
Elektromotoren unterschiedlicher Leistung, in
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einem
Antriebsmotor für die Vorderachse und einem Antriebsmotor für die Hinterachse und in Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einem
Antriebsmotor für ein linkes Fahrzeugrad einer Radachse und einem zweiten Antriebsmotor für ein rechtes Rad der Radachse dargestellt. In Figur 1 sind im linken Teil der Darstellung ausgewählte Elemente bzw. Bauteile eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein elektrisch angetriebenes Straßenfahrzeug in Form eines elektrisch angetriebenen Automobils (Elektroauto) . Dabei kann es sich um ein ausschließlich elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln oder um ein Hybridfahrzeug, dass neben einem Elektro-Antriebsmotor zusätzlich einen Verbrennungsmotor an Bord hat. In dem Fahrzeug sind ein erster Elektromotor 1 und ein zweiter Elektromotor 2 angeordnet, welche mechanisch über eine Verbindungswelle 3 verbunden (gekoppelt) sind. Durch die Verbindungswelle 3 ist der Rotor des ersten Elektromotors 1 mit dem Rotor des zweiten Elektromotors 2 starr verbunden; die Rotoren beider Elektromotoren rotieren mit derselben Winkelgeschwindigkeit. Mittels eines Drehpfeils 4 ist symbolisch dargestellt, dass die Verbindungswelle 3 rotiert, so bald der erste Elektromotor 1 oder der zweite Elektromotor 2 eine Drehbewegung erzeugt. Über die Verbindungswelle 3, welche eine starre Kopplung darstellt, wird der jeweils andere
Elektromotor angetrieben (mitgedreht) .
Die Rotoren des ersten Elektromotors 1 und des zweiten
Elektromotors 2 sind über eine Kupplung 5 mit einer Antriebs¬ welle 7 des Fahrzeuges verbunden. (Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung ist in der Fig. 1 ein Teil der Verbindungswelle 3 linksseitig des zweiten Elektromotors 2 dar¬ gestellt. Diese Form der Darstellung findet sich zum Teil auch in den anderen Figuren.) Über diese Antriebswelle 7 wird mindestens ein Fahrzeugrad des Fahrzeugs angetrieben, um das Fahrzeug auf der Straße zu bewegen (in Figur 1 ist das ange¬ triebene Rad nicht dargestellt) . Der erste Elektromotor 1 kann über einen Umschalter 9 in der einen Schaltstellung des Umschalters elektrisch mit einer außerhalb des Fahrzeugs an¬ geordneten Energieversorgungseinrichtung 11 und in der anderen Schaltstellung (über eine Motorsteuerung 13) mit einem Elektroenergiespeicher 15 (Batterie, z.B. Lithiumbatterie) des Fahrzeugs verbunden werden.
In der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des Umschal- ters 9 ist der erste Elektromotor 1 über ein Ladekabel 17, einen Ladestecker 19, eine Ladebuchse 21 mit der Energieversorgungseinrichtung 11 (beispielsweise einer am Straßenrand aufgestellten Strom-Ladesäule) verbunden. Diese Energieversorgungseinrichtung 11 wird ihrerseits über ein Energiever- sorgungsnetz 23 mit Elektroenergie versorgt.
Die innerhalb des gestrichelten Rahmens 25 angeordneten Bau¬ teile sind Bauteile des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 25, wohingegen die Ladebuchse 21, die Energieversorgungsein- richtung 11 und das Energieversorgungsnetz 23 außerhalb des Fahrzeugs 25 angeordnet ist.
Der zweite Elektromotor 2 ist über elektrische Verbindungs- leitungen 26 und die Motorsteuerung 13 mit dem Elektroenergiespeicher 15 verbunden.
Der erste Elektromotor 1 und der zweite Elektromotor 2, die mittels der Verbindungswelle 3 mechanisch starr gekoppelt sind, bilden beim Laden bzw. beim Entladen einen rotierenden Umformer (Maschinensatz), über den die beim Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers fließende Energie übertragen wird. Dieser rotierende Umformer kann symmetrisch aufgebaut werden (d. h. die elektrische Leistung des im Motorbetrieb laufenden Elektromotors ist gleichgroß der elektrischen Leis¬ tung des im Generatorbetrieb laufenden Elektromotors.) Der rotierende Umformer kann aber auch asymmetrisch ausgelegt sein, d. h. die elektrische Leistung eines der beiden
Elektromotoren ist größer als die elektrische Leistung des anderen der beiden Elektromotoren. Dadurch ist es möglich, zwei für Antriebszwecke in einem Elektrofahrzeug vorgesehene elektrische Motoren unterschiedlicher Leistung auch zum Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers zu verwenden. Bei¬ spiele dafür sind weiter unten in den Figurenbeschreibungen dargestellt.
Beim ersten Elektromotor 1 und beim zweiten Elektromotor 2 kann es sich um zwei Elektromotoren handeln, die sowieso als Antriebsmotor (Fahrmotor) für mindestens ein Fahrzeugrad im Fahrzeug vorhanden sind. Alternativ kann jedoch einer der beiden Elektromotoren ein Elektromotor sein, welcher nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, wel¬ cher also zusätzlich zum Zwecke des Ladens/Entladens des Elektroenergiespeichers in das Fahrzeug eingebaut ist (sog. Hilfsmotor, Zusatzmotor) . Ein derartiger Hilfsmotor kann daher vorteilhafterweise optimiert werden zum Zwecke des La¬ dens/Entladens des Elektroenergiespeichers, beispielsweise hinsichtlich seiner Dauerleistung oder der von ihm erzeugten Oberwellen.
In Figur 2 ist das elektrisch angetriebene Fahrzeug 25 im Fahrbetrieb dargestellt, d. h. das Fahrzeug 25 fährt mittels aus dem Elektroenergiespeicher 15 stammender elektrischer Energie über eine Straße; der Ladestecker 19 ist von der La¬ debuchse 21 getrennt und befindet sich mitsamt des Ladekabels 17 an Bord des Fahrzeugs 25.
Vom Elektroenergiespeicher 15 fließt elektrische Energie in Form von elektrischem Strom über die Motorsteuerung 13 zu dem ersten Elektromotor 1 und dem zweiten Elektromotor 2. Dieser Stromfluss bzw. Energiefluss ist mittels Pfeilen 28 angedeu¬ tet. Zu diesem Zwecke ist der Umschalter 9 so geschaltet, dass der elektrische Strom von der Motorsteuerung 13 zu dem ersten Elektromotor 1 fließen kann. Sowohl der erste Elektromotor 1 als auch der zweite Elektromotor 2 arbeiten im Motorbetrieb als Antriebsmotor (Fahrmotor) für mindestens ein Fahrzeugrad. Die Verbindungswelle 3 ist über die eingekup¬ pelte (geschlossene) Kupplung 5 mit der Antriebswelle 7 des Fahrzeugs verbunden; die Rotation der Antriebswelle 7 ist durch einen Drehpfeil 30 symbolhaft dargestellt. Das mindes¬ tens eine angetriebene Fahrzeugrad ist in der Figur 2 nicht dargestellt, es ist an die Antriebswelle 7 angekoppelt. In Figur 3 ist der Ladebetrieb dargestellt, bei dem der
Elektroenergiespeichers 15 aufgeladen wird. Hierbei ist mit¬ tels Pfeilen symbolisiert, wie das Verfahren zum Laden des Elektroenergiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 25 abläuft. Das Laden des Elektroenergiespeichers 15 findet bei still stehendem Fahrzeug statt, beispielsweise, wenn das Fahrzeug am Straßenrand an einer Stromzapfsäule steht. Bei Beginn des Ladens des Elektroenergiespeichers werden mittels der Kupp¬ lung 5 die Motorwelle des ersten Elektromotors und die Motor¬ welle des zweiten Elektromotors mechanisch von der Antriebs¬ welle 7 (und dem mit der Antriebswelle 7 verbundenen Fahr¬ zeugrad des Fahrzeugs) getrennt. Der Ladestecker 19 des
Kraftfahrzeugs 25 ist mit der Ladebuchse 21 der Energiever¬ sorgungseinrichtung 11 verbunden. Dadurch fließt elektrischer Strom von dem Energieversorgungsnetz 23 über die Energieversorgungseinrichtung 11, die Ladebuchse 21, den Ladestecker 19, das Ladekabel 17 und den Umschalter 9 zu dem ersten
Elektromotor 1; dieses ist durch einen Pfeil 32 angedeutet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Strom um Dreiphasenwechselstrom, es tritt eine elektrische Ladeleis¬ tung von beispielsweise 44 kW auf. Der erste Elektromotor 1 arbeitet im Motorbetrieb, d. h. er wandelt die von der Ener- gieversorgungseinrichtung 11 stammende elektrische Energie um in mechanische Energie in Form einer Drehbewegung des Rotors des Motors. Die Motorwelle des ersten Elektromotors 1 ist über die Verbindungswelle 3 starr mit der Motorwelle des zweiten Elektromotors 2 verbunden, wodurch der zweite
Elektromotor 2 mit derselben Drehzahl rotiert wie der erste Elektromotor 1. Dies ist durch den Drehpfeil 4 angedeutet. Die Kupplung 5 ist ausgekuppelt, d. h. die Kupplung 5 trennt die Rotoren der Elektromotoren 1 und 2 von der Antriebswelle 7 des Fahrzeugs 25. Die Antriebswelle 7 steht still und ro- tiert nicht, dies ist durch den durchgestrichenen Drehpfeil 34 symbolisiert.
Der zweite Elektromotor 2 arbeitet im Generatorbetrieb, d. h. er wandelt die über die sich drehende Verbindungswelle 3 übertragene mechanische Rotationsenergie um in elektrische Energie, welche über die Verbindungsleitungen 26 und die Mo¬ torsteuerung 13 zu dem Elektroenergiespeicher 15 übertragen wird. Dies ist durch Pfeile 36 angedeutet. Mittels dieser elektrischen Energie in Form von elektrischem Strom wird der Elektroenergiespeicher 15 aufgeladen. Der zweite Elektromotor 2 (Fahrmotor 2) arbeitet also als Generator.
Die Motorsteuerung 13 steuert dabei die Aufladung des
Elektroenergiespeichers (Elektrobatterie) 15. Die Motorsteue¬ rung 13 gibt vor, mit welchem Strom der Elektroenergiespei¬ cher 15 geladen wird. Der Ladestrom ist dabei beispielsweise abhängig vom Typ und vom Ladezustand des Elektroenergiespei¬ chers 15. Entsprechend dem von der Motorsteuerung 13 einge- stellten Ladestrom wird der als Generator arbeitende zweite Elektromotor 2 belastet. Die erforderliche mechanische Ener¬ gie wird über die Verbindungswelle 3 von dem ersten Elektro¬ motor 1 bereitgestellt, welcher seinerseits die zur Bereit¬ stellung dieser mechanischen Energie notwendige elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz 23 entnimmt. Sobald der Elektroenergiespeicher 15 vollständig geladen ist und kein Ladestrom mehr in dem Elektroenergiespeicher 15 fließt, läuft der als Generator arbeitende zweite Elektromotor 2 im Leerlauf, wodurch auch der als Motor arbeitende erste
Elektromotor 1 im Leerlauf läuft und nur noch den vergleichs¬ weise geringen Leerlaufström aufnimmt. Der Ladevorgang des Elektroenergiespeichers ist dann beendet.
In Figur 4 ist der Entladebetrieb bzw. Rückspeisungsbetrieb des Fahrzeugs 25 dargestellt, wobei die in dem Elektroener¬ giespeicher 15 gespeicherte elektrische Energie in das Ener¬ gieversorgungsnetz 23 zurückgespeist wird. Bei Beginn des Entladens des Elektroenergiespeichers werden mittels der Kupplung 5 die Motorwelle des ersten Elektromotors und die Motorwelle des zweiten Elektromotors mechanisch von der An¬ triebswelle 7 (und dem mit der Antriebswelle 7 verbundenen Fahrzeugrad des Fahrzeugs) getrennt. Die Kupplung 5 ist also ausgekuppelt (getrennt) , wodurch die Antriebswelle 7 und die Fahrzeugräder still stehen. Weiterhin ist der Umschalter 9 so geschaltet, dass elektrischer Strom vom ersten Elektromotor 1 über das Ladekabel 17, den Ladestecker 19, die Ladebuchse 21 und die Energieversorgungseinrichtung 11 zu dem Energieversorgungsnetz 23 fließen kann.
Vom Elektroenergiespeicher 15 fließt elektrische Energie in Form von elektrischem Strom über die Motorsteuerung 13 und die Verbindungsleitungen 26 zum zweiten Elektromotor 2. Dies ist durch Pfeile 37 angedeutet. Dieser Stromfluss wird von der Motorsteuerung 13 gesteuert. Der zweite Elektromotor 2 arbeitet im Motorbetrieb und wandelt die von dem Elektroener¬ giespeicher 15 stammende elektrische Energie in mechanische Energie des sich drehenden Motorrotors um. Der zweite
Elektromotor 2 (Fahrmotor 2) arbeitet also als Motor. Über die starre Kopplung der Verbindungswelle 3 wird die mechani¬ sche Rotationsenergie von dem zweiten Elektromotor 2 zu dem ersten Elektromotor 1 übertragen, dies ist durch den Drehpfeil 4 angedeutet. Der erste Elektromotor 1 arbeitet im Ge¬ neratorbetrieb, der zweite Elektromotor 2 treibt also den ersten Elektromotor 1 mechanisch an.
Der als Generator arbeitende erste Elektromotor 1 wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie um, die in Form von elektrischem Strom über den Umschalter 9, das La- dekabel 17, den Ladestecker 19, die Ladebuchse 21 und die
Energieversorgungseinrichtung 11 in das Energieversorgungsnetz 23 eingespeist wird. Das ist durch einen Pfeil 38 ange¬ deutet . Durch diese kontrollierte Entladung des Elektroenergiespei¬ chers 15 des Elektroautos 25 und die Rückspeisung der Energie in das Energieversorgungsnetz 23 kann zu Zeiten hohen Energiebedarfs durch das elektrisch angetriebene Fahrzeug 25 das Energieversorgungsnetz 23 gestützt werden. Das Elektroauto 25 wird als dezentraler Energiespeicher eingesetzt.
In Figur 5 ist beispielhaft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (Elektrofahrzeug) dargestellt, bei dem die Antriebs- welle 7 über ein Differentialgetriebe (Differential) 40 mit einer Radachse 42 verbunden ist. Die Radachse 42 treibt zwei Fahrzeugräder 44 an, welche als Antriebsräder des Elektro- fahrzeugs dienen. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt anstelle eines einzigen elektrischen Antriebsmotors (eines sog.
Zentralmotors) über zwei Elektromotoren in Form des ersten Elektromotor 1 und des zweiten Elektromotors 2, wobei der erste Elektromotor eine elektrische Leistung von 44 kW und der zweite Elektromotor eine Leistung größer als 44 kW (beispielsweise 56 kW) aufweist. Im Fahrbetrieb arbeiten beide Elektromotoren 1 und 2 als Antriebsmotoren (Fahrmotoren) , so dass sich deren elektrische Leistungen addieren und das Fahrzeug mit einer elektrischen Leistung von 100 kW angetrieben wird. Im Ladebetrieb und im Entladebetrieb (Rückspeisungsbe- trieb) bestimmt der Motor mit der kleineren elektrischen Leistung die maximale Lade- bzw. Rückspeisungsleistung : im Ausführungsbeispiel ist das der erste Elektromotor 1 mit 44 kW Leistung. Demzufolge kann der Elektroenergiespeicher 15 maximal mit 44 kW Leistung geladen bzw. entladen werden. In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch ange¬ triebenen Fahrzeugs dargestellt, welches sich von den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass der erste Elektromotor 61 im Fahrbetrieb als Antriebsmo¬ tor (Fahrmotor) für die Hinterräder eingesetzt ist, während der zweite Elektromotor 62 als Antriebsmotor (Fahrmotor) für die Vorderräder des Fahrzeugs eingesetzt ist. Dabei hat der erste Elektromotor 61 eine größere elektrische Leistung als der zweite Elektromotor 62, was durch die Größe des Rechteck- Symbols des ersten Elektromotors 61 symbolhaft dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Kupp¬ lung 65 vorgesehen, mit der die starre Verbindung zwischen dem ersten Elektromotors 61 und dem zweiten Elektromotors 62 unterbrochen werden kann. Im Fahrbetrieb wird die Kupplung 65 ausgekuppelt (geöffnet) , wodurch der erste Elektromotor 61 im Motorbetrieb unabhängig läuft von dem zweiten Elektromotor 62, welcher ebenfalls im Motorbetrieb läuft. Weiterhin ist eine Kupplung 67 vorgesehen, welche den ersten Elektromotor 61 von einem Differentialgetriebe (Differential) 69 einer hinteren Radachse 71 trennen kann. Die Hinterradachse 71 treibt die hinteren Fahrzeugräder 73 an. Die hintere Radachse 71 umfasst zwei Teilachsen, die jeweils mit dem Differential¬ getriebe 69 verbunden sind. Im Fahrbetrieb ist die Kupplung 65 ausgekuppelt (geöffnet) und die Kupplungen 5 und 67 sind eingekuppelt (geschlossen) . Im Ladebetrieb und im Entladebetrieb/Rückspeisungsbetrieb hingegen ist die Kupplung 65 eingekuppelt (geschlossen) , wohingegen die Kupplungen 5 und 67 ausgekuppelt (geöffnet) sind.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt, bei dem der erste Elektromotor 81 im Fahrbetrieb des Fahrzeugs als An- triebsmotor (Fahrmotor) für ein rechtes Rad 85 einer Radachse dient, wohingegen der zweite Elektromotor 82 als Antriebsmotor (Fahrmotor) für ein linkes Rad 86 der Radachse dient. Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Figur 6 sind an der Verbindungswelle 83 drei Kupplungen 5, 65 und 67 vorgesehen, -
welche im eingekuppelten (geschlossenen) Zustand eine mechanische Kraftübertragung ermöglichen und im ausgekuppelten (geöffneten) Zustand eine Kraftübertragung verhindern. Diese Anordnung kann bei vorderen Radachsen und/oder bei hinteren Radachsen von Fahrzeugen eingesetzt werden.
Die Verwendung zweier mechanisch starr verbundener (gekoppel ter) Elektromotoren als rotierenden Umformer zum Zwecke des Ladens und Entladens des Elektroenergiespeichers weist eine Reihe von Vorteilen auf:
• Es besteht eine galvanische Trennung zwischen dem
Elektroenergiespeicher (Batterie) des Fahrzeugs einerseits und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Ener gieversorgungseinrichtung 11 und dem Energieversorgungsnetz 23 andererseits.
• Nach außen hin verhält das System aus zwei mechanisch gekoppelten Motoren sich wie ein herkömmlicher Motor bzw. Generator, so dass nur geringe unerwünschte Netz¬ rückwirkungen auftreten. Insbesondere treten keine uner wünschten Störungen auf, wie sie beispielsweise von Bau elementen der Leistungselektronik erzeugt werden, insbe sondere keine Spannungsspitzen. Solche Störungen werden daher nicht in das Energieversorgungsnetz 23 eingespeist .
• Das Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers ist mit hohen elektrischen Leistungen möglich, da die Ladebzw. Entladeleistung bis zur Dauerleistung des ggf. leistungsschwächeren der beiden verwendeten Elektromoto ren gewählt werden kann. Zusätzliches Gewicht, zusätzlich benötigter Bauraum und Kosten für Ladegeräte mit Bauelementen der Leistungselektronik sowie für deren Netzentstörfilter fallen bei den erfindungsgemäßen Fahrzeugen nicht an. Der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor sind in der Regel als Antriebsmotor sowieso an Bord der Fahrzeuge vor¬ handen. Auch die ggf. benötigten Kupplungen zum Unterbrechen des Kraftflusses zwischen dem ersten Elektromo¬ tor und dem zweiten Elektromotor und/oder zwischen den Elektromotoren und den jeweils durch sie angetriebenen Rädern sind oftmals aus Sicherheitsgründen auch bereits vorhanden .
Der Antriebsstrang des Fahrzeuges ist in der Regel be¬ reits so dimensioniert, dass über ihn die erforderlichen Leistungen beim Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers übertragen werden können. Bei Fahrzeugen mit mindestens zwei elektrischen Antriebsmotoren arbeitet beim Laden bzw. Entladen nämlich oftmals nur einer der beiden Elektromotoren im Motorbetrieb, so dass die auf¬ tretenden mechanischen Beanspruchungen in der Regel geringer sind als im Fahrbetrieb, bei dem alle Elektromo¬ toren im Motorbetrieb arbeiten können. Mit anderen Worten ist ein Elektrofahrzeug oftmals von
Hause aus schon so ausgestaltet, dass die benötigte La¬ deleistung problemlos mechanisch übertragen werden kann. Die Ladeleistung ist in der Regel nämlich erheblich niedriger (beispielsweise 50 %, da nur ein Motor an- stelle der beiden Elektromotoren mechanische Leistung einspeist) , als die vorgesehene Rekuperationsleistung (Bremsleistung beim Übergang des Fahrzeugs vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb bei der Elektroenergie- rückspeisung beim Bremsen) . Dadurch ist es möglich, hohe Lade- und Entladeleistungen zu erreichen, beispielsweise Drehstromleistungen von 44 kW.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden eines Elektroenergiespeichers (15) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (25) , bei dem
- ein erster Elektromotor (1) des Fahrzeugs von einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (11) mit elektrischer Energie versorgt wird,
- der erste Elektromotor (1) im Motorbetrieb arbeitet und die Motorwelle des ersten Elektromotors mechanisch mit einer Mo- torwelle eines zweiten Elektromotors (2) des Fahrzeugs ver¬ bunden ist, wodurch der zweite Elektromotor (2) durch den ersten Elektromotor (1) mechanisch angetrieben wird,
- von dem zweiten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor (2) bereitgestellte elektrische Energie zu dem Elektro- energiespeicher (15) übertragen wird, und mittels dieser elektrischen Energie der Elektroenergiespeicher (15) geladen wird .
2. Verfahren zum Entladen eines Elektroenergiespeichers (15) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (25) , bei dem
- ein zweiter Elektromotor (2) des Fahrzeugs von dem Elektroenergiespeicher (15) mit elektrischer Energie versorgt wird,
- der zweite Elektromotor (2) im Motorbetrieb arbeitet und die Motorwelle des zweiten Elektromotors (2) mechanisch mit einer Motorwelle eines ersten Elektromotors (1) des Fahrzeugs verbunden ist, wodurch der erste Elektromotor (1) durch den zweiten Elektromotor (2) mechanisch angetrieben wird, und
- von dem ersten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor (1) bereitgestellte elektrische Energie in ein außerhalb des Fahrzeugs angeordnetes Energieversorgungsnetz (23) einge¬ speist wird.
3. Verfahren zum Laden und Entladen eines in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug (25) angeordneten Elektroenergiespei- chers (15), bei dem im Ladebetrieb die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 ausgeführt werden und im Entladebetrieb die Ver¬ fahrensschritte des Anspruchs 2 ausgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- als erster Elektromotor (61, 81) und/oder als zweiter
Elektromotor (62, 82) jeweils ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad (73, 44) dient.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei Beginn des Ladens und/oder bei Beginn des Entladens des Elektroenergiespeichers (15) die Motorwelle des ersten
Elektromotors (61) und/oder die Motorwelle des zweiten
Elektromotors (62) von dem mindestens einen jeweiligen Fahrzeugrad (73, 44) mechanisch getrennt (67, 5) wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- als erster Elektromotor oder als zweiter Elektromotor (2) ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und
- als jeweils zugehöriger zweiter oder erster Elektromotor
(1) ein Elektromotor verwendet wird, der nicht als Antriebs¬ motor für mindestens ein Fahrzeugrad dient.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- als erster Elektromotor (81) ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor (81) für ein Fahrzeugrad (85) einer Radachse des Fahrzeugs dient, und - als zweiter Elektromotor (82) ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor (82) für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad (86) der Radachse dient.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- als erster Elektromotor (61) ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse (71) des Fahrzeugs dient, und
- als zweiter Elektromotor (62) ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse (42) des Fahrzeugs dient.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Elektromotor (1) und der zweite Elektromotor (2) gleich große elektrische Leistungen aufweisen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste (61) und der zweite Elektromotor (62) unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen.
11. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug (25)
- mit einem Elektroenergiespeicher (15) zur Speicherung von Elektroenergie zum Antrieb des Fahrzeugs,
- einem erster Elektromotor (1), der elektrisch mit einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (11) verbindbar ist, und
- einem zweiten Elektromotor (2), der elektrisch mit dem Elektroenergiespeicher (15) verbindbar ist,
- wobei die Motorwelle des ersten Elektromotors (1) mecha¬ nisch mit der Motorwelle des zweiten Elektromotors (2) des Fahrzeugs verbunden (3) ist.
12. Fahrzeug nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Elektromotor (61, 81) und/oder der zweite
Elektromotor (62, 82) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad (73, 44) dient.
13. Fahrzeug nach Anspruch 11 oder 12,
gekennzeichnet durch
- eine Kupplungsvorrichtung (67) zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motorwelle des ersten Elektromotors (61) mit dem mindestens einen zugehörigen Fahrzeugrad (73)
und/oder
- eine Kupplungsvorrichtung (5) zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motorwelle des zweiten Elektromotors (62) mit dem mindestens einen zugehörigen Fahrzeugrad (44) .
14. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Elektromotor oder der zweite Elektromotor (2) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und
- der jeweils andere Elektromotor (1) ein Elektromotor ist, der nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient.
15. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erster Elektromotor (81) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein Fahrzeugrad (85) einer Radachse des
Fahrzeugs dient, und
- der zweite Elektromotor (82) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad (86) der Radachse dient.
16. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Elektromotor (61) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse (71) dient, und
- der zweite Elektromotor (62) ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse (42) dient.
17. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Elektromotor (1) und der zweite Elektromotor (2) gleich große elektrische Leistungen aufweisen.
18. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 17,
- der erste Elektromotor (61) und der zweite Elektromotor
(62) unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen.
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