WO2018077549A1 - Antriebssystem für ein elektrisch angetriebnes kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebssystem für ein elektrisch angetriebnes kraftfahrzeug Download PDF

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Dirk Hunkel
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a drive system for a motor vehicle with at least one electric motor, with a polyphase electric motor for driving the motor vehicle, with a traction battery for supplying the electric motor with electrical energy, wherein the traction battery is subdivided into a plurality of sub-modules, and wherein the sub-modules have a plurality of battery cells.
  • Motor vehicles with at least one electric motor are usually electric vehicles or hybrid vehicles, which are known from the prior art.
  • the electric vehicle or hybrid vehicles have an electric drive unit, which essentially consists of an electric motor, a traction battery, power electronics and optionally a transmission.
  • the various known from the prior art designs differ in the electric motor used, in the execution of the traction battery or in the design of the power electronics.
  • DE 10 2015 101 093 AI describes, for example, a drive unit of an electric vehicle with a multi-phase electric motor, which is controlled by means of power electronics and supplied with electrical energy.
  • the power electronics are connected to a traction battery and serve, among other things, to redirect the electric power provided by the traction battery into a current required to operate the electric motor.
  • the power electronics direct a DC power provided by the traction battery into an alternating current required to operate the electric motor.
  • the traction batteries installed in an electric vehicle are usually lithium-ion batteries, which are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and low self-discharge.
  • the lithium-ion batteries have a plurality of individual battery cells, the traction battery having voltages of several 100V due to the wiring of the individual battery cells.
  • the individual battery cells are connected directly to a traction battery or submodules and the submodules together to form a traction battery,
  • Uslichenwelse the traction battery is connected via a central power electronics to the electric motor
  • disadvantage of such a design is that voltages of several 100 V through the Power electronics flow, whereby expensive semiconductors must be used in the production of the central power electronics.
  • Another disadvantage is that a failure of the power electronics leads to a failure of the entire drive system.
  • the invention is therefore based on the object to avoid the above-mentioned disadvantages.
  • each submodule has its own power electronics, each submodule being electrically connected to at least one phase of the electric motor via its own power electronics, the electric motor can be supplied with electrical current from the individual submodules independently of the other submodules, a failure of a submodule or the power electronics of a submodule would only lead to a power loss of the electric motor and not to a total failure of the entire drive system. So the reliability of the Drive system increases.
  • each phase of the polyphase electric motor at least two independent windings, whereby the reliability of the drive system is increased, as the electric motor continues can be operated, even if one of the two winding, for example, by a breakage of the wire, fails.
  • the electric motor on three phases, each with three independent windings, wherein the traction battery is subdivided into nine sub-modules and the sub-modules via one winding is electrically connected to the three phases of the electric motor.
  • the subdivision of the traction battery into nine sub-modules results in each individual sub-module having a low voltage compared to the voltage of the traction battery, thereby reducing the risks posed by the traction battery in the event of a crash.
  • the life of the individual battery cells can be increased because the distribution of the traction battery in nine sub-modules, the charging of the battery cells can be made evenly.
  • the sub-modules By connecting the individual sub-modules with all three phases of the electric motor, the sub-modules interact completely independently of the other sub-modules with the electric motor, whereby the reliability of the drive system is increased.
  • the electric motor on three phases, each with three independent windings, wherein the traction battery is divided into nine sub-modules and each Submodule via one winding is electrically connected exclusively to one phase of the electric motor.
  • the electric motor is a synchronous motor.
  • DC motors, reluctance motors, and polyphase synchronous motors are used in drive systems for an electric vehicle.
  • the permanent-magnet synchronous motors are characterized by high power density and high efficiency.
  • Figure 1 shows a motor vehicle with a drive system in a schematic representation
  • Figure 2 shows an inventive embodiment of a drive system according to the invention in a schematic representation.
  • the drive system 20 can be used in a purely electrically driven electric vehicle or in a hybrid vehicle, wherein in the hybrid vehicle, the drive power is provided by an internal combustion engine and an electric motor.
  • the drive system 20 includes an electric motor 22 for providing drive power, the drive system 20 for driving wheels 60, 62.
  • the EJektromotor 22 via a transmission gear 24 and a differential gear 26 with the wheels 60, 62 connected.
  • An alternative embodiment of the drive system 10 is to arrange the electric motor in the wheel hub, whereby the wheels are driven directly.
  • Figure 2 shows schematically the drive system 20 according to the invention consisting of the electric motor 10 and the traction battery 30.
  • the traction battery 30 is designed as a high-voltage battery, wherein the traction battery 30 has a voltage of several 100V. In this case, the traction battery 30 divides into several sub-modules in the present embodiment in nine sub-modules
  • Each sub-module has a plurality
  • the submodule can do this with the same number of battery cells so that all sub-modules 31 1-n have the same voltage.
  • the number of battery cells 3 per submodule can be varied so that the voltages of the sub-modules 31 differ from each other.
  • the individual voltages of the sub-modules exceed the voltage of 60 V is not to distinguish in any case the dangerous voltage for humans minimum voltage.
  • each submodule is electrically connected directly to the electric motor 20, each sub-module has its own power electronics 34 1-n .
  • each of the nine sub-modules has own power electronics
  • i is the one through the submodules provided electrical power is converted into an electric current required to operate the electric motor 20.
  • the electric motor 20 is a Synchronous motor operated by AC voltage. The one of the
  • Submodules 31i- n of the traction battery 20 provided electrical power is a direct current, so that the direct current via the power electronics 34 1-n of the submodule 31i -n is converted into alternating current.
  • the electric motor 22 is a three-phase, permanent-magnet synchronous motor, wherein a constantly magnetized rotor is entrained by a moving magnetic rotating field in the stator.
  • each phase of such an electric motor has a winding, which are energized with a time delay.
  • each phase has three windings, so that the electric motor 22 has a total of nine windings. In this way, the electric motor 22 can continue to be operated, even if, for example, a winding fails.
  • FIG. 3 schematically shows the electric motor 22 with its three phases, the electric motor 22 being supplied with alternating voltage and all three phases of the electric motor 22 being supplied with electrical current via each power electronics 34i-n of the respective submodules 31 1-n .
  • FIG. 4 schematically shows the electric motor 22 with its three
  • each sub-module 31 1-n fed via its power electronics 34- n exclusively a phase of the electric motor 22 with electric current.
  • Each winding of the electric motor 22 is electrically connected exclusively to a submodule 31 1-n .
  • three of the power electronics 34 1-n of the respective submodule 31 1-n are shown by way of example, which each connect to one phase.
  • the electric motor 20 is supplied with electrical current by all sub-modules 31 1-n of the traction battery 30. Because the submodules 31 1-n have their own power electronics 34 1-n and are therefore independent of one another, for example, the failure of a submodule or the power electronics 34 1-n does not lead to a failure of the entire drive system 10. In this way, the Reliability of the drive system 10 increased. It should be clear that other constructive embodiments of the drive system compared to the described embodiment are possible without departing from the scope of the main claim.

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Abstract

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, mit einem mehrphasigen Elektromotor (22) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einer Traktionsbatterie (30) zur Versorgung des Elektromotors (22) mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie (30) in mehrere Untermodule (311-n) unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen (321-n) aufweisen, wobei jedes Untermodul (311-n) eine eigene Leistungselektronik (341-n) aufweist, wobei jedes Untermodul (311-n) über die Leistungselektronik (341-n) mit mindestens einer Phase des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
ANTRIEBSSYSTEM FÜR EIN ELEKTRISCH ANGETRIEBNES KRAFTFAHRZEUG
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, mit einem mehrphasigen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, mit einer Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie in mehrere Untermodule unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen aufweisen.
Kraftfahrzeuge mit mindestens einem Elektromotor sind üblicherweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Elektrofahrzeug bzw. Hybridfahrzeuge weisen eine elektrische Antriebseinheit auf, die sich im Wesentlichen aus einem Elektromotor, einer Traktionsbatterie, einer Leistungselektronik und ggfs. einem Getriebe zusammensetzt. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen beim eingesetzten Elektromotor, bei der Ausführung der Traktionsbatterie oder bei der Ausgestaltung der Leistungselektronik. Die DE 10 2015 101 093 AI beschreibt beispielsweise eine Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs mit einem mehrphasigen Elektromotor, welcher mittels einer Leistungselektronik angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Leistungselektronik ist mit einer Traktionsbatterie verbunden und dient unter Anderem dazu, den von der Traktionsbatterie bereitgestellten elektrischen Strom in einen zum Betreiben des Elektromotors benötigten Strom umzurichten. Beispielsweise richtet die Leistungselektronik einen von der Traktionsbatterie bereitgestellten Gleichstrom in einen zum Betreiben des Elektromotors erforderlichen Wechselstrom um. Die in einem Elektrofahrzeug verbauten Traktionsbatterien sind üblicherweise Lithium-Ionen-Batterien, die sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine geringe Seibstentiadung auszeichnen. Die Lithium-Ionen-Batterien weisen eine Vielzahl an einzelnen Batteriezelien auf, wobei durch die Verscha!tung der einzelnen Batteriezelien die Traktionsbatterie Spannungen von mehreren 100V aufweist. Dabei werden die einzelnen Batteriezellen direkt zu einer Traktionsbatterie oder zunächst zu Untermodulen und die Untermodule miteinander zu einer Traktionsbatterie verschaltet, Üblicherwelse ist die Traktionsbatterie über eine zentrale Leistungselektronik mit dem Elektromotor verbunden, Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist, dass Spannungen von mehreren 100 V durch die Leistungselektronik strömen, wodurch teure Halbleiter bei der Herstellung der zentralen Leistungselektronik eingesetzt werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein Ausfall der Leistungselektronik zu einem Ausfall des gesamten Antriebssystems führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmaien des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass jedes Untermodul eine eigene Leistungselektronik aufweist, wobei jedes Untermodul über die eigene Leistungselektronik mit mindestens einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist, kann der Elektromotor von den einzelnen Untermodulen unabhängig von den sonstigen Untermodulen mit elektrischem Strom versorgt werden, wobei ein Ausfall eines Untermoduls oder der Leistungselektronik eines Untermoduls nur zu einem Leistungsabfall des Elektromotors und nicht zu einem totalen Ausfall des gesamten Antriebssystems führen würde. So wird die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht. Außerdem weisen die einzelnen Untermodule eine um ein Vielfaches kleinere Spannung auf, so dass kostengünstigere Halbleiter für die Leistungselektronik eingesetzt werden können, Vorzugsweise weist jede Phase des mehrphasigen Elektromotors mindestens zwei voneinander unabhängige Wicklungen auf, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht wird, da der Elektromotor weiter betrieben werden kann, auch wenn eine der beiden Wicklung, beispielsweise durch einen Bruch des Drahtes, ausfällt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Elektromotor drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen auf, wobei die Traktionsbatterie in neun Untermodule unterteilt ist und die Untermodule über jeweils eine Wicklung mit den drei Phasen des Elektromotors elektrisch verbunden ist. Die Unterteilung der Traktionsbatterie in neun Untermodule führt dazu, dass jedes einzelne Untermodul eine geringe Spannung im Vergleich zur Spannung der Traktionsbatterie aufweist und dadurch die von der Traktionsbatterie ausgehende Gefahren in einem Crashfall reduziert werden. Außerdem kann die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen erhöht werden, da durch die Aufteilung der Traktionsbatterie in neun Untermodule der Aufladevorgang der Batteriezellen gleichmäßiger erfolgen kann.
Durch die Verbindung der einzelnen Untermodule mit allen drei Phasen des Elektromotors wirken die Untermodule komplett unabhängig von den anderen Untermodulen mit dem Elektromotor zusammen, wodurch die Zuverlässigkeit des Antriebssystems erhöht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Elektromotor drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen auf, wobei die Traktionsbatterie In neun Untermodule unterteilt ist und jedes Untermodul über jeweils eine Wicklung ausschließlich mit einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist. Dadurch kann die Leistungselektronik einfacher gestaltet werden, In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Synchron motor. Üblicherweise werden bei Antriebssystemen für ein Elektrofahrzeug Gleichstrommotoren, Reluktanzmotoren und mehrphasige Synchronmotoren eingesetzt. Die permanenterregter Synchronmotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad aus.
Es wird somit ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, welches kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist,
Figur 1 zeigt Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem in schematischer Darstellung, und
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in schematischer Darstellung.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Antriebssystem 20. Das Antriebssystem 20 kann in einem rein elektrisch angetriebenen Elektrofahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden, wobei beim Hybridfahrzeug die Antriebsleistung durch einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor bereitgestellt wird.
Das Antriebssystem 20 weist einen Elektromotor 22 zur Bereitstellung von Antriebsleistung auf, wobei das Antriebssystem 20 zum Antreiben von Rädern 60, 62 dient. Dabei ist der EJektromotor 22 über eine ein Übersetzungsgetriebe 24 und ein Differentialgetriebe 26 mit den Rädern 60, 62 verbunden. Eine alternative Ausführung des Antriebssystems 10 ist, den Elektromotor in der Radnabe anzuordnen, wodurch die Räder direkt angetrieben werden. Figur 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Antriebssystem 20 bestehend aus dem Elektromotor 10 und der Traktionsbatterie 30. Die Traktionsbatterie 30 ist als eine Hochvolt-Batterie ausgeführt, wobei die Traktionsbatterie 30 eine Spannung von mehreren 100 V aufweist. Dabei teilt sich die Traktionsbatterie 30 in mehrere Untermodule
Figure imgf000007_0003
in der vorliegenden Ausführung in neun Untermodule
Figure imgf000007_0002
Figure imgf000007_0001
auf. Jedes Untermodul weist eine Vielzahl an
Figure imgf000007_0016
Batteriezellen
Figure imgf000007_0006
auf, die miteinander beispielsweise in Reihe verschaltet sind. Die Spannung der Untermodule
Figure imgf000007_0018
summiert sich aus den einzelnen Spannungen der Batteriezellen
Figure imgf000007_0019
n. Die Untermoduie
Figure imgf000007_0015
können dabei mit der gleichen Anzahl von Batteriezel!en
Figure imgf000007_0004
ausgeführt werden, so dass alle Untermodule 311-n die gleiche Spannung aufweisen. Alternativ kann die Anzahl der Batteriezellen 3
Figure imgf000007_0005
je Untermodul
Figure imgf000007_0017
variiert werden, so dass sich die Spannungen der Untermodule 31 voneinander unterscheiden. Vorzugsweise überschreiten die einzelnen Spannungen der Untermodule
Figure imgf000007_0014
die Spannung von 60 V nicht, um in jedem Fall die für den Menschen gefährliche Mindestspannung unterscheiden.
Jedes Untermodul
Figure imgf000007_0007
ist direkt mit dem Elektromotor 20 elektrisch verbunden, wobei jedes Untermodul
Figure imgf000007_0013
eine eigene Leistungselektronik 341-n aufweist. In der vorliegenden Ausführung weist jedes der neun Untermodule
Figure imgf000007_0010
eine eigene Leistungselektronik
Figure imgf000007_0009
Figure imgf000007_0008
auf. Über die jeweilige Leistungselektronik 3
Figure imgf000007_0011
i wird beispielsweise der durch die Untermodule
Figure imgf000007_0012
bereitgestellte elektrische Strom in einen zum Betreiben des Elektromotors 20 benötigten elektrischen Strom umgewandelt. Der Elektromotor 20 ist ein Synchronmotor, der durch Wechselspannung betrieben wird. Der von den
Untermodulen 31i-n der Traktionsbatterie 20 bereitgestellte elektrische Strom ist ein Gleichstrom, so dass der Gleichstrom über die Leistungselektronik 341-n der Untermoduie 31i-n in Wechselstrom umgerichtet wird.
Der Elektromotor 22 ist ein dreiphasiger, permanenterregter Synchronmotor, wobei ein konstant magnetisierter Rotor von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen wird. Üblicherweise weist jede Phase eines derartigen Elektromotors eine Wicklung auf, die zeitversetzt bestromt werden. Beim vorliegenden dreiphasigen Elektromotor 20 weist jede Phase drei Wicklungen auf, so dass der Elektromotor 22 insgesamt neun Wicklungen aufweist. Auf diese Weise kann der Elektromotor 22 auch weiter betrieben werden, auch wenn beispielsweise eine Wicklung ausfällt.
Die Figur 3 zeigt schematisch den Elektromotor 22 mit seinen drei Phasen, wobei der Elektromotor 22 mit Wechselspannung gespeist wird und alle drei Phasen des Elektromotors 22 über jede Leistungselektronik 34i-n der jeweiligen Untermodule 311-n mit elektrischem Strom versorgt werden.
Die Figur 4 zeigt schematisch den Elektromotor 22 mit seinen drei
Phasen, wobei jedes Untermodul 311-n über seine Leistungselektronik 34i- n ausschließlich eine Phase des Elektromotors 22 mit elektrischem Strom speist. Dabei ist jede Wicklung des Elektromotors 22 ausschließlich mit einem Untermodul 311-n elektrisch verbunden. In Figur 4 sind exemplarisch drei der Leistungselektroniken 341-n der jeweiligen Untermodul 311-n dargestellt, die an jeweils eine Phase anschließen. Im Betrieb des Antriebssystems 10 wird der Elektromotor 20 durch alle Untermodule 311-n der Traktionsbatterie 30 mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch, dass die Untermodule 311-n eine eigene Leistungselektronik 341-n aufweisen und dadurch voneinander unabhängig sind, führt beispielsweise der Ausfall eines Untermoduls oder der Leistungselektronik 341-n nicht zu einem Ausfall des gesamten Antriebssystems 10. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Antriebssystems 10 gesteigert. Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausführungsformen des Antriebssystems im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Elektromotor,
mit einem mehrphasigen Elektromotor (22) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs,
mit einer Traktionsbatterie (30) zur Versorgung des Elektromotors (22) mit elektrischer Energie, wobei die Traktionsbatterie (30) in mehrere Untermodute
Figure imgf000010_0004
unterteilt ist, und wobei die Untermodule mehrere Batteriezellen
Figure imgf000010_0005
aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Untermodul
Figure imgf000010_0001
eine eigene Leistungselektronik
Figure imgf000010_0003
aufweist, wobei jedes Untermodul
Figure imgf000010_0006
über die Leistungselektronik
Figure imgf000010_0002
mit mindestens einer Phase des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist,
2. Antriebssystem für ein Eiektrofahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Phase des mehrphasigen Elektromotors (22) mindestens zwei voneinander unabhängige Wicklungen aufweist.
3. Antriebssystem für ein Eiektrofahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (22) drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen aufweist, wobei die Traktionsbatterie (30) in neun Untermodule unterteilt ist und die
Figure imgf000010_0008
Untermoduie
Figure imgf000010_0007
über jeweils eine Wicklung mit den drei Phasen des Elektromotors (22) elektrisch verbunden ist.
4. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (22) drei Phasen mit jeweils drei voneinander unabhängigen Wicklungen aufweist, wobei die Traktionsbatterie (30) in neun Untermodule
Figure imgf000011_0001
unterteilt ist und jedes Untermodul
Figure imgf000011_0002
über jeweils eine Wicklung ausschließlich mit einer Phase des Elektromotors elektrisch verbunden ist.
5. Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Untermodul (311-n) die gleiche Spannung aufweist,
6, Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der Ansprüche i bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Untermodule (311-n) unterschiedliche Spannungen aufweisen.
7, Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug nach einem der vorergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (22) ein Synchronmotor ist.
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DE (1) DE102016120589A1 (de)
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