DE102011083212A1

DE102011083212A1 - Antriebssystem und Steuerverfahren eines batteriebetriebenen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102011083212A1
Application number: DE102011083212A
Authority: DE
Inventors: Urs Böhme; Stefan Völkel
Original assignee: Daimler AG; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Mercedes Benz Group AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013041317A2; WO2013041317A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einem selbstgeführten Stromrichter (2), mit einer Batterie (6), die elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen (P, N) des selbstgeführten Stromrichters (2) geschaltet ist, und mit einer Drehstrommaschine (16) mit zwei galvanisch getrennten Ständerwicklungssystemen (18, 20), wobei ein erstes Ständerwicklungssystem (18) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) des selbstgeführten Stromrichters (2) verschaltet ist. Erfindungsgemäß ist ein zweites Ständerwicklungssystem (20) mittels einer ersten Schalteinrichtung (SL) mit Netzanschlussklemmen (U, V, W) des Antriebssystems oder mittels einer zweiten Schalteinrichtung (SF) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) des selbstgeführten Stromrichters (2) jeweils verbindbar. Somit erhält man ein Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, bei dem beide galvanisch getrennten und wicklungsmäßig transformatorisch gekoppelten Ständerwicklungssysteme (18, 20) einer Drehstrommaschine (16) während des Betriebszustands "Fahren" verwendet werden, wodurch es für die beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 möglich ist, die Stromaufteilung aktiv zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 und auf ein Verfahren zum Steuern des Antriebssystems gemäß Anspruch 1 bzw. 2 in die Betriebszustände "Fahren" und "Laden".
Das Prinzip der Ansteuerung drehzahlvariabler Drehstrommaschinen unter Verwendung von selbstgeführten Stromrichtern, auch als Pulsstromrichter bezeichnet, ist bekannt, wobei dieser Pulsstromrichter als Wechselrichter betrieben wird. Dabei wird jede der drei Ständerwicklungen einer Drehstrommaschine mittels einer pulsgesteuerten Halbbrücke des Pulsstromrichters mit einem positiven oder mit einem negativen Potential an der Batterie verbunden. Eine Steuer- und Regeleinrichtung misst und regelt die für den gewünschten Betrieb erforderlichen Größen wie Motordrehzahl und Motorstrom.
Die im Fahrbetrieb relativ schnell verbrauchte Energie der Batterie muss zyklisch wieder am Netz aufgeladen werden. Hierzu finden Ladegeräte mit ein- oder dreiphasiger Wechselstromeinspeisung Verwendung. Zum Nachladen der Batterie wird üblicherweise das vorhandene Energieversorgungssystem genutzt. Wird die Batterie eines batteriegespeisten Fahrzeugs mittels eines Ladegeräts an eine einphasige Wechselstromeinspeisung angeschlossen, so werden für diesen Ladevorgang wenigstens sechs Stunden benötigt. Soll sich die Ladezeit wesentlich verkürzen, muss die Batterie eines batteriegespeisten Fahrzeugs mittels eines Ladegeräts an eine dreiphasige Wechselstromeinspeisung angeschlossen werden. Beim Laden eines Energiespeichers (Batterie) aus einem Stromversorgungsnetz sind folgende Aspekte zu beachten:

– Die Spannungspegel von Netz und Batterie müssen anpassbar sein.
– Die geforderten Grenzwerte für Netzoberschwingungsströme und Ableitströme müssen eingehalten werden.
– Batterien benötigen zum Nachladen Gleichströme vorbestimmter Amplitude, welche mittels eines Gleichrichters aus einem Wechselstromsystem gebildet werden müssen.
– Die Ausbildung von Gleichströmen im Wechselspannungsnetz muss verhindert werden, solange dieses Wechselspannungsnetz mit einem FI-Fehlerschutzschalter abgesichert ist.

Um diese Aspekte zu berücksichtigen, werden separate Ladegeräte mit galvanischer Trennung eingesetzt. Ein derartiges Ladegerät besteht aus einem netzseitigen Stromrichter, der als Gleichrichter betrieben wird, dem ein DC/DC-Steller nachgeschaltet ist. Eine am DC/DC-Steller anstehende rechteckförmige Spannung wird mittels eines potentialtrennenden Transformators auf die Fahrzeugseite übertragen. Auf der Fahrzeugseite werden mittels einer weiteren Schaltung eine Spannungsanpassung und eine Stromregelung entsprechend der Eckdaten der Batterie vorgenommen. Nachteilig sind hier die komplexe Struktur und die Tatsache, dass diese separaten Komponenten nur für das Laden der Fahrzeugbatterie verwendet werden können.
Die EP 0 849 112 A1 , insbesondere die Ausführungsform einer Drehstromantriebsanordnung nach 2, offenbart die Verwendung des selbstgeführten Stromrichters einer Antriebsanordnung zum Laden der Fahrzeugbatterie. Durch die Verwendung des selbstgeführten Stromrichters der Antriebsanordnung als Ladesteller ist eine geregelte, netzfreundliche Ladung möglich. Zur Netzstromglättung ist eine Netzdrossel zwischen dem Drehstromnetz und den wechselspannungsseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Stromrichters angeordnet. Die Schaltungsanordnung arbeitet nach dem Hochsetzsteller-Prinzip, da die Batteriespannung immer höher sein muss als der maximal zu erwartende Netzspannungs-Scheitelwert. Aus diesem Grund ist eine Spannungsanordnung erforderlich, die mit Hilfe eines Drehstromtransformators potentialgetrennt ausgeführt ist. Anstelle eines Drehstromtransformators kann zwischen Batterie und gleichspannungsseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Stromrichters ein DC/DC-Steller angeordnet sein.
Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, dass im Fehlerfall netzseitige DC-Fehlerströme entstehen können, die mittels dem in der Hausinstallation verwendeten FI-Schalter vom Typ A nicht erfasst werden können. Deshalb muss der FI-Schalter vom Typ A durch einen allstromsensitiven FI-Schutzschalter vom Typ B ersetzt werden, der wesentlich teuerer ist als der FI-Schalter vom Typ A. Wird keine Potentialtrennung verwendet, ist die Einhaltung von Grenzwerten für Ableitströme schwierig. Der Nachteil der Verwendung eines Drehstromtransformators, der zwischen Netz und batteriegespeistem Fahrzeug zum Einsatz kommt, besteht darin, dass dieser voluminös und schwergewichtig ausfällt.
Der EP 0 849 112 A1 , insbesondere der 5, ist eine Drehstromantriebsanordnung eines batteriegespeisten Fahrzeugs entnehmbar, die eine Drehstrommaschine mit zwei galvanisch getrennten Ständerwicklungssystemen aufweist, mittels denen die Spannungsanpassung über dessen Wicklungsverhältnis erfolgt. Das heißt, die galvanische Trennung von Batterie und Drehstromnetz während des Betriebszustandes "Laden" erfolgt durch die beiden galvanisch getrennten Ständerwicklungssysteme der Drehstrommaschine. Netzanschlussklemmen des Antriebssystem eines batteriegespeisten Fahrzeugs sind mit einer von beiden Ständerwicklungssystemen elektrisch leitend verbunden, wobei das andere Ständerwicklungssystem mittels eines selbstgeführten Stromrichters mit der Fahrzeugbatterie verbindbar ist. Im Ladebetrieb ist ein Versorgungsnetz an Netzanschlussklemmen des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs angeschlossen, so dass diese beiden galvanisch getrennten Ständerwicklungssysteme wirkungsmäßig transformatorisch gekoppelt sind. Aufgrund des Wicklungsverhältnisses zwischen den Wicklungen der beiden Ständerwicklungssysteme wird eine Netzspannung in der gewünschten Weise herabgesetzt. Im Betriebszustand "Fahren" wird nur eines der beiden Ständerwicklungssysteme der Drehstrommaschine benutzt.
Aus der JP 09-298840 A1 ist ein Antriebssystem eines batteriegespeisten Fahrzeugs mit zwei selbstgeführten Stromrichtern bekannt. Diese beiden selbstgeführten Stromrichter sind gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu Anschlüssen der Fahrzeugbatterie geschaltet. Als Drehstrommaschine wird eine Maschine mit zwei galvanisch getrennten Ständerwicklungssystemen verwendet. Eines der beiden Ständerwicklungssysteme ist mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen eines ersten selbstgeführten Stromrichters elektrisch leitend verbunden, wobei das zweite Ständerwicklungssystem mit einer Umschalteinrichtung verknüpft ist. Mittels dieser Umschalteinrichtung ist das zweite Ständerwicklungssystem einerseits mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten selbstgeführten Stromrichters und andererseits mit Netzanschlussklemmen des Antriebssystems verbindbar, an das ein Versorgungsnetz anschließbar ist. Somit wird der erste Stromrichter während der Betriebszustände "Fahren" und "Laden" verwendet, der zweite Stromrichter hingegen nur während des Betriebszustands "Fahren". Die Spannungsanpassung erfolgt wieder über ein Wicklungsverhältnis der beiden galvanisch und transformatorisch gekoppelten Ständerwicklungssysteme.
Der Nachteil des Antriebssystems der EP 0 849 112 A1 und des Antriebssystems der JP 09-298840 A1 besteht darin, dass von den beiden Ständerwicklungssystemen der Drehstrommaschine nur eines während des Betriebszustands "Fahren" verwendet wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Antriebssysteme batteriegespeister Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass während des Betriebszustands "Fahren" beide Ständerwicklungssysteme der Drehstrommaschine des Antriebssystems verwendet werden.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 erfindungsgemäß gelöst.
Durch die Verwendung zweier zusätzlicher Schalteinrichtungen, die erfindungsgemäß im Antriebssystem verschaltet sind, werden beide Ständerwicklungssysteme der Drehstrommaschine des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs im Betriebszustand "Fahren" verwendet. Selbst wenn ein Übersetzungsverhältnis ungleich Eins ist, wodurch sich eine unsymmetrische Stromaufteilung einstellt, unterstützt das zweite Ständerwicklungssystem bei einer Drehmomentbildung.
Bei einer ersten Ausführungsform des Antriebssystems nach der Erfindung ist das zweite Ständerwicklungssystem, das auch als netzseitiges Ständerwicklungssystem bezeichnet wird, mittels einer ersten Schalteinrichtung mit Netzanschlussklemmen des Antriebssystems oder mittels einer zweiten Schalteinrichtung mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Stromrichters verbindbar. Während der beiden Betriebszustände "Fahren" und "Laden" ist jeweils nur eine Schalteinrichtung geschlossen, während die andere Schalteinrichtung offen ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Antriebssystems nach der Erfindung ist das zweite Ständerwicklungssystem (netzseitig) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten selbstgeführten Stromrichters verbindbar, wobei dieser zweite selbstgeführte Stromrichter gleichspannungsseitig mittels einer dritten Schalteinrichtung mit Anschlüssen der Batterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs verbunden ist. Außerdem ist dieses netzseitige Ständerwicklungssystem der Drehstrommaschine des erfindungsgemäßen Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mittels einer ersten Schalteinrichtung mit Netzanschlussklemmen des Antriebssystems verbindbar.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Antriebs wird jedes Ständerwicklungssystem mittels eines eigenen selbstgeführten Stromrichters aus der Fahrzeugbatterie gespeist. Während des Betriebszustands "Laden" ist der zweite selbstgeführte Stromrichter gleichspannungsseitig von der Batterie getrennt und die Anschlüsse des netzseitigen Ständerwicklungssystems der Drehstrommaschine, die mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten selbstgeführten Stromrichters verknüpft sind, sind mittels der ersten Schalteinrichtung mit Netzanschlussklemmen des Antriebssystems verbunden, an denen ein Versorgungsnetz angeschlossen ist.
Wie bereits erwähnt, werden die beiden Schalteinrichtungen eines erfindungsgemäßen Antriebssystems alternierend angesteuert. Das heißt, entweder ist die erste Schalteinrichtung geschlossen und die zweite Schalteinrichtung offen, oder die erste Schalteinrichtung ist offen und die zweite Schalteinrichtung ist geschlossen. Somit kann eine der beiden Schalteinrichtungen als Lade-Schalteinrichtung und die andere als Fahr-Schalteinrichtung bezeichnet werden. Wann welche Schalteinrichtung geschlossen bzw. geöffnet wird, wird von einer Ablaufsteuereinrichtung in Abhängigkeit eines Fahr- oder Ladesignals bestimmt.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Antriebssystems gemäß Anspruch 1 oder 2 sind den Unteransprüchen 3 bis 13 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen eines Antriebssystems nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines bekannten Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, in der
2 ist ein Prinzipschaltbild eines gattungsgemäßen Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs dargestellt;
3 zeigt das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Antriebssystems nach der Erfindung und in der
4 ist das Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Antriebssystems nach der Erfindung dargestellt.
In der 1 ist mit 2 ein selbstgeführter Stromrichter, mit 4 eine Drehstrommaschine, mit 6 eine Batterie und mit 8 ein DC/DC-Steller bezeichnet. Als Drehstrommaschine 4 kann ein permanent erregter Synchronmotor oder ein Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer verwendet werden. Von dieser Drehstrommaschine 4 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur das Ständerwicklungssystem 10 dargestellt, das drei Wicklungssysteme aufweist, die in Stern verschaltet sind. Dieses Ständerwicklungssystem 10 ist mittels einer Umschalteinrichtung 12 mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S, T des selbstgeführten Stromrichters 2 elektrisch leitend verbindbar. Mittels dieser Umschalteinrichtung 12 sind Netzanschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mittels einer Drosselschaltung 14 auch mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T des selbstgeführten Stromrichters 2 verbindbar. An diesen Netzanschlussklemmen U, V und W des Antriebssystems wird zum Zwecke der Ladung der Batterie 6 ein Versorgungsnetz, beispielsweise ein Drehstromnetz mit einer Amplitude von 400 V und einer Netzfrequenz von 50 Hz, mittels eines Ladekabels angeschlossen.
Der selbstgeführte Stromrichter 2, der auch als Pulsstromrichter bezeichnet wird, ist in dieser Darstellung als IGBT-Pulsstromrichter ausgeführt. Da die Drehstrommaschine 4 dreiphasig ausgeführt ist, weist dieser IGBT-Pulsstromrichter 2 sechs IGBTs auf, die als 6-pulsige Brückenschaltung verschaltet sind. Jeweils zwei abschaltbare Halbleiter, hier ein IGBT, sind elektrisch in Reihe geschaltet, und bilden somit eine Halbbrücke. Jeder Verbindungspunkt zweier elektrisch in Reihe geschalteter IGBTs bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss R bzw. S bzw. T, die auch als Ausgangsanschlüsse des Pulsstromrichters 2 bezeichnet werden. Diese drei Halbbrücken sind elektrisch parallel zueinander und zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen P und N des Pulsstromrichters 2 geschaltet. Diese gleichspannungsseitigen Anschlüsse P und N sind in dieser Ausführungsform des Antriebssystems mittels des DC/DC-Stellers 8 mit Anschlüssen P_B und N_B der Batterie elektrisch leitend verbunden. Der DC/DC-Steller 8 wird für eine Spannungsanpassung zwischen Batteriespannung U_Bat und Zwischenkreisspannung U_ZW des Pulsstromrichters 2 verwendet. Aus Kostengründen erzeugt die Batterie 6 eine Batteriespannung U_Bat von maximal 400 V, wogegen der Pulsstromrichter 2 mit handelsüblichen 1200 V-IGBTs eine Zwischenkreisspannung U_ZW von wenigstens 670 V benötigt.
Das dargestellte Antriebssystem gemäß 1 befindet sich in dem Betriebszustand "Fahren", da die Ausgangsanschlüsse R, S, T des Pulsstromrichters 2 mittels der Umschalteinrichtung 12, die hier ebenfalls dreiphasig ausgeführt ist, elektrisch leitend mit dem Ständerwicklungssystem 10 der Drehstrommaschine 4 verbunden sind. Im Betriebszustand "Laden" verbindet diese Umschalteinrichtung 12 die Ausgangsanschlüsse R, S, T des Pulsstromrichters 2 mittels der Drosselschaltung 14 mit den Netzanschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems, an denen ein Versorgungsnetz mittels eines Ladekabels angeschlossen ist.
Durch Stecken dieses Ladekabels kann ein Umschaltsignal für die Umschalteinrichtung 12 generiert werden. Im Betriebszustand "Laden" wird der Pulsstromrichter 2 des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs als Ladegleichrichter betrieben, mit dem ein Ladestrom eingestellt werden kann. Durch diese doppelte Verwendung des Pulsstromrichters 2 als Wechselrichter im Betriebszustand "Fahren" und als Gleichrichter im Betriebszustand "Laden" wird kein separates Ladegerät mehr benötigt, das immer an Bord mitgeführt werden muss.
Aufgrund fehlender Potentialtrennung ist die Einhaltung von Grenzwerten für Ableitströme schwierig. Außerdem sollte vorsichtshalber ein in der Hausinstallation verwendeter FI-Schalter (Typ A) gegen einen allstromsensitiven FI-Schalter (Typ B) ausgetauscht werden, da im Fehlerfall netzseitige DC-Fehlerströme auftreten können, die vom FI-Schalter des Typs A nicht erfasst werden können.
Zur Potentialtrennung von Versorgungsnetz und Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs im Betriebszustand "Laden" kann ein Transformator, insbesondere ein dreiphasiger Trenntransformator eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine weitere Komponente, die volumen- und gewichtsmäßig nicht zu vernachlässigen ist.
In der 2 ist ein Prinzipschaltbild eines weiteren bekannten Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Dieses Antriebssystem, bestehend aus Batterie 6, selbstgeführtem Stromrichter 2 und einer Drehstrommaschine 16 mit zwei Ständerwicklungssystemen 18 und 20, ist aus der eingangs genannten EP-Anmeldung bekannt. Diese beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 sind galvanisch voneinander getrennt und wicklungsmäßig transformatorisch gekoppelt. Das Ständerwicklungssystem 18 ist elektrisch leitend mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T des selbstgeführten Pulsstromrichters 2 verbunden und wird deshalb im Folgenden auch als stromrichterseitiges Ständerwicklungssystem 18 bezeichnet. Das Ständerwicklungssystem 20 der Drehstrommaschine 16 ist mit den Netzanschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems elektrisch leitend verbunden und wird deshalb im Folgenden auch als netzseitiges Ständerwicklungssystem 20 bezeichnet. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der Wicklungssysteme der beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 kann ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis realisiert werden. Im Betriebszustand "Laden" werden beide Ständerwicklungssysteme 18 und 20 der Drehstrommaschine 16 als Transformator verwendet. Im Betriebszustand "Fahren" wird nur das stromrichterseitige Ständerwicklungssystem 18 verwendet.
In der 3 ist ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs nach der Erfindung dargestellt. Dieses Antriebssystem unterscheidet sich vom Antriebssystem der 2 dadurch, dass zwei zusätzliche erste und zweite Schalteinrichtungen S_L und S_F vorgesehen sind. Die erste Schalteinrichtung S_L ist derart im Antriebssystem verschaltet, dass die Netzanschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems mit dem netzseitigen Ständerwicklungssystem 20 der Drehstrommaschine 16 verbindbar ist. Dagegen ist die zweite Schalteinrichtung S_F derart in dem Antriebssystem angeordnet, dass außerdem das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S, T des selbstgeführten Stromrichters 2 verbindbar ist. Außerdem ist eine Ablaufsteuereinrichtung 22 vorgesehen, die in Abhängigkeit eines Signals L Steuersignale L_SL und F_SF für die beiden Schalteinrichtungen S_L und S_F generieren.
In Abhängigkeit des Signals L wechselt das Antriebssystem seinen Betriebszustand "Fahren" in den Betriebszustand "Laden" bzw. umgekehrt. Beispielsweise befindet sich das Antriebssystem im Betriebszustand "Laden", wenn das Signal L high ist. Ist das Signal L low, so befindet sich das Antriebssystem im Betriebszustand "Fahren". Diese high-Pegel des Signals L kann beispielsweise durch Stecken eines Ladekabels in den Netzanschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und in eine Steckdose eines Versorgungsnetzes generiert werden. Ist das Antriebssystem nicht mittels Ladekabel mit einem Versorgungsnetz elektrisch leitend verbunden, so befindet es sich im Betriebszustand "Fahren" und das Signal L ist low.
Ist das Signal L high, so sind außerdem das Signal L_SL ebenfalls high und das Signal F_SF low. Dadurch wird die Schalteinrichtung S_L geschlossen und die zweite Schalteinrichtung S_F geöffnet. Durch diese Schaltzustände der beiden Schalteinrichtungen S_L und S_F ist das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 mit den Anschlussklemmen U, V, W des Antriebssystems elektrisch leitend verbunden, so das nur die beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 der Drehstrommaschine 16 als Transformator verwendet werden. Ist das Signal L low, so ist außerdem das Signal L_SL low und das Signal F_SF high. Dadurch wird die erste Schalteinrichtung S_L geöffnet und die zweite Schalteinrichtung S_F geschlossen, wodurch nun ebenfalls das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 der Drehstrommaschine 16 mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S, T des selbstgeführten Stromrichters 2 elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch werden diese beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 gleichzeitig mittels des selbstgeführten Stromrichters 2 aus der Batterie 6 bestromt. Das heißt, im Betriebszustand "Fahren" des Antriebssystems wird das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 mitbenutzt. Selbst bei einem Übersetzungsverhältnis ungleich Eins im Betriebszustand "Fahren" unterstützt das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 bei einer Drehmomentbildung, obwohl sich wegen des Übersetzungsverhältnisses ungleich Eins eine unsymmetrische Stromaufteilung einstellt.
Diese Betriebsweise zeigt, dass von den beiden Schalteinrichtungen S_L und S_F immer nur eine Schalteinrichtung S_Loder S_F geschlossen bzw. geöffnet ist. Das heißt, diese beiden Schalteinrichtungen S_L und S_F werden alternierend betrieben.
In der 4 ist ein Prinzipschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems unterscheidet sich von der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems der 3 dadurch, dass ein zweiter selbstgeführter Stromrichter 24 vorgesehen ist. Dieser selbstgeführte Stromrichter 24 ist gleichspannungsseitig mittels einer dritten Schalteinrichtung S_FDC elektrisch parallel zur Batterie 6 schaltbar. Ist diese dritte Schalteinrichtung S_FDC geschlossen, sind die beiden selbstgeführten Stromrichter 2 und 24 gleichspannungsseitig zueinander und zur Batterie 6 elektrisch parallel geschaltet. Außerdem sind die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R', S' und T' des zweiten selbstgeführten Stromrichters 24 mittels der ersten Schalteinrichtung S_L mit den Netzanschlussklemmen U, V und W des Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs verbindbar. Zusätzlich sind diese wechselspannungsseitigen Anschlüsse R', S' und T' mit dem netzseitigen Ständerwicklungssystem 20 der Drehstrommaschine 16 elektrisch leitend verbunden. Das stromrichterseitige Ständerwicklungssystem 18 ist elektrisch mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T des ersten selbstgeführten Stromrichters 2 verbunden. Für die Steuerung dieser beiden Schalteinrichtungen S_L und S_FDC ist ebenfalls eine Ablaufsteuereinrichtung 22 vorgesehen. In Abhängigkeit des Pegels des Signals L werden die beiden Schalteinrichtungen S_L und S_FDC alternierend angesteuert.
Da diese vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems zwei selbstgeführte Stromrichter 2 und 24 aufweist, die im Betriebszustand "Fahren" angesteuert werden, können die beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. Mit Hilfe der unterschiedlichen Spannungen für die beiden Ständerwicklungssysteme 18 und 20 ist es möglich, die Stromaufteilung aktiv zu beeinflussen, während sich die Stromaufteilung bei der Ausführungsform des Antriebssystems gemäß 3 beim Fahren rein passiv und nicht beeinflussbar einstellt.
Ein weiterer Vorteil dieser vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs besteht darin, dass dieses Antriebssystem bei Ausfall eines selbstgeführten Stromrichters 2 bzw. 24 weiter betrieben werden kann, ohne dass für die Umschaltung von Betriebszustand "Fahren" in den Betriebszustand "Redundanz" weitere Schalteinrichtungen benötigt werden. Fällt beispielsweise der selbstgeführte Stromrichter 24 aus, so wird die dritte Schalteinrichtung S_FDC geöffnet, so dass dieser von der Batterie 6 getrennt ist. Dadurch wird nur noch das stromrichterseitige Ständerwicklungssystem 18 der Drehstrommaschine 16 aus der Batterie 6 bestromt. Fällt der selbstgeführte Stromrichter 2 aus, wird nur noch das netzseitige Ständerwicklungssystem 20 der Drehstrommaschine 16 aus der Batterie 6 mit Strom versorgt. Somit kann im Betriebszustand "Redundanz" ein Notbetrieb während des Betriebszustands "Fahren" aufrecht erhalten werden, so dass das batteriebetriebene Fahrzeug aus eigener Kraft in eine nächste Werkstatt fahren kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0849112 A1 [0005, 0007, 0009]
JP 09-298840 A1 [0008, 0009]

Claims

Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einem selbstgeführten Stromrichter (2), mit einer Batterie (6), die elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen (P, N) des selbstgeführten Stromrichters (2) geschaltet ist, und mit einer Drehstrommaschine (16) mit zwei galvanisch getrennten Ständerwicklungssystemen (18, 20), wobei ein erstes Ständerwicklungssystem (18) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) des selbstgeführten Stromrichters (2) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ständerwicklungssystem (20) mittels einer ersten Schalteinrichtung (S_L) mit Netzanschlussklemmen (U, V, W) des Antriebssystems oder mittels einer zweiten Schalteinrichtung (S_F) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) des selbstgeführten Stromrichters (2) jeweils verbindbar ist.
Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit zwei selbstgeführten Stromrichtern (2, 24), die gleichspannungsseitig zueinander und zu einer Batterie (6) elektrisch parallel geschaltet sind, mit einer Drehstrommaschine (16) mit zwei galvanisch getrennten Ständerwicklungssystemen (18, 20), wobei ein erstes Ständerwicklungssystem (18) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R, S, T) des ersten selbstgeführten Stromrichters (2) verschaltet ist, und mit einer ersten Schalteinrichtung (S_L), mittels der Netzanschlussklemmen (U, V, W) des Antriebssystems mit Anschlüssen (R', S', T') des zweiten Ständerwicklungssystems (24) elektrisch leitend verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ständerwicklungssystem (20) mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen (R', S', T') des zweiten selbstgeführten Stromrichters (24) verschaltet ist, und dass der zweite Stromrichter (24) gleichspannungsseitig mittels einer dritten Schalteinrichtung (S_FDC)mit Anschlüssen (P_B, N_B) der Batterie (6) verbindbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schalteinrichtungen (S_L, S_F) steuerungsseitig mit Steueranschlüssen einer Ablaufsteuereinrichtung (22) elektrisch leitend verbunden sind.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und dritte Schalteinrichtung (S_L, S_FDC) steuerungsseitig jeweils mit Steueranschlüssen einer Ablaufsteuereinrichtung (22) elektrisch leitend verknüpft sind.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsverhältnis der beiden Ständerwicklungssysteme (18, 20) Eins ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsverhältnis der beiden Ständerwicklungssysteme (18, 20) ungleich Eins ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schalteinrichtung (S_L, S_F) jeweils ein mehrphasiger Ein-/Aus-Schalter ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schaltvorrichtung (S_FDC) ein zweiphasiger Ein-/Aus-Schalter ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrommaschine (16) ein permanenterregte Synchronmaschine ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrommaschine (16) eine Asynchronmaschine ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder selbstgeführte Stromrichter (2, 24) ein IGBT-Pulsstromrichter ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Batterie (6) und gleichspannungsseitigen Anschlüssen (P, N) des selbstgeführten Stromrichters (2) oder der selbstgeführten Stromrichter (2, 24) ein bidirektionaler DC/DC-Steller (8) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale DC/DC-Steller (8) ein Hoch-Tiefsetz-Steller ist.
Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems nach Anspruch 1 in die Betriebszustände "Fahren" und "Laden", wobei im Betriebszustand "Fahren" die erste und zweite Schalteinrichtung (S_L, S_F) derart angesteuert werden, dass die erste Schalteinrichtung (S_L) geöffnet und die zweite Schalteinrichtung (S_F) geschlossen ist, und wobei im Betriebszustand "Laden" diese beiden Schalteinrichtungen (S_L, S_F) alternierend zum Betriebszustand "Fahren" angesteuert werden.
Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems nach Anspruch 2 in die Betriebszustände "Fahren" und "Laden", wobei im Betriebszustand "Fahren" die erste und dritte Schalteinrichtung (S_L, S_FDC) derart angesteuert werden, dass die erste Schalteinrichtung (S_L) geöffnet und die dritte Schalteinrichtung (S_FDC) geschlossen ist, und wobei im Betriebszustand "Laden" diese beiden Schalteinrichtungen (S_L, S_FDC) alternierend zum Betriebszustand "Fahren" angesteuert werden.