DE102015213053A1 - Improved drive arrangement for an electrically driven vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung offenbart eine Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit Strom zu versorgen, aufweisend, – einen Traktionsakkumulator, der dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeuges mit Strom zu versorgen; – einen Wechselrichter, der dazu ausgebildet ist, den Gleichstrom von dem Traktionsakkumulator in einen Wechselstrom für die elektrische Maschine zu wandeln; – einen Zwischenkreisspeicher, der dazu ausgebildet ist, mit dem Wechselrichter gekoppelt zu werden und über einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit dem Traktionsakkumulator gekoppelt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreisspeicher eine Kapazität aufweist, die ausreicht, um das Fahrzeug für eine Straßenverkehrsteilnahme relevant zu beschleunigen.The invention discloses a drive assembly adapted to power an electric machine of an electrically driven vehicle, comprising: a traction accumulator configured to supply power to the electric machine to drive the vehicle; An inverter configured to convert the direct current from the traction battery into an alternating current for the electric machine; An intermediate circuit memory adapted to be coupled to the inverter and to be coupled to the traction accumulator via a DC-DC converter, characterized in that the intermediate circuit memory has a capacity sufficient to make the vehicle relevant for road participation to accelerate.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Antriebsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bei dem eine Lastspitze einer elektrischen Maschine zum Antreiben des Fahrzeuges weniger Komponenten der Antriebsanordnung belastet.The present invention relates to an improved drive assembly for an electrically powered vehicle in which a load tip of an electric machine for driving the vehicle loads fewer components of the drive assembly.
Im Stand der Technik sind vollständig elektrisch angetriebene Fahrzeuge bekannt, bei denen ein Traktionsakkumulator die elektrische Maschine mit Strom versorgt. Ferner sind im Stand der Technik Hybrid-Antriebe bekannt, die einen Verbrennungsmotor sowie eine von einem Traktionsakkumulator versorgte elektrische Maschine aufweisen.In the prior art fully electrically powered vehicles are known in which a Traktionsakkumulator provides the electric machine with power. Furthermore, in the prior art hybrid drives are known, which have an internal combustion engine and an electric motor powered by a traction battery.
Im Allgemeinen werden bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eine Mehrzahl Traktionsakkumulatorzellen, beispielsweise elektrochemische Zellen, die typischerweise Lithium-Ionen-Zellen sind, seriell verschaltet, um die zum Antrieb des Fahrzeuges erforderliche Energie und Leistung bereitstellen zu können. Eine Skalierung, beispielsweise der Spannungsniveaus je nach Drehzahl und/oder Arbeitspunkt der elektrischen Maschine, kann lediglich über eine Parallelschaltung mehrerer Traktionsakkumulatorzellen bzw. Strängen mit einer Mehrzahl Traktionsakkumulatorzellen oder durch eine Erhöhung der Anzahl in Serie geschalteter Traktionsakkumulatorzellen erzielt werden. Es ist jedoch erforderlich, die maximal zulässige Spannung für die elektronischen Bauteile zu beachten, so dass nicht beliebig viele Traktionsakkumulatorzellen in Serie geschaltet werden können. Bei dieser Ausgestaltung ist der Traktionsakkumulator direkt an einen Wechselrichter angeschlossen, der den Gleichstrom des Traktionsakkumulators in einen Wechselstrom für die elektrische Maschine wandelt. Die direkte Kopplung des Traktionsakkumulators mit der elektrischen Maschine hat den Nachteil, dass Spannungsniveaus nicht oder lediglich mit einer geringen Flexibilität an den aktuellen Lastzustand der elektrischen Maschine angepasst werden können. Dies führt zu einem reduzierten Wirkungsgrad, der mit einer reduzierten Reichweite und/oder reduzierten maximal abrufbarer Leistung einhergeht.Generally, in electrically powered vehicles, a plurality of traction battery cells, such as electrochemical cells, which are typically lithium ion cells, are connected in series to provide the power and power required to power the vehicle. Scaling, for example the voltage levels depending on the rotational speed and / or operating point of the electric machine, can only be achieved via a parallel connection of several traction accumulator cells or strings with a plurality of traction accumulator cells or by an increase in the number of series-connected traction accumulator cells. However, it is necessary to observe the maximum allowable voltage for the electronic components, so that not as many Traktionsakkumulatorzellen can be connected in series. In this embodiment, the traction battery is connected directly to an inverter, which converts the direct current of the traction battery into an alternating current for the electric machine. The direct coupling of the Traktionsakkumulators with the electric machine has the disadvantage that voltage levels can not be adapted or only with a low flexibility to the current load condition of the electric machine. This leads to a reduced efficiency, which is accompanied by a reduced range and / or reduced maximum retrievable power.
Die
Die
Die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler müssen immer für die maximal anfallende Last ausgelegt werden, auch wenn diese lediglich kurzzeitig anliegt. Zudem weisen die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler insbesondere bei hoher Last einen niedrigen Wirkungsgrad auf. Es ist bekannt, dass Traktionsakkumulatoren aus einer Parallelschaltung von Strängen mit Akkumulatorzellen, die hinsichtlich einer möglichst hohen Kapazität optimiert sind, und Strängen mit einer Serienschaltung von Akkumulatorzellen, die für eine schnelle Stromabgabe optimiert sind, aufzubauen. Der niedrigere Wirkungsgrad der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler im Fall einer hohen Last reduziert daher die Effizienzsteigerung, die durch Verwendung unterschiedlicher Typen von Akkumulatorzellen erreicht werden kann.The DC-DC converters must always be designed for the maximum load, even if it is only present for a short time. In addition, the DC-DC converters have a low efficiency, especially at high load. It is known that traction accumulators are constructed from a parallel connection of strings with accumulator cells which are optimized for the highest possible capacity, and strings with a series circuit of accumulator cells which are optimized for a fast current output. The lower efficiency of the DC-DC converters in the case of a high load therefore reduces the efficiency increase that can be achieved by using different types of battery cells.
Die
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, den Wirkungsgrad einer Antriebsanordnung zum Versorgen einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges zu erhöhen.The invention has as its object to increase the efficiency of a drive arrangement for supplying an electric machine of an electrically driven vehicle.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Antriebsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.The object of the invention is achieved by a drive arrangement according to
Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Maschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit Strom zu versorgen, umfasst einen Traktionsakkumulator, der dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeuges mit Strom zu versorgen, einen Wechselrichter, der dazu ausgebildet ist, den Gleichstrom von dem Traktionsakkumulator in einen Wechselstrom für die elektrische Maschine zu wandeln, und einen Zwischenkreisspeicher, der dazu ausgebildet ist, mit dem Wechselrichter gekoppelt zu werden und über einen ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit dem Traktionsakkumulator gekoppelt zu werden. Erfindungsgemäß weist der Zwischenkreisspeicher eine Kapazität auf, die ausreicht, um das Fahrzeug für eine Straßenverkehrsteilnahme relevant zu beschleunigen.A drive arrangement according to the invention, which is designed to supply power to an electric machine of an electrically driven vehicle, comprises a traction accumulator, which is designed to supply the electrical machine for driving the vehicle, an inverter, which is designed to convert the DC power from the traction battery into an AC current for the electric machine, and an intermediate circuit memory configured to be coupled to the inverter and coupled to the traction battery via a first DC-DC converter. According to the invention, the intermediate circuit memory has a capacity which is sufficient to accelerate the vehicle relevant for road participation.
Der Zwischenkreisspeicher kann ein so genannter „Super Capacitor” (Superkondensator) oder ein Strang von Akkumulatorzellen sein, der für eine hohe Stromabgabe optimiert ist (Leistungszellen). Erfindungsgemäß wird bei Leistungspitzen, beispielsweise beim Beschleunigen und Rekuperieren, kein oder weniger Strom über den ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler von oder zum Traktionsakkumulator übertragen.The DC link memory can be a so-called "Super Capacitor" or supercapacitor be a strand of accumulator cells that is optimized for high current output (power cells). According to the invention, in power peaks, for example during acceleration and recuperation, no or less current is transmitted via the first DC-DC converter from or to the traction accumulator.
Folglich kann der erste Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler für eine niedrigere Maximalleistung ausgelegt werden und vor allen für eine konstantere Leistung ausgelegt werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers, wodurch die Reichweite des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges erhöht wird. Ferner ist eine höhere Spitzenleistung möglich, da die Maximalleistung des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers nicht mehr beschränkend wirkt. Ferner wird die Verlustleistung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers reduziert und folglich kann die Kühlung schwächer ausgelegt werden. Da der Traktionsakkumulator weniger dynamisch belastet wird, wird die Alterung der Mehrzahl von Zellen des Traktionsakkumulators reduziert.Consequently, the first DC-DC converter can be designed for a lower maximum power and above all designed for a more constant power. As a result, the efficiency of the first DC-DC converter increases, whereby the range of the electrically driven vehicle is increased. Furthermore, a higher peak power is possible since the maximum power of the first DC-DC converter is no longer restrictive. Furthermore, the power loss of the DC-DC converter is reduced, and thus the cooling can be made weaker. Since the traction battery is loaded less dynamically, the aging of the plurality of cells of the traction battery is reduced.
Der Zwischenkreisspeicher kann eine Kapazität aufweisen, die ausreicht eine Energie zu speichern, die beim Rekuperieren entsteht, wenn das Fahrzeug im Generatorbetrieb verkehrsrelevant verzögert wird.The intermediate circuit memory can have a capacity which is sufficient to store an energy which arises during recuperation if the vehicle is delayed in the operation of the generator in a traffic-relevant manner.
Der Zwischenkreisspeicher kann eine Kapazität aufweisen, die bei einer ebenen Fahrbahn und ohne sonstige externe Einflüsse, beispielsweise Wettereinflüsse, zum Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 30 km/h ausreicht, zum Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 50 km/h ausreicht, zum Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 80 km/h ausreicht, zum Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 100 km/h ausreicht, zum Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 112 km/h ausreicht und/oder zum Beschleunigen des Fahrzeuges von einer Geschwindigkeit von 80 km/h auf eine Geschwindigkeit von 120 km/h ausreicht. Der Zwischenkreisspeicher kann eine Kapazität aufweisen, die ausreicht, um die beim Rekuperieren im Generatorbetrieb entstehende Energie aufzunehmen, wenn das Fahrzeug von einer Geschwindigkeit von 30 km/h in den Stand verzögert wird, von 50 km/h in den Stand verzögert wird, von 80 km/h in den Stand verzögert wird, von 100 km/h in den Stand verzögert wird, von 112 km/h in den Stand verzögert wird und/oder von einer Geschwindigkeit von 120 km/h auf 80 km/h verzögert wird.The intermediate circuit memory may have a capacity that is sufficient to accelerate the vehicle from a standstill to a speed of 50 for a flat road surface and without other external influences, such as weather conditions, for accelerating the vehicle from a standstill to a speed of 30 km / h km / h sufficient to accelerate the vehicle from a standstill to a speed of 80 km / h, sufficient to accelerate the vehicle from a standstill to a speed of 100 km / h, for accelerating the vehicle from a standstill to a speed of 112 km / h and / or sufficient to accelerate the vehicle from a speed of 80 km / h to a speed of 120 km / h. The intermediate circuit memory may have a capacity sufficient to absorb the energy produced during recuperation in generator operation when the vehicle is decelerated from a speed of 30 km / h to the stalled state, delayed from 50 km / h to the stalled state of 80 km / h is delayed in the state, is delayed from 100 km / h in the state, is delayed from 112 km / h in the state and / or from a speed of 120 km / h to 80 km / h is delayed.
Der Zwischenkreisspeicher kann eine Serienschaltung von Teilzwischenkreisspeichern aufweisen. Die Antriebsanordnung kann eine Mehrzahl zweiter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit einem ersten und einem zweiten Anschlusspaar aufweisen. Das erste Anschlusspaar jedes zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers ist an zumindest eine Traktionsakkumulatorzelle eines Traktionsakkumulators angeschlossen und das zweite Anschlusspaar jedes zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers ist an zumindest einen Teilzwischenkreisspeicher angeschlossen. Dadurch können die Teilzwischenkreisspeicher flexibel aus Traktionsakkumulatorzellen des Traktionsakkumulators geladen werden. Der Traktionsakkumulator muss nicht notwendigerweise eine Serienschaltung von einer hohen Anzahl von Traktionsakkumulatorzellen aufweisen. Beispielsweise kann eine niedrige Zahl von Traktionsakkumulatorzellen in Serie geschaltet werden und an das erste Anschlusspaar je eines der Mehrzahl von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern angeschlossen sein. Eine derartige Ausführungsform hat den Vorteil, dass aus dem Traktionsakkumulator je nach Ladezustand der Traktionsakkumulatorzellen gezielt Ladung entnommen wird, um den Traktionsakkumulator gleichmäßig zu entladen und um je nach Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmte Traktionsakkumulatorzellen des Traktionsakkumulators zu entladen.The intermediate circuit memory may have a series connection of partial intermediate circuit memories. The drive arrangement may comprise a plurality of second DC-DC converters having a first and a second terminal pair. The first terminal pair of each second DC-DC converter is connected to at least one traction accumulator cell of a traction battery and the second terminal pair of each second DC-DC converter is connected to at least one sub-intermediate circuit memory. As a result, the partial intermediate circuit memories can be loaded flexibly from traction accumulator cells of the traction battery. The traction battery need not necessarily have a series connection of a large number of traction battery cells. For example, a low number of traction accumulator cells may be connected in series and connected to the first terminal pair of each of the plurality of DC-DC converters. Such an embodiment has the advantage that from the Traktionsakkumulator depending on the state of charge of the Traktionsakkumulatorzellen targeted charge is removed to evenly discharge the Traktionsakkumulator and depending on the operating condition of the electric machine certain Traktionsakkumulatorzellen the traction battery to discharge.
Die Antriebsanordnung kann ferner eine Mehrzahl erster Schalteinrichtungen und eine Mehrzahl zweiter Schalteinrichtungen aufweisen, wobei jede erste Schalteinrichtung zwischen einen zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und der zumindest einer Zelle geschaltet ist. Jede zweite Schalteinrichtung kann einem Teilzwischenkreisspeicher parallel geschaltet sein. Dadurch können ausgewählte Teilzwischenkreisspeicher überbrückt werden. Eine derartige Anordnung eignet sich insbesondere für Teilzwischenkreisspeicher, die durch einen Kondensator, beispielsweise einem so genannten Superkondensator gebildet werden.The drive arrangement may further comprise a plurality of first switching devices and a plurality of second switching devices, wherein each first switching device is connected between a second DC-DC converter and the at least one cell. Each second switching device may be connected in parallel to a sub-intermediate-circuit memory. As a result, selected subcircuit memories can be bypassed. Such an arrangement is particularly suitable for sub-intermediate circuit memory, which are formed by a capacitor, for example a so-called supercapacitor.
Die Antriebsanordnung kann ferner eine Mehrzahl dritter Schalteinrichtungen aufweisen, wobei jede dritte Schalteinrichtung zwischen eine erste Schalteinrichtung und einen Teilzwischenkreisspeicher geschaltet ist. Bei dieser Anordnung kann der Teilzwischenkreisspeicher zumindest eine Akkumulatorzelle aufweisen.The drive arrangement may further comprise a plurality of third switching devices, wherein each third switching device is connected between a first switching device and a sub-intermediate circuit memory. In this arrangement, the sub-intermediate-circuit memory may comprise at least one accumulator cell.
Bei einer anderen Ausführungsform kann jede erste Schalteinrichtung zwischen eine Induktivität und der zumindest einen Traktionsakkumulatorzelle geschaltet sein und jede zweite Schalteinrichtung über eine vierte Schalteinrichtung einen Teilzwischenkreisspeicher parallel geschaltet sein. In diesem Fall bilden die Induktivität, die zweite Schalteinrichtung und die vierte Schalteinrichtung einen Aufwärtswandler. Im normalen Betrieb, d. h. beim Aufwärtswandeln der Spannung der Traktionsakkumulatorzelle zur Spannung des Teilzwischenkreisspeichers werden die zweite Schalteinrichtung und die vierte Schalteinrichtung alternierend geschlossen und geöffnet.In another embodiment, each first switching device may be connected between an inductance and the at least one traction accumulator cell, and each second switching device may be connected in parallel via a fourth switching device, a sub-intermediate-circuit memory. In this case, the inductance, the second switching device and the fourth switching device form an up-converter. In normal operation, ie when boosting the voltage of the Traktionsakkumulatorzelle for voltage of the sub-link memory, the second switching device and the fourth switching means are alternately closed and opened.
Bei einer anderen Ausführungsform kann jede erste Schalteinrichtung zwischen eine Induktivität und der zumindest einen Traktionsakkumulatorzelle geschaltet sein, wobei jede zweite Schalteinrichtung über eine erste Schalteinrichtung der Traktionsakkumulatorzelle parallel geschaltet ist. Bei dieser Ausführungsform bilden die Induktivität, die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung einen Abwärtswandler. Beim Wandeln der Spannung der Traktionsakkumulatorzelle in die Spannung des Teilzwischenkreisspeichers werden die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung alternierend geschlossen und geöffnet.In another embodiment, each first switching device may be connected between an inductance and the at least one Traktionsakkumulatorzelle, wherein each second switching device is connected in parallel via a first switching device of the Traktionsakkumulatorzelle. In this embodiment, the inductance, the first switching device and the second switching device form a buck converter. When converting the voltage of the Traktionsakkumulatorzelle in the voltage of the Teilzwischencreisspeichers the first switching device and the second switching device are alternately closed and opened.
Die Antriebsanordnung umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung. Bei einer ersten Ausführungsform kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine erste Schalteinrichtung zu öffnen und eine zweite Schalteinrichtung, die mit dem gleichen Zwischenkreisspeicher gekoppelt sind, zu schließen, um den Zwischenkreisspeicher zu überbrücken. Dieser Fall kann bevorzugt sein, falls die Traktionsakkumulatorzellen, die mit dem Teilzwischenkreisspeicher gekoppelt sind, soweit entladen sind, dass sie keine weitere Ladung dem Teilzwischenkreisspeicher zuführen können.The drive arrangement further comprises a control device. In a first embodiment, the control device may be designed to open a first switching device and to close a second switching device, which are coupled to the same intermediate circuit memory, in order to bridge the intermediate circuit memory. This case may be preferable if the traction accumulator cells coupled to the sub-intermediate memory memory are discharged to the extent that they can not supply any further charge to the sub-intermediate-circuit memory.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine erste Schafteinrichtung zu öffnen, eine zweite Schalteinrichtung zu schließen und eine dritte Schalteinrichtung zu öffnen, die je mit dem gleichen Teilzwischenkreisspeicher gekoppelt sind, um den Teilzwischenkreisspeicher zu überbrücken. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und der zuvor beschriebenen Antriebsanordnung.In another embodiment, the controller may be configured to open a first shunt, close a second shifter, and open a third shifter, each coupled to the same subheader memory to bypass the sub-shifter. The invention also relates to a vehicle with an electric machine and the drive arrangement described above.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter und nicht beschränkend beschrieben, wobeiThe invention will now be described in more detail and not limitation with reference to the attached figures, in which:
Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler
Beim Rekuperieren, d. h. beim Bremsen des Kraftfahrzeuges, erzeugt die elektrische Maschine
Erfindungsgemäß weist der Zwischenkreisspeicher
Der Zwischenkreisspeicher
Es wird auf
Da bei der vorliegenden Erfindung der erste Gleichstrom-Gieichstrom-Wandler
Es wird auf
Der Antriebsanordnung
Im normalen Betrieb ist die erste Schalteinrichtung
Bei der zweiten Ausführungsform werden die Teilzwischenkreisspeicher
Es wird auf
Im normalen Betrieb sind eine erste Schalteinrichtung
Bei der dritten Ausführungsform kann der Teilzwischenkreisspeicher
Die zweite Schalteinrichtung
Es wird auf
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei Leistungsspitzen die elektrische Maschine von Ladung aus einem Zwischenkreisspeicher versorgt wird. Dadurch kann der bzw. können die an den Traktionsakkumulator angeschlossen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler kleiner dimensioniert werden und in einem engeren Betriebsbereich nahezu konstant betrieben werden, wodurch der Wirkungsgrad des bzw. der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers) deutlich erhöht werden kann.The invention has the advantage that when power peaks the electric machine is supplied by charge from a DC link memory. As a result, the DC / DC converter connected to the traction battery can be dimensioned smaller and operated almost constantly in a narrower operating range, whereby the efficiency of the DC / DC converter (s) can be significantly increased.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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