EP3990305A1 - Fahrzeug und verfahren zum betreiben eines fahrzeuges - Google Patents

Fahrzeug und verfahren zum betreiben eines fahrzeuges

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EP3990305A1
EP3990305A1 EP20732185.2A EP20732185A EP3990305A1 EP 3990305 A1 EP3990305 A1 EP 3990305A1 EP 20732185 A EP20732185 A EP 20732185A EP 3990305 A1 EP3990305 A1 EP 3990305A1
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EP
European Patent Office
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vehicle
switching unit
components
converter
component
Prior art date
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Pending
Application number
EP20732185.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietrich Klauk
Christoph Woll
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle and a method for operating a vehicle.
  • DE 10 2016 011 238 A1 shows a switching arrangement for an electric drive train, which has four electric motors, four converters and four batteries.
  • a converter is permanently assigned to each electric motor.
  • Each battery can be connected to one or more electric motors by means of the switching arrangement.
  • KR 2017 0008922 A shows a converter system for a vehicle that has a first and a second motor.
  • the converter system has a first converter and a second converter.
  • the first and second are connectable to the first motor or the second motor, respectively.
  • US 2017/0244248 A1 shows an inverter system with multiplexer switching devices.
  • an electrical energy store can be connected to one or more converters optionally with one or more converters by means of a switch unit Converter by means of a
  • Switching unit can optionally be connected in an electrically conductive manner to one or more electric motors, wherein a converter can optionally be connected in an electrically conductive manner by means of a switching unit to one or more electrical energy stores.
  • the background to the invention is that the components of the vehicle are not permanently assigned to one another, so the assignment of the components to one another is variable. As a result, a configuration of the components of the vehicle can be selected with which the efficiency of the vehicle can be optimized.
  • this component can advantageously be replaced by a component of the same type.
  • the failed component is separated from the other components by means of the switching unit and the component of the same type is connected to the other components instead of the failed component.
  • each electrical energy store can be connected in an electrically conductive manner to each converter. This is a defective electrical energy store or an electrical energy store that has a low
  • each electric motor can be connected in an electrically conductive manner to each converter.
  • a defective inverter is through every other
  • a first switching unit is advantageously arranged between the electric motors and the converters. By means of the first switching unit, each electric motor can be connected to each converter, in particular connected automatically.
  • each electrical energy store can be connected to each converter, in particular connected automatically.
  • the first switching unit and / or the second switching unit is advantageously designed as a current switch.
  • the switching unit can thus be designed to be robust.
  • At least one switching unit is designed as a multiplexer switching device.
  • the switching unit can be made compact.
  • the vehicle has a control unit which is set up to control the at least one switching unit.
  • the operating states of the components of the vehicle can be recorded and evaluated by means of the control unit.
  • the switching unit can be controlled in such a way that based on the
  • Operating states of the components the efficiency of the vehicle can be optimized. For example, the energy consumption or wear and tear of the vehicle is minimized or the service life of the components or the vehicle is maximized.
  • control unit is set up to evaluate the operating states of the components and to control the at least one switching unit in such a way that the components are connected to one another in such a way that the efficiency of the vehicle is optimized.
  • the control unit is advantageously set up to recognize a critical operating state of at least one component and to control the at least one switching unit in such a way that this component is separated from the other components and a component of the same type is connected to at least one of the components instead of this component. This improves the availability of the vehicle.
  • the converters are designed as a single converter unit, in particular which has multi-core power electronics.
  • the converters can be made compact.
  • the converter unit has at least two self-sufficient subunits, each of which functions as a converter.
  • the components are advantageously arranged centrally in the vehicle.
  • the components can be arranged centrally in a central area of the vehicle floor, which means that they are protected from mechanical damage in the event of an accident to the vehicle.
  • the components are arranged in a decentralized manner in the vehicle.
  • the installation space of the vehicle can thus be better used than with a central arrangement.
  • the components are arranged where there is space in the vehicle.
  • Vehicle-related claims having at least one switching unit and as components at least two electric motors, at least two converters and at least two electrical energy stores, consists in that the operating states of the components are recorded and evaluated and the components are selected and connected to one another by means of the switching unit, with the selection of the components an efficiency of the vehicle is used.
  • the background to the invention is that the components can be selected and combined with one another in such a way that the efficiency of the vehicle is optimized. This will reduce the availability and / or the range of the
  • the component that has a critical operating state of one of the components if a critical operating state of one of the components is determined, the component that has a critical
  • Components that are in a critical operating state can be switched on again at a later point in time and / or removed from the vehicle when the vehicle is in the workshop.
  • the switching unit for replacing the component that has a critical operating state separates this component from the other components, and then the switching unit separates the component of the same type instead of the component that has a critical operating state with at least one of the others Components connects. This allows the component
  • the method is advantageously carried out while the vehicle is being driven. There is no failure of the vehicle.
  • the vehicle can continue to drive with a component that is in a critical operating state until it can be replaced in a workshop or the component is ready for operation again.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a drive train of a first
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a drive train of a second
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a drive train of a third
  • FIG. 4 shows a flow chart of the method according to the invention for operating a vehicle (1, 21, 31).
  • a first embodiment of the vehicle 1 according to the invention is shown.
  • the drive train of the first exemplary embodiment of vehicle 1 has:
  • the first drive axle 3 is by means of the first transmission 2 with the first
  • Electric motor 4 and / or the third electric motor 18 can be connected, in particular coupled.
  • the first drive axle 3 can be driven by means of the first electric motor 4 and / or the third electric motor 18.
  • the second drive axle 12 can be connected, in particular coupled, to the second electric motor 11 and / or the fourth electric motor 14 by means of the second transmission 13.
  • the second drive axle 12 can be driven by means of the second electric motor 11 and / or by means of the fourth electric motor 4.
  • the first gear 2 and / or the second gear 13 is designed as a coupling gear.
  • the first electric motor 4 can be connected to the first converter 6 or the third converter 17 by means of the first switching unit 5.
  • the first converter 6 is set up to convert a DC voltage from the first electrical energy store 7 into one
  • the third converter 17 is set up to generate an alternating voltage for the first electric motor 4 from a direct voltage of the first electrical energy store 7.
  • the third electric motor 18 is by means of the first switching unit 5 with the first
  • Converter 6 or the third converter 17 can be connected.
  • the first converter 6 is set up to generate an alternating voltage for the third electric motor 18 from a direct voltage of the first electrical energy store 7.
  • the third converter 17 is set up from a direct voltage of the first electrical Energy store 7 to generate an alternating voltage for the third electric motor 18.
  • the second electric motor 11 can be connected to the second converter 9 or the fourth converter 15 by means of the second switching unit 10.
  • the second converter 9 is set up to generate an alternating voltage for the second electric motor 11 from a direct voltage of the second electrical energy store 16.
  • the second converter 9 is set up to generate an alternating voltage for the second electric motor 11 from a direct voltage of the second electrical energy store 16.
  • the fourth electric motor 14 can be connected to the second converter 9 or the fourth converter 15 by means of the second switching unit 10.
  • the second converter 9 is set up to generate an alternating voltage for the fourth electric motor 14 from a direct voltage of the second electrical energy store 16.
  • the second converter 9 is set up to generate an alternating voltage for the fourth electric motor 14 from a direct voltage of the second electrical energy store 16.
  • the first electrical energy store 7 is electrically conductively connected to the first converter 6 and / or the third converter 17.
  • Energy store 16 is connected to the second converter 9 and / or the fourth converter 15 in an electrically conductive manner.
  • the control unit 8 controls the first switching unit 5 and the second switching unit 10.
  • the first switching unit 5 and the second switching unit 10 are each designed as a current switch and are connected to the control unit 8 in a signal-conducting manner.
  • the control unit 8 is preferably designed as a central control unit of the vehicle 1. As the central control unit of the vehicle 1, the control unit 8 is connected to the converters (6, 9, 15, 17), sensors and an operating interface of the vehicle in a signal-conducting manner.
  • the drive train of the second exemplary embodiment of the vehicle 21 has: a first drive axle 3,
  • the difference to the first exemplary embodiment of vehicle 1 in the second exemplary embodiment of vehicle 21 is that the drive train of vehicle 21 has four electrical energy stores (7, 16, 26, 27).
  • Each of the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) is by means of the second
  • Switching unit 20 can be electrically connected to each of the converters (6, 9, 15, 17).
  • Energy stores (7, 16, 26, 27), with one of the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) or with a subset of the electrical energy stores (7, 16, 26, 27), in particular with two or three electrical energy stores ( 7, 16, 26, 27) can be connected in an electrically conductive manner.
  • Each of the converters (6, 9, 15, 17) can be connected to each of the electric motors (4, 11, 14, 18) in an electrically conductive manner by means of the first switching unit 25.
  • a converter (6, 9, 15, 17) with all electric motors (4, 11, 14, 18), with one of the electric motors (4, 11, 14, 18) or with a subset of the electric motors (4, 11, 14, 18), in particular with two or three electric motors (4, 11, 14, 18) can be connected in an electrically conductive manner.
  • the first switching unit 25 and the second switching unit 20 are designed as a multiplexer switching device.
  • the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) and / or the converters (6, 9, 15, 17) are arranged decentrally in the vehicle 21.
  • One converter (6, 9, 15, 17) is arranged adjacent to each electric motor (4, 11, 14, 18), in particular on the
  • Electric motor (4, 11, 14, 18) arranged.
  • the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) are adjacent to the electric motors (4, 11, 14, 18) between the
  • FIG 3 shows a third exemplary embodiment of the vehicle 31 according to the invention.
  • the difference from the second exemplary embodiment of vehicle 21 in the third exemplary embodiment of vehicle 31 is that the converters (6, 9, 15, 17) and / or the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) are arranged centrally in vehicle 31 are.
  • the converters (6, 9, 15, 17) and / or the electrical energy stores (7, 16, 26, 27) are arranged between the first drive axle 3 and the second drive axle 12.
  • the converters (6, 9, 15, 17) are preferably designed as a central converter unit, in particular wherein the converter unit has multi-core power electronics.
  • the vehicle (1, 21, 31) has at least one switching unit (5, 10, 20, 25) and at least two components Electric motors (4, 11, 14, 18), at least two converters (6, 9, 15, 17) and at least two electrical energy stores (7, 16, 26, 27).
  • a critical operating state of one of the components is determined.
  • a second method step 102 the switching unit (5, 10, 20, 25) is activated.
  • a third method step 103 the components are selected on the basis of their operating states and connected to one another in such a way that a
  • the efficiency of the vehicle is optimized.
  • the components are selected in such a way that they are adapted to the operating strategy of the vehicle. For example, depending on the load on the vehicle, a different
  • the selection of the components can be used to adapt the charging strategy in order to increase the range of the vehicle.
  • the component that has a critical operating state is preferably replaced by a component of the same type.
  • the switching unit (5, 10, 20, 25) separates the component that is in a critical operating state from the other components. Thereafter, the switching unit connects the component of the same type with at least one of the other components instead of the component that has a critical operating state.
  • the method is preferably carried out while the vehicle is being driven.
  • a critical operating state of an electric motor is, for example, failure of the electric motor and / or blockage of the rotor of the electric motor and / or overheating of the electric motor.
  • a critical operating state of an electrical energy store is, for example, a low state of charge or an overvoltage or a temperature of the electrical energy store that is too high or too low.
  • a critical operating state of a converter is, for example, an overload or a defect or overheating of the converter.
  • Electric motors are electrically connected.
  • An electrical energy store can be connected to one or more, in particular all, converters.
  • An electrical energy storage device is a rechargeable one
  • the energy storage cell can be implemented as a lithium-based battery cell, in particular a lithium-ion battery cell.
  • the energy storage cell is designed as a lithium-polymer battery cell or a nickel-metal hydride battery cell or a lead-acid battery cell or a lithium-air battery cell or a lithium-sulfur battery cell.
  • the electrical energy storage cell can be designed as a fuel cell or the electrical energy storage device can have at least one fuel cell.
  • a vehicle is a land vehicle, in particular a
  • the vehicle can be designed to be autonomously controllable.

Landscapes

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Abstract

Fahrzeug (1) und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges (1) aufweisend zumindest eine Schalteinheit (5, 10) und als Komponenten zumindest zwei elektrische Energiespeicher (7, 16), zumindest zwei Elektromotoren (4, 11, 14, 18) und zumindest zwei Umrichter (6, 9, 15, 17), wobei ein elektrischer Energiespeicher (7, 16) mittels einer Schalteinheit (5, 10) wahlweise mit einem oder mehreren Umrichtern (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar ist, wobei ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mittels einer Schalteinheit (5, 10) wahlweise mit einem oder mehreren Elektromotoren (4, 11, 14, 18) elektrisch leitend verbindbar ist, wobei ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mittels einer Schalteinheit (5, 10) wahlweise mit einem oder mehreren elektrischen Energiespeichern (7, 16) elektrisch leitend verbindbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges.
Stand der Technik
Die DE 10 2016 011 238 Al zeigt eine Schaltanordnung für einen elektrischen Antriebsstrang, der vier Elektromotoren, vier Umrichter und vier Batterien aufweist. Dabei ist jedem Elektromotor ein Umrichter fest zugeordnet. Jede Batterie ist mittels der Schaltanordnung mit einem oder mehreren Elektromotoren verbindbar.
Die KR 2017 0008922 A zeigt ein Umrichtersystem für ein Fahrzeug, das einen ersten und einen zweiten Motor aufweist. Das Umrichtersystem weist einen ersten Umrichter und einen zweiten Umrichter auf. Der erste und zweite sind jeweils mit dem ersten Motor oder dem zweiten Motor verbindbar.
Die DE 10 2015 011 230 Al zeigt eine Energiespeichervorrichtung für ein elektrisches Wechselspannungsnetz mit Umsetzern, Speicherelementen und Multiplexer-Schalteinrichtungen.
Die US 2017/0244248 Al zeigt ein Wechselrichtersystem mit Multiplexer- Schalteinrichtungen.
Offenbarung der Erfindung Der Kern der Erfindung bei dem Fahrzeug aufweisend zumindest eine Schalteinheit und als Komponenten zumindest zwei elektrische Energiespeicher, zumindest zwei Elektromotoren und zumindest zwei Umrichter, besteht darin, dass ein elektrischer Energiespeicher mittels einer Schalteinheit wahlweise mit einem oder mehreren Umrichtern elektrisch leitend verbindbar ist, wobei ein Umrichter mittels einer
Schalteinheit wahlweise mit einem oder mehreren Elektromotoren elektrisch leitend verbindbar ist, wobei ein Umrichter mittels einer Schalteinheit wahlweise mit einem oder mehreren elektrischen Energiespeichern elektrisch leitend verbindbar ist.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Komponenten des Fahrzeuges einander nicht fest zugeordnet sind, die Zuordnung der Komponenten zueinander ist also variabel. Dadurch ist eine Konfiguration der Komponenten des Fahrzeuges wählbar, mit der der Wirkungsgrad des Fahrzeuges optimierbar ist.
Vorteilhafterweise kann bei einem Ausfall einer Komponente des Fahrzeuges diese Komponente durch eine gleichartige Komponente ersetzt werden. Dazu wird die ausgefallene Komponente mittels der Schalteinheit von den anderen Komponenten getrennt und die gleichartige Komponente anstelle der ausgefallenen Komponente mit den anderen Komponenten verbunden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder elektrische Energiespeicher mit jedem Umrichter elektrisch leitend verbindbar. Dabei ist ein defekter elektrischer Energiespeicher oder ein elektrischer Energiespeicher, der einen niedrigen
Ladezustand aufweist, durch jeden anderen betriebsbereiten elektrischen
Energiespeicher ersetzbar. Somit ist die Verfügbarkeit des Fahrzeuges verbessert.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn jeder Elektromotor mit jedem Umrichter elektrisch leitend verbindbar ist. Somit ist ein defekter Umrichter durch jeden anderen
betriebsbereiten Umrichter ersetzbar. Dadurch ist die Verfügbarkeit des Fahrzeuges weiter verbessert. Vorteilhafterweise ist eine erste Schalteinheit zwischen den Elektromotoren und den Umrichtern angeordnet. Mittels der ersten Schalteinheit ist jeder Elektromotor mit jedem Umrichter verbindbar, insbesondere automatisiert verbindbar.
Dabei ist es von Vorteil, wenn eine zweite Schalteinheit zwischen den elektrischen Energiespeichern und den Umrichtern angeordnet ist. Mittels der zweiten Schalteinheit ist jeder elektrische Energiespeicher mit jedem Umrichter verbindbar, insbesondere automatisiert verbindbar.
Vorteilhafterweise ist die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit als Stromweiche ausgeführt. Somit ist die Schalteinheit robust ausführbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eine Schalteinheit als Multiplexer-Schalteinrichtung ausgeführt. Dadurch ist die Schalteinheit kompakt ausführbar.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Fahrzeug eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, die zumindest eine Schalteinheit anzusteuern. Mittels der Steuereinheit sind die Betriebszustände der Komponenten des Fahrzeuges erfassbar und auswertbar. Dabei ist die Schalteinheit derart ansteuerbar, dass auf Basis der
Betriebszustände der Komponenten der Wirkungsgrad des Fahrzeuges optimierbar ist. Dabei wird beispielsweise der Energieverbrauch oder der Verschleiß des Fahrzeuges minimiert beziehungsweise die Lebensdauer der Komponenten oder des Fahrzeuges maximiert.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist, die Betriebszustände der Komponenten auszuwerten und die zumindest eine Schalteinheit derart anzusteuern, dass die Komponenten derart miteinander verbunden werden, dass ein Wirkungsgrad des Fahrzeuges optimiert wird. Somit ist beispielsweise der
Energieverbrauch oder der Verschleiß des Fahrzeuges minimierbar beziehungsweise die Lebensdauer der Komponenten oder des Fahrzeuges maximierbar. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit eingerichtet, einen kritischen Betriebszustand zumindest einer Komponente zu erkennen und die zumindest eine Schalteinheit derart anzusteuern, dass diese Komponente von den anderen Komponenten getrennt wird und eine gleichartige Komponente anstelle dieser Komponente mit zumindest einer der Komponenten verbunden wird. Dadurch ist die Verfügbarkeit des Fahrzeuges verbessert.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Umrichter als eine einzige Umrichtereinheit ausgeführt sind, insbesondere die eine Multi-Core-Leistungselektronik aufweist. Durch die Verwendung einer einzigen Umrichtereinheit sind die Umrichter kompakt ausführbar. Dabei weist die Umrichtereinheit zumindest zwei autarke Untereinheiten auf, die jeweils als ein Umrichter fungieren.
Vorteilhafterweise sind die Komponenten zentral in dem Fahrzeug angeordnet. Dabei sind die Komponenten zentral in einem mittleren Bereich des Fahrzeugbodens anordenbar, wodurch sie im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs vor mechanischer Beschädigung geschützt sind.
Alternativ sind die Komponenten dezentral in dem Fahrzeug angeordnet. Somit ist der Bauraum des Fahrzeuges besser nutzbar als bei einer zentralen Anordnung. Die Komponenten werden dabei dort angeordnet, wo Platz im Fahrzeug verfügbar ist.
Der Kern der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges, insbesondere wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf ein
Fahrzeug bezogenen Ansprüche, aufweisend zumindest eine Schalteinheit und als Komponenten zumindest zwei Elektromotoren, zumindest zwei Umrichter und zumindest zwei elektrische Energiespeicher, besteht darin, dass die Betriebszustände der Komponenten erfasst und ausgewertet werden und die Komponenten ausgewählt und mittels der Schalteinheit miteinander verbunden werden, wobei bei der Auswahl der Komponenten ein Wirkungsgrad des Fahrzeuges verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Komponenten derart ausgewählt und miteinander kombiniert werden können, dass der Wirkungsgrad des Fahrzeuges optimiert wird. Dadurch wird die Verfügbarkeit und/oder die Reichweite des
Fahrzeuges verbessert und/oder der Verschleiß wird reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird, wenn ein kritischer Betriebszustand einer der Komponenten festgestellt wird, die Komponente, die einen kritischen
Betriebszustand aufweist, mittels der Schalteinheit durch eine gleichartige Komponente ersetzt. Somit ist die Komponente in einfacher Art und Weise, insbesondere automatisiert, austauschbar. Dabei verbleibt diese Komponente im Fahrzeug und wird lediglich durch die Schalteinheit von den anderen Komponenten getrennt. Die
Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeschaltet werden und/oder bei einem Werkstattaufenthalt des Fahrzeuges aus dem Fahrzeug entnommen werden.
Von Vorteil ist es dabei, wenn die Schalteinheit zum Ersetzen der Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, diese Komponente von den anderen Komponenten trennt, und danach die Schalteinheit die gleichartige Komponente anstelle der Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, mit zumindest einer der anderen Komponenten verbindet. Dadurch kann die Komponente
automatisiert ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit des Fahrzeuges ist verbessert.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren ausgeführt, während das Fahrzeug angetrieben wird. Dabei tritt kein Ausfall des Fahrzeuges auf. Das Fahrzeug kann mit einer Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, weiterfahren, bis diese in einer Werkstatt ersetzt werden kann oder die Komponente wieder betriebsbereit ist.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte
Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen
Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebstranges eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Antriebstranges eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 21;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Antriebstranges eines dritten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 31; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Fahrzeugs (1, 21, 31).
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 dargestellt.
Der Antriebstrang des ersten Ausführungsbeispiels des Fahrzeugs 1 weist auf:
eine erste Antriebsachse 3,
eine zweite Antriebsachse 12,
ein erstes Getriebe 2,
ein zweites Getriebe 13,
einen ersten Elektromotor 4,
einen zweiten Elektromotor 11,
einen dritten Elektromotor 18,
einen vierten Elektromotor 14,
einen ersten elektrischen Energiespeicher 7, einen zweiten elektrischen Energiespeicher 16,
einen ersten Umrichter 6,
einen zweiten Umrichter 9,
einen dritten Umrichter 17,
einen vierten Umrichter 15,
eine erste Schalteinheit 5,
eine zweite Schalteinheit 10 und
eine Steuereinheit 8.
Die erste Antriebsachse 3 ist mittels des ersten Getriebes 2 mit dem ersten
Elektromotor 4 und/oder dem dritten Elektromotor 18 verbindbar, insbesondere koppelbar. Die erste Antriebsachse 3 ist mittels des ersten Elektromotors 4 und/oder des dritten Elektromotors 18 antreibbar.
Die zweite Antriebsachse 12 ist mittels des zweiten Getriebes 13 mit dem zweiten Elektromotor 11 und/oder dem vierten Elektromotor 14 verbindbar, insbesondere koppelbar. Die zweite Antriebsachse 12 ist mittels des zweiten Elektromotors 11 und/oder mittels des vierten Elektromotors 4 antreibbar.
Das erste Getriebe 2 und/oder das zweite Getriebe 13 ist als Kopplungsgetriebe ausgeführt.
Der erste Elektromotor 4 ist mittels der ersten Schalteinheit 5 mit dem ersten Umrichter 6 oder dem dritten Umrichter 17 verbindbar. Der erste Umrichter 6 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des ersten elektrischen Energiespeichers 7 eine
Wechselspannung für den ersten Elektromotor 4 zu generieren. Der dritte Umrichter 17 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des ersten elektrischen Energiespeichers 7 eine Wechselspannung für den ersten Elektromotor 4 zu generieren.
Der dritte Elektromotor 18 ist mittels der ersten Schalteinheit 5 mit dem ersten
Umrichter 6 oder dem dritten Umrichter 17 verbindbar. Der erste Umrichter 6 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des ersten elektrischen Energiespeichers 7 eine Wechselspannung für den dritten Elektromotor 18 zu generieren. Der dritte Umrichter 17 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des ersten elektrischen Energiespeichers 7 eine Wechselspannung für den dritten Elektromotor 18 zu generieren.
Der zweite Elektromotor 11 ist mittels der zweiten Schalteinheit 10 mit dem zweiten Umrichter 9 oder dem vierten Umrichter 15 verbindbar. Der zweite Umrichter 9 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 16 eine Wechselspannung für den zweiten Elektromotor 11 zu generieren. Der zweite Umrichter 9 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 16 eine Wechselspannung für den zweiten Elektromotor 11 zu generieren.
Der vierte Elektromotor 14 ist mittels der zweiten Schalteinheit 10 mit dem zweiten Umrichter 9 oder dem vierten Umrichter 15 verbindbar. Der zweite Umrichter 9 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 16 eine Wechselspannung für den vierten Elektromotor 14 zu generieren. Der zweite Umrichter 9 ist eingerichtet, aus einer Gleichspannung des zweiten elektrischen Energiespeichers 16 eine Wechselspannung für den vierten Elektromotor 14 zu generieren.
Der erste elektrische Energiespeicher 7 ist elektrisch leitend mit dem ersten Umrichter 6 und/oder dem dritten Umrichter 17 verbunden. Der zweite elektrische
Energiespeicher 16 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Umrichter 9 und/oder dem vierten Umrichter 15 verbunden.
Die Steuereinheit 8 steuert die erste Schalteinheit 5 und die zweite Schalteinheit 10. Die erste Schalteinheit 5 und die zweite Schalteinheit 10 sind jeweils als Stromweiche ausgeführt und signalleitend mit der Steuereinheit 8 verbunden.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit 8 als zentrale Steuereinheit des Fahrzeugs 1 ausgeführt. Als zentrale Steuereinheit des Fahrzeugs 1 ist die Steuereinheit 8 signalleitend mit den Umrichtern (6, 9, 15, 17), Sensoren und einer Bedienschnittstelle des Fahrzeugs verbunden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 21. Der Antriebstrang des zweiten Ausführungsbeispiels des Fahrzeugs 21 weist auf: eine erste Antriebsachse 3,
eine zweite Antriebsachse 12,
ein erstes Getriebe 2,
ein zweites Getriebe 13,
einen ersten Elektromotor 4,
einen zweiten Elektromotor 11,
einen dritten Elektromotor 18,
einen vierten Elektromotor 14,
einen ersten elektrischen Energiespeicher 7,
einen zweiten elektrischen Energiespeicher 16,
einen dritten elektrischen Energiespeicher 27,
einen vierten elektrischen Energiespeicher 26,
einen ersten Umrichter 6,
einen zweiten Umrichter 9,
einen dritten Umrichter 17,
einen vierten Umrichter 15,
eine erste Schalteinheit 25,
eine zweite Schalteinheit 20 und
eine Steuereinheit 8.
Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 1 liegt beim zweiten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 21 darin, dass der Antriebsstrang des Fahrzeugs 21 vier elektrische Energiespeicher (7, 16, 26, 27) aufweist.
Jeder der elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) ist mittels der zweiten
Schalteinheit 20 mit jedem der Umrichter (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar. Dabei ist ein elektrischer Energiespeicher (7, 16, 26, 27) mit allen Umrichtern (6, 9, 15, 17), mit einem der Umrichter (6, 9, 15, 17) oder mit einer Teilmenge der Umrichter (6, 9, 15, 17), insbesondere mit zwei oder drei Umrichtern (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar. Andererseits ist ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mit allen elektrischen
Energiespeichern (7, 16, 26, 27), mit einem der elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) oder mit einer Teilmenge der elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27), insbesondere mit zwei oder drei elektrischen Energiespeichern (7, 16, 26, 27) elektrisch leitend verbindbar. Jeder der Umrichter (6, 9, 15, 17) ist mittels der ersten Schalteinheit 25 mit jedem der Elektromotoren (4, 11, 14, 18) elektrisch leitend verbindbar. Dabei ist ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mit allen Elektromotoren (4, 11, 14, 18), mit einem der Elektromotoren (4, 11, 14, 18) oder mit einer Teilmenge der Elektromotoren (4, 11, 14, 18), insbesondere mit zwei oder drei Elektromotoren (4, 11, 14, 18) elektrisch leitend verbindbar.
Die erste Schalteinheit 25 und die zweite Schalteinheit 20 sind als Multiplexer- Schalteinrichtung ausgeführt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 21 sind die elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) und/oder die Umrichter (6, 9, 15, 17) dezentral in dem Fahrzeug 21 angeordnet. Dabei ist jeweils ein Umrichter (6, 9, 15, 17) benachbart zu jeweils einem Elektromotor (4, 11, 14, 18) angeordnet, insbesondere an dem
Elektromotor (4, 11, 14, 18) angeordnet. Die elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) sind benachbart zu den Elektromotoren (4, 11, 14, 18) zwischen den
Antriebsachsen (3, 12) oder in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vor oder hinter beiden Antriebsachsen (3, 12) angeordnet.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 31.
Der Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 21 liegt beim dritten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 31 darin, dass die Umrichter (6, 9, 15, 17) und/oder die elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) zentral in dem Fahrzeug 31 angeordnet sind. Dabei sind die Umrichter (6, 9, 15, 17) und/oder die elektrischen Energiespeicher (7, 16, 26, 27) zwischen der ersten Antriebsachse 3 und der zweiten Antriebsachse 12 angeordnet.
Vorzugsweise sind die Umrichter (6, 9, 15, 17) als eine zentrale Umrichtereinheit ausgeführt, insbesondere wobei die Umrichtereinheit eine Multi-Core- Leistungselektronik aufweist.
In Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Fahrzeugs (1, 21, 31) dargestellt. Dabei weist das Fahrzeug (1, 21, 31) zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) und als Komponenten zumindest zwei Elektromotoren (4, 11, 14, 18), zumindest zwei Umrichter (6, 9, 15, 17) und zumindest zwei elektrische Energiespeicher (7, 16, 26, 27) auf.
In einem ersten Verfahrensschritt 101 werden die Betriebszustände der Komponenten ausgewertet und gegebenenfalls ein kritischer Betriebszustand einer der Komponenten festgestellt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird die Schalteinheit (5, 10, 20, 25) angesteuert.
In einem dritten Verfahrensschritt 103 werden die Komponenten aufgrund ihrer Betriebszustände derart ausgewählt und miteinander verbunden, dass ein
Wirkungsgrad des Fahrzeuges optimiert wird. Dabei werden die Komponenten derart ausgewählt, dass sie an die Betriebsstrategie des Fahrzeugs angepasst werden. Zum Beispiel kann aufgrund der Beladung des Fahrzeuges eine unterschiedliche
Drehmomentanforderung der beiden Antriebsachsen (3, 12) vorliegen. Alternativ kann durch die Auswahl der Komponenten die Ladestrategie angepasst werden, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen.
Vorzugsweise wird dabei die Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, durch eine gleichartige Komponente ersetzt. Dabei trennt die Schalteinheit (5, 10, 20, 25) die Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, von den anderen Komponenten. Danach verbindet Schalteinheit die gleichartige Komponente anstelle der Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, mit zumindest einer der anderen Komponenten.
Vorzugsweise wird das Verfahren ausgeführt, während das Fahrzeug angetrieben wird.
Ein kritischer Betriebszustand eines Elektromotors ist beispielsweise ein Ausfall des Elektromotors und/oder eine Blockade des Rotors des Elektromotors und/oder eine Überhitzung des Elektromotors.
Ein kritischer Betriebszustand eines elektrischen Energiespeichers ist beispielsweise ein niedriger Ladezustand oder eine Überspannung oder eine zu hohe oder zu niedrige Temperatur des elektrischen Energiespeichers. Ein kritischer Betriebszustand eines Umrichters ist beispielsweise eine Überlastung oder ein Defekt oder eine Überhitzung des Umrichters.
Dabei kann ein Umrichter mit einem oder mehreren, insbesondere allen,
Elektromotoren elektrisch leitend verbunden werden.
Ein elektrischer Energiespeicher kann mit einem oder mehreren, insbesondere allen, Umrichtern verbunden werden.
Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer
Energiespeicher verstanden, insbesondere aufweisend eine elektrochemische
Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid- Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium- Schwefel- Batteriezelle ausgeführt. Alternativ ist die elektrische Energiespeicherzelle als Brennstoffzelle ausführbar beziehungsweise der elektrische Energiespeicher kann zumindest eine Brennstoffzelle aufweisen.
Unter einem Fahrzeug wird hierbei ein Landfahrzeug, insbesondere ein
Personenkraftwagen oder ein Bus oder ein Lastkraftwagen oder ein Fahrerloses Transportsystem, oder ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug verstanden. Das Fahrzeug kann autonom steuerbar ausgeführt sein.

Claims

Ansprüche
1. Fahrzeug (1, 21, 31) aufweisend zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) und als Komponenten zumindest zwei elektrische Energiespeicher (7, 16, 26, 27), zumindest zwei Elektromotoren (4, 11, 14, 18) und zumindest zwei Umrichter (6, 9, 15, 17), dadurch gekennzeichnet, dass
ein elektrischer Energiespeicher (7, 16, 26, 27) mittels einer Schalteinheit (5, 10, 20, 25) wahlweise mit einem oder mehreren Umrichtern (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar ist,
wobei ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mittels einer Schalteinheit (5, 10, 20, 25) wahlweise mit einem oder mehreren Elektromotoren (4, 11, 14, 18) elektrisch leitend verbindbar ist,
wobei ein Umrichter (6, 9, 15, 17) mittels einer Schalteinheit (5, 10, 20, 25) wahlweise mit einem oder mehreren elektrischen Energiespeichern (7, 16, 26, 27) elektrisch leitend verbindbar ist.
2. Fahrzeug (1, 21, 31) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder elektrische Energiespeicher (7, 16, 26, 27) mit jedem Umrichter (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar ist.
3. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Elektromotor (4, 11, 14, 18) mit jedem Umrichter (6, 9, 15, 17) elektrisch leitend verbindbar ist.
4. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste Schalteinheit (5) zwischen den Elektromotoren (4, 11, 14, 18) und den Umrichtern (6, 9, 15, 17) angeordnet ist.
5. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine zweite Schalteinheit (10) zwischen den elektrischen Energiespeichern (7, 16, 26, 27) und den Umrichtern (6, 9, 15, 17) angeordnet ist.
6. Fahrzeug (1, 21, 31) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Schalteinheit (5) und/oder die zweite Schalteinheit (10) als Stromweiche ausgeführt ist.
7. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Schalteinheit (20, 25) als Multiplexer-Schalteinrichtung ausgeführt ist.
8. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug (1, 21, 31) eine Steuereinheit (8) aufweist, die eingerichtet ist, die zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) anzusteuern.
9. Fahrzeug (1, 21, 31) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, die Betriebszustände der Komponenten auszuwerten und die zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) derart anzusteuern, dass die Komponenten derart miteinander verbunden werden, dass ein Wirkungsgrad des Fahrzeuges (1, 21, 31) optimiert wird,
und/oder
wobei die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, einen kritischen Betriebszustand zumindest einer Komponente zu erkennen und die zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) derart anzusteuern, dass diese Komponente von den anderen
Komponenten getrennt wird und eine gleichartige Komponente anstelle dieser Komponente mit zumindest einer der Komponenten verbunden wird.
10. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichter (6, 9, 15, 17) als eine einzige Umrichtereinheit ausgeführt sind, insbesondere wobei die Umrichtereinheit eine Multi-Core-Leistungselektronik aufweist.
11. Fahrzeug (1, 21, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Komponenten zentral oder dezentral in dem Fahrzeug (1, 21, 31) angeordnet sind.
12. Verfahren (100) zum Betreiben eines Fahrzeuges (1, 21, 31), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zumindest eine Schalteinheit (5, 10, 20, 25) und als Komponenten zumindest zwei Elektromotoren (4, 11, 14, 18), zumindest zwei Umrichter (6, 9, 15, 17) und zumindest zwei elektrische Energiespeicher (7, 16, 26, 27),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebszustände der Komponenten erfasst und ausgewertet werden und die Komponenten ausgewählt und mittels der Schalteinheit miteinander verbunden werden, wobei bei der Auswahl der Komponenten ein Wirkungsgrad des Fahrzeuges (1, 21, 31) verwendet wird.
13. Verfahren (100) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn ein kritischer Betriebszustand einer der Komponenten festgestellt wird, die Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, mittels der
Schalteinheit (5, 10, 20,25) durch eine gleichartige Komponente ersetzt wird.
14. Verfahren (100) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalteinheit (5, 10, 20, 25) zum Ersetzen der Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, diese Komponente von den anderen Komponenten trennt, und danach die Schalteinheit die gleichartige Komponente anstelle der Komponente, die einen kritischen Betriebszustand aufweist, mit zumindest einer der anderen Komponenten verbindet.
15. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren ausgeführt wird, während das Fahrzeug angetrieben wird.
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