WO2014048462A1 - Drive arrangement for a motor vehicle - Google Patents

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WO2014048462A1
WO2014048462A1 PCT/EP2012/068964 EP2012068964W WO2014048462A1 WO 2014048462 A1 WO2014048462 A1 WO 2014048462A1 EP 2012068964 W EP2012068964 W EP 2012068964W WO 2014048462 A1 WO2014048462 A1 WO 2014048462A1
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inverter
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Markus Reinhard
Richard Schmidt
Michael Kopf
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a drive arrangement for a motor vehicle. Moreover, the present invention relates to a motor vehicle.
  • a drive assembly and a drive train of an electric vehicle consists essentially of egg ⁇ ner power supply means, for example, can be in the form of a battery or a rechargeable battery or a fuel cell.
  • the drive arrangement comprises an electric drive device in the form of an electric motor for driving the wheels.
  • egg ⁇ ne power electronic circuit which takes over the conversion of the source, which makes from the accumulator or other energy supplied DC voltage into an AC voltage with variable frequency and voltage.
  • Typical battery voltages are in the range of 200 V to 400
  • V DC voltage V DC voltage.
  • the circuit design of the power electric ⁇ technology is based on known topologies of industrial inverters or frequency converters. With appropriate effort, the described problems and complexities can be mastered. In electric vehicles of smaller power, such as forklifts, vehicles for the disabled or electric bicycles, the system voltage is held in the range of so-called safety extra-low voltage, which is less than 60 V. As a result, only harmless voltages occur in the vehicle. In addition, specially trained electricians are not neces ⁇ sary and the risk of arcing is low.
  • modular concepts known in the Leis ⁇ consumer electronics Today, these are generally used to control high system voltages with peeled ⁇ th in series semiconductor switches, such as occurs for example in high-voltage direct current.
  • the modular concepts are used to control ⁇ so high system voltages as well as to achieve better AC voltage waveforms with respect to EMC or harmonics by a staircase shape of the output voltage.
  • a well-known example of this is the so-called modular multilevel converter.
  • a plurality of similar, series-connected cells with semiconductor switches are used to generate a stepped sinusoidal-like voltage from a high DC voltage. With three of these arrangements, a three-phase AC system can be produced which is suitable for the operation of a motor with a three-phase winding.
  • multilevel high frequency converters Also known are so-called multilevel high frequency converters.
  • power electronics modules connected to the high DC voltage in series. Each module feeds its own motor winding.
  • the series connection of power electronics modules reduces located at each module on ⁇ DC voltage. Due to this voltage division, fast-switching and low-loss semiconductor switches can be used in the respective modules. This is advantageous for automotive applications as high switching frequencies also ⁇ high output frequencies of the frequency converter allow it. This in turn allows high engine speeds, which allows a compact engine design.
  • each module provides a three-phase system, which feeds its own three-phase motor winding.
  • the particular advantage of this three-phase arrangement is that reactive currents lead only to a power swing between the phases of a submodule.
  • the drive arrangement according to the invention for a motor vehicle comprises a power supply device for providing an electrical voltage at the terminals thereof, an electric drive device for driving at least one wheel of the motor vehicle, the electric drive device having at least two multi-phase winding devices, and at least one inverter rectifier device for each of the winding devices. between the energy power supply device and the winding means is connected, wherein the inverter means are each electrically connected in parallel to each other with the output terminals of the power supply means.
  • the energy supply device can be designed as a battery, accumulator or fuel cell.
  • a DC voltage can be provided to the at ⁇ connection terminals of the power supply device.
  • the electric drive device is operated with an alternating voltage, in particular a polyphase alternating voltage.
  • the electric drive device includes several multi-phase, three-phase into ⁇ special, winding facilities.
  • the electric drive device can be designed as an asynchronous machine, permanent magnet synchronous machine or as a synchronous reluctance motor. With the electric drive device, a wheel or a drive axle of the motor vehicle can be driven ⁇ .
  • the respective inverter devices can be designed as power electronics modules. With the inverter devices, the DC voltage provided by the power supply device can be converted into an AC voltage for supplying the winding devices of the electric drive device.
  • the inverter devices or the power electronics modules are not serially connected, but are all connected in parallel to the DC voltage provided by the power supply device. Due to the low input voltage, fast-switching and very low-loss semiconductor switches can be used in the inverter devices. So MOSFET switch, for example, hires used by IGBTs ⁇ to. In the simplest case, in the case of the drive arrangement, the resulting output AC voltage of each inverter device can be coupled directly to the applied DC voltage, since the switching transistors only each have the positive or negative DC potential, for example using pulse width modulation, can switch to the output terminals.
  • the power supply device is is excluded to this is an electrical DC voltage below 60 volts riding ⁇ be observed.
  • a low voltage level may be provided on the DC side of the drive assembly.
  • the value of the DC voltage is below the so-called safety extra-low voltage.
  • At least one of the inverter devices comprises a step-up converter.
  • a boost converter functionality can be integrated.
  • the voltage generated by the per ⁇ rita inverter device for the drive device can be largely provided independently of the voltage of the power supply device.
  • the power supply device is formed as a battery
  • the voltage for the drive device can be provided independently of the state of charge of the battery.
  • each inverter device can generate a voltage that is substantially higher than the voltage provided by the power supply device by the boost converter functionality. This voltage can be generated by the active switching of the boost converter transistors. When switching off the boost converter or a defect, the voltage breaks down or the maximum battery voltage is reached.
  • the storing elements which are formed for example as capacitors, can be kept relatively small.
  • the electric drive device and the inverter devices are arranged in a common housing.
  • the inverter ⁇ devices and the drive device a structural form.
  • the cables which carry a high voltage can be kept very short.
  • the live parts of the drive arrangement can be protected against contact.
  • the drive arrangement comprises a control device for respectively activating and deactivating the inverter devices.
  • the control device With the control device, an operating state of the motor vehicle can be detected and a corresponding control signal for separa ⁇ th control of the inverter devices are output.
  • individual inverter devices - depending on power requirements - be switched on and off. With high power requirements, all inverter devices can be operated. With low power requirements, individual inverter devices can be switched off.
  • the drive assembly can be operated particularly energy efficient.
  • windings of the at least two polyphase winding devices are arranged in a common groove of a stator of the electric drive device.
  • the windings can be parallel in the same grooves.
  • the wires je ⁇ Weils can be powered by its own inverter device. If, for example, an inverter device is switched on, that is to say the drive device is operated, the drive device is heated uniformly, since all of the pulses lead current. Since a large part of the copper in the groove is not needed, the heat dissipation is very good.
  • a parallel supply is also possible if, for example, the adjacent slots of a pole and string are each fed by their own inverter device.
  • an asynchronous machine having a number of holes of four may be used as the driving means. This always has four adjacent grooves that exactly the same voltage or carry the same current because the conductors are connected in series. These four grooves could be performed with parallel Wicklungssyste ⁇ men. This results in no insulation ⁇ problems between the conductors in the groove, since all are flowed through by the same stream.
  • windings of the at least two multiphase winding devices are arranged in grooves of a stator of the electric drive device that are arranged spatially separate from one another.
  • the windings can lie one behind the other, ie serially in the same or other grooves, for example at the same lamination of the stator.
  • the drive device can thus have, for example, two or more serial active parts. In the spatial arrangement of the active parts to each other, the space for the winding heads is taken into account.
  • the active parts can have different diameters, useful numbers or groove geometries. An angular offset of the grooves is conceivable. A groove then butt against a tooth. Due to the multiple active parts, the drive device can be operated very flexible.
  • each of the at least two multi-phase winding ⁇ devices each have a separate rotor to be assigned, wherein the rotors are arranged on a common shaft.
  • a so-called tandem rotor can be provided. This can be connected in series in the drive device of several electrical machines. For high power requirements, all modules can be energized. Otherwise, only a part of it can be energized and the remaining rotor active parts do not contribute to the formation of torque.
  • one of the rotors is permanently excited and another of the rotors is designed as a squirrel-cage rotor.
  • the drive arrangement can consist of a permanent magnet-excited rotor half and an asynchronous squirrel-cage rotor part. Also in this Anord ⁇ voltage, the drive power required can proportionately divided between the inverter devices.
  • Inverter means the synchronous machine and the other inverter devices operates the asynchronous machine. Since the permanent magnet synchronous machine usually
  • the asynchronous machine can be energized ⁇ addition.
  • the advantages of the permanent-magnet synchronous machine such as a high torque at standstill and a very good efficiency in a wide range, are so fully appreciated.
  • the advantage of the asynchronous machine like the good efficiency at rated point and at high speeds, can be particularly effective by a readjustment of the permanently excited synchronous machine.
  • the problematic Bremsmo ⁇ ment in the event of a short circuit is lower in this machine than in a permanent-magnet synchronous machine of the same system performance, since the asynchronous machine is not completely blocked and generates nodersspit ⁇ ze even in field weak operation .
  • the motor vehicle according to the invention comprises the drive arrangement according to the invention.
  • the motor vehicle can be designed as an electric vehicle or hybrid vehicle.
  • the advantages and further developments described above in connection with the drive arrangement according to the invention can be transferred to the motor vehicle according to the invention.
  • FIG. 1 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a second embodiment
  • FIG 3 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a third embodiment
  • FIG 4 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a fourth embodiment.
  • the drive arrangement 10 has a power supply device 12, which can be designed as a battery, accumulator or fuel cell.
  • the power supply device 12 is formed as a battery.
  • the battery may include a plurality of battery cells.
  • At the terminals of the power supply device 12 is an electrical
  • the drive assembly 10 comprises an electric driving device 14, which may be designed as an asynchronous machine, synchronous machine or as per- manenterregte Synchronreluktanzmo ⁇ tor.
  • the electric drive device 14 is operated with a polyphase AC voltage.
  • the electric drive device 14 comprises a plurality of multi-phase, in particular three-phase, winding devices 16.
  • the electric drive device 14 comprises three three-phase winding devices 16.
  • a wheel 18 or a drive axle 20 of the motor vehicle can be driven. Vorlie- quietly a drive shaft 20 of the motor vehicle is trie ⁇ ben.
  • the drive arrangement 10 comprises an inverter device 22 for each of the multiphase winding devices 16.
  • the inverter devices 22 the DC voltage provided by the power supply device 12 can be converted into an AC voltage, in particular three-phase AC voltage, to supply the winding devices 16 of the electric drive device 14 .
  • the inverter devices 22 may include a step-up converter, with which the output voltage at the respective inverter device 22 can be adjusted. With the step-up converter, an electrical voltage can be generated at the output of the respective inverter device 22 which is higher than the voltage provided by the energy supply device 12.
  • the inverter devices 22 are all connected in parallel to the DC voltage provided by the power supply device 12.
  • the low input voltage 22 fast switching and very low loss semiconductor switches can be used to ⁇ at the inverter equipment.
  • the value of the DC voltage is below the so-called safety extra-low voltage. This requires no specially trained electricians for the repair or maintenance of the motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a drive arrangement 10 for a motor vehicle in a further embodiment.
  • two identical inverter devices 22 are used.
  • the electric drive device 14 has parallel three-phase winding devices 16.
  • inverter devices 22 are on the input side parallel to the battery voltage.
  • the required drive power is split proportionally between the two inverter devices 22. Scaling to higher performance is possible by adding more equal Inverter devices 22 and a corresponding design of the winding system of the electric drive device 14 possible.
  • the drive assembly 10 is therefore very modular. For small vehicles, two inverter devices 22 can be switched, and for high-end vehicles, three or four inverter devices 22 can be used. For commercial vehicles, the number can be increased again. Configurations with up to four inverters 22 and also motor windings with four coil systems connected in parallel are likely to be practicable.
  • the advantages of modularization in the drive arrangement 10 according to FIG. 2 lie, on the one hand, in the possibility of utilizing only one of the inverter devices 22 in partial-load operation and thereby achieving a higher degree of efficiency.
  • the effect of a defect in the power electronics is reduced to the driving behavior, since each change ⁇ judge devices 22 can produce only half the faulty torque and thereby the risk of blocking the on ⁇ drive wheels 18 is reduced.
  • FIG. 3 shows a drive arrangement 10 in a further embodiment.
  • the winding devices 16 are arranged in the electric drive device 14 spatially separated from each other.
  • two serial Ak ⁇ tivmaschine are provided herein.
  • each of the multi-phase winding devices 16 may be associated with a rotor.
  • the rotors can be arranged on a common shaft.
  • one rotor can be permanently excited and the other rotor can be designed as a squirrel-cage rotor.
  • a synchronous machine 24 and an asynchronous machine 26 can be provided in the electric drive device.
  • FIG. 4 shows a drive arrangement 10 in a fourth embodiment.
  • a configuration of four inverter devices 22 is used.
  • Inverter devices 22 for the operation of the synchronous machine 24 and two inverter devices 22 for the operation of the asynchronous machine 26 designed.
  • the electric drive device 14 with a so-called tandem rotor has two pairs of windings for the Synchronma ⁇ machine and the asynchronous machine part. In this Anord ⁇ voltage, the electric power is distributed to four change ⁇ richter devices 22 with appropriate redundancy. These can be activated or deactivated individually in part-load operation to achieve an even finer graded optimization of the
  • the inverter devices 22 can all be fed by a common power supply device 12 or battery, but group formations are also possible.
  • the inverter devices 22 are used to supply completely separate electrical machines.
  • the dif- may be replaced axle differential of the motor vehicle.
  • a single-wheel drive or wheel hub motor can be realized.
  • the presented drive arrangements 10 can achieve many advantages. For example, operation with the safety extra-low voltage allows the use of, for example, 48 V batteries and cabling, which are already common in commercial vehicles today. In addition, the endangerment of people is very unlikely.
  • the modular concept with the inherent redundancy in combination with the special drive device 14 with the different action principles reduces the risk and the impact of electronic defects.
  • the other drive system with the asynchronous machine part 26 of the drive device 14 can be neither a brake moment generating dangerous generator voltages.
  • the advantages of this arrangement are the possibility to use only the synchronous machine 24 with its high energy efficiency in part-load operation.
  • the other inverter devices 22 are connected passively, for example via a pulse lock. In this operating mode, an asynchronous machine 26 does not cause a braking torque due to the design.
  • the asynchronous machine 26 is switched on via its associated inverter devices 22. It can thus serve as a "booster" during acceleration processes or for generating a momentarily high torque, eg when driving over a curb from the standstill
  • Booster machine significantly overloaded.
  • the slightly worse efficiency of the asynchronous machine 26 has practically no effect because of the short-term operation.

Abstract

The invention relates to a drive arrangement (10) for a motor vehicle having an energy supply device (12) for making available an electric voltage at the connecting terminals thereof, an electric drive device (14) for driving at least one wheel (18) of the motor vehicle, wherein the electric drive device (14) has at least two multi-phase winding devices (16), and at least one power inverter device (22) for each of the winding devices (16), which power inverter device (22) is connected between the power supply device (12) and the winding devices (16), wherein the power inverter devices (22) are each connected electrically in parallel with one another to the output terminals of the power supply device (12).

Description

Beschreibung description
Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug. Überdies betriff die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug. Drive arrangement for a motor vehicle The present invention relates to a drive arrangement for a motor vehicle. Moreover, the present invention relates to a motor vehicle.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen mit Elektro- antrieb benötigen eine typische Antriebsleistung im Bereich von 20 bis 100 kW. Eine Antriebsanordnung bzw. ein Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs besteht im Wesentlichen aus ei¬ ner Energieversorgungseinrichtung, die z.B. in Form einer Batterie bzw. eines Akkumulators oder einer Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Des Weiteren umfasst die Antriebsanordnung eine elektrische Antriebseinrichtung in Form eines Elektromotors für den Antrieb der Räder. Des Weiteren ist ei¬ ne leistungselektronische Schaltung vorgesehen, welche die Umwandlung der von dem Akkumulator oder einer anderen Ener- giequelle gelieferten Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und Spannung übernimmt. Motor vehicles, in particular passenger cars with electric drive require a typical drive power in the range of 20 to 100 kW. A drive assembly and a drive train of an electric vehicle consists essentially of egg ¬ ner power supply means, for example, can be in the form of a battery or a rechargeable battery or a fuel cell. Furthermore, the drive arrangement comprises an electric drive device in the form of an electric motor for driving the wheels. Furthermore, there is provided egg ¬ ne power electronic circuit, which takes over the conversion of the source, which makes from the accumulator or other energy supplied DC voltage into an AC voltage with variable frequency and voltage.
Die heutigen Konzepte für Elektrofahrzeuge orientieren sich an bewährten Lösungen aus der industriellen Antriebstechnik. Kennzeichnend hierfür ist die Verwendung eines hohen Spannungswertes sowohl für die Gleichspannung als auch für die Motorspannung. Naheliegende Gründe für hohe Systemspannungen sind kleinere erforderliche Leitungsquerschnitte und damit geringere Kosten. Zudem können durch die niedrigeren zu schaltende Strome kostengünstigere Bauelemente verwendet wer¬ den. Zudem besteht die Möglichkeit, den Motor auch direkt am Wechselstromnetz, das beispielsweise dreiphasig ausgebildet ist und eine Nennspannung von 400 V aufweist, betreiben zu können . Today's concepts for electric vehicles are based on proven solutions from industrial drive technology. Characteristic of this is the use of a high voltage value for both the DC voltage and the motor voltage. Obvious reasons for high system voltages are smaller required cable cross-sections and thus lower costs. In addition, lower-cost components can be used to ¬ through the lower to switching current. In addition, it is possible to operate the motor directly on the AC mains, which is formed, for example, three-phase and has a rated voltage of 400 V to operate.
Andererseits führen hohe elektrische Spannungen bei Elektro- fahrzeugen zu vielfältigen Problemen. Zur Erzeugung hoher Batteriespannungen müssen sehr viele Zellen mit typischen Zellenspannungen von 24 V in Serie geschaltet werden. Dies erfordert ein aufwändiges Batteriemanagement sowohl beim La¬ den als auch beim Entladen, um elektrische, chemische und thermische Überlastung zu verhindern. Des Weiteren sind die spannungsfesten Leitungen teuer und die getrennt von Niederspannungsleitungen zu erfolgende Leitungsverlegung ist aufwändig. Eine entsprechende Isolationsfestigkeit sowie die Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken unter allen klimatischen und Umgebungsbedingungen sind zu gewährleisten. Zudem müssen für ein solches Leitungsnetz spannungsfeste Sicherungen und Trennschalter eingesetzt werden. Außerdem besteht wegen der Gleichspannung die Gefahr von Lichtbogenbildung. Weiterhin müssen für den Personenschutz gegebenenfalls Schnellentladesysteme für kapazitiv gespeicherte Spannungen vorge- sehen werden. Die Wartung und Reparaturen erfordern speziell für den Umgang mit hohen elektrischen Spannungen geschultes Personal. Auch beim Ladevorgang an der Ladesäule oder Steckdose tritt die hohe Systemspannung auf. Der Fahrzeugnutzer muss unter allen vorkommenden Bedingungen vor Schäden ge- schützt werden. Solche Schäden können ein Verschleiß an der Kabelisolation und den Kontakten, Feuchtigkeit, Schmutz oder dergleichen sein. Insgesamt weisen Antriebskonzepte mit hohen Systemspannungen eine hohe Komplexität und erhebliche Gefah¬ renquellen auf. On the other hand, high electrical voltages in electric vehicles lead to many problems. To generate high battery voltages, many cells must have typical Cell voltages of 24 V are connected in series. This requires a complex battery management both during La ¬ den and unloading to prevent electrical, chemical and thermal overload. Furthermore, the voltage-resistant lines are expensive and the piping laid separately from low-voltage lines is expensive. A corresponding insulation resistance as well as the maintenance of clearances and creepage distances under all climatic and environmental conditions are to be ensured. In addition, voltage-proof fuses and circuit breakers must be used for such a network. In addition, there is a risk of arcing because of the DC voltage. Furthermore, rapid discharge systems for capacitively stored voltages must be provided for personal protection. The maintenance and repairs require specially trained personnel to handle high voltages. Even when charging at the charging station or outlet, the high system voltage occurs. The vehicle user must be protected against damage under all conditions. Such damage can be wear on the cable insulation and contacts, moisture, dirt or the like. Total drive concepts have high system voltages to a high complexity and significant Gefah ¬ renquellen.
Bei heutigen Elektrofahrzeugen werden Konzepte und Komponenten aus der industriellen Antriebstechnik eingesetzt, welche in Hinblick auf die besonderen Umgebungsbedingungen im Kraftfahrzeugbereich ertüchtigt oder weiterentwickelt wurden. Ty- pische Batteriespannungen liegen im Bereich von 200 V bis 400In today's electric vehicles concepts and components are used in industrial drive technology, which have been upgraded or further developed in view of the particular environmental conditions in the automotive sector. Typical battery voltages are in the range of 200 V to 400
V Gleichspannung. In Diskussion sind sogar Spannungen bis 800V DC voltage. Even voltages up to 800 are under discussion
V Gleichspannung. Das Schaltungskonzept der Leistungselektro¬ nik beruht auf bekannten Topologien von industriellen Wechselrichtern bzw. Frequenzumrichtern. Mit entsprechendem Auf- wand lassen sich die geschilderten Probleme und Komplexitäten durchaus beherrschen. Bei Elektrofahrzeugen kleinerer Leistung, wie z.B. Gabelstaplern, Behinderten-Fahrzeugen oder Elektrofahrrädern wird die Systemspannung dagegen im Bereich der sogenannten Sicherheitskleinspannung gehalten, die geringer als 60 V ist. Da- durch treten im Fahrzeug nur ungefährliche Spannungen auf. Zudem sind speziell geschulte Elektrofachkräfte nicht erfor¬ derlich und die Gefahr von Lichtbogenbildung ist gering. V DC voltage. The circuit design of the power electric ¬ technology is based on known topologies of industrial inverters or frequency converters. With appropriate effort, the described problems and complexities can be mastered. In electric vehicles of smaller power, such as forklifts, vehicles for the disabled or electric bicycles, the system voltage is held in the range of so-called safety extra-low voltage, which is less than 60 V. As a result, only harmless voltages occur in the vehicle. In addition, specially trained electricians are not neces ¬ sary and the risk of arcing is low.
Aus dem Stand der Technik sind modulare Konzepte in der Leis¬ tungselektronik bekannt. Diese werden heute in der Regel verwendet, um sehr hohe Systemspannungen mit in Reihe geschalte¬ ten Halbleiterschaltern zu beherrschen, so wie dies beispielsweise in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung erfolgt. Zudem werden die modularen Konzepte eingesetzt, um so¬ wohl hohe Systemspannungen zu beherrschen als auch im Hinblick auf EMV bzw. Oberwellen bessere Wechselspannungs- Signalformen durch einen treppenförmigen Verlauf der Ausgangsspannung zu erzielen. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind das sogenannte Modularen Multilevel Konverter. Hier wird eine Vielzahl von gleichartigen, in Reihe geschalteten Zellen mit Halbleiter-Schaltern dazu verwendet, aus einer hohen Gleichspannung eine treppenförmige sinus-ähnliche Spannung zu erzeugen. Mit dreien dieser Anordnungen kann ein dreiphasiges Wechselspannungssystem erzeugt werden, welches für den Betrieb eines Motors mit einer dreiphasigen Wicklung geeignet ist . From the state of the art modular concepts known in the Leis ¬ consumer electronics. Today, these are generally used to control high system voltages with peeled ¬ th in series semiconductor switches, such as occurs for example in high-voltage direct current. In addition, the modular concepts are used to control ¬ so high system voltages as well as to achieve better AC voltage waveforms with respect to EMC or harmonics by a staircase shape of the output voltage. A well-known example of this is the so-called modular multilevel converter. Here, a plurality of similar, series-connected cells with semiconductor switches are used to generate a stepped sinusoidal-like voltage from a high DC voltage. With three of these arrangements, a three-phase AC system can be produced which is suitable for the operation of a motor with a three-phase winding.
Weiterhin bekannt sind sogenannte Multilevel High Frequency Converter. Hier sind mehrere Leistungselektronik-Module an der hohen Gleichspannung in Serie geschaltet. Jedes Modul speist eine eigene Motorwicklung. Die Reihenschaltung der Leistungselektronik-Module reduziert die an jedem Modul an¬ liegende Gleichspannung. Aufgrund dieser Spannungsteilung können in den jeweiligen Modulen schnell schaltende und ver- lustleistungsarme Halbleiterschalter eingesetzt werden. Dies ist für Automotive-Anwendungen vorteilhaft, da hohe Schalt¬ frequenzen auch hohe Ausgangsfrequenzen des Frequenzumrich- ters erlauben. Dies wiederum ermöglicht hohe Motordrehzahlen, was eine kompakte Motorbauweise ermöglicht. Also known are so-called multilevel high frequency converters. Here are several power electronics modules connected to the high DC voltage in series. Each module feeds its own motor winding. The series connection of power electronics modules reduces located at each module on ¬ DC voltage. Due to this voltage division, fast-switching and low-loss semiconductor switches can be used in the respective modules. This is advantageous for automotive applications as high switching frequencies also ¬ high output frequencies of the frequency converter allow it. This in turn allows high engine speeds, which allows a compact engine design.
Bei einem weiteren modularen Konzept werden ebenfalls mehrere Submodule auf der Gleichspannungsseite in Serie geschaltet. Durch die Spannungsteilung ergeben sich die bereits erwähnten Vorteile bezüglich der Halbleiterschalter. Jedes Modul stellt hier jedoch ein dreiphasiges Drehstromsystem zur Verfügung, welches jeweils eine eigene dreiphasige Motorwicklung speist. Der besondere Vorteil dieser dreiphasigen Anordnung liegt darin, dass reaktive Ströme nur zu einer Leistungspendelung zwischen den Phasen eines Submoduls fuhren. In another modular concept, several submodules are also connected in series on the DC side. The voltage division results in the already mentioned advantages with respect to the semiconductor switches. Each module, however, provides a three-phase system, which feeds its own three-phase motor winding. The particular advantage of this three-phase arrangement is that reactive currents lead only to a power swing between the phases of a submodule.
Alle gezeigten bisherigen Lösungen gehen von einer möglichst hohen Batteriespannung aus, welche wie bereits ausgeführt un¬ ter Sicherheitsaspekten problematisch ist. Zudem werden modu- lare Konzepte in der Leistungselektronik verwendet, um die hohe Gleichspannung auf mehrere Halbleiterschalter mit jeweils niedriger Sperrspannungsfestigkeit aufzuteilen. All shown previous solutions are based on the highest possible battery voltage , which, as already stated, is problematical in terms of safety aspects. In addition, modular concepts in power electronics are used to divide the high DC voltage between several semiconductor switches, each with a low reverse voltage capability.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die effizienter betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiter¬ bildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. It is therefore an object of the present invention to provide a drive arrangement for a motor vehicle, which can be operated more efficiently. This object is achieved by a drive arrangement having the features of patent claim 1 and a motor vehicle having the features of patent claim 10. Advantageous further ¬ formations of the present invention are specified in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst einer Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung an deren Anschlussklemmen, eine elektrische Antriebseinrichtung zum Antreiben zumindest eines Rades des Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Antriebsein¬ richtung zumindest zwei mehrphasige Wicklungseinrichtungen aufweist, und zumindest eine Wechselrichterrichtereinrichtung für jede der Wicklungseinrichtungen, die zwischen die Ener- gieversorgungseinrichtung und die Wicklungseinrichtungen geschaltet ist, wobei die Wechselrichtereinrichtungen jeweils elektrisch parallel zueinander mit den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinrichtung verbunden sind. The drive arrangement according to the invention for a motor vehicle comprises a power supply device for providing an electrical voltage at the terminals thereof, an electric drive device for driving at least one wheel of the motor vehicle, the electric drive device having at least two multi-phase winding devices, and at least one inverter rectifier device for each of the winding devices. between the energy power supply device and the winding means is connected, wherein the inverter means are each electrically connected in parallel to each other with the output terminals of the power supply means.
Die Energieversorgungseinrichtung kann als Batterie, Akkumulator oder Brennstoffzelle ausgebildet sein. An den An¬ schlussklemmen der Energieversorgungseinrichtung kann eine Gleichspannung bereitgestellt werden. Die elektrische An- triebseinrichtung wird mit einer Wechselspannung, insbesondere einer mehrphasigen Wechselspannung, betrieben. Die elektrische Antriebseinrichtung umfasst mehrere mehrphasige, ins¬ besondere dreiphasige, Wicklungseinrichtungen. Die elektrische Antriebseinrichtung kann als Asynchronmaschine, perma- nenterregte Synchronmaschine oder als Synchronreluktanzmotor ausgebildet sein. Mit der elektrischen Antriebseinrichtung kann ein Rad oder eine Antriebsachse des Kraftfahrzeugs ange¬ trieben werden. Die jeweiligen Wechselrichtereinrichtungen können als Leistungselektronikmodule ausgebildet sein. Mit den Wechselrichtereinrichtungen kann die von der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Versorgung der Wicklungseinrichtungen der elektrischen Antriebseinrichtung gewandelt werden. Bei der Antriebseinrichtung werden die Wechselrichtereinrichtungen bzw. die Leistungselektronikmodule nicht seriell ver¬ schaltet, sondern liegen alle parallel an der Gleichspannung, die von der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt wird. Durch die niedrige Eingangsspannung können bei den Wechselrichtereinrichtungen schnell schaltende und sehr verlustarme Halbleiterschalter verwendet werden. So können beispielsweise MOSFET-Schalter anstellt von IGBTs verwendet wer¬ den. Im einfachsten Fall kann bei der Antriebsanordnung die resultierende Ausgangs-Wechselspannung jeder Wechselrichter- einrichtung direkt mit der anliegenden Gleichspannung gekoppelt werden, da die Schalt-Transistoren nur jeweils das positive oder negative Gleichspannungspotenzial, beispielsweise mittels Pulsweiten-Modulation, an die Ausgangsklemmen schalten können. The energy supply device can be designed as a battery, accumulator or fuel cell. A DC voltage can be provided to the at ¬ connection terminals of the power supply device. The electric drive device is operated with an alternating voltage, in particular a polyphase alternating voltage. The electric drive device includes several multi-phase, three-phase into ¬ special, winding facilities. The electric drive device can be designed as an asynchronous machine, permanent magnet synchronous machine or as a synchronous reluctance motor. With the electric drive device, a wheel or a drive axle of the motor vehicle can be driven ¬ . The respective inverter devices can be designed as power electronics modules. With the inverter devices, the DC voltage provided by the power supply device can be converted into an AC voltage for supplying the winding devices of the electric drive device. In the drive device, the inverter devices or the power electronics modules are not serially connected, but are all connected in parallel to the DC voltage provided by the power supply device. Due to the low input voltage, fast-switching and very low-loss semiconductor switches can be used in the inverter devices. So MOSFET switch, for example, hires used by IGBTs ¬ to. In the simplest case, in the case of the drive arrangement, the resulting output AC voltage of each inverter device can be coupled directly to the applied DC voltage, since the switching transistors only each have the positive or negative DC potential, for example using pulse width modulation, can switch to the output terminals.
Bevorzugt ist die Energieversorgungseinrichtung dazu ausge- bildet ist, eine elektrische Gleichspannung unter 60 Volt be¬ reitzustellen. Somit kann auf der Gleichspannungsseite der Antriebsanordnung ein niedriger Spannungspegel bereitgestellt werden. Der Wert der Gleichspannung liegt unterhalb der sogenannten Sicherheitskleinspannung. Somit bedarf es keiner spe- ziell geschulten Elektrofachkräfte für die Reparatur oderPreferably, the power supply device is is excluded to this is an electrical DC voltage below 60 volts riding ¬ be observed. Thus, a low voltage level may be provided on the DC side of the drive assembly. The value of the DC voltage is below the so-called safety extra-low voltage. Thus, there is no need for specially trained electricians to repair or repair
Wartung des Kraftfahrzeugs. Zudem wird die Gefahr von Licht¬ bogenbildung reduziert. Maintenance of the motor vehicle. Moreover, the risk of light ¬ arc formation is reduced.
In einer Ausführungsform umfasst zumindest einer der Wechsel- richtereinrichtungen einen Hochsetzsteller. In den einzelnen Wechselrichtereinrichtungen kann eine Hochsetzsteller- Funktionalität integriert werden. Damit kann die von der je¬ weiligen Wechselrichtereinrichtung erzeugte Spannung für die Antriebseinrichtung weitgehend unabhängig von der Spannung der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt werden. Wenn die Energieversorgungseinrichtung als Batterie ausgebildet ist, kann die Spannung für die Antriebseinrichtung unabhängig von dem vom Ladezustand der Batterie bereitgestellt werden. Ausgangsseitig kann jede Wechselrichtereinrichtung durch die Hochsetzsteller-Funktionalität eine Spannung erzeugen, die wesentlich höher als die von der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellte Spannung ist. Diese Spannung kann durch das aktive Schalten der Hochsetzsteller-Transistoren erzeugt werden. Beim Ausschalten des Hochsetzstellers oder einem De- fekt bricht die Spannung zusammen oder es stellt sich maximal die Batteriespannung ein. Damit können die speichernden Elemente, die beispielsweise als Kondensatoren ausgebildet sind, relativ klein gehalten werden. In einer Ausgestaltung sind die elektrische Antriebseinrichtung und die Wechselrichtereinrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Beispielsweise können die Wechselrichter¬ einrichtungen und die Antriebseinrichtung eine bauliche Ein- heit bilden. In diesem Fall können die Kabel, welche eine ho¬ he Spannung führen, sehr kurz gehalten werden. Durch das umgebende gemeinsame Gehäuse können die spannungsführenden Tei¬ le der Antriebsanordnung vor Berührung geschützt werden. In one embodiment, at least one of the inverter devices comprises a step-up converter. In the individual inverter devices, a boost converter functionality can be integrated. Thus, the voltage generated by the per ¬ weiligen inverter device for the drive device can be largely provided independently of the voltage of the power supply device. If the power supply device is formed as a battery, the voltage for the drive device can be provided independently of the state of charge of the battery. On the output side, each inverter device can generate a voltage that is substantially higher than the voltage provided by the power supply device by the boost converter functionality. This voltage can be generated by the active switching of the boost converter transistors. When switching off the boost converter or a defect, the voltage breaks down or the maximum battery voltage is reached. Thus, the storing elements, which are formed for example as capacitors, can be kept relatively small. In one embodiment, the electric drive device and the inverter devices are arranged in a common housing. For example, the inverter ¬ devices and the drive device, a structural form. In this case, the cables which carry a high voltage can be kept very short. Through the surrounding common housing, the live parts of the drive arrangement can be protected against contact.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antriebsanordnung eine Steuereinrichtung zum jeweiligen Aktivieren und Deaktivieren der Wechselrichtereinrichtungen. Mit der Steuereinrichtung kann ein Betriebszustand des Kraftfahrzeugs er- fasst werden und ein entsprechendes Steuersignal zur separa¬ ten Steuerung der Wechselrichtereinrichtungen ausgegeben werden. Somit können einzelne Wechselrichtereinrichtungen - je nach Leistungsbedarf - zu- und abgeschaltet werden. Bei hohem Leistungsbedarf können alle Wechselrichtereinrichtungen be- trieben werden. Bei geringem Leistungsbedarf können einzelne Wechselrichtereinrichtungen abgeschaltet werden. Somit kann die Antriebsanordnung besonders energieeffizient betrieben werden . In a further embodiment, the drive arrangement comprises a control device for respectively activating and deactivating the inverter devices. With the control device, an operating state of the motor vehicle can be detected and a corresponding control signal for separa ¬ th control of the inverter devices are output. Thus, individual inverter devices - depending on power requirements - be switched on and off. With high power requirements, all inverter devices can be operated. With low power requirements, individual inverter devices can be switched off. Thus, the drive assembly can be operated particularly energy efficient.
In einer Ausführungsform sind Wicklungen der zumindest zwei mehrphasigen Wicklungseinrichtungen in einer gemeinsamen Nut eines Stators der elektrischen Antriebseinrichtung angeordnet. Dabei können die Wicklungen parallel in den gleichen Nuten liegen. Statt einer parallelgeschalteten Drahtmischung zur Erzielung eines hohen Nutfüllgrads können die Drähte je¬ weils von einer eigenen Wechselrichtereinrichtung gespeist werden. Wenn beispielsweise ein Wechselrichtereinrichtung angeschaltet, die Antriebseinrichtung also in betrieben wird, wird die Antriebseinrichtung gleichmäßig erwärmt, da alle Nu¬ ten Strom führen. Da ein Großteil des Kupfers in der Nut nicht benötigt wird, ist die Entwärmung sehr gut. In one embodiment, windings of the at least two polyphase winding devices are arranged in a common groove of a stator of the electric drive device. The windings can be parallel in the same grooves. Instead of a parallel-connected wire mixture to achieve a high Nutfüllgrads the wires je ¬ Weils can be powered by its own inverter device. If, for example, an inverter device is switched on, that is to say the drive device is operated, the drive device is heated uniformly, since all of the pulses lead current. Since a large part of the copper in the groove is not needed, the heat dissipation is very good.
Eine parallele Speisung ist auch möglich, wenn z.B. die benachbarten Nuten eines Pols und Strangs jeweils von einer ei- genen Wechselrichtereinrichtung gespeist werden. Zum Beispiel kann eine Asynchronmaschine mit einer Lochzahl von vier als Antriebseinrichtung verwendet werden. Diese weist immer vier benachbarte Nuten auf, die exakt die gleiche Spannung bzw. den gleiche Strom führen, da die Leiter in Reihe geschaltet sind. Diese vier Nuten könnten mit parallelen Wicklungssyste¬ men ausgeführt werden. Dadurch entstehen keine Isolations¬ probleme zwischen den Leitern in der Nut, da alle vom glei- chen Strom durchflössen sind. A parallel supply is also possible if, for example, the adjacent slots of a pole and string are each fed by their own inverter device. For example, an asynchronous machine having a number of holes of four may be used as the driving means. This always has four adjacent grooves that exactly the same voltage or carry the same current because the conductors are connected in series. These four grooves could be performed with parallel Wicklungssyste ¬ men. This results in no insulation ¬ problems between the conductors in the groove, since all are flowed through by the same stream.
Bei gesehnten Wicklungen gibt es eine Ober- und eine Unterschicht. Diese Schichten können beim hier vorgeschlagenen System von zwei verschiedenen Spannungen gespeist werden. Durch die individuell einstellbare Speisespannung der Wech¬ selrichtereinrichtungen kann der Effekt einer Sehnung durch die Elektronik eingestellt werden. For stretched windings, there is a top and a bottom layer. These layers can be fed by two different voltages in the system proposed here. Due to the individually adjustable supply voltage of the Wech ¬ rectifier devices, the effect of a Sehnung be adjusted by the electronics.
In einer anderen Ausführungsform sind Wicklungen der zumin- dest zwei mehrphasigen Wicklungseinrichtungen in räumlich getrennt zueinander angeordneten Nuten eines Stators der elektrischen Antriebseinrichtung angeordnet. Dabei können die Wicklungen hintereinander, d.h. seriell in den gleichen oder anderen Nuten, beispielsweise bei gleichem Blechschnitt des Stators, liegen. Die Antriebseinrichtung kann also beispielsweise zwei oder mehrere serielle Aktivteile aufweisen. Bei der räumlichen Anordnung der Aktivteile zueinander ist der Platz für die Wickelköpfe zu berücksichtigen. Die Aktivteile können unterschiedliche Durchmesser, Nutzahlen oder Nutgeo- metrien aufweisen. Auch ein Winkelversatz der Nuten ist denkbar. Eine Nut stößt dann stumpf auf einen Zahn. Durch die mehreren Aktivteile kann die Antriebseinrichtung besonders flexibel betrieben werden. Dabei kann jeder der zumindest zwei mehrphasigen Wicklungs¬ einrichtungen jeweils ein separater Rotor zugeordnet sein, wobei die Rotoren auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Somit kann ein sogenannter Tandem-Rotor bereitgestellt werden. Damit können in der Antriebseinrichtung mehrerer elektrische Maschinen in Reihe geschaltet werden. Bei hohem Leistungsbedarf können alle Module bestromt werden. Sonst kann nur ein Teil davon bestromt werden und die restlichen Rotoraktivteile liefern keinen Beitrag zur Drehmomentbildung. In einer Ausführungsform ist einer der Rotoren permanenterregt ausgebildet und ein anderer der Rotoren ist als Kurzschlussläufer ausgebildet. Die Antriebsanordnung kann aus ei- ner permanentmagneterregten Läufer-Hälfte und einem Asyn- chron-Kurzschlussläufer-Teil bestehen. Auch bei dieser Anord¬ nung kann sich die benötigte Antriebsleistung anteilig auf die Wechselrichtereinrichtungen aufteilen. Diese können bezüglich der Steuerungs- und Regelungsfunktionalität unter- schiedlich ausgeführt oder parametrisiert sein, da die eineIn another embodiment, windings of the at least two multiphase winding devices are arranged in grooves of a stator of the electric drive device that are arranged spatially separate from one another. In this case, the windings can lie one behind the other, ie serially in the same or other grooves, for example at the same lamination of the stator. The drive device can thus have, for example, two or more serial active parts. In the spatial arrangement of the active parts to each other, the space for the winding heads is taken into account. The active parts can have different diameters, useful numbers or groove geometries. An angular offset of the grooves is conceivable. A groove then butt against a tooth. Due to the multiple active parts, the drive device can be operated very flexible. In this case, each of the at least two multi-phase winding ¬ devices each have a separate rotor to be assigned, wherein the rotors are arranged on a common shaft. Thus, a so-called tandem rotor can be provided. This can be connected in series in the drive device of several electrical machines. For high power requirements, all modules can be energized. Otherwise, only a part of it can be energized and the remaining rotor active parts do not contribute to the formation of torque. In one embodiment, one of the rotors is permanently excited and another of the rotors is designed as a squirrel-cage rotor. The drive arrangement can consist of a permanent magnet-excited rotor half and an asynchronous squirrel-cage rotor part. Also in this Anord ¬ voltage, the drive power required can proportionately divided between the inverter devices. These can be executed or parameterized differently with regard to the control and regulation functionality, since the one
Wechselrichtereinrichtung die Synchronmaschine und die andere Wechselrichtereinrichtungen die Asynchronmaschine betreibt. Da die permanenterregte Synchronmaschine üblicherweise Inverter means the synchronous machine and the other inverter devices operates the asynchronous machine. Since the permanent magnet synchronous machine usually
Schleppverluste verursacht, sollte sie immer betrieben wer- den. Bei hohem Leistungsbedarf kann die Asynchronmaschine zu¬ sätzlich bestromt werden. Die Vorteile der permanenterregte Synchronmaschine, wie ein hohes Drehmoment im Stillstand und ein sehr guter Wirkungsgrad in einem weiten Bereich, kommen so voll zur Geltung. Der Vorteil der Asynchronmaschine, wie der gute Wirkungsgrad im Nennpunkt und bei hohen Drehzahlen, kann durch ein Nachregeln der permanenterregte Synchronma¬ schine besonders effektiv werden. Das problematische Bremsmo¬ ment im Kurzschlussfall ist bei dieser Maschine geringer als bei einer permanenterregten Synchronmaschine der gleichen Systemleistung, da die Asynchronmaschine nicht vollständig blockiert und auch im Feldschwachbetrieb keine Spannungsspit¬ ze erzeugt. Caused drag losses, it should always be operated. At high power requirements, the asynchronous machine can be energized ¬ addition. The advantages of the permanent-magnet synchronous machine, such as a high torque at standstill and a very good efficiency in a wide range, are so fully appreciated. The advantage of the asynchronous machine, like the good efficiency at rated point and at high speeds, can be particularly effective by a readjustment of the permanently excited synchronous machine. The problematic Bremsmo ¬ ment in the event of a short circuit is lower in this machine than in a permanent-magnet synchronous machine of the same system performance, since the asynchronous machine is not completely blocked and generates no Spannungsspit ¬ ze even in field weak operation .
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsge- mäße Antriebsanordnung. Das Kraftfahrzeug kann als Elektro- fahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen werden. The motor vehicle according to the invention comprises the drive arrangement according to the invention. The motor vehicle can be designed as an electric vehicle or hybrid vehicle. The advantages and further developments described above in connection with the drive arrangement according to the invention can be transferred to the motor vehicle according to the invention.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: FIG 1 eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug in einer ersten Ausführungsform; The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing: 1 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a first embodiment;
FIG 2 eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug in einer zweiten Ausführungsform; 2 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a second embodiment;
FIG 3 eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug in einer dritten Ausführungsform; und 3 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a third embodiment; and
FIG 4 eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug in einer vierten Ausführungsform. 4 shows a drive arrangement for a motor vehicle in a fourth embodiment.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- dung dar. The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention.
FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Antriebsanord¬ nung 10 für ein Kraftfahrzeug. Die Antriebsanordnung 10 weist eine Energieversorgungseinrichtung 12 auf, die als Batterie, Akkumulator oder Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Energieversorgungseinrichtung 12 als Batterie ausgebildet. Die Batterie kann mehrere Batteriezellen umfassen. An den Anschlussklemmen der Energieversorgungseinrichtung 12 wird eine elektrische 1 shows a first embodiment of a Antriebsanord ¬ tion 10 for a motor vehicle. The drive arrangement 10 has a power supply device 12, which can be designed as a battery, accumulator or fuel cell. In the present embodiment, the power supply device 12 is formed as a battery. The battery may include a plurality of battery cells. At the terminals of the power supply device 12 is an electrical
Gleichspannung bereitgestellt, die eine Amplitude aufweist, die geringer als 60 Volt ist. DC voltage having an amplitude which is less than 60 volts.
Des Weiteren umfasst die Antriebsanordnung 10 einen elektrische Antriebseinrichtung 14, die als Asynchronmaschine, per- manenterregte Synchronmaschine oder als Synchronreluktanzmo¬ tor ausgebildet sein kann. Die elektrische Antriebseinrichtung 14 wird mit einer mehrphasigen Wechselspannung betrieben. Die elektrische Antriebseinrichtung 14 umfasst mehrere mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Wicklungseinrichtungen 16. Vorliegend umfasst die elektrische Antriebseinrichtung 14 drei dreiphasige Wicklungseinrichtungen 16. Mit der elektrischen Antriebseinrichtung 14 kann ein Rad 18 oder eine Antriebsachse 20 des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Vorlie- gend wird eine Antriebsachse 20 des Kraftfahrzeugs angetrie¬ ben . Furthermore, the drive assembly 10 comprises an electric driving device 14, which may be designed as an asynchronous machine, synchronous machine or as per- manenterregte Synchronreluktanzmo ¬ tor. The electric drive device 14 is operated with a polyphase AC voltage. The electric drive device 14 comprises a plurality of multi-phase, in particular three-phase, winding devices 16. In the present case, the electric drive device 14 comprises three three-phase winding devices 16. With the electric drive device 14, a wheel 18 or a drive axle 20 of the motor vehicle can be driven. Vorlie- quietly a drive shaft 20 of the motor vehicle is trie ¬ ben.
Zudem umfasst die Antriebsanordnung 10 eine Wechselrichter- einrichtungen 22 für jede der mehrphasigen Wicklungseinrichtungen 16. Mit den Wechselrichtereinrichtungen 22 kann die von der Energieversorgungseinrichtung 12 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung, insbesondere dreiphasige Wechselspannung, zur Versorgung der Wicklungseinrichtun- gen 16 der elektrischen Antriebseinrichtung 14 gewandelt werden. Die Wechselrichtereinrichtungen 22 können einen Hochsetzsteller umfassen, mit dem die Ausgangsspannung an der jeweiligen Wechselrichtereinrichtung 22 angepasst werden kann. Mit dem Hochsetzsteller kann eine elektrische Spannung am Ausgang der jeweiligen Wechselrichtereinrichtung 22 erzeugt werden, die höher ist als die von der Energieversorgungseinrichtung 12 bereitgestellte Spannung. In addition, the drive arrangement 10 comprises an inverter device 22 for each of the multiphase winding devices 16. With the inverter devices 22, the DC voltage provided by the power supply device 12 can be converted into an AC voltage, in particular three-phase AC voltage, to supply the winding devices 16 of the electric drive device 14 , The inverter devices 22 may include a step-up converter, with which the output voltage at the respective inverter device 22 can be adjusted. With the step-up converter, an electrical voltage can be generated at the output of the respective inverter device 22 which is higher than the voltage provided by the energy supply device 12.
Die Wechselrichtereinrichtungen 22 liegen alle parallel an der Gleichspannung, die von der Energieversorgungseinrichtung 12 bereitgestellt wird. Durch die niedrige Eingangsspannung können bei den Wechselrichtereinrichtungen 22 schnell schaltende und sehr verlustarme Halbleiterschalter verwendet wer¬ den. Der Wert der Gleichspannung liegt unterhalb der soge- nannten Sicherheitskleinspannung. Damit bedarf es keiner speziell geschulten Elektrofachkräfte für die Reparatur oder Wartung des Kraftfahrzeugs. The inverter devices 22 are all connected in parallel to the DC voltage provided by the power supply device 12. The low input voltage 22 fast switching and very low loss semiconductor switches can be used to ¬ at the inverter equipment. The value of the DC voltage is below the so-called safety extra-low voltage. This requires no specially trained electricians for the repair or maintenance of the motor vehicle.
FIG 2 zeigt eine Antriebsanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei werden zwei identische Wechselrichtereinrichtungen 22 verwendet. Die elektrische Antriebseinrichtung 14 weist parallel ausgeführten dreiphasigen Wicklungseinrichtungen 16 auf. Auch hier liegen Wechselrichtereinrichtungen 22 eingangsseitig parallel an der Batteriespannung. Bei der dargestellten Antriebsanordnung 10 teilt sich die benötigte Antriebsleistung anteilig auf die beiden Wechselrichtereinrichtungen 22 auf. Eine Skalierung zu höheren Leistungen ist durch Hinzufügen weiterer gleicharti- ger Wechselrichtereinrichtungen 22 und eine entsprechende Auslegung des Wicklungssystems der elektrischen Antriebseinrichtung 14 möglich. Die Antriebsanordnung 10 ist also sehr modular. Für Kleinfahrzeuge können zwei Wechselrichterein- richtungen 22 geschaltet werden und für Fahrzeuge der Oberklasse können drei oder vier Wechselrichtereinrichtungen 22 verwendet werden. Bei Nutzfahrzeugen kann die Anzahl nochmals erhöht werden. Praktikabel dürften Konfigurationen mit bis zu vier Wechselrichtereinrichtungen 22 und ebenso Motorwicklun- gen mit vier parallel geschalteten Spulensystemen sein. 2 shows a drive arrangement 10 for a motor vehicle in a further embodiment. In this case, two identical inverter devices 22 are used. The electric drive device 14 has parallel three-phase winding devices 16. Again, inverter devices 22 are on the input side parallel to the battery voltage. In the illustrated drive arrangement 10, the required drive power is split proportionally between the two inverter devices 22. Scaling to higher performance is possible by adding more equal Inverter devices 22 and a corresponding design of the winding system of the electric drive device 14 possible. The drive assembly 10 is therefore very modular. For small vehicles, two inverter devices 22 can be switched, and for high-end vehicles, three or four inverter devices 22 can be used. For commercial vehicles, the number can be increased again. Configurations with up to four inverters 22 and also motor windings with four coil systems connected in parallel are likely to be practicable.
Die Vorteile der Modularisierung bei der Antriebsanordnung 10 nach FIG 2 liegen zum einen in der Möglichkeit, im Teillast- Betrieb nur eine der Wechselrichtereinrichtungen 22 zu nutzen und dadurch einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Zum anderen wird insbesondere beim Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen die Auswirkung eines Defektes der Leistungselektronik auf das Fahrverhalten reduziert, da jede Wechsel¬ richtereinrichtungen 22 nur das halbe fehlerhafte Drehmoment erzeugen kann und dadurch das Risiko des Blockierens der An¬ triebsräder 18 reduziert wird. The advantages of modularization in the drive arrangement 10 according to FIG. 2 lie, on the one hand, in the possibility of utilizing only one of the inverter devices 22 in partial-load operation and thereby achieving a higher degree of efficiency. On the other hand, especially in the operation of permanent-magnet synchronous machines, the effect of a defect in the power electronics is reduced to the driving behavior, since each change ¬ judge devices 22 can produce only half the faulty torque and thereby the risk of blocking the on ¬ drive wheels 18 is reduced.
FIG 3 zeigt eine Antriebsanordnung 10 in einer weiteren Ausgestaltung. Hier sind die Wicklungseinrichtungen 16 in der elektrischen Antriebseinrichtung 14 räumlich getrennt zueinander angeordnet. Somit werden vorliegend zwei serielle Ak¬ tivteile bereitgestellt. Dabei kann jede der mehrphasigen Wicklungseinrichtungen 16 einem Rotor zugeordnet sein. Die Rotoren können auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Hierbei kann der eine Rotor permanenterregt ausgebildet und der anderer Rotoren ist als Kurzschlussläufer ausgebildet. Damit kann in der elektrischen Antriebseinrichtung eine Synchronmaschine 24 und eine Asynchronmaschine 26 bereitgestellt werden . 3 shows a drive arrangement 10 in a further embodiment. Here, the winding devices 16 are arranged in the electric drive device 14 spatially separated from each other. Thus, two serial Ak ¬ tivteile are provided herein. In this case, each of the multi-phase winding devices 16 may be associated with a rotor. The rotors can be arranged on a common shaft. In this case, one rotor can be permanently excited and the other rotor can be designed as a squirrel-cage rotor. Thus, a synchronous machine 24 and an asynchronous machine 26 can be provided in the electric drive device.
FIG 4 zeigt eine Antriebsanordnung 10 in einer vierten Ausführungsform. Dabei wird eine Konfiguration aus vier Wechselrichtereinrichtungen 22 verwendet. Dabei sind jeweils zwei Wechselrichtereinrichtungen 22 für den Betrieb der Synchronmaschine 24 und zwei Wechselrichtereinrichtungen 22 für den Betrieb der Asynchronmaschine 26 ausgelegt. Die elektrische Antriebseinrichtung 14 mit einem sogenannten Tandem-Rotor verfügt über jeweils zwei Wicklungspaare für den Synchronma¬ schinen- und den Asynchronmaschinen-Teil. Bei dieser Anord¬ nung teilt sich die elektrische Leistung auf vier Wechsel¬ richtereinrichtungen 22 mit entsprechender Redundanz auf. Diese können im Teillastbetrieb einzeln aktiviert oder deak- tiviert werden um eine noch feiner gestufte Optimierung der4 shows a drive arrangement 10 in a fourth embodiment. In this case, a configuration of four inverter devices 22 is used. There are two in each case Inverter devices 22 for the operation of the synchronous machine 24 and two inverter devices 22 for the operation of the asynchronous machine 26 designed. The electric drive device 14 with a so-called tandem rotor has two pairs of windings for the Synchronma ¬ machine and the asynchronous machine part. In this Anord ¬ voltage, the electric power is distributed to four change ¬ richter devices 22 with appropriate redundancy. These can be activated or deactivated individually in part-load operation to achieve an even finer graded optimization of the
Energieeffizienz zu erzielen. Die Wechselrichtereinrichtungen 22 können alle von einer gemeinsamen Energieversorgungseinrichtung 12 bzw. Batterie gespeist werden, es sind aber auch Gruppenbildungen möglich. Achieve energy efficiency. The inverter devices 22 can all be fed by a common power supply device 12 or battery, but group formations are also possible.
Denkbar ist auch Variante, dass die Wechselrichtereinrichtungen 22 zur Versorgung von vollständig getrennten elektrischen Maschinen verwendet werden. Durch getrennte elektrische Ma¬ schinen der elektrischen Antriebseinrichtung 14 kann das Dif- ferential des Kraftfahrzeugs ersetzt werden. Des Weiteren kann ein Einzelradantrieb oder Radnabenmotor realisiert werden . It is also conceivable variant that the inverter devices 22 are used to supply completely separate electrical machines. By separate electric machines ¬ Ma of the electric drive device 14, the dif- may be replaced axle differential of the motor vehicle. Furthermore, a single-wheel drive or wheel hub motor can be realized.
Durch die vorgestellten Antriebanordnungen 10 können viele Vorteile erreicht werden. Beispielsweise erlaubt der Betrieb mit der Sicherheitskleinspannung die Verwendung von z.B. 48 V Batterien und Verkabelungen, die heute bereits bei Nutzfahrzeugen üblich sind. Zudem wird die Gefährdung von Personen sehr unwahrscheinlich. Das modulare Konzept mit der inhärent vorhandenen Redundanz in Verbindung mit der speziellen Antriebseinrichtung 14 mit den unterschiedlichen Wirkprinzipien reduziert das Risiko und die Auswirkung von Elektronik- Defekten. Das Antriebssystem, welches aus Wechselrichtereinrichtungen 22 und der Synchronmaschinen-Teil 24 der An- triebseinrichtung 14 besteht, kann ein fehlerhaftes Drehmo¬ ment mit der Gefahr des Blockierens der Antriebsräder 18 verursachen. Das andere Antriebssystem mit dem Asynchronmaschinen-Teil 26 der Antriebseinrichtung 14 kann weder ein Brems- moment noch gefährliche Generatorspannungen erzeugen. Die Vorteile dieser Anordnung liegen in der Möglichkeit, im Teillast-Betrieb nur die Synchronmaschine 24 mit ihrer hohen Energieeffizienz zu nutzen. Die anderen Wechselrichterein- richtungen 22 sind dabei beispielsweise über eine Puls-Sperre passiv geschaltet. In dieser Betriebsart verursacht eine Asynchronmaschine 26 bauartbedingt kein Bremsmoment. The presented drive arrangements 10 can achieve many advantages. For example, operation with the safety extra-low voltage allows the use of, for example, 48 V batteries and cabling, which are already common in commercial vehicles today. In addition, the endangerment of people is very unlikely. The modular concept with the inherent redundancy in combination with the special drive device 14 with the different action principles reduces the risk and the impact of electronic defects. The drive system, which drive device of the inverter devices 22 and of the synchronous machine part 24 of the arrival is 14, a faulty Drehmo ¬ ment may cause 18 with the risk of blocking the drive wheels. The other drive system with the asynchronous machine part 26 of the drive device 14 can be neither a brake moment generating dangerous generator voltages. The advantages of this arrangement are the possibility to use only the synchronous machine 24 with its high energy efficiency in part-load operation. The other inverter devices 22 are connected passively, for example via a pulse lock. In this operating mode, an asynchronous machine 26 does not cause a braking torque due to the design.
Bei höherem Leistungsbedarf wird die Asynchronmaschine 26 über die ihr zugehörigen Wechselrichtereinrichtungen 22 zugeschaltet. Sie kann so als „Booster" bei Beschleunigungsvorgängen oder zur Erzeugung eines kurzzeitig hohen Drehmomentes, z.B. beim Überfahren eines Bordsteines aus dem Still¬ stand heraus, dienen. In diesen kurzen Phasen ist die At higher power requirements, the asynchronous machine 26 is switched on via its associated inverter devices 22. It can thus serve as a "booster" during acceleration processes or for generating a momentarily high torque, eg when driving over a curb from the standstill
Booster-Maschine erheblich überlastbar. Der etwas schlechtere Wirkungsgrad der Asynchronmaschine 26 wirkt sich wegen des Kurzzeitbetriebes praktisch nicht aus. Booster machine significantly overloaded. The slightly worse efficiency of the asynchronous machine 26 has practically no effect because of the short-term operation.
Schließlich können Einsparungen beim Magnetmaterial erreicht werden. Diese Konfiguration weist wegen des „halben" Synchronmotors 24 gegenüber einer heutigen Losung niedrigere Magnetkosten auf. Dies ist ein wichtiger Aspekt, da für Hochleistungsmotoren in Elektrofahrzeugen teure sogenannte Seltene-Erde- Magnetmaterialien eingesetzt werden. Finally, savings in magnetic material can be achieved. This configuration has lower magnet costs compared to today's solution due to the "half" synchronous motor 24. This is an important aspect, since expensive, so-called rare earth magnet materials are used for high power motors in electric vehicles.
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Bezugs zeichenliste Reference sign list
10 Antriebanordnung 10 drive arrangement
12 Energieversorgungseinrichtung 14 Antriebseinrichtung  12 power supply device 14 drive device
16 Wicklungseinrichtung  16 winding device
18 Rad  18 wheel
20 Antriebsachse  20 drive axle
22 Wechselrichtereinrichtung 24 Synchronmaschine  22 Inverter device 24 Synchronous machine
26 Asynchronmaschine  26 asynchronous machine

Claims

Patentansprüche claims
1. Antriebsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug mit 1. drive arrangement (10) for a motor vehicle with
- einer Energieversorgungseinrichtung (12) zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung an deren Anschlussklemmen,  a power supply device (12) for providing an electrical voltage at its connection terminals,
- einer elektrischen Antriebseinrichtung (14) zum Antreiben zumindest eines Rades (18) des Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Antriebseinrichtung (14) zumindest zwei mehrpha¬ sige Wicklungseinrichtungen (16) aufweist, und - An electric drive means (14) for driving at least one wheel (18) of the motor vehicle, wherein the electric drive means (14) at least two mehrpha ¬ sige winding means (16), and
- zumindest einer Wechselrichterrichtereinrichtung (22) für jede der Wicklungseinrichtungen (16), die zwischen die Energieversorgungseinrichtung (12) und die Wicklungseinrichtungen (16) geschaltet ist, at least one inverter funnel device (22) for each of the winding devices (16) connected between the power supply device (12) and the winding devices (16),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- die Wechselrichtereinrichtungen (22) jeweils elektrisch parallel zueinander mit den Ausgangsklemmen der Energieversorgungseinrichtung (12) verbunden sind. - The inverter devices (22) are each electrically connected in parallel to each other with the output terminals of the power supply device (12).
2. Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (12) dazu ausgebildet ist, eine elektrische Gleichspannung unter 60 Volt bereitzustellen. 2. Drive arrangement (10) according to claim 1, characterized in that the energy supply device (12) is designed to provide a DC electrical voltage below 60 volts.
3. Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest einer der Wechselrichtereinrichtungen (22) einen Hochsetzsteller umfasst. 3. Drive arrangement (10) according to claim 1 or 2, character- ized in that at least one of the inverter means (22) comprises a step-up converter.
4. Antriebsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische An- triebseinrichtung (14) und die Wechselrichtereinrichtungen (22) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. 4. Drive arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical drive device (14) and the inverter devices (22) are arranged in a common housing.
5. Antriebsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (10) eine Steuereinrichtung zum jeweiligen Aktivieren und Deaktivieren der Wechselrichtereinrichtungen (22) umfasst. 5. Drive arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the drive arrangement (10) comprises a control device for respectively activating and deactivating the inverter devices (22).
6. Antriebsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen der zumin¬ dest zwei mehrphasigen Wicklungseinrichtungen (16) in einer gemeinsamen Nut eines Stators der elektrischen Antriebsein- richtung (14) angeordnet sind. 6. The drive assembly (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the windings of the at least two ¬ polyphase winding means (16) are arranged in a common slot of a stator of the electric Antriebsein- direction (14).
7. Antriebsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen der zumindest zwei mehrphasigen Wicklungseinrichtungen (16) in räumlich getrennt zueinander angeordneten Nuten eines Stators der elektrischen Antriebseinrichtung (14) angeordnet sind. 7. Drive arrangement (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that windings of the at least two multi-phase winding devices (16) are arranged in spaced-apart grooves of a stator of the electric drive device (14).
8. Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zumindest zwei mehrphasigen Wick- lungseinrichtungen (16) jeweils ein separater Rotor zugeordnet ist, wobei die Rotoren auf einer gemeinsamen Welle ange¬ ordnet sind. 8. The drive assembly (10) according to claim 7, characterized in that each of the at least two multi-phase interturn means (16) each associated with a separate rotor, the rotors being attached ¬ arranged on a common shaft.
9. Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass einer der Rotoren permanenterregt ausgebildet ist und ein anderer der Rotoren als Kurzschlussläufer ausgebildet ist. 9. Drive arrangement (10) according to claim 8, characterized in that one of the rotors is permanently excited and another of the rotors is designed as a squirrel-cage rotor.
10. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 10. Motor vehicle with a drive arrangement (10) according to one of the preceding claims.
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