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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Antriebssysteme für Fahrzeuge allgemein bekannt.
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Des Weiteren wird in der
DE 103 52 508 A1 ein Verfahren zur Stromversorgung eines mehrsträngigen, elektronisch kommutierbaren, durch Pulsweitenmodulation gesteuerten Elektromotors aus einem Gleichspannungsnetz beschrieben. Es sind eine mit einem Mikrocontroller aufgebaute Steuereinheit für wenigstens zwei in Vollbrückenschaltung (H-Schaltung) aufgebaute Wechselrichter zur Speisung der Strangwicklungen des Motors und wenigstens eine zwischen dem Gleichspannungsnetz und den Wechselrichtern angeordnete Zwischenkreiskapazität zur Übernahme der Strangströme während der Stromflusspausen der elektronischen Schalter der Wechselrichter vorgesehen. Es erfolgt eine zeitlich derart versetzte Taktung der Pulse zur Ansteuerung der Schalter der Wechselrichter, dass eine Überlappung der Pulse der Strangströme vermieden oder zumindest verringert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfasst eine elektrische Drehstrommaschine, eine Batterie zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine und zwei Inverter.
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Erfindungsgemäß weist die elektrische Drehstrommaschine zwei getrennte Drehstromsysteme auf, wobei die beiden Drehstromsysteme mit jeweils einem der Inverter elektrisch gekoppelt sind, die mit unterschiedlichen elektrochemischen Teilbereichen der Batterie elektrisch gekoppelt sind, beispielsweise mit unterschiedlichen Einzelzellen und/oder unterschiedlichen Zellverbünden oder Zellpacks, die jeweils mehrere Einzelzellen aufweisen. Derartige Inverter werden auch als Wechselrichter bezeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung können Batterien mit einer höheren elektrischen Spannung verwendet werden, wobei auch derartige Batterien mit einer Ladeinfrastruktur, welche nur für Batterien mit einer geringeren elektrischen Spannung ausgelegt sind, geladen werden können. So ist es derzeit beispielsweise noch der Fall, dass die bestehende Gleichstromladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge üblicherweise nur Batterien bis zu einer elektrischen Spannung von 500 V unterstützt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es ermöglicht, ohne Zusatzbauteile auch Batterien mit größerer elektrischer Spannung an dieser bestehenden Infrastruktur zu laden. Dazu können die beiden Inverter derart angesteuert werden, dass die elektrische Energie, welche während des Ladens in den mit dem einen Inverter elektrisch gekoppelten Teilbereich der Batterie eingespeist wird, über die beiden Inverter auch in den mit dem zweiten Inverter elektrisch gekoppelten anderen Teilbereich der Batterie eingespeist wird oder zumindest teilweise eingespeist wird. Dadurch kann das Fahrzeug sowohl an einer Ladeinfrastruktur, welche für Batterien mit kleineren elektrischen Spannungen ausgelegt ist, als auch an einer Ladeinfrastruktur, welche für die elektrische Spannung der hier verwendeten Batterie ausgelegt ist, jeweils ohne Zusatzkomponenten geladen werden.
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Die elektrische Kopplung der beiden Inverter mit jeweils einem Teilbereich der Batterie ermöglicht zudem eine Verwendung von Halbleitern mit geringerer Sperrfähigkeit. Dies verringert Verluste im Vergleich zu einer Verwendung von Halbleitern, die die größere elektrische Gesamtspannung der Batterie sperren könnten.
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Des Weiteren werden durch die erfindungsgemäße Lösung Wirkungsgradvorteile im Teillastbereich erzielt, da hier einer der beiden Inverter abgeschaltet werden kann, wodurch Grundverluste reduziert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 1 für ein hier nicht dargestelltes Fahrzeug, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder für ein Hybridfahrzeug. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst eine elektrische Drehstrommaschine 2, welche zum Antrieb des Fahrzeugs als Elektromotor betrieben wird und beispielsweise zur Rekuperation als elektrischer Generator betrieben werden kann.
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Diese elektrische Drehstrommaschine 2 weist zwei getrennte Drehstromsysteme 2.1, 2.2 auf, d. h. zwei getrennte Dreiphasensysteme. Jedes dieser Drehstromsysteme 2.1. 2.2 umfasst mindestens drei Wicklungen W1, W2, welche jeweils einer elektrischen Phase zugeordnet sind. Die Drehstrommaschine 2 ist somit als eine 2 × 3-Phasen-Drehstrommaschine ausgebildet.
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Des Weiteren umfasst das elektrische Antriebssystem 1 eine Batterie 3 zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Drehstrommaschine 2. Diese Batterie 3 ist aus mehreren elektrochemischen Einzelzellen und/oder mehreren Zellverbünden oder Zellpacks elektrochemischer Einzelzellen ausgebildet, so dass sie in zwei elektrochemische Teilbereiche 3.1, 3.2 unterteilt werden kann, welche durch entsprechende elektrische Kontaktelemente der Batterie 3 jeweils elektrisch kontaktiert werden können. Im dargestellten Beispiel ist die Batterie 3 beispielsweise als eine Batterie 3 mit einer Gesamtnennspannung UG von ca. 800 V ausgebildet und weist zwei Teilbereiche 3.1, 3.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsnennspannung UT1, UT2 von ca. 400 V auf.
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Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst zudem zwei Inverter 4, 5, auch als Wechselrichter bezeichnet. Jeder dieser Inverter 4, 5 ist mit jeweils einem der Drehstromsysteme 2.1, 2.2 der Drehstrommaschine 2 elektrisch gekoppelt, d. h. das eine Drehstromsystem 2.1 ist mit seinen drei elektrischen Phasen mit dem einen Inverter 4 elektrisch gekoppelt und das andere Drehstromsystem 2.2 ist mit seinen drei elektrischen Phasen mit dem anderen Inverter 5 elektrisch gekoppelt. Somit sind die Wicklungen W1 des einen Drehstromsystems 2.1 mit jeweils einer elektrischen Phase des einen Inverters 4 und die Wicklungen W2 des anderen Drehstromsystems 2.2 mit jeweils einer elektrischen Phase des anderen Inverters 5 elektrisch gekoppelt. Die beiden Inverter 4, 5 sind mit jeweils einem der elektrochemischen Teilbereiche 3.1, 3.2 der Batterie 3 elektrisch gekoppelt. D. h. der eine Inverter 4 ist mit dem einen Teilbereich 3.1 und der andere Inverter 5 mit dem anderen Teilbereich 3.2 der Batterie 3 elektrisch gekoppelt.
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Die beiden Drehstromsysteme 2.1, 2.2 der elektrischen Maschine 2 werden somit von getrennten Invertern 4, 5 betrieben, wie oben beschrieben. Die Verschaltung des jeweiligen Drehstromsystems 2.1, 2.2 mit dem jeweiligen Inverter 4, 5 kann beispielsweise als Sternschaltung oder Dreieckschaltung erfolgen. Auch eine Kombination aus Sternschaltung und Dreieckschaltung ist möglich. Durch die getrennten Inverter 4, 5 und Drehstromsysteme 2.1, 2.2 ist auch eine unterschiedliche Verschaltung der Drehstromsysteme 2.1, 2.2 möglich, beispielsweise ist das eine Drehstromsystem 2.1 mit dem ihm zugeordneten Inverter 4 über eine Dreieckschaltung verschaltet und das andere Drehstromsystem 2.2 ist mit dem ihm zugeordneten Inverter 5 über eine Sternschaltung verschaltet oder umgekehrt.
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Eine Gleichspannungsversorgung der Inverter 4, 5 erfolgt jeweils über Teilabgriffe der Batterie 3, d. h. über die oben beschriebene elektrische Kopplung des jeweiligen Inverters 4, 5 mit jeweils einem Teilbereich 3.1, 3.2 der Batterie 3. Im dargestellten Beispiel, in welchem die Batterie 3, wie oben bereits beschrieben, als eine Batterie 3 mit einer Gesamtnennspannung UG von ca. 800 V ausgebildet ist und zwei Teilbereiche 3.1, 3.2 mit einer jeweiligen Teilbereichsnennspannung UT1, UT2 von ca. 400 V aufweist, kann somit der eine Inverter 4 mit 400 V des einen Teilbereichs 3.1, auch als untere 400 V der Batterie 3 bezeichnet (Teilbereich von 0 V–400 V), versorgt werden und der andere Inverter 5 mit 400 V des anderen Teilbereichs 3.2, auch als obere 400 V der Batterie 3 bezeichnet (Teilbereich von 400 V–800 V), versorgt werden. Die dargestellten Schalter S im jeweiligen Inverter 4, 5 sind zweckmäßigerweise als Halbleiterschalter ausgebildet. Durch die geringere Spannungsbeaufschlagung des jeweiligen Inverters 4, 5 können Halbleiter, d. h. Halbleiterschalter, mit einer geringeren Sperrfestigkeit im Vergleich zu einer Spannungsversorgung mit der Gesamtnennspannung UG der Batterie 3 verwendet werden.
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Über einen Stator der elektrischen Drehstrommaschine 2 kann die elektrische Energie von der einen Spannungsebene, d. h. von dem einen Teilbereich 3.1 der Batterie 3, zumindest teilweise, in die andere Spannungsebene, d. h. in den anderen Teilbereich 3.2 der Batterie 3, übertragen werden und zweckmäßigerweise auch umgekehrt.
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Alternativ zur oben beschriebenen gleichmäßigen Aufteilung der Gesamtnennspannung UG der Batterie 3 auf die beiden Inverter 4, 5 und somit auf die beiden Drehstromsysteme 2.1, 2.2 kann auch eine Aufteilung in einem anderen Verhältnis erfolgen. Dies kann beispielsweise über die oben beschriebenen Schaltungsarten, d. h. die Verschaltung des jeweiligen Inverters 4, 5 mit dem jeweiligen Drehstromsystem 2.1, 2.2, beispielsweise über eine Sternschaltung oder Dreieckschaltung und/oder über eine Windungsanzahl der Wicklungen W1, W2 der Drehstromsysteme 2.1, 2.2, erfolgen. So kann beispielsweise für die gleichmäßige Aufteilung der Gesamtnennspannung UG vorgesehen sein, dass die Wicklungen W1, W2 der beiden Drehstromsysteme 2.1, 2.2 eine gleiche Windungsanzahl aufweisen. Für eine Aufteilung in einem anderen Verhältnis kann vorgesehen sein, dass die Wicklungen W1 des einen Drehstromsystems 2.1 eine höhere oder geringere Windungsanzahl aufweisen als die Wicklungen W2 des anderen Drehstromsystems 2.2.
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Insbesondere zum Laden der Batterie 3 können die beiden Inverter 4, 5 derart angesteuert werden, dass die elektrische Energie, die in den einen Teilbereich 3.1 eingespeist wird, beispielsweise auf der unteren 400 V-Ebene, auch in den zweiten Teilbereich 3.2 der Batterie 3 gelangt. Dadurch wird es ermöglicht, das Fahrzeug sowohl an einer 400 V-Ladesäule als auch an einer 800 V-Ladesäule ohne Zusatzkomponenten zu laden.
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Zusätzlich zu den Invertern 4, 5 können auch Nebenverbraucher des Fahrzeugs an jeweils einen Teilbereich 3.1, 3.2 der Batterie 3 elektrisch angeschlossen werden. Eine Symmetrierung der Batterie 3 kann über die beiden Inverter 4, 5 erfolgen.
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Die Verwendung der beiden Inverter 4, 5 an den beiden Teilbereichen 3.1, 3.2 der Batterie 3, d. h. die elektrische Kopplung der Inverter 4, 5 mit jeweils einem Teilbereich 3.1, 3.2 der Batterie 3, ermöglicht, wie oben bereits beschrieben, die Verwendung von Halbleitern mit geringerer Sperrfestigkeit in den Invertern 4, 5. Dadurch werden im Vergleich zur Verwendung von Halbleitern, die eine Spannung von 800 V sperren können, Verluste reduziert.
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Des Weiteren ermöglicht es die beschriebene Lösung, in einem Teillastbereich der elektrischen Drehstrommaschine 2, beispielsweise während eines Teillastfahrbetriebs des Fahrzeugs, einen der beiden Inverter 4, 5 abzuschalten, wodurch Grundverluste dieses Inverters 4, 5 eliminiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Drehstrommaschine
- 2.1, 2.2
- Drehstromsystem
- 3
- Batterie
- 3.1, 3.2
- Teilbereich
- 4, 5
- Inverter
- S
- Schalter
- UG
- Gesamtnennspannung
- UT1, UT2
- Teilbereichsnennspannung
- W1, W2
- Wicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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