DE102014220834A1

DE102014220834A1 - Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102014220834A1
Application number: DE102014220834.3A
Authority: DE
Inventors: Waleed Sahhary; Christoph Woll; Klaus Beulich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Also published as: CN106797186B; US20170232862A1; JP6494749B2; JP2017532942A; CN106797186A; WO2016058742A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei der die elektrische Maschine in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer ersten Spannung angesteuert wird. Zur temporären Leistungssteigerung kann die elektrische Maschine ferner in einem zweiten Betriebsmodus angesteuert werden, bei der die zur Ansteuerung verwendete Spannung durch eine weitere Energiequelle erhöht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
Um bei Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel elektrisch angetriebenen Personenkraftwagen, eine gute Beschleunigung bei gleichzeitig hoher Endgeschwindigkeit zu erreichen, sind verschiedene Konzepte bekannt. Beispielsweise kann die elektrische Maschine über ein Zweiganggetriebe mit den Rädern gekoppelt werden. Weiterhin ist es auch bekannt, bei besonders sportlichen und leistungsstarken Elektrofahrzeugen die elektrische Maschine entsprechend groß zu dimensionieren, um auch bei hohen Drehzahlen noch ein ausreichendes Drehmoment bereitstellen zu können.
DE 10 2011 056 012 A1 beschreibt darüber hinaus einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug mit zwei separaten elektrischen Maschinen, wobei eine erste Maschine im Vergleich zu der zweiten elektrischen Maschine für ein höheres maximales Drehmoment, aber eine geringere maximale Drehzahl ausgelegt ist.
Aufgrund der zunehmenden Weiterentwicklung im Bereich der elektrischen Antriebssysteme, insbesondere für Elektrofahrzeuge, besteht ein Bedarf nach einem kostengünstigen, effizienten boostfähigen elektrischen Antriebssystem.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem mit einem elektrischen Energiespeicher, der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung umfasst; einer elektrischen Maschine; und einem Wechselrichter, der dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus die elektrische Maschine unter Verwendung einer von der ersten Energiespeichervorrichtung bereitgestellten ersten Spannung anzusteuern, und in einem zweiten Betriebsmodus die elektrische Maschine unter Verwendung einer durch eine Reihenschaltung aus erster Energiespeichervorrichtung und zweiter Energiespeichervorrichtung resultierenden zweiten Spannung anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den Schritten des Bereitstellens eines elektrischen Energiespeichers, der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung umfasst, des Ansteuerns der elektrischen Maschine in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer von der ersten Energiespeichervorrichtung bereitgestellten ersten Spannung; und des Ansteuerns der elektrischen Maschine in einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung einer durch eine Reihenschaltung aus erster Energiespeichervorrichtung und zweiter Energiespeichervorrichtung resultierenden zweiten Spannung.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine elektrische Maschine in einem elektrischen Antriebssystem in Abhängigkeit des aktuell erforderlichen Leistungsbedarfs mit unterschiedlichen Spannungen anzusteuern. Bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringem Leistungsbedarf kann die elektrische Maschine dabei von einer geringeren elektrischen Spannung aus einer geeigneten Energiespeichervorrichtung angesteuert werden. Zur Leistungssteigerung, insbesondere bei hohen Drehzahlen, kann darüber hinaus durch Kombination der Energiespeichervorrichtung mit einer weiteren Energiespeichervorrichtung die Spannung zur Ansteuerung des elektrischen Motors gesteigert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, auch bei geringem Leistungsbedarf die elektrische Maschine in einem effizienten Arbeitspunkt anzusteuern. Somit wird bei geringem Leistungsbedarf ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht, der größer ist als der Wirkungsgrad eines konventionellen Antriebssystems in einem Teillastbetrieb.
Bei einem höheren Leistungsbedarf, zum Beispiel für starkes Beschleunigen bei hohen Drehzahlen oder für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs bei relativ hohen Geschwindigkeiten, kann darüber hinaus durch eine zusätzliche Energiespeichervorrichtung die Spannung zum Ansteuern der elektrischen Maschine erhöht werden. Beispielsweise werden hierzu mehrere Energiespeichervorrichtungen in Reihe geschaltet, so dass zum Ansteuern der elektrischen Maschine die Summe aus den Klemmenspannungen der einzelnen Energiespeichervorrichtungen zur Verfügung steht.
Durch die erfindungsgemäße Ansteuerung des elektrischen Antriebssystems wird somit einerseits bei geringem Leistungsbedarf ein hoher Wirkungsgrad erzielt, während darüber hinaus auch für hohe Leistungen und hohe Drehzahlen eine ausreichende Energiereserve zur Verfügung steht. Dieser Betriebsmodus wird auch als Boost-Betriebsmodus bezeichnet. Dabei ist nur eine relativ geringe Modifikation eines konventionellen Antriebssystems erforderlich. Im Gegensatz zu konventionellen Lösungen, die ein aufwändiges Getriebe, eine zusätzliche elektrische Maschine, oder ähnliches erfordern, sinken die Kosten, das Gewicht und das Volumen des elektrischen Antriebssystems.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Wechselrichter einen Neutral-Point Clamped(NPC)-Wechselrichter. NPC-Wechselrichter erlauben im Vergleich zu konventionellen B6-Brücken eine Verdoppelung der Ausgangsspannung bei Einsatz von Schaltelementen mit unveränderter Spannungsfestigkeit. Auf diese Weise ist es möglich, die elektrische Maschine in dem Betriebsmodus mit den entsprechend hohen Spannungen anzusteuern, ohne hierzu neue, spannungsfestere Schaltelemente entwickeln zu müssen. Entsprechende Halbleiterschaltelemente, insbesondere MOSFET, IGBT, Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid(GaN)-Schaltelemente mit einer ausreichenden Spannungsfestigkeit sind somit bereits im Markt verfügbar. Darüber hinaus erlaubt der Einsatz von NPC-Wechselrichtern auch die Verkleinerung der erforderlichen passiven Bauelemente aufgrund höherer möglicher Schaltfrequenzen, ohne dass dies wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Ferner führt der Ausfall eines Schalters nicht zwangsläufig zum vollständigen Ausfall des NPC-Wechselrichters, wodurch auch die Verfügbarkeit des elektrischen Antriebssystems gesteigert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste elektrische Energiespeichervorrichtung und die zweite elektrische Energiespeichervorrichtung an einem Knotenpunkt miteinander verbunden. Dieser Knotenpunkt ist mit dem Mittenanschluss (Neutralpunkt) des NPC-Wechselrichters elektrisch verbunden. Auf diese Weise kann beispielsweise als Energiespeicher eine elektrische Batterie mit einem Mittelabgriff eingesetzt werden. Der Mittelabgriff stellt in diesem Fall den Knotenpunkt zwischen den beiden Energiespeichervorrichtungen dar. Auf diese Weise kann die Energieversorgung für das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem besonders einfach realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Wechselrichter ferner dazu ausgelegt, in einem Rekuperationsmodus eine von der elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Spannung gleichzurichten. Diese gleichgerichtete elektrische Spannung kann durch den Wechselrichter an der ersten elektrischen Energiespeichervorrichtung und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichervorrichtung bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, durch die elektrische Maschine Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und diese elektrische Energie wieder dem elektrischen Energiespeicher zuzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung unterschiedlich aufgebaut. Beispielsweise kann die erste Energiespeichervorrichtung eine Hochenergiespeichervorrichtung umfassen. Derartige Hochenergiespeichervorrichtungen sind dazu ausgelegt, eine große Menge an Energie zu speichern und bei Bedarf diese Energie wieder abzugeben. Auf diese Weise kann beispielsweise durch die erste elektrische Energiespeichervorrichtung die erforderliche Energie für einen längerfristigen Betrieb der elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Weiterhin kann beispielsweise die zweite elektrische Energiespeichervorrichtung als Hochleistungs-Energiespeicher ausgeführt werden. Ein derartiger Hochleistungs-Energiespeicher ist insbesondere in der Lage, sehr rasch eine große Menge an elektrischer Energie bereitzustellen. Diese bereitgestellte elektrische Energie kann zum Beispiel für einen starken Beschleunigungsvorgang oder ein kurzzeitiges Betreiben der elektrischen Maschine bei besonders hoher Leistung verwendet werden. Durch die unterschiedliche Ausführung der beiden elektrischen Energiespeichervorrichtungen kann dabei jede der beiden Energiespeichervorrichtungen individuell auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Wird darüber hinaus beispielsweise während dem Rekuperieren der elektrische Energiespeicher auch durch den Wechselrichter aufgeladen, so kann dabei insbesondere eine der beiden elektrischen Energiespeichervorrichtungen bevorzugt ausgewählt werden. In diesem Fall kann die Energiespeichervorrichtung, die während dem Rekuperationsvorgang aufgeladen werden soll, für eine erhöhte Anzahl von Ladezyklen optimiert werden. Beispielsweise sind hierzu Supercaps oder ähnliches besonders geeignet. Wird während des Rekuperierens die Energiespeichervorrichtung aufgeladen, die für eine erhöhte Anzahl von Ladezyklen ausgelegt ist, so kann die Lebenserwartung der gesamten Energiespeichervorrichtung gesteigert werden.
In einer alternativen Ausführungsform sind die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung gleich aufgebaut. Auf diese Weise kann der erforderliche elektrische Energiespeicher ohne erhöhten Entwicklungsaufwand besonders einfach realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Energiespeichervorrichtung eine Traktionsbatterie. Somit kann der elektrische Energiespeicher für das erfindungsgemäße Antriebssystem besonders einfach aufgebaut werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Energiespeichervorrichtung und/oder die zweite Energiespeichervorrichtung eine Klemmenspannung von mindestens 300 Volt auf. Vorzugsweise weist die entsprechende Klemmenspannung eine Spannung von etwa 400 Volt. Für derartige Spannungsniveaus existieren bereits zahlreiche verfügbare Bauelemente mit ausreichender Spannungsfestigkeit, wie beispielsweise Traktionsbatterien und NPC-Wechselrichter. Daher kann das elektrische Antriebssystem in diesem Fall besonders einfach und kostengünstig aufgebaut werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die elektrische Maschine dann in dem zweiten Betriebsmodus angesteuert, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet und/oder ein von der elektrischen Maschine bereitzustellendes Drehmoment einen vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet. Durch den Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder dem angeforderten Drehmoment kann für jeden Fall der optimale Betriebsmodus ausgewählt werden, so dass einerseits die elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben wird und darüber hinaus auch temporären hohen Leistungsanforderungen Rechnung getragen werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem. Durch die Integration eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems in ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einem Personenkraftwagen, oder aber auch anderen Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Busse oder Lastkraftwagen, kann über ein sehr breites Leistungsspektrum jeweils ein effizientes Antriebssystem bereitgestellt werden, das insbesondere auch beim Beschleunigen oder hohen Geschwindigkeiten eine ausreichende Leistungsreserve bietet.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;
2: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem NPC-Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform;
3: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform;
4: eine schematische Darstellung des Verlaufs des Drehmoments über die Drehzahl einer elektrischen Maschine; und
5: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Ein elektrischer Energiespeicher 1 speist mit seiner elektrischen Energie einen Wechselrichter 2. Der Wechselrichter 2 konvertiert die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung und steuert mit dieser Wechselspannung eine elektrische Maschine 3 an.
Bei dem elektrischen Energiespeicher 1 kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen elektrischen Energiespeicher handeln, der neben den beiden äußeren Anschlüssen Plus und Minus noch einen zusätzlichen Mittenabgriff K aufweist. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 1 um einen zweiteiligen Energiespeicher handeln, der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung 11 und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung 12 umfasst, wobei die erste und die zweite Energiespeichervorrichtung 11 und 12 an einem Knotenpunkt elektrisch miteinander verbunden sind. Dieser Knotenpunkt stellt in diesem Fall den Mittenabgriff K des elektrischen Energiespeichers 1 dar. In dem hier dargestellten Beispiel ist der positive Anschluss der ersten Energiespeichervorrichtung 11 mit dem negativen Anschluss der zweiten Energiespeichervorrichtung 12 verbunden und dieser Knotenpunt ist mit dem Wechselrichter 2 verbunden. Ferner sind der negative Anschluss der ersten Energiespeichervorrichtung 11 sowie der positive Anschluss der zweiten Energiespeichervorrichtung 12 mit dem Wechselrichter 2 verbunden. Alternativ ist auch ein elektrischer Energiespeicher 1 möglich bei dem der negative Anschluss der ersten Energiespeichervorrichtung 11 mit dem positiven Anschluss der zweiten Energiespeichervorrichtung 12 verbunden ist.
Bei dem elektrischen Energiespeicher 1 kann es sich dabei um eine Batterie mit einem Mittenabgriff K handeln, bei der die beiden Energiespeichervorrichtungen 11 und 12 jeweils durch eine oder mehrere Batteriezellen gebildet werden. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher 1 auch durch zwei separate Batterien gebildet werden, wobei jede der beiden Batterien einer elektrischen Energiespeichervorrichtung 11 bzw. 12 entspricht. In diesem Fall stellt die elektrische Verbindung zwischen den beiden Batterien den Mittenabgriff K dar.
Die Klemmenspannung der ersten elektrischen Energiespeichervorrichtung 11 kann dabei genau oder zumindest annähernd der Klemmenspannung der zweiten elektrischen Energiespeichervorrichtung 12 entsprechen. Alternativ ist es ebenso möglich, dass die erste elektrische Energiespeichervorrichtung 11 und die zweite elektrische Energiespeichervorrichtung 12 unterschiedliche Klemmenspannungen aufweisen. Vorzugsweise entspricht zumindest die Klemmenspannung über der ersten elektrischen Energiespeichervorrichtung 11 der Klemmenspannung einer konventionellen Traktionsbatterie, wie sie zum Betrieb einer elektrischen Maschine, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug, eingesetzt wird. Solche Traktionsbatterien weisen in der Regel eine Klemmenspannung von mindestens 300 Volt, insbesondere zwischen etwa 300 und 400 Volt auf.
Die erste elektrische Energiespeichervorrichtung 11 und die zweite elektrische Energiespeichervorrichtung 12 des elektrischen Energiespeichers 1 können gleich aufgebaut sein. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, dass die erste Energiespeichervorrichtung 11 und die zweite Energiespeichervorrichtung 12 sich in ihrem Aufbau, oder zumindest in den Parametern, wie Energiespeicherkapazität und/oder Klemmenspannung, unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich, dass die erste Energiespeichervorrichtung 11 eine größere oder kleinere Energiespeicherkapazität aufweist, als die zweite Energiespeichervorrichtung 12. Die erste Energiespeichervorrichtung 11 kann beispielsweise als ein Hochenergiespeicher ausgelegt werden. Ein solcher Hochenergiespeicher kann in einem relativ geringen Speichervolumen eine große Menge an Energie speichern und bei Bedarf diese elektrische Energie zur Verfügung stellen. Die zweite Energiespeichervorrichtung 12 kann beispielsweise als Hochleistungsspeicher ausgeführt sein. Ein solcher Hochleistungsspeicher ist in der Lage innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine große Menge an Energie, insbesondere eine große Menge an elektrischer Energie, bereitzustellen. Somit kann durch einen solchen Hochleistungsspeicher beispielsweise bei einem sehr hohen Leistungsbedarf die erforderliche elektrischer Energie sehr rasch bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Hochleistungsspeicher um einen Supercap oder ähnliches handeln. Andere Speichertechnologien sind jedoch ebenso möglich.
Ferner können die beiden elektrischen Energiespeichervorrichtungen 11 und 12 des elektrischen Energiespeichers 1 auch für eine unterschiedliche Anzahl von maximalen Ladezyklen optimiert werden. So kann zum Beispiel einer der beiden elektrischen Energiespeichervorrichtungen 11 oder 12 für eine besonders hohe Anzahl von Ladezyklen optimiert werden, während die jeweils andere Energiespeichervorrichtung 11 bzw. 12 nur für eine geringere Anzahl von Ladezyklen ausgelegt ist. In diesem Fall kann in einem Rekuperationsmodus die elektrische Energie vorzugsweise in die Energiespeichervorrichtung 11 bzw. 12 eingespeist werden, die für eine höhere Anzahl von Ladezyklen ausgelegt ist. Somit wird die Energiespeichervorrichtung 11 bzw. 12, die für eine geringere Anzahl von Ladezyklen ausgelegt ist, während des Rekuperationsvorgangs nicht belastet. Auf diese Weise kann der elektrische Energiespeicher 1 kostengünstig für eine lange Lebensdauer gestaltet werden.
Die drei Anschlüsse des elektrischen Energiespeichers 1, also der negative Anschluss, der positive Anschluss und der Mittenabgriff K sind mit einem Wechselrichter 2 elektrisch verbunden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Wechselrichter um einen Neutral-Point Clamped Wechselrichter (NPC-Wechselrichter) handeln. Der Wechselrichter 2 konvertiert die von dem elektrischen Energiespeicher 1 bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung. Mit dieser konvertierten Wechselspannung wird die mit dem Wechselrichter 2 elektrisch verbundene elektrische Maschine 3 angesteuert. Dabei kann der Betrieb des Wechselrichters 2 basierend auf Steuersignalen erfolgen, die von einer Steuervorrichtung 4 generiert und an dem Wechselrichter 2 bereitgestellt werden. Die Generierung der Steuersignale in der Steuervorrichtung 4 kann dabei beispielsweise basierend auf Steuerparametern 41 erfolgen, wie zum Beispiel einer vorgegebenen Drehzahl oder einem an der elektrischen Maschine 3 bereitzustellenden Drehmoment berechnet werden.
In einem ersten Betriebsmodus kann der Wechselrichter 2 dabei die elektrische Maschine 3 dabei ausschließlich unter Verwendung der Teilspannung des elektrischen Energiespeichers 1 ansteuern, die durch die erste Energiespeichervorrichtung 11 bereitgestellt wird. Die zweite Energiespeichervorrichtung 12 wird in diesem ersten Betriebsmodus zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 nicht verwendet. In diesem ersten Betriebsmodus wird somit die Amplitude der Spannung, mit der die elektrische Maschine 3 angesteuert werden kann, durch die Klemmenspannung der ersten Energiespeichervorrichtung 11 begrenzt. In der Regel ist die durch die erste Energiespeichervorrichtung 11 bereitgestellte Spannung ausreichend, um die elektrische Maschine 3 in einem Drehzahlbereich bis zu einer vorbestimmten Grenze zu betreiben. Bis zu dieser Grenze für die Drehzahl kann die elektrische Maschine 3 auch unter Verwendung von der ausschließlich durch die erste Energiespeichervorrichtung 11 bereitgestellten Spannung gut beschleunigt werden. Um darüber hinaus auch bei höheren Drehzahlen die elektrische Maschine gut beschleunigen zu können bzw. auch bei höheren Drehzahlen ein ausreichendes Drehmoment durch die elektrische Maschine 3 bereitstellen zu können, kann die elektrische Maschine 3 durch den Wechselrichter 2 in einem weiteren Betriebsmodus unter Verwendung der vollständigen Spannung an dem elektrischen Energiespeicher 1 angesteuert werden. In diesem Fall verwendet der Wechselrichter 2 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 eine elektrische Spannung, die sich aus Reihenschaltung der ersten Energiespeichervorrichtung 11 und der zweiten Energiespeichervorrichtung 12 ergibt, und die zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss des elektrischen Energiespeichers 1 anliegt. Durch die Verwendung dieser höheren elektrischen Spannung kann der Wechselrichter 2 an der elektrischen Maschine 3 auch eine Wechselspannung mit einer entsprechend höheren Amplitude bereitstellen. Somit kann auch bei höheren Drehzahlen durch die elektrische Maschine 3 ein ausreichend großes Drehmoment bereitgestellt werden, bzw. es kann eine verbesserte Beschleunigung der elektrischen Maschine 3 auch bei höheren Drehzahlen erreicht werden. Hierzu ist zu beachten, dass die Isolation der elektrischen Maschine 3, insbesondere die Isolation der Wicklungen in der elektrischen Maschine 3 auch entsprechend spannungsfest ausgestattet ist. Das heißt, die Spannungsfestigkeit der elektrischen Maschine 3 muss auf die elektrische Spannung angepasst werden, die sich zwischen dem positiven und negativen Anschluss des elektrischen Energiespeichers 1, also durch Reihenschaltung der ersten und der zweiten Energiespeichervorrichtung 11 und 12 ergibt. Ferner muss das elektrische Antriebssystem, insbesondere die elektrische Maschine 3, sowie der Wechselrichter 2, für die hohe elektrische Leistung und die damit verbundene Wärmeentwicklung ausgelegt sein, die in diesem zweiten Betriebsmodus auftreten können.
Die Entscheidung, ob der Wechselrichter 2 die elektrische Maschine 3 in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung der elektrischen Spannung von nur einer elektrischen Energiespeichervorrichtung 11 ansteuert, oder ob die elektrische Maschine 3 unter Verwendung der vollen elektrischen Spannung des elektrischen Energiespeichers 1 aus erster und zweiter Energiespeichervorrichtung 11 und 12 angesteuert wird, kann dabei basierend auf der Drehzahl der elektrischen Maschine 3 und/oder einem an der elektrischen Maschine 3 einzustellenden Drehmoment bestimmt werden. Wie zuvor beschrieben, ist es dabei bei niedrigen Drehzahlen bzw. einem niedrigen einzustellenden Drehmoment an der elektrischen Maschine 3 ausreichend, die elektrische Maschine 3 nur unter Verwendung der Spannung der ersten Energiespeichervorrichtung 11 anzusteuern. Bei höheren Drehzahlen und/oder höheren einzustellenden Drehmomenten dagegen wird die elektrische Maschine 3 unter Verwendung der elektrischen Spannung von erster und zweiter Energiespeichervorrichtung 11, 12 angesteuert. Die Auswahl des jeweiligen Betriebsmodus kann dabei durch eine Steuervorrichtung 4 unter Verwendung der an der Steuervorrichtung 4 bereitgestellten Steuerparameter 41 getroffen werden. Die Steuervorrichtung 4 kann dabei beispielsweise Daten über eine Soll-Drehzahl der elektrischen Maschine sowie ein einzustellendes Drehmoment an der elektrischen Maschine empfangen und daraus den geeigneten Betriebsmodus ermitteln. Anschließend erfolgt die Ansteuerung des Wechselrichters 2 in dem so ermittelten Betriebsmodus.
Neben den beiden zuvor beschriebenen Betriebsmodi ist ferner ein Rekupiermodus möglich. In diesem weiteren Betriebsmodus wird die elektrische Maschine 3 als Generator betrieben. Die elektrische Maschine 3 stellt dabei an dem Wechselrichter 2 eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung bereit, die durch den Wechselrichter 2 in eine Gleichspannung konvertiert wird. Der Wechselrichter 2 arbeitet in diesem Betriebsmodus also als Gleichrichter. Die so gleichgerichtete Spannung kann daraufhin an dem Energiespeicher 1 bereitgestellt werden und den Energiespeicher 1 aufladen. Dabei ist es möglich, dass sowohl die erste Energiespeichervorrichtung als auch die zweite Energiespeichervorrichtung 12 des elektrischen Energiespeichers 1 gleichzeitig aufgeladen werden. Alternativ ist es möglich, nur eine der beiden Energiespeichervorrichtungen 11 oder 12 aufzuladen. Beispielsweise kann nur diejenige Energiespeichervorrichtung 11 oder 12 aufgeladen werden, die aktuell einen geringeren Ladezustand aufweist. Ferner ist es auch möglich, eine der beiden Energiespeichervorrichtungen 11 oder 12 bevorzugt aufzuladen. Beispielsweise kann eine der beiden Energiespeichervorrichtungen 11 oder 12 für eine höhere Anzahl von Ladezyklen optimiert werden Die jeweils andere Energiespeichervorrichtung 11 oder 12 kann in diesem Fall kostengünstig für eine geringere Anzahl von Ladezyklen ausgelegt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform, bei der der Wechselrichter 2 als NPC-Wechselrichter ausgeführt ist. Solche NPC-Wechselrichter eignen sich besonders als Wechselrichter für das zuvor beschriebene elektrische Antriebssystem. Zwischen Mittenabgriff K und positivem bzw. negativem Anschluss des elektrischen Energiespeichers 1 ist jeweils ein Zwischenkreiskondensator C1, C2 angeordnet. Jede der drei Phasen des hier dargestellten Wechselrichters umfasst vier Halbleiterschaltelemente T1 bis T4, T5 bis T8 und T9 bis T12. Grundsätzlich lässt sich mit dem hier dargestellten Schaltungsprinzip jedoch auch eine von drei abweichende Anzahl von Phasen realisieren. Für die erste Phase sind dabei die vier Schaltelemente T1 bis T4 zwischen dem positiven und dem negativen Anschluss des Energiespeichers 1 in Reihe geschaltet. Der mittlere Knotenpunkt zwischen dem zweiten Halbleiterschaltelement T2 und dem dritten Halbleiterschaltelement T3 ist mit einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine 3 verbunden. Der Knotenpunkt zwischen erstem und zweitem Halbleiterschaltelement T1, T2, sowie der Knotenpunkt zwischen drittem und viertem Halbleiterschaltelement T3, T4 sind jeweils über eine Diode D1 bzw. D2 mit dem Mittenabgriff K des elektrischen Energiespeichers 1 verbunden. Der Aufbau für die weiteren Phasen ist dabei, wie in 2 dargestellt, analog zu der gerade beschriebenen ersten Phase.
Ein derart ausgeführter Wechselrichter 2 in Form eines NPC-Wechselrichters erlaubt dabei auch den Einsatz von konventionellen Schaltelementen, wie beispielsweise MOSFET oder IGBT, aber auch neuartiger, schnell schaltender Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN)Schalter.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 5 mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. Der elektrische Energiespeicher 1 speist den Wechselrichter 2. Der Wechselrichter 2 steuert daraufhin die elektrische Maschine 3 an. Die elektrische Maschine 3 ist über ein Getriebe und eine mechanische Verbindung mit den Rädern 51 einer Achse des Fahrzeugs 5 gekoppelt. Abhängig von der Drehzahl der elektrischen Maschine 3 und somit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 5, sowie der gewünschten Beschleunigung bzw. einem einzustellenden Drehmoment wird dabei die elektrische Maschine 3 entweder mit der vollen durch den Energiespeicher 1 bereitgestellten Spannung angesteuert, oder nur mit einer Teilspannung zwischen einem Mittenabgriff und einem Außenanschluss des elektrischen Energiespeichers 1.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms des verfügbaren Drehmoments M über die Drehzahl n einer elektrischen Maschine 3. Der gestrichelte Kurvenverlauf zeigt dabei das verfügbare Drehmoment in dem ersten Betriebsmodus, bei dem die elektrische Maschine 3 durch den Wechselrichter 2 nur mit der Teilspannung aus der ersten elektrischen Energiespeichervorrichtung 11 angesteuert wird. Wie dabei zu erkennen, fällt oberhalb einer Grenzdrehzahl das verfügbare Drehmoment ab. Daher kann die elektrische Maschine 3 und somit gegebenenfalls auch ein mit dieser elektrischen Maschine 3 angetriebenes Elektrofahrzeug nur noch wesentlich schwächer beschleunigt werden. Bei Verwendung der vollen Spannung des elektrischen Energiespeichers 1 aus Kombination von erster und zweiter Energiespeichervorrichtung 11 und 12 bleibt das verfügbare Drehmoment dagegen über einen weitaus höheren Drehzahlbereich konstant, bevor auch hier ein Absinken zu verzeichnen ist. Daher kann die elektrische Maschine 3 bei Ansteuerung mit der höheren elektrischen Spannung auch über einen höheren Drehzahlbereich sehr gut beschleunigt werden.
Das zuvor beschriebene elektrische Antriebssystem kann beispielsweise für ganz oder teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Insbesondere bei Personenkraftwagen mit einer relativ hohen Endgeschwindigkeit kann über einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich eine gute Beschleunigung erzielt werden. Auch bei hohen Drehzahlen kann dabei noch ein großes Drehmoment bereitgestellt werden. Ebenso kann das zuvor beschriebene elektrische Antriebssystem auch für beliebige andere Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Beispielsweise können auch schwere Fahrzeuge, wie zum Beispiel Busse oder Lastkraftwagen, während eines normalen Fahrbetriebs in einem Betriebsmodus angesteuert werden und während einer starken Beschleunigung in dem anderen Betriebsmodus betrieben werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine 3 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In einem ersten Schritt S1 wird ein elektrischer Energiespeicher 1 bereitgestellt, der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung 11 und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung 12 umfasst. Die beiden elektrischen Energiespeichervorrichtungen 11 und 12 sind dabei vorzugsweise an einem gemeinsamen Knotenpunkt K miteinander elektrisch gekoppelt. In Schritt S2 wird die elektrische Maschine 3 in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer von der ersten Energiespeichervorrichtung 11 bereitgestellten Spannung angesteuert. Weiterhin wird in einem zweiten Betriebsmodus in Schritt S3 die elektrische Maschine 3 unter Verwendung einer durch eine Reihenschaltung aus erster Energiespeichervorrichtung 11 und zweiter Energiespeichervorrichtung 12 resultierenden zweiten Spannung angesteuert. Die elektrische Maschine 3 wird dabei in dem zweiten Betriebsmodus dann angesteuert, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine 3 einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet und/oder ein von der elektrischen Maschine 3 bereitzustellendes Drehmoment einen vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei der die elektrische Maschine in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer ersten Spannung angesteuert wird. Zur temporären Leistungssteigerung kann die elektrische Maschine ferner in einem zweiten Betriebsmodus angesteuert werden, bei der die zur Ansteuerung verwendete Spannung durch eine weitere Energiequelle erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011056012 A1 [0003]

Claims

Elektrisches Antriebssystem, mit: einem elektrischen Energiespeicher (1), der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung(11) und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung (12) umfasst; einer elektrische Maschine (3); und einem Wechselrichter (2), der dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus die elektrische Maschine (3) unter Verwendung einer von der ersten Energiespeichervorrichtung (11) bereitgestellten ersten Spannung anzusteuern, und in einem zweiten Betriebsmodus die elektrische Maschine (3) unter Verwendung einer durch eine Reihenschaltung aus erster Energiespeichervorrichtung (11) und zweiter Energiespeichervorrichtung (12) resultierenden zweiten Spannung anzusteuern.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter (2) einen Neutral-Point Clamped, NPC, Wechselrichter umfasst.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, wobei die erste elektrische Energiespeichervorrichtung (11) und die zweite elektrische Energiespeichervorrichtung (12) an einem Knotenpunkt (K) miteinander elektrisch verbunden sind, und der Knotenpunkt (K) mit einem Mittelanschluss des NPC-Wechselrichters elektrisch verbunden ist.
Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wechselrichter (2) ferner dazu ausgelegt ist, in einem Rekuperationsmodus eine von der elektrischen Maschine (3) bereitgestellte elektrische Spannung gleichzurichten und an der ersten elektrischen Energiespeichervorrichtung (11) und/oder der zweiten elektrischen Energiespeichervorrichtung (12) bereitzustellen.
Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (11) und die die zweite Energiespeichervorrichtung (12) unterschiedlich aufgebaut sind.
Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (11) eine Traktionsbatterie umfasst.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (3), mit den Schritten: Bereitstellen (S1) eines elektrischen Energiespeichers (1), der eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung (11) und eine zweite elektrische Energiespeichervorrichtung (12) umfasst; Ansteuern (S2) der elektrischen Maschine (3) in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer von der ersten Energiespeichervorrichtung (11) bereitgestellten ersten Spannung; und Ansteuern (S3) der elektrischen Maschine (3) in einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung einer durch eine Reihenschaltung aus erster Energiespeichervorrichtung (11) und zweiter Energiespeichervorrichtung (12) resultierenden zweiten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die elektrische Maschine (3) in dem zweiten Betriebsmodus angesteuert wird, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine (3) einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet und/oder ein von der elektrischen Maschine (3) bereitzustellendes Drehmoment einen vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet.