| JP10135054 | CHOKE COIL AND SWITCHING POWER SUPPLY USING THE SAME |
| JP06245543 | POWER DEVICE |
| WO/2002/095916 | DC-TO-DC CONVERTER COMPRISING A SWITCHING CONTROLLER |
BUTZMANN, Stefan (Heilbronner Str. 23, Beilstein, 71717, DE)
FINK, Holger (Rotkaeppchenweg 31, Stuttgart, 70567, DE)
SB LIMOTIVE GERMANY GMBH (Kruppstrasse 20, Stuttgart, 70469, DE)
FETZER, Joachim (Drackensteiner Str. 31, Bad-Ditzenbach, 73342, DE)
BUTZMANN, Stefan (Heilbronner Str. 23, Beilstein, 71717, DE)
FINK, Holger (Rotkaeppchenweg 31, Stuttgart, 70567, DE)
| Ansprüche 1 . Ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug, das Antriebssystem umfassend einen Elektromotor (1 1 ) und einen Wechselrichter (12) zur Erzeugung einer Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors (1 1 ) aus einer Gleichspannung mit einem vorgegebenen festen Spannungswert, gekennzeichnet durch einen DC/DC-Umsetzer (14), welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung zu erzeugen, und einen ersten und einen zweiten Eingang für das Anschließen eines Batteriemoduls (15) aufweist. 2. Das Antriebssystem von Anspruch 1 , mit einem Pufferkondensator (13), der eine an einen ersten Eingang des Wechselrichters (12) angeschlossene erste Elektrode und eine an einen zweiten Eingang des Wechselrichters (12) angeschlossene zweite Elektrode aufweist. 3. Das Antriebssystem von einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der DC/DC-Umsetzer (14) bidirektional ausgelegt und ausgebildet ist, aus der Wechselspannung des Elektromotors (1 1 ) eine Ladespannung für das Batteriemodul (15) zu erzeugen. 4. Das Antriebssystem von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorgegebene feste Spannungswert zwischen 370 und 430 Volt oder zwischen 700 und 800 Volt beträgt. 5. Ein Batteriemodul (15) für ein Elektrofahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriezellen, gekennzeichnet durch einen ersten DC/DC-Umsetzer (14), welcher ausgebildet ist, eine Gleichspannung mit einem vorgegebenen festen Spannungswert zu erzeugen. 6. Das Batteriemodul (15) von Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zweiten DC/DC-Umsetzer (16), welcher mit dem ersten DC/DC-Umsetzer (14) ausgangsseitig in Serie oder parallel geschaltet ist. 7. Ein Elektrofahrzeug mit einem Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einem Batteriemodul (15) nach einem der Ansprüche 5 oder 6. |
Titel
Serienschaltung von Schaltreglern zur Energieübertragung in Batteriesvstemen Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft in Fahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Ein typisches Antriebssystem für Hybrid- und Elektrofahrzeuge umfasst gewöhnlich eine Batterie, welche über einen Wechselrichter zur Erzeugung von Wechselstrom einer für eine gewünschte Motordrehzahl geeigneten Frequenz den Elektromotor speist, bzw. von diesem im Generatorbetrieb z.B. bei Bremsvorgängen über den Wechselrichter aufgeladen wird. Der Wechselrichter wird auf seiner Gleichspannungsseite üblicherweise mit einem Glättungskondensator ausgestattet, um die Eingangsspannung zu puffern.
Die Batteriesysteme müssen je nach Einsatzzweck unterschiedlichste Anforderungen erfüllen. So kann in einem Hybrid-Fahrzeug ein Elektromotor/generator mit Batteriesystem ergänzend zu einem Verbrennungsmotor hinzutreten, oder aber in einem reinen Elektrofahrzeug die Antriebsaufgaben allein übernehmen. Hinzukommt, dass es unterschiedlichste Fahrzeugklassen gibt, die sich hinsichtlich der zu bewegenden Gesamtmasse, der erforderlichen Beschleunigung und der gewünschten Geschwindigkeit massiv unterscheiden. Beispiele für unterschiedliche Fahrzeugklassen wären LKWs, PKWs (aufgeteilt in verschiedene Klassen vom Kleinstwagen bis zur Limousine, Sportautos, Lieferfahrzeuge etc.) oder elektrische Nutzfahrzeuge wie Gapelstapler.
Eine Anforderung an Batteriesysteme wird gewönlich als sog. P/E-Verhältnis charakterisiert, welches das Verhältnis von Leistung P zu Energie E angibt. Die Leistung P bezieht sich dabei auf die Spitzenleistung PPeak, die ein Batteriesystem für eine Zeitdauer von z.B. 10s im Fahrzeug bereitstellen muss, die Energie E auf den Energieinhalt des Batteriesystems, welcher ausgehend von einer voll- geladenen Batterie bei Raumtemperatur mit einem geeignet gewählten Konstantstrom in einer Stunde entnommen werden kann, so dass die Batterie anschließend vollständig entladen ist (bzw. die zulässige untere Spannungsgrenze erreicht hat). Bei Hybrid-Fahrzeugen nimmt das P/E-Verhältnis typischerweise Werte größer 30 an, bei Plug-in Hybridfahrzeugen (Hybrid-Fahrzeugen mit externer Auflademöglichkeit) liegt das geforderte P/E-Verhältnis abhängig von der geforderten Reichweite für den reinen E-Fahrbetrieb in einem Bereich zwischen 5 und 10. Bei Elektrofahrzeugen mit einer Reichwerte von 100km und mehr liegt es bei etwa 3. Bei Sportautos mit Elektroantrieb kann das P/E-Verhältnis ähnlich wie bei den Plug-in Hybrid-Fahrzeugen Werte von etwa 5 annehmen.
Um den erforderlichen Energieinhalt und die geforderten Leistungsdaten mit der Traktionsbatterie ohne Überdimensionierung realisieren zu können, sind Batteriezellen erforderlich, deren P/E-Verhältnis wenigstens nahezu dem für das Batteriesystem geforderten entspricht. Die Anzahl n der erforderlichen Batteriezellen ist abhängig von der Kapazität und der Nennspannung (mittlere Spannung über einen kompletten Entladevorgang) der eingesetzten Batteriezellen. Sie kann wie folgt ermittelt werden: n = Eßatteriesystem / (Kapazität Ei nzeizeiie * Nennspannung)
Die n Batteriezellen können in verschiedenen Konfigurationen in dem Batteriesystem verschaltet werden, z.B. als Serienschaltung aller n Batteriezellen, als Parallelschaltung von zwei Strängen mit jeweils n/2 in Serie geschalteten Batteriezellen, als Parallelschaltung von drei Strängen mit jeweils n/3 in Serie geschalteten Batteriezellen usw. Bei gegebenem Spannungsbereich der Batteriezellen ergibt sich somit direkt der Spannungsbereich des Batteriesystems. Bei Einsatz von Lithium-Ionen Zellen mit einem Spannungsbereich von ca. 2,8V (entladen) bis 4,2V (geladen) ergibt sich für ein Batteriesystem mit beispielsweise 100 in Serie geschalteten Batteriezellen ein Spannungsbereich von 280 bis 420V, bei zwei Strängen zu je 50 Zellen dementsprechend von 140 bis 210V. Beide beispielhaft genannten Konfigurationen weisen den gleichen Energieinhalt auf, haben aber einen unterschiedlichen Spannungsbereich als Schnittstelle zu Wechselrichter und Elektromotor. Der Wechselrichter und der Elektromotor müssen somit für die beiden beispielhaft betrachteten Batteriekonfigurationen völlig an- ders ausgelegt werden. Dies verhindert eine Standardisierung der Komponenten Batterie, Pulswechselrichter, Elektromotor und ggf. Batterieladegerät.
Ein elektrisches Antriebssystem ist wünschenswert, welches durch eine auf einen festen Wert eingestellte Ausgangsspannung eine Standardisierung der oben genannten Komponenten erlaubt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung führt daher eine Vorrichtung ein, die wenigstens einen der obengenannten Nachteile des Standes der Technik überwinden kann.
Ein erster Aspekt der Erfindung führt ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug ein, das einen Elektromotor und einen Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors aus einer Gleichspannung mit einem vorgegebenen festen Spannungswert umfasst. Erfindungsgemäß verfügt das Antriebssystem über einen DC/DC-Umsetzer, welcher ausgebildet ist, die Gleichspannung zu erzeugen, und einen ersten und einen zweiten Eingang für das Anschließen eines Batteriemoduls aufweist.
Das Antriebssystem des ersten Erfindungsaspektes erlaubt es, Wechselrichter und Elektromotor für eine feste Betriebsspannung zu optimieren, weil der DC/DC-Umsetzer unabhängig von der tatsächlichen Spannung des Batteriemoduls immer die feste Betriebsspannung bereitstellen kann. Dadurch entfällt auch der Betrieb bei mit der Entladung sinkenden Spannungen, die eine Fehlanpassung des Wechselrichters und des Elektromotors über einen weiten Spannungsbereich bedeuten. Zudem wird eine flexible Schnittstelle zum Batteriemodul geschaffen, dessen Ausgangsspannung nun in einem weiten Bereich liegen kann.
Bevorzugt verfügt das Antriebssystem über einen Pufferkondensator, der eine an einen ersten Eingang des Wechselrichters angeschlossene erste Elektrode und eine an einen zweiten Eingang des Wechselrichters angeschlossene zweite Elektrode aufweist. Der Pufferkondensator puffert die Eingangsspannung des Wechselrichters, wodurch kurzfristige Lastschwankungen abgefedert werden. Besonders bevorzugt ist der DC/DC-Umsetzer bidirektional ausgelegt und ausgebildet, aus der Wechselspannung des Elektromotors eine Ladespannung für das Batteriemodul zu erzeugen. Dadurch wird es möglich, überschüssige kinetische Energie beim Bremsen über die Generatorwirkung des Elektromotors in die Batterie zurückzuführen.
Der vorgegebene feste Spannungswert beträgt vorzugsweise zwischen 370 und 430 Volt (insbesondere für Hybrid-Fahrzeuge und Elektrofahrzeuge als PKWs) oder zwischen 700 und 800 Volt (insbesondere für sog. Commercial Vehicles oder Light Commercial Vehicles). Diese Spannungen sind für die angegebenen Einsatzzwecke besonders geeignet.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt ein Batteriemodul für ein Elektrofahrzeug ein. Das Batteriemodul besitzt eine Vielzahl von Batteriezellen sowie gemäß der Erfindung einen ersten DC/DC-Umsetzer, welcher ausgebildet ist, eine Gleichspannung mit einem vorgegebenen festen Spannungswert zu erzeugen.
Der zweite Erfindungsaspekt bietet dieselben Vorteile wie der erste Erfindungsaspekt, allerdings ist hier der DC/DC-Umsetzer in das Batteriemodul integriert anstatt in das Antriebssystem.
Bevorzugt weist das Batteriemodul einen zweiten DC/DC-Umsetzer auf, welcher mit dem ersten DC/DC-Umsetzer ausgangsseitig in Serie oder parallel geschaltet ist. Dadurch erhöht sich die Flexibilität und es kann einfach ein jeweils benötigtes P/E-Verhältnis weitgehend unabhängig von den eingesetzten Batteriezellen eingestellt werden.
Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Elektrofahrzeug mit einem Antriebssystem nach dem ersten Erfindungsaspekt oder mit einem Batteriemodul nach dem zweiten Erfindungsaspekt.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem mit einem daran angeschlossenen Batteriemodul 15 gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 15 mit einem Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 3 in zwei Unterabbildungen a) und b) besondere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Batteriemodule 15.
Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Antriebssystem mit einem daran angeschlossenen Batteriemodul 15 gemäß dem Stand der Technik. Ein Elektromotor 1 1 ist an einen Wechselrichter 12 angeschlossen und erhält von diesem eine Wechselspannung einer für eine jeweilige Drehzahl benötigten Frequenz. Im Generatorbetrieb kann der Elektromotor 1 1 eine Wechselspannung erzeugen und an den Wechselrichter 12 ausgeben, welcher über den bidirektionel ausgelegten DC/DC- Umsetzer 14 einen Ladestrom für das Batteriemodul 15 erzeugt. Am Eingang des Wechselrichters 12 ist ein Pufferkondensator 13 angeschlossen. Die Eingangsspannung des Wechselrichters 12 wird von einem DC/DC-Umsetzer 14 erzeugt, der eingangsseitig an ein Batteriemodul 15 mit einer Vielzahl von Batteriezellen angeschlossen ist.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 15 mit einem Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik. Das Batteriemodul 15 verfügt über einen internen DC/DC-Umsetzer 14, welcher eine Gleichspannung mit einem vorgegebenen festen Spannungswert als Ausgangsspannung des Batteriemoduls 15 erzeugt. Das Batteriemodul 15 ist an ein herkömmliches Antriebssystem mit einem Pufferkondensator 13, einem Wechselrichter 12 und einem Elektromotor 1 1 angeschlossen.
Fig. 3 zeigt in zwei Unterabbildungen a) und b) besondere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Batteriemodule 15. Im ersten Beispiel der Unterabbildung a) tritt zu einem ersten DC/DC-Umsetzer 14 ein zweiter DC/DC-Umsetzer 16 hinzu. An die Eingänge der beiden DC/DC- Umsetzer 14 und 16 ist jeweils ein Strang von Batteriezellen angeschlossen, welche auch potentialmäßig miteinander verbunden werden können, wie im Bild durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die beiden DC/DC-Umsetzer 14 und 16 sind ausgangsseitig in Serie geschaltet, so dass die Gleichspannung mit vorgegebenem festem Spannungswert als Summe der Ausgangsspannungen der beiden DC/DC-Umsetzer 14 und 16 erzeugt wird. Es kann selbstverständlich auch eine größere Anzahl von DC/DC-Umsetzern ausgangsseitig in Serie geschaltet werden. Vorteilhaft ist die große Flexibilität der Anordnung. So ist es möglich, dass einem Strang von Batteriezellen mehr Energie entnommen wird als anderen Strängen, um Unterschiede im Ladungszustand der Stränge auszugleichen. Gegebenenfalls kann ein DC/DC-Umsetzer sogar ganz abgeschaltet werden.
Das zweite Beispiel der Unterabbildung b) entspricht im wesentlichen dem des ersten, weshalb das Obengesagte so oder ähnlich auch auf das zweite Beispiel zutrifft. Als wesentlicher Unterschied sind der erste und der zweite DC/DC- Umsetzer 14 und 16 ausgangsseitig parallel geschaltet, so dass jeder DC/DC- Umsetzer 14, 16 die Gleichspannung mit vorgegebenen festen Spannungswert erzeugen muss, wobei sich jedoch die jeweils bereitgestellte Ausgangsleistung summiert. Auch diese Anordnung bietet große Flexibilität, weil einer der DC/DC- Umsetzer zeitweise außer Betrieb und vom Ausgang abgetrennt werden kann.