Energieaustausch zwischen Lanes von elektrischen Multi-Lane- Antrieben

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein elektrisches AntriebsSystem mit mehreren Multi-Lane-Elektromotoren, wobei gleiche Lanes un terschiedlicher Elektromotore gemeinsam eine Lane-Gruppe bil den. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb eines elektrischen AntriebsSystems sowie ein Fahrzeug mit einem elektrischen AntriebsSystem.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Elektromobilität wird zukünftig eine immer größere Rolle spielen . Am Beispiel der Luftfahrt wird ein dabei erforderli ches Sicherheitskonzept erläutert. Es kann auf andere techni sche Bereiche angewandt werden. Flugzeuge sollen künftig elektrisch betrieben werden. Der Auftrieb und der Vorschub werden dabei mit Hilfe von Propellern oder Triebwerken gene riert, die von Elektromotoren angetrieben werden. Die Ener gieversorgung für die Elektromotore erfolgt wahlweise über Batterien oder Generatoren. Elektromotore, Batterien, Genera toren sowie zusätzlich benötigte Schalt- und Steuereinrich tungen bilden das elektrische AntriebsSystem.

Das elektrische AntriebsSystem muss eine hohe Verfügbarkeit aufweisen . Das heißt, dass ein einzelner Fehler nicht zu ei nem Ausfall des gesamten AntriebsSystems führen darf. Die fehlerhafte Komponente muss vom System erkannt und getrennt werden, so dass alle funktionsfähigen Komponenten in Betrieb bleiben und ausreichend Antriebsleistung zur Verfügung stel len können.

Dieses Ziel wird in den Antriebsmotoren mit einem so genann ten Lane-Konzept erreicht. Dabei wird jeder Elektromotor aus mehreren elektrisch und magnetisch entkoppelten Teilmotoren aufgebaut. Jeder Teilmotor wird von einem eigenen Stellgerät (z.B. einem Wechselrichter) mit elektrischer Energie ver sorgt. Der Wechselrichter betreibt seinen Teilmotor z.B. mit einer Drehzahlregelung. Die Drehzahlregelung enthält eine so genannte „Statikfunktion", die den parallelen Betrieb der Teilmotore an einer gemeinsamen mechanischen Welle ermög licht. Teilmotor und Wechselrichter bilden eine Lane, die im Fehlerfall ohne Rückwirkungen auf die anderen Lanes abge schaltet werden kann.

FIG. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Energie austausch bei einem elektrischen Multi-Lane-Antrieb. Der Elektromotor 1 weist drei dreiphasige Lanes auf, die jeweils von einem DC/AC-Steilgerät mit elektrischer Energie versorgt werden, im Einzelnen sind das: Das erste Stellgerät 2.1 der ersten Lane, das zweite Stellgerät 2.2 der zweiten Lane und das dritte Stellgerät 2.3 der dritten Lane. Die Stellgeräte 2.1, 2.2 und 2.3 sind beispielsweise Wechselrichter und wan deln Gleichstrom in Wechselstrom um. Sie

Das Lane-Konzept kann auf das gesamte elektrische Antriebs system übertragen werden. Dazu werden die einzelnen Komponen ten (Antrieb, Batterie und Generator) ebenfalls mit Lanes ausgeführt . Prinzipiell wäre es möglich, jeweils nur eine Mo- tor-Lane mit einer Batterie-Lane und einer Generator-Lane zu verschalten . In diesem Fall wird eine maximal mögliche Sepa ration der Lanes erreicht und damit die maximale Verfügbar keit des Gesamtsystems erreicht.

Um den Verdrahtungsaufwand gering zu halten, wird man bei ei nem praktischen Einsatz mehrere Lanes zu sogenannten „Lane- Gruppen" kombinieren. Jede Lane-Gruppe besitzt einen eigenen DC-Bus. Im praktischen Betrieb kommt es vor, dass die Lane- Gruppen, z.B. aufgrund von Fehlern, unterschiedlich belastet werden. Im Extremfall würden bei Ausfall aller Antriebs-Lanes einer Lane-Gruppe die dort angeschlossenen Batterien nicht mehr genutzt werden und die in ihnen gespeicherte elektrische Energie wäre nicht mehr nutzbar.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, für elektrische Antriebe eine Lösung anzugeben, um bei elektrischen Antrieben mit mehreren Lanes bei einem Ausfall von Komponenten trotzdem möglichst viel gespeicherte Energie zur Verfügung zu haben.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche . Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Es wäre von Vorteil, die elektrische Energie einer Lane- Gruppe in eine andere Lane-Gruppe zu übertragen, ohne die La- ne-Gruppen galvanisch zu verbinden.

In einem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt daher in einem Fehlerfall der Energietransfer über den elektrischen Genera tor. Die Wicklungen des Generators sind über Wechselrichter an den DC-Bus der Lane-Gruppe angeschlossen. Die Wechselrich ter regeln die DC-Spannung ihrer Lane-Gruppe. Über die Amplitude der DC-Spannung steuert der Wechselrichter die La dung bzw. Entladung der Batterien in der Lane-Gruppe.

Verfügt eine Lane-Gruppe über überschüssige Energie in den Batterien, kann die Energie über den Generator durch das Zu sammenspiel von zwei Wechselrichtern in eine andere Lane- Gruppe übertragen werden. Die Übertragung erfolgt ohne galva nische Kopplung, so dass die Lane-Gruppen elektrisch unabhän gig bleiben.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung erfolgt der Energie transfer über einen Transformator. Diese Variante ist ein- setzbar, wenn kein Generator im AntriebsSystem vorhanden ist. Anstelle des Generators ist ein Transformator eingebaut, der so viele Wicklungen wie Lane-Gruppen hat. Die Wicklungen sind über einen Wechselrichter mit dem DC-Bus der jeweiligen Lane- Gruppe verbunden. Die Wechselrichter bauen gemeinsam an ihrem AC-Ausgang ein magnetisch gekoppeltes AC-Netz auf. Sie regeln also nicht mehr die DC-Spannung im DC-Bus, sondern die Ab spannung .

Über eine Frequenz- und Spannungsregelung mit integrierten Droop-Funktionen kann der Energieaustausch zwischen den Wech selrichtern im AC-Netz ohne überlagerte Steuerung organisiert werden. Die Frequenz des AC-Netzes variiert in engen Grenzen.

Ist die Frequenz kleiner als die Nennfrequenz, liegt Energie mangel vor und die Wechselrichter mit Energieüberschuss auf ihrer DC-Seite können Energie einspeisen. Dann steigt die Frequenz wieder an bis sie die Nennfrequenz erreicht.

Ist die Frequenz größer als die Nennfrequenz, liegt Energie überschuss vor und die Wechselrichter mit Energiebedarf auf ihrer DC-Seite können Energie entnehmen. Dann sinkt die Fre quenz wieder ab bis sie die Nennfrequenz erreicht.

Die Erfindung beansprucht ein elektrisches AntriebsSystem, das aufweist: mehrere Multi-Lane-Elektromotoren, wobei gleiche Lanes un terschiedlicher Elektromotore gemeinsam eine Lane-Gruppe bilden, mindestens einen elektrischen Energiespeieher für jede La ne-Gruppe, mindestens ein elektrisches AC/DC-Steilgerät für jede La ne-Gruppe, einen DC-Bus für jede Lane-Gruppe, wobei über den DC-Bus ein DC/AC-Stellgerät für jede Lane der Elektromotore mit Gleichstrom durch die AC/DC-Stellgeräte oder die Energie speicher versorgbar ist, einen elektromagnetischen Wandler, der ausgebildet ist, die WechselSpannungen der AC/DC-Stellgeräte elektromagne tisch zu verketten, eine Steuer- und Regeleinheit, die eingerichtet ist, bei Ausfall von Lanes in den Elektromotoren die Energie der geschwächten Lane-Gruppe durch eine Regelegung der Span nung der AC/DC Stellgeräte für mindestens eine andere La ne-Gruppe zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass beim Ausfall von Lanes in den Elektromotoren die elektrische Energie der geschwäch ten Lane-Gruppe einer anderen Lane-Gruppe, und damit den an deren noch funktionsfähigen Lanes der Elektromotore oder dem Laden von Batterien, zur Verfügung gestellt werden.

In einer Weiterbildung des AntriebsSystems kann der elektromagnetische Wandler ein elektrischer Generator sein, bei dem für jede Lane-Gruppe mindestens eine ein- oder mehrphasige Lane ausgebildet ist, und die Steuer- und Regeleinheit eingerichtet sein, bei Aus fall von Lanes in den Elektromotoren die Energie der ge schwächten Lane-Gruppe durch eine Regelegung der DC- Spannung der AC/DC Stellgeräte für mindestens eine andere Lane-Gruppe zur Verfügung zu stellen.

In einer weiteren Ausführungsform des AntriebsSystems wird der elektrische Generator durch eine Turbine angetrieben.

In einer weiteren Ausführungsform des AntriebsSystems kann der elektromagnetische Wandler ein Transformator sein, bei dem für jede Lane-Gruppe mindestens eine ein- oder mehr phasige Lane ausgebildet ist, und die Steuer- und Regeleinheit eingerichtet sein, bei Aus fall von Lanes in den Elektromotoren die Energie der ge schwächten Lange-Gruppe durch eine Regelegung der Ab spannung der AC/DC Stellgeräte für mindestens eine andere Lane-Gruppe zur Verfügung zu stellen. In einer weiteren Ausführungsform kann der elektrische Ener giespeicher eine wiederaufladbare Batterie aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das AC/DC Stellgerät und/oder das DC/AC Stellgerät ein Wechselrichter sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann das AC/DC Stellgerät, das DC/AC Stellgerät und der Energiespeieher jeweils mit ei nem elektrischen Schaltelement mit dem DC-Bus elektrisch ver bunden sind. Dadurch können diese Komponenten vom DC-Bus ge trennt werden.

Die Erfindung beansprucht auch ein Fahrzeug mit einem erfin dungsgemäßen AntriebsSystem, wobei mindestens ein Rad, ein Propeller oder ein Triebwerk von dem AntriebsSystem angetrie ben werden.

Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen AntriebsSystems, mit den Schritten:

Bereitstellen mehrerer Multi-Lane-Elektromotore, wobei gleiche Lanes unterschiedlicher Elektromotore gemeinsam eine Lane-Gruppe bilden,

Bereitstellen mindestens eines elektrischen Energiespei chers für jede Lane-Gruppe,

Bereitstellen mindestens eines elektrischen AC/DC- Stellgeräts für jede Lane-Gruppe,

Bereitstellen einen DC-Buses für jede Lane-Gruppe, wobei über den DC-Bus ein DC/AC-Steilgerät für jede Lane der Elektromotore mit Gleichstrom durch die AC/DC-Stellgeräte oder Energiespeieher versorgbar ist,

Bereitstellen eines elektromagnetischen Wandlers, der aus gebildet ist, die WechselSpannungen der AC/DC-Stellgeräte elektromagnetisch zu verketten, und bei Ausfall von Lanes in den Elektromotoren die elektri sche Energie der geschwächten Lane-Gruppe durch eine Rege legung der Spannung der AC/DC Stellgeräte für mindestens eine andere Lane-Gruppe zur Verfügung gestellt wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens kann der elektromagnetische Wandler ein elektrischer Generator sein, bei dem für jede Lane-Gruppe mindestens eine ein- oder mehrphasige Lane ausgebildet ist, und bei Ausfall von Lanes in den Elektromotoren die elektri sche Energie der geschwächten Lane-Gruppe durch eine Rege legung der DC-Spannung der AC/DC Stellgeräte für mindes tens eine andere Lane-Gruppe zur Verfügung gestellt wer den.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der elektrische Generator durch eine Turbine angetrieben.

In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens kann der elektromagnetische Wandler ein Transformator sein, bei dem für jede Lane-Gruppe eine ein- oder mehrphasige Lane ausgebildet ist, und bei Ausfall von Lanes in den Elektromotoren die elektri sche Energie der geschwächten Lane-Gruppe durch eine Rege legung der AC-Spannung der AC/DC Stellgeräte für mindes tens eine andere Lane-Gruppe zur Verfügung gestellt wer den.

In einer weiteren Ausgestaltung kann bei einer Störung einer Lane gestörte Lane vom DC-Bus getrennt und aus der Lane- Gruppe entfernt werden

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

FIG. 1 zeigt ein Schaltbild eines Elektromotors mit drei dreiphasigen Lanes gemäß dem Stand der Technik, FIG. 2 ein Blockschaltbild eines AntriebsSystems mit mehreren Elektromotoren mit drei einphasigen Lanes und drei Lane- Gruppen,

FIG. 3 ein Blockschaltbild eines AntriebsSystems mit mehreren Elektromotoren mit drei einphasigen Lanes und drei Lane- Gruppen bei Wegfall aller Motor-Lanes einer Lane-Gruppe und damit verbundener Schwächung dieser Lane-Gruppe,

FIG. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren AntriebsSystems mit mehreren Elektromotoren mit drei einphasigen Lane-Gruppen bei Wegfall aller Motor-Lanes einer Lane-Gruppe und und Energie transfer von der geschwächten Lane-Gruppe in eine andere La ne-Gruppe

FIG. 5 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem elektri schen AntriebsSystem.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Lane-Konzept kann auf ein gesamtes elektrisches Antriebs system übertragen werden. Dazu werden die einzelnen Komponen ten des AntriebsSystems wie Elektromotor, Batterie und Gene rator ebenfalls mit Lanes ausgeführt. Prinzipiell wäre es möglich, jeweils nur eine Motor-Lane mit einer Batterie-Lane und einer Generator-Lane zu verschalten. In diesem Fall wird die maximal mögliche Separation der Lanes erreicht und damit die maximale Verfügbarkeit des Gesamtsystems erreicht.

Um den Verdrahtungsaufwand gering zu halten, wird man im praktischen Einsatz mehrere Lanes zu Lane-Gruppen kombinie ren. Jede Lane-Gruppe hat dann einen eigenen DC-Bus. Im prak tischen Betrieb kommt es vor, dass die Lane-Gruppen z.B. auf grund von Fehlern unterschiedlich belastet werden. Im Extrem fall würden bei Ausfall aller Antriebs-Lanes einer Lane- Gruppe die dort angeschlossenen Batterie-Lanes nicht mehr ge nutzt und die in ihnen gespeicherte elektrische Energie wäre nicht mehr nutzbar. Die Erfindung bietet dafür eine Lösung. FIG. 2, FIG. 3 und FIG. 4 zeigen Blockschaltbilder von Aus führungsbeispielen, die bei einem Wegfall von Motor-Lanes ei ner Lane-Gruppe die in dieser Lane-Gruppe zur Verfügung ste hende elektrische Energie der elektrischen Speicher in einer anderen Lane-Gruppe nutzen können.

Vier Elektromotore 1 treiben jeweils eine Antriebswelle 1.1, die mechanische Energie abgibt, an. Jeder Elektromotor 1 wird von drei Lanes mit elektrischer Energie versorgt. Diese wird durch das erste Stellgerät 2.1 für die erste Lane, durch das zweite Stellgerät 2.2 für die zweite Lane und durch das drit te Stellgerät 2.3 bereitgestellt. Bei den Stellgeräten 2.1,

2.2 und 2.3 handelt es sich um DC/AC Stellgeräte, die Gleich strom in Wechselstrom wandeln (= Wechselrichter) und die Drehzahl des Elektromotors 1 regeln, was durch das Bezugszei chen „zweite Drehzahlregelung 9.2" angezeigt wird.

Die ersten Stellgeräte 2.1 sind DC-seitig über ein elektri sches Schaltelement 12 mit einem ersten DC-Bus 10.1 verbun den. Die zweiten Stellgeräte 2.2 sind DC-seitig über ein elektrisches Schaltelement 12 mit einem zweiten DC-Bus 10.2 verbunden . Die dritten Stellgeräte 2.3 sind DC-seitig über ein elektrisches Schaltelement 12 mit einem dritten DC-Bus 10.3 verbunden.

Mit dem ersten DC-Bus 10.1 sind für jede erste Lane der Elektromotore 1 ein erster Energiespeieher 3.1 (also zusammen vier) mittels einem Schaltelement 12 elektrisch verbunden.

Mit dem zweiten DC-Bus 10.2 sind für jede zweite Lane der Elektromotore 1 ein zweiter Energiespeieher 3.2 (also zusam men vier) mittels einem Schaltelement 12 elektrisch verbun den. Mit dem dritten DC-Bus 10.3 sind für jede dritte Lane der Elektromotore 1 ein dritter Energiespeieher 3.1 (also insgesamt vier) mittels einem Schaltelement 12 elektrisch verbunden . Die ersten Lanes der Elektromotore 1, die ersten Stellgeräte 2.1, die ersten Energiespeieher 3.1 sowie der erste DC-Bus 10.1 bilden die erste Lane-Gruppe LG1. Die zweiten Lanes der Elektromotore 1, die zweiten Stellgeräte 2.2, die zweiten Energiespeieher 3.2 sowie der zweite DC-Bus 10.2 bilden die zweite Lane-Gruppe LG2. Die dritten Lanes der Elektromotore 1, die dritten Stellgeräte 2.3, die dritten Energiespeieher 3.3 sowie der dritte DC-Bus 10.3 bilden die dritte Lane- Gruppe LG3.

Ein elektromagnetischer Wandler, ein Generator 5 wie in FIG. 2 und FIG. 3 oder ein Transformator 7, jeweils mit min destens einer Wicklung je Lane und Lane-Gruppe LG1, LG2 und LG3, ist über AC/DC Stellegeräte 4.1, 4.2 und 4.2 mit den DC- Bussen 10.1, 10.2 und 10.3 elektrisch verbunden. Die Wicklun gen der Lanes, die den Lane-Gruppen LG1, LG2 und LG3 zuge ordnet sind, sind elektromagnetisch gekoppelt. Schaltelemente 12 sind zwischen den DC-Bussen 10.1, 10.2 und 10.3 und den

Stellgeräten 4.1, 4.2 und 4.3 angeordnet.

Die Wicklung der ersten Lane ist der Lane-Gruppe LG1 zugeord net und ist über das Stellgerät 4.1 mit dem ersten DC-Bus 10.1 elektrisch verbunden. Die Wicklung der zweiten Lane ist der Lane-Gruppe LG2 zugeordnet und ist über das Stellgerät 4.2 mit dem zweiten DC-Bus 10.2 elektrisch verbunden. Die Wicklung der dritten Lane ist der Lane-Gruppe LG3 zugeordnet und ist über das Stellgerät 4.3 mit dem dritten DC-Bus 10.3 elektrisch verbunden. Die AC/DC Stellgeräte 4.1, 4.2 und 4.3 können die Spannung auf den DC-Bussen 10.1, 10.2 und 10.3 re geln, was mit dem BezugsZeichen „Spannungsregelung 8" ange deutet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit einem Generator 5 gemäß der Blockschaltbilder von FIG. 2 und FIG. 3 wird der Generator 5 von einer Turbine 6 mechanisch angetrieben. Die Turbine 6 hat eine erste Drehzahlregelung 9.1. Die Steuer- und Regeleinheit 11 steuert die Schaltelemente 12, die Stellgeräte 2.1, 2.2, 2.3, 4.1, 4.2 und 4.3 sowie die Turbine 6. Dazu ist diese mit den Komponenten verbunden, was der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeichnet ist.

FIG. 2 zeigt einen ungestörten Betriebszustand, wohingegen FIG. 3 und FIG. 4 einen gestörten Betriebszustand zeigen. Im gestörten Betrieb sind alle Lanes der Elektromotore 1 der ersten Lane-Gruppe LG1 weggeschaltet, was durch ein Fehlen der Schaltelemente 12 in den ersten Lanes dargestellt ist.

Die erste Lane-Gruppe LG 1 ist elektromagnetisch (elektromag netische Energieübertragung 15) durch die Wicklungen des Ge nerators 5 (FIG. 3) bzw. des Transformators 7 (FIG. 4) mit der zweiten Lane-Gruppe LG2 gekoppelt.

Durch eine Regelung der DC-Spannung bei der Generatorlösung (FIG. 3) bzw. der AC-Spannung bei der Transformatorlösung (FIG. 4), was durch das BezugsZeichen 8 angedeutet ist, kann die Energie der ersten Lane-Gruppe LG1 („Entladen 13"), also die in den ersten elektrischen Energiespeiehern 3.1 gespei cherte Energie, in die zweite Lane-Gruppe LG2 übertragen wer den („Laden 14"). Diese der zweiten Lane-Gruppe LG2 zusätz lich zur Verfügung stehende elektrische Energie kann über den zweiten DC-Bus 10.2 zum Laden der zweiten Energiespeieher 3.2 oder zur Versorgung der zweiten Lanes der Elektromotore 1 verwendet werden. Durch eine Änderung der Spannungsregelung 8 kann auch elektrische Energie in den dritten DC-Bus 10.3 der dritten Lane-Gruppe LG3 fließen.

FIG. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs 16, bei dem die Räder 16.2 durch ein elektrisches AntriebsSystem 16.1 nach FIG 3 oder FIG. 4 angetrieben werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste

I Elektromotor

1.1 Antriebswelle des Elektromotors 1

2.1 erstes Stellgerät erste Lane

2.2 zweites Stellgerät zweite Lane

2.3 drittes Stellgerät dritte Lane

3.1 erster elektrischer Energiespeieher erste Lane-Gruppe

3.2 zweiter elektrischer Energiespeieher zweite Lane- Gruppe

3.3 dritter elektrischer Energiespeieher dritte Lane- Gruppe

4.1 viertes Stellgerät erste Lane-Gruppe

4.2 fünftes Stellgerät zweite Lane-Gruppe

4.3 sechstes Stellgerät dritte Lane-Gruppe

5 Elektrischer Generator

6 Turbine

7 Transformator

8 Spannungsregelung

9.1 erste Drehzahlregelung

9.2 zweite Drehzahlregelung

10.1 erster DC-Bus erste Lane-Gruppe

10.2 zweiter DC-Bus zweite Lane-Gruppe

10.3 dritter DC-Bus dritte Lane-Gruppe

II Steuer- und Regeleinheit

12 elektrisches Schaltelement

13 Entladen

14 Laden

15 elektromagnetische Energieübertragung

16 Fahrzeug

16.1 elektrisches AntriebsSystem

16.2 Rad

LG1 erste Lane-Gruppe

LG2 zweite Lane-Gruppe

LG3 dritte Lane-Gruppe