Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen heutzutage eine Spannungslage von 800 Volt auf. Dabei weisen diese Fahrzeuge eine 800-Volt-Fahrzeugbatterie auf, mit welcher ein Bordnetz und/oder eine elektrische Antriebsmaschine mit Energie versorgt werden kann. Beispielsweise ist dies in der DE 102019005621 A1 und der DE 102009052680 A1 offenbart. Damit die elektrische Maschine des Fahrzeuges das Fahrzeug antreiben kann, benötigt diese eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird mittels eines Wechselrichters aus einer Batteriespannung der Fahrzeugbatterie erzeugt. Beispielsweise ist dies in der DE 102018000488 A1 offenbart.

Die DE 102018009848 A1 und DE 102018009840 A1 offenbaren jeweils Schaltanordnungen für Kraftfahrzeuge. Dabei wird jeweils eine elektrische Maschine eines Fahrzeuges mittels eines Stromrichters über eine Hochvolt-Batterie des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt.

Ein Nachteil bei den Lademöglichkeiten eines 800-Volt-Fahrzeuges an einer 400-Volt- Ladesäule ist der erhöhte Zusatzaufwand für die Abwärtskompatibilität.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Energiespeicher eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeuges einfacher und unabhängiger von einer Spannungslage einer Ladestation laden zu können. Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit

- einer ersten elektrischen Drehstrommaschine und einer zweiten elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben zumindest einer Antriebsachse des Fahrzeugs,

- einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der ersten und zweiten elektrischen Drehstrommaschine während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs, wobei ein erster Wechselrichter der ersten elektrischen Drehstrommaschine und ein zweiter Wechselrichter der zweiten elektrischen Drehstrommaschine jeweils mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sind, und

- einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, wobei

- in Abhängigkeit von dem ersten und/oder zweiten Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar ist.

Durch die Verwendung der beiden Wechselrichter des vorgeschlagenen elektrischen Antriebssystems können elektrisch betriebene Fahrzeuge mit einer Spannungslage von 800 Volt effizient und einfach an 400-Volt- oder 500-Volt-Ladestationen geladen werden. Folglich kann mithilfe des vorgeschlagenen elektrischen Antriebssystems die Abwärtskompatibilität eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges verbessert werden, sodass ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Batteriespannung von 800 Volt auch an Ladesäulen mit 400 Volt geladen werden kann. Durch die Verwendung der beiden Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine können zusätzliche Spannungswandler oder anderweitige Schaltungsanordnungen für das Laden an einer 400-Volt-Ladesäule verzichtet werden. Somit können mithilfe des vorgeschlagenen elektrischen Antriebssystems elektrisch angetriebene Fahrzeuge auch bei einer im Vergleich zu einer Batteriespannung niedrigeren Spannungslage einer Ladestation effizient und einfach geladen werden. Durch den Verzicht von zusätzlichen Schaltanordnungen wird durch diese Abwärtskompatibilität eine Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung erreicht.

Mit anderen Worten kann das elektrische Antriebssystem des Fahrzeuges, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, pro Antriebsachse zwei elektrische Antriebsmaschinen beziehungsweise elektrische Drehstrommaschinen aufweisen. Insbesondere können pro Antriebsachse beziehungsweise Achse des Fahrzeuges zwei elektrische Maschinen angeordnet sein. Somit kann insbesondere beispielsweise jedes Rad des Fahrzeugs, insbesondere jede Achse des Fahrzeuges, individuell mit einer eigenen elektrischen Maschine angetrieben und gesteuert werden. Dies bietet zum einen den zusätzlichen Vorteil, dass auf ein mechanisches Differentialgetriebe verzichtet werden kann und dieses durch ein elektrisches Differential, welches durch die elektrische Maschine bereitgestellt wird, ersetzt werden kann. Dadurch können insbesondere eine Gewichtseinsparung und Kosteneinsparung des Fahrzeuges erreicht werden. Ein Vorteil der Verwendung von mehreren elektrischen Maschinen pro Antriebsachse beziehungsweise Achse ist die Umsetzung des „Torque-Vectoring“.

Mit anderen Worten ausgedrückt, werden beispielsweise die beiden Antriebswechselrichter einer Fahrzeugachse des Fahrzeuges für den Ladevorgang zweckentfremdet. Somit erfüllen diese Antriebswechselrichter in ihrer Primärfunktion das elektrische Versorgen der elektrischen Drehstrommaschinen und in einer Sekundärfunktion wird das Laden des elektrischen Energiespeichers an einer Ladestation mit einer im Vergleich zu der Spannungslage des Fahrzeugs geringeren Spannungslage ermöglicht.

Des Weiteren können für den Ladevorgang an der Ladestation die Induktivitäten der elektrischen Drehstrommaschinen genutzt werden, sodass für das Hochsetzen der niedrigeren Spannung der Ladestation kein zusätzlicher Bauraum für große und schwere Drosseln benötigt werden. Durch den Einsatz der beiden elektrischen Antriebsdrehstrommaschinen für das Laden an einer Gleichstromladequelle können EMV- Störungen beziehungsweise elektromagnetische Störgrößen in Richtung der Gleichstromladequelle (DC-Ladedose) gering gehalten werden und das benötigte EMV- Filter in Richtung der DC-Ladedose kann kleiner und günstiger ausgelegt werden. Das EMV-Filter dient normalerweise dazu, die Ladesäule gegenüber Störgrößen beziehungsweise Schwankungen zu schützen. Durch die Verwendung der beiden Wechselrichterder Drehstrommaschinen und insbesondere Induktivitäten der Drehstrommaschinen kann auf ein solches EMV-Filter verzichtet werden. Somit ergibt sich eine zusätzliche Reduzierung an Kosten und Gewicht.

Besonders vorteilhaft ist, wenn einer der beiden Wechselrichter beim Laden an einer 400- Volt-Ladesäule als Hochsetzsteller verwendet wird und der andere Wechselrichter schaltet den notwendigen Strompfad, insbesondere getaktet, durch. Somit wird zumindest ein Wechselrichter als Hochsetzsteller verwendet, um die 400 Volt der Ladesäule auf die 800 Volt der Fahrzeugbatterie anzuheben. Somit können auch zusätzliche Komponenten für die Abwärtskompatibilität bei einem 400-Volt-Ladevorgang entfallen, da die bereits im Fahrzeug vorhandenen Wechselrichter zweckentfremdet werden. Folglich kann auf zusätzliche Komponenten verzichtet werden, da die Wechselrichter des elektrischen Antriebssystems neben ihrer Primärfunktion eine zusätzliche Funktionalität für das Laden an einer 400-Volt-Ladesäule aufweisen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs, wobei

- während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs zumindest eine Antriebsachse des Fahrzeugs mit einer ersten elektrischen Drehstrommaschine und einer zweiten elektrischen Drehstrommaschine angetrieben wird, wobei

- ein erster Wechselrichter der ersten Drehstrommaschine und ein zweiter Wechselrichter der zweiten Drehstrommaschine jeweils mit einem elektrischen Energiespeicher elektrisch versorgt werden, wobei

- für einen Ladebetrieb des Fahrzeugs ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss des Fahrzeugs mit der ersten und zweiten elektrischen Drehstrommaschine elektrisch gekoppelt wird, und

- in Abhängigkeit von dem ersten und zweiten Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umgewandelt wird.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann ein elektrisches Antriebssystem neben seiner Primärfunktion für das Antreiben des Fahrzeuges mittels elektrischer Drehstrommaschinen für einen Ladebetrieb des Fahrzeuges zweckentfremdet werden, sodass das elektrische Antriebssystem eine Primärfunktion zum Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine für das Antreiben eines Fahrzeuges und eine Sekundärfunktion für das Laden eines 800-Volt-Fahrzeuges an einer 400-Volt-Ladestation aufweist.

Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit einem elektrischen Antriebssystem nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon durchgeführt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Antriebssystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens anzusehen. Das elektrische Antriebssystem weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.

Insbesondere sind vorteilhafte Ausführungsformen eines Aspekts als vorteilhafte Ausführungsformen des anderen Aspekts oder umgekehrt anzusehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Antriebssystems eines Fahrzeugs bei einem 800V-Ladevorgang des Fahrzeugs; und

Fig. 2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild des Antriebssystems aus Fig.1 bei einem 400V-Ladevorgang des Fahrzeugs.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt beispielsweise eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems 1 eines Fahrzeugs. Dabei handelt es sich um ein elektrisches Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Beispielsweise weist das Fahrzeug eine Spannungslage von 800 Volt auf. Bei dieser Spannungslage ist die Spannung, insbesondere eine Batteriespannung Ue _att , eines elektrischen Energiespeichers 2 des Fahrzeuges zu verstehen. Dabei weist die Batteriespannung Ue _att des elektrischen Energiespeichers 2 einen Spannungsbereich von 770 Volt bis 830 Volt auf. Insbesondere kann die Batteriespannung Ue _att je nach Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 2 und/oder eines Schaltungsaufbaus des elektrischen Antriebssystems 1 und/oder eines Betriebszustands des elektrischen Antriebssystems 1 schwanken. Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher eine Batteriespannung Ußatt mit im Wesentlichen einer Spannung von 800 Volt auf.

Mit „im Wesentlichen“ ist in dieser Anmeldung eine Toleranz von +/- 5 Prozent, insbesondere +/- 10 Prozent, zu verstehen. Insbesondere sind bei den angegebenen Spannungswerten Toleranzen und/oder Messtoleranzen von 5%, insbesondere 10% zu berücksichtigen.

Insbesondere sind mit dem elektrischen Antriebssystem 1 alle Komponenten und/oder Systeme zu verstehen, welche für das Antreiben beziehungsweise Fortbewegen des Fahrzeuges benötigt werden. Insbesondere kann zu dem elektrischen Antriebssystem 1 das Fahrzeuggestellt, der elektrische Energiespeicher 2, ein fahrzeugseitiger Ladeanschluss 3, zumindest eine Antriebsachse 4, der elektrische Energiespeicher 2 und zumindest eine erste elektrische Drehstrommaschine 5 und eine zweite elektrische Drehstrommaschine 6 gehören. Folglich kann mithilfe des elektrischen Antriebssystems 1 eine Fortbewegungsfahrt des Fahrzeuges durchgeführt werden.

Insbesondere weist das elektrische Antriebssystem 1 zumindest eine Antriebsachse 4 auf. Dabei handelt es sich um die Achse, welche insbesondere von den elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 angetrieben werden. Insbesondere können das Fahrzeug beziehungsweise das elektrische Antriebssystem 1 mehrere Antriebsachsen aufweisen. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Personenkraftwagen mit einer oder zwei Antriebsachsen oder um einen Lastkraftwagen mit mehreren Antriebsachsen handeln.

Insbesondere weist diese zumindest eine Antriebsachse 4 die beiden elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 auf. Folglich kann jede Antriebsachse des Fahrzeuges zumindest zwei elektrische Drehstrommaschinen aufweisen. Anders ausgedrückt kann beispielsweise jedes Rad der Antriebsachse mit einer eigenen elektrischen Maschine, also die beiden Drehstrommaschinen 5, 6, angetrieben werden. Insbesondere kann jeder Reifen des Fahrzeuges durch eine eigene elektrische Antriebsmaschine angetrieben beziehungsweise gesteuert werden.

Beispielsweise können die erste elektrische Drehstrommaschine 5 und die zweite elektrische Drehstrommaschine 6 zusammen beziehungsweise gemeinsam an einer Hinterachse oder an einer Vorderachse als Antriebsachse angeordnet sein. Somit können beispielsweise pro Achse zwei elektrische Drehstrommaschinen angeordnet sein. Beispielsweise kann sowohl die Hinterachse als auch die Vorderachse zwei Drehstrommaschinen aufweisen. Insbesondere sind die beiden Drehstrommaschinen 5, 6 entweder an der Hinterachse oder an der Vorderachse angeordnet, je nachdem, ob es sich bei der Hinterachse oder bei der Vorderachse um die Antriebsachse des Fahrzeuges handelt. Dabei kann beispielsweise mit der ersten Drehstrommaschine 5 ein erstes Rad 7 der Antriebsachse 4 und mit der zweiten elektrischen Drehstrommaschine 6 ein zum ersten Rad 7 verschiedenes zweites Rad 8 der Antriebsachse 4 angetrieben werden.

Damit die beiden elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 die Antriebsachse 4 antreiben können, werden diese von dem elektrischen Energiespeicher 2 mit Energie versorgt beziehungsweise gespeist. Da es sich bei der Batteriespannung U _ßatt um eine Gleichspannung handelt, aber die elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 eine Wechselspannung benötigen, weisen die elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 jeweils einen Wechselrichter 9, 10 auf. Dabei weist die erste elektrische Drehstrommaschine 5 den ersten Wechselrichter 9 und die zweite elektrische Drehstrommaschine 6 den zweiten Wechselrichter 10 auf. Bei den Wechselrichtern 9, 10 handelt es sich insbesondere um einen Stromrichter, Inverter oder Drehrichter. Mithilfe der Wechselrichter 9, 10 kann die Batteriespannung U _ßatt jeweils in eine Wechselspannung zum Versorgen beziehungsweise Betreiben der Drehstrommaschinen 5, 6 umgewandelt beziehungsweise gerichtet werden.

Insbesondere sind die beiden Wechselrichter 9, 10 mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden beziehungsweise gekoppelt. Beispielsweise können hierzu die beiden Wechselrichter 9, 10 jeweils über ihre Eingangsseiten gemeinsam mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden werden. Somit können beide Wechselrichter 9, 10 gleichzeitig, insbesondere mit identischen, Batteriespannungen Ußatt versorgt werden.

Insbesondere können die Wechselrichter 9, 10 als Antriebswechselrichter bezeichnet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Wechselrichter 9, 10 um S3L-Inverter oder 3- Level-Wechselrichter handeln.

Damit der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden kann, ist dieser mit dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 3 elektrisch gekoppelt. Bei dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 3 handelt es sich insbesondere um eine Ladedose beziehungsweise um eine Ladesteckdose des Fahrzeuges. An dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss kann insbesondere eine fahrzeugexterne Ladeeinheit 11 angeschlossen werden. Bei der fahrzeugexternen Ladeeinheit 11 kann es sich beispielsweise um eine Ladestation oder eine Ladesäule handeln. Insbesondere handelt es sich bei der Ladeeinheit 11 um eine Gleichstromladequelle zum Bereitstellen einer Gleichspannung. Insbesondere wird mit der Ladeeinheit 11 eine Ladespannung UL dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 3 bereitgestellt.

Um nun den elektrischen Energiespeicher 2 effizient aufladen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Ladespannung UL einen im Wesentlichen gleichen Spannungswert wie die Batteriespannung U _ßatt aufweist. Mit anderen Worten ist es von Vorteil, wenn die Batteriespannung Ußatt und die Ladespannung UL 800 Volt aufweisen. Da dies nicht immer der Fall ist, können die beiden Wechselrichter 9, 10 und insbesondere die elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 für den Fall zweckentfremdet werden, wenn mit der Ladeeinheit 11 nur eine Ladespannung L kleiner 500 Volt zur Verfügung gestellt werden kann. Somit wird in diesem Fall eine Abwärtskompatibilität des elektrischen Antriebssystems 1 benötigt. Damit nun hier auf zusätzliche Ladeeinheiten, wie Spannungswandler oder Bordlader, verzichtet werden kann, werden die elektrischen Drehstrommaschinen 5, 6 und insbesondere die Wechselrichter 9, 10 für diesen Ladebetrieb zweckentfremdet. Dabei wird für den Ladebetrieb des Fahrzeuges und insbesondere des elektrischen Energiespeichers 2 entweder der erste Wechselrichter 9 oder der zweite Wechselrichter 10 als Aufwärtswandler beziehungsweise Hochsetzsteller betrieben.

Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder um ein Batteriesystem oder mehrere Teilbatterien oder um eine Hochvolt-Batterie handeln.

Damit nun die Wechselrichter 9, 10 für den Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet werden können, kann das elektrische Antriebssystem 1 eine Schaltvorrichtung 12 beziehungsweise Schalteinrichtung beziehungsweise Schaltmatrix aufweisen. Mit dieser Schaltvorrichtung 12 kann entweder ein direkter Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 2 durch die Ladeeinheit 11 oder indirekt über die Wechselrichter 9, 10 eingestellt beziehungsweise geschaltet werden.

In der Fig. 1 ist nun der Fall eines 800-Volt-DC-Ladens dargestellt. Hier ist die Schaltvorrichtung 12 in einer ersten Schaltstellung geschaltet. In diesem Fall ist der fahrzeugseitige Ladeanschluss 3 beziehungsweise die Ladeeinheit 11 direkt mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden beziehungsweise gekoppelt, sodass der elektrische Energiespeicher 2 mittels der Ladespannung UL aufgeladen werden kann. Dieses direkte 800-Volt-DC-Laden ist in der Fig. 1 mit dem Stromflussrichtungspfeil 13 dargestellt. In der nachfolgenden Fig. 2 ist nun beispielhaft ein 400-Volt-DC-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 2 dargestellt. Dabei sind die Ausführungen zu dem elektrischen Antriebssystem identisch zu denen aus der Fig. 1.

In diesem Falle ist nun die Schaltvorrichtung 12 in eine zur ersten Schaltstellung verschiedene zweite Schaltstellung geschaltet. Somit ist in der zweiten Schaltstellung der fahrzeugseitige Ladeanschluss 3 mit der ersten und zweiten elektrischen Drehstrommaschine 5, 6 und den Wechselrichtern 9, 10 elektrisch verbunden beziehungsweise gekoppelt. In diesem Falle kann in Abhängigkeit von dem ersten und/oder zweiten Wechselrichter 9, 10 die Ladespannung UL, welche in diesem Fall 400 Volt betragen kann, in eine Versorgungsspannung UV umgewandelt beziehungsweise hochtransformiert werden. Folglich kann der Spannungswert der Ladespannung UL so hochtransformiert werden, dass als Versorgungsspannung UV ein Spannungswert von 800 Volt vorliegt. Mit dieser Versorgungsspannung kann nun der elektrische Energiespeicher 2 geladen werden. Hierzu ist beispielsweise in der Fig. 2 mit den Stromflussrichtungspfeilen 14 der Stromfluss von der Ladeeinheit 11 über die Drehstrommaschinen 5, 6 und die Wechselrichter 9, 10 zu dem elektrischen Energiespeicher 2 dargestellt. Insbesondere ist hierbei zumindest einer der beiden Wechselrichter 9, 10 als Hochsetzsteller betrieben. Der andere Wechselrichter 9, 10 wird hierbei taktend beziehungsweise als Taktvorgeber betrieben. Mit dem Stromflussrichtungspfeil 15 ist hier der Stromfluss der taktgebenden Bauelemente dargestellt. Die Stromflussrichtungspfeile 15 des getakteten Betriebs sind hierbei gestrichelt dargestellt.

Beispielsweise können für den Hochsetzbetrieb und den taktgebenden Betrieb des ersten und/oder zweiten Wechselrichters 9, 10 die verschiedenen Halbleiterschalter der Wechselrichter 9, 10 angesteuert werden. Beispielsweise können die Wechselrichter 9, 10 hierfür IGBTs oder MOSFETs aufweisen. Bezugszeichenliste

1 elektrisches Antriebssystem

2 elektrischer Energiespeicher

3 fahrzeugseitiger Ladeanschluss

4 Antriebsachse

5, 6 erste und zweite elektrische Drehstrommaschine 7, 8 erstes und zweites Rad 9, 10 erster und zweiter Wechselrichter 11 fahrzeugexterne Ladeeinheit 12 Schaltvorrichtung

13, 14, 15 Stromflussrichtungspfeil

UBatt Batteriespannung

UL Ladespannung

UV Versorgungsspannung