Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor, insbesondere für einen Elektromotor eines elektrischen Antriebes, der beispielsweise in einem Elektro- fahrzeug eingesetzt werden kann. Ein elektrischer Antrieb weist einen Elektromotor auf, welcher über eine Leistungselektronik angesteuert wird, die wiederum die Energie für den angesteuerten Elektromotor aus ei ^¬ nem Energiespeicherverbund bzw. einer Spannungsquelle bezieht .

Ein herkömmlicher Energiespeicherverbund für Elektrofahrzeuge besteht aus einer Vielzahl modular aufgebauter Spannungsquellen, insbesondere aus Batteriezellen,' die sowohl in Reihe als auch parallel verschaltet werden. Es ergibt sich für den Energiespeicherverbund bzw. die modular aufgebaute Spannungs ^¬ quelle eine bestimmte Schaltkonfiguration, die für die Zeit der Anwendung festgelegt bleibt. Weiterhin ergibt sich durch die Verschaltung der Module der Spannungsquelle, insbesondere der Batteriezellen, ein charakteristischer Innenwiderstand des Energiespeicherverbundes. Dieser Innenwiderstand kann sich allerdings im Laufe der Benutzung bzw. des Betriebes des Energiespeicherverbundes, beispielsweise aufgrund von Alte ^¬ rungseffekten, bezüglich der Benutzung ändern. Die von dem Energiespeicherverbund bereitgestellte elektrische Spannung wird als EingangsSpannung an die Leistungselektronik der elektrischen Antriebseinheit angelegt.

Ein Nachteil dieser herkömmlichen Anordnung besteht darin, dass in jedem Lastzustand des Elektromotors bei dieser her- kömmlichen elektrischen Antriebseinheit der Wirkungsgrad der Antriebseinheit beim Anfahren in einem niedrigen Drehzahlbereich deutlich geringer als ein für den Elektromotor ausge- wiesener optimaler Wirkungsgrad. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Elektromotor der Antriebseinheit stets mit einer fest vorgegebenen Spannung aus dem Energiespeicherverbund versorgt wird, die deutlich höher ist, als für den mo- mentanen Betriebspunkt notwendig. Diese vorgegebene Spannung ist derart gewählt, dass mit ihr der ganze Drehzahlbereich des Elektromotors ausgenutzt werden kann.

Ist die AusgangsSpannung eines elektrischen Energiespeicher- Verbundes deutlich höher wie für den aktuellen Betriebspunkt des Elektromotors benötigt, so fallen vermehrt Schaltverluste im Umrichter an, die zu einer Reduktion des Gesamtwirkungsgrades des elektrischen AntriebsStranges führen. Fig. 1 zeigt elektrische Verluste und einen Wirkungsgrad eines herkömmlichen Elektromotors in Abhängigkeit von einer Drehzahl n. Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, ist der Wirkungsgrad der Antriebsmaschine bzw. des Elektromotors in dem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors relativ gering und deutlich geringer als der für den Elektromotor ausgewiesene maximale Wirkungsgrad. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel erreicht der Elektromotor bei etwa 75 % der maximalen Drehzahl einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 0,8. Es sind Schaltungen bekannt, bei denen durch wahlweise Parallelschaltung oder Reihenschaltung von Spannungs-Modulen ein Gleichstrom-Motor in verschiedenen Betriebsmoden betrieben werden kann. Weist beispielsweise eine modular aufgebaute Spannungsquelle zwei Spannungs-Module, insbesondere Batterie- zellen, auf, um einen Gleichstrom-Motor zu betreiben, so kann der Gleichstrom-Motor entweder mit einer niedrigen Drehzahl und einem höheren Drehmoment betrieben werden, indem man die Spannungs-Module parallel verschaltet, oder der Gleichstrom- Motor kann mit einer höheren Drehzahl bei gleichzeitig nied- rigerem Drehmoment betrieben werden, indem man die Spannungs- Module bzw. Batteriezellen in Reihe verschaltet. Mit einer derartigen herkömmlichen Anordnung ist es jedoch nicht mög- lieh, Synchronmotore, Asynchronmotore oder andere Formen von Elektromotoren mit elektronischer Kommutierung, die auch als Drehfeld-Motore bezeichnet werden, zu betreiben. Darüber hinaus wird diese herkömmliche Anordnung lediglich dazu genutzt, bestimmte Betriebs- bzw. Arbeitspunkte einzustellen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung in diskreten Stufen für einen Elektro- motor zu schaffen, bei der der Gesamtwirkungsgrad des

elektrischen Antriebsstranges im Teillastbereich des Elektromotors erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor, die von einer modular aufgebauten Spannungsquelle be- reitgestellt wird, wobei in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Elektromotors Module der modular aufgebauten Spannungs- quelle geschaltet werden, wobei Drehzahl-Schwellenwerte (n _sw ) zwischen Drehzahlbereichen, an denen ein Umschalten der Module der modular aufgebauten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) des Elektromotors erfolgt, einstellbar sind.

Das Schalten der Module der Spannungsquelle erfolgt mittels eines aus steuerbaren LeistungsSchaltern aufgebauten

Schaltnetzwerkes, das durch Steuersignale ansteuerbar ist, die von einer Schaltsteuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors generiert werden.

Somit erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Antriebsstranges, da die Schaltverluste im Umrichter durch eine niedrigere Eingangsspannung bei Betrieb des Elektromotors im Teillastbereich reduzieren. Der Wirkungsgradvorteil ergibt sich daraus, dass die Reduzierung der Schaltverluste den An- stieg der Durchlasswiderstände des Umrichters bei gleicher Ausgangsleistung des Elektromotors überkompensiert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt somit eine Re- gelung der Betriebsspannung für den Elektromotor in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors, wobei eine passende Schaltstufe für die modular aufgebaute Spannungsquelle be ^¬ reitgestellt wird, sodass die elektrischen Verluste des elektrischen AntriebsStrangs bzw. der elektrischen Antriebs- einheit verringert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor stellt somit eine Art „automatisches elektrisches Getriebe" für eine modu- lar aufgebaute Spannungsquelle dar, wobei abhängig von der Drehzahl des Elektromotors verschiedene Schaltstufen eingestellt werden können.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Drehzahl-Schwellwerte (nSW) als Schaltschwellwerte verwendet, die bei Änderung von zumindest teil ^¬ weiser Parallelschaltung auf zumindest teilweiser serieller Verschaltung oder bei Änderung von zumindest teilweiser serieller Verschaltung auf zumindest teilweise Parallelschaltung derart gewählt werden, dass der Gesamtwirkungsgrad eines elektrischen AntriebsStranges , bei zumindest teilweiser Parallelschaltung und zumindest teilweiser serieller Verschaltung gleich sind und sich dieser Schaltschwellwert unterhalb der mit der in zumindest teilweiser Parallelschaltung mögli- chen Maximaldrehzahl des Elektromotors befindet.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Module der modular aufgebauten Spannungsquelle zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Betriebsparameter geschaltet. Bei einer möglichen Ausführungsvariante werden die Module zusätzlich in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameter geschaltet, wobei der Betriebsparameter einen Ladezustand der Spannungsquelle, eine Temperatur der Spannungsquelle, eine Belastungszeit oder einen AIterungszustand der Spannungsquel ^¬ le umfasst.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in einem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors die Module der Spannungsquelle zur Bereitstel ^¬ lung einer geringen Betriebsspannung für den Elektromotor zu ^¬ mindest teilweise parallel geschaltet.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in einem hohen Drehzahlbereich des Elektromotors die Module der Spannungsquelle zur Bereitstellung einer hohen Betriebsspannung für den Elektromotor zumindest teilweise seriell geschaltet. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Betriebsspannung für den Elektromotor stufenweise in mehreren Drehzahlbereichen des Elekt ^¬ romotors durch Schalten der Module der modular aufgebauten Spannungsquelle mit zunehmender Drehzahl des Elektromotors erhöht.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Module der modular aufgebauten Span ^¬ nungsquelle Batteriezellen auf.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Module der modular aufgebauten Spannungsquelle Brennstoffzellen auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungs form der erfindungs- gemäßen Vorrichtung weisen die Module der modular aufgebauten Spannungsquelle Solarzellen auf. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Schaltnetzwerk in der modular aufgebauten Spannungsquelle integriert.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Umrichter vorgesehen, der einen von der modular aufgebauten Spannungsquelle abgegebenen

Gleichstrom in einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom für den Elektromotor umwandelt.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Drehzahl-Schwellenwerte zwischen Drehzahlbereichen, an denen ein Umschalten der Module der mo- dular aufgebauten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors erfolgt, einstellbar.

Als Schaltschwellwerte können Drehzahl-Schwellenwerte (nSW) oder dazu äquivalente Betriebsparameter verwendet werden und/oder weitere Betriebsparameter mit einbezogen werden.

Grundsätzlich sind die Schaltschwellwerte derart zu wählen, dass der Schaltvorgang bei der Änderung von zumindest teilweiser Parallelschaltung auf zumindest teilweise serielle Verschaltung vor dem Erreichen der mit der in zumindest teil- weiser Parallelschaltung möglichen Maximaldrehzahl des Elektromotors erfolgt. Weiterhin ist der Schaltschwellwert derart zu wählen, dass die zumindest teilweise Parallelschaltung so lange aufrechterhalten wird, solange sich insgesamt ein Wirkungsgradvorteil im elektrischen Antriebsstrang durch die zu- mindest teilweise Parallelschaltung ergibt. Der Wirkungsgradvorteil kann sich in dem Elektromotor selbst und/oder in dem Umrichter ergeben. Der Schaltschwellwert wird somit an den Punkt gesetzt, bei dem der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen AntriebsStranges bei zumindest teilweiser Parallel- Schaltung und zumindest teilweiser serieller Verschaltung gleich ist und sich dieser Schaltschwellwert unterhalb der mit der in zumindest teilweiser Parallelschaltung möglichen Maximaldrehzahl des Elektromotors liegt. Für Konfigurationen mit mehreren Schaltstufen wird der Schaltschwellwert in jeder Stufe auf diese Weise gewählt bzw. eingestellt. Bei der Änderung von zumindest teilweiser serieller Verschal- tung auf zumindest teilweise parallele Verschaltung wird der Schaltschwellwert an den Punkt gesetzt, ab dem sich durch zumindest teilweise Parallelschaltung insgesamt ein Wirkungs ^¬ gradvorteil ergibt. Dieser Schaltschwellwert muss auch hier- bei unterhalb der mit der in zumindest teilweiser Parallelschaltung möglichen Maximaldrehzahl des Elektromotors liegen. Für Konfigurationen mit mehreren Schaltstufen wird der

Schaltschwellwert in jeder Stufe auf diese Weise gewählt bzw. eingestellt .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs ^¬ mäßigen Vorrichtung beinhaltet die Vorrichtung eine Einheit, die unter den einzelnen Modulen der Spannungsquelle einen Spannungsausgleich durch ein sogenanntes „aktive Balancing" durchführt, um hohe Ausgleichsströme bei zumindest teilweise durchgeführter Parallelschaltung zu unterbinden.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs ^¬ mäßigen Vorrichtung können Ausgleichsströme, die bei zumin- dest teilweiser Parallelschaltung auftreten können, durch geeignete passive Bauelemente unterbunden werden.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungs form werden Ausgleichsströme unter einzelnen Modulen der Spannungsquelle dadurch unterbunden, dass in dem Betriebspunkt mit zumindest teilweiser Parallelschaltung die parallel genutzten Module abwechselnd genutzt werden und nicht direkt parallel mitei ^¬ nander verbunden werden.

Die Erfindung schafft ferner eine Elektro-Antriebseinheit für ein Fahrzeug mit den in Patentanspruch 12 angegebenen Merkma ^¬ len. Die Erfindung schafft demnach eine Elektro-Antriebseinheit für ein Fahrzeug mit einer modular aufgebauten Spannungsquel- le, einem Umrichter und einem Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs und mit einer Vorrichtung zur stufenweisen Einstel- lung einer Betriebsspannung für den Elektromotor während der Fahrt des Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung zur stufenweisen Einstellung einer Betriebsspannung für den Umrichter des Elektromotors während der Fahrt des Fahrzeugs die Betriebsspannung, die von einer modular aufgebauten Spannungsquelle bereitgestellt wird, in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Elektromotors Module der modular aufgebauten Spannungsquelle derart schaltet, dass eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des elektrischen Antriebsstranges in einem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors erfolgt, wobei das Schalten der Module der Spannungsquelle mittels eines aus steuerbaren Leistungsschaltern aufgebauten Schaltnetzwerkes erfolgt, das durch Steuersignale ansteuerbar ist, die von einer Schaltsteuerung in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors generiert werden.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektro-Antriebseinheit ist der Elektromotor ein Drehfeld- Motor . Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektro-Antriebseinheit ist der Elektromotor ein Gleichstrom-Elektromotor .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Elektro-Antriebseinheit ist ein Umrichter vorgesehen, welcher die Betriebsspannung in einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom für einen Drehfeld-Elektromotor umwandelt.

Die Erfindung schafft ferner ein Elektrofahrzeug mit den in Patentanspruch 13 angegebenen Merkmalen. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs handelt es sich bei dem Elektrofahrzeug um ein Elektrostraßenfahrzeug, insbesondere ein Elektroautomo ^¬ bil.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungs form des erfindungs ^¬ gemäßen Elektrofahrzeugs handelt es sich bei dem Elektrofahr- zeug um ein Elektrofahrrad. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Elektrofahrzeugs handelt es sich bei dem Elektrofahr- zeug um ein Elektrowasserfahrzeug.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Elektrofahrzeugs handelt es sich bei dem Elektrofahrzeug um ein Elektroschienenfahrzeug .

Die Erfindung schafft ferner eine Spannungsquelle zur Bereit ^¬ stellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor mit den in Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor mit den in Patentanspruch 15 angegebenen Merkmalen.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungs- gemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren nä- her erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der elektrischen Ver- luste und eines Wirkungsgrades bei einem herkömmli ^¬ chen Elektromotor in Abhängigkeit von dessen Drehzahl ; ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausfüh rungsbeispiels der modular aufgebauten Spannungs quelle mit einem darin integrierten steuerbaren Schaltnetzwerk gemäß der Erfindung; ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektro- Antriebseinheit; ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wei teren Ausführungsbeispiels einer erfindungsge mäßen Elektro-Antriebseinheit ; Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektro-Antriebseinheit;

Fig. 6 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Aus- führungsbeispiels einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung integrierbaren Schaltsteuerung;

Fig. 7, 8, 9 Diagramme zur Darstellungen von Spannungskennlinien, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor eingesetzt werden können .

Wie man aus Fig. 2 erkennen kann, weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine modular aufgebaute Spannungsauelle 1 gemäß der Erfindung mehrere Spannungs-Module 2-1, 2-2 auf, die mithilfe eines Schaltnetzwerkes 3 in Serie oder parallel verschaltbar sind. Bei dem in Fig. 2 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel weist die modular aufgebaute Spannungsquelle zwei Spannungs-Module 2-1, 2-2 auf, wobei bei anderen Ausführungsformen die Anzahl der Spannungs-Module innerhalb der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 variieren kann und beispielsweise drei, vier, sechs, acht usw. Spannungs-Module 2-i enthalten kann. Bei den Spannungs-Modulen 2-i kann es sich beispielsweise um Batteriezellen einer modular aufgebauten Autobatterie handeln. Alternativ kann es sich bei den Spannungs-Modulen 2-i auch um Brennstoffzellen oder um Solarzellen handeln. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltnetzwerk 3 in der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 integriert und ist über Steuer1eitungen durch eine in der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 integrierte Schaltsteuerung 4 ansteuerbar. Die Schaltsteuerung 4 steuert über Steuerleitungen Schalter 5-1, 5-2, 5-3 innerhalb des Schaltnetzwerkes 3. Bei den Schaltern 5-i kann es sich insbesondere um Leistungsschalter handeln, beispielsweise um MOSFET, IGBT oder um Relais. Die Leistungsschalter weisen vorzugsweise einen niedrigen Kontakt- und Durchlasswiderstand auf. Bei dem in Fig. 2 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel können die beiden Spannungs-Module 2-1, 2-2 zwischen verschiedenen Schaltzuständen umgeschaltet werden. Beispielsweise werden die beiden Spannungs-Module 2-1, 2-2 durch

Schließen des ersten Leistungsschalters 5-1 bei gleichzeitigem Öffnen der beiden übrigen Schalter 5-2, 5-3 des

Schaltnetzwerkes 3 in Serie geschaltet und geben eine höhere Betriebsspannung für den Elektromotor 9 an den Spannungsausgängen 6-1, 6-2 der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 ab. Umgekehrt können die beiden Spannungs-Module 2-1, 2-2 durch Öffnen des Schalters 5-1 bei gleichzeitigem Schließen der beiden übrigen Schalter 5-2, 5-3 des Schaltnetzwerkes 3 pa- rallel zueinander verschaltet werden. Die in der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 integrierte Schaltsteuerung 4 erhält über einen Steuereingang 7 die Drehzahl n des mit einer Spannung U _E M zu versorgenden Elektromotors 9. In Abhängigkeit von der Drehzahl n des Elektromotors 9 werden die Spannungs- Module 2-1, 2-2 der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 derart geschaltet, dass der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen AntriebsStranges in einem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors 9 verbessert bzw. erhöht wird. Das Schalten der Spannungs-Module 2-i erfolgt mittels des aus steuerbaren Leistungsschaltern 5-i bestehenden Schaltnetzwerkes 3, das durch Steuersignale ansteuerbar ist, die von der Schaltsteue- rung 4 in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Elektromotors 9 generiert werden.

Es gilt folgender Zusammenhang: · Durchlassverluste steigen durch zusätzliche Schaltelemente des elektrischen Getriebes

• Schaltverluste von Schaltbausteinen der Umrichtereinheit sinken

Da jedoch die Schaltverluste stärker als die Durchlassverluste steigen, ergibt sich eine Steigerung des Gesamtwirkungs ^¬ grades des elektrischen AntriebsStranges , wobei die Schaltverluste in der Umrichtereinheit sinken während höhere Durch ^¬ lassverluste hauptsächlich durch das elektrische Getriebe und höhere Strömen bei paralleler Verschaltung unter Beibehaltung der gleichen Leistungsabgäbe des Elektromotors 9 verursacht werden. Die höheren Durchlassverluste ergeben sich dabei aus den Ohm' sehen Widerständen von zusätzlichen Leitungen und Schaltbausteinen. Die Wirkungsgradsteigerung ist somit abhängig von den verwendeten Schaltelementen für das elektrische Getriebe. Ein möglichst niedriger Durchlasswiderstand ist hierbei vorteilhaft.

Die in Fig. 2 dargestellte modular aufgebaute Spannungsquelle 1 kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Spannungs-Modulen 2-i aufweisen, die während des Betriebes des Elektrofahr- zeugs, das durch den drehenden Elektromotor 9 angetrieben wird, unterschiedlich verschaltet bzw. dynamisch geschaltet werden. Dabei werden in einem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors mehrere Spannungs-Module 2-i der modular aufge ^¬ bauten Spannungsquelle 1 parallel zueinander anstatt in Reihe geschaltet. In dem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromo- tors 9 ermöglicht dies eine Betriebsspannung, die deutlich geringer ist als eine Nennspannung der modular aufgebauten Spannungsquelle 1. Durch die zumindest teilweise parallele Verschaltung von Spannungs-Modulen 2-i innerhalb der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 ist der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen AntriebsStranges verbessert und führt somit zu geringeren Verlusten. Dadurch wird der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebsstrangesin einem Teillastbereich der Antriebsmaschine bzw. des Elektromotors 9 erhöht und somit die Reichweite des Elektrofahrzeugs , das durch den Elektromotor 9 betrieben wird, gesteigert.

Bei einer möglichen Ausführungsform entspricht die der Steue ^¬ rung 4 zugeführte Drehzahl n des Elektromotors 9 einer

Wunschdrehzahl bzw. Solldrehzahl, die von einem Bediener des Elektrofahrzeugs bereitgestellt wird, beispielsweise mithilfe eines Gaspedals des Elektrofahrzeugs . Weiterhin ist es mög ^¬ lich, dass die Drehzahl n des Elektromotors 9 sensorisch er- fasst wird und der Schaltsteuerung 4 zugeführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden somit Module bzw. Spannungs-Module 2-i der modular aufgebauten Spannungs ^¬ quelle in Abhängigkeit von der momentanen und/oder gewünschten Drehzahl n eines Elektromotors geschaltet, um eine Ver- besserung des Gesamtwirkungsgrades des elektrischen Antriebs-

Stranges in einem niedrigen Drehzahlbereich des Elektromotors zu erreichen. Während einer konstanten Fahrt des Elektrofahrzeugs mit einer bestimmten Drehzahl des Elektromotors, die unterhalb eines vorgegebenen Drehzahl-Grenzwertes liegt, wird der Energiespeicherverbund bzw. die modular aufgebaute Spannungsquelle 1 entsprechend mithilfe des Schaltnetzwerkes 3 geschaltet. Wird in diesem Zustand nun das Elektrofahrzeug beschleunigt, wird zunächst die bestehende Verschaltung der Spannungs-Module 2-i innerhalb der modular aufgebauten Span- nungsquelle 1 beibehalten, bis der vorgegebene Drehzahl- Grenzwert erreicht wird. Nach Erreichen des Drehzahl- Grenzwertes wird die Verschaltung der Spannungs-Module 2-i innerhalb der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 während der Fahrt des Elektrofahrzeugs dynamisch geändert. Sobald der Grenzwert des Beschleunigungsvorgangs erreicht wird, werden einzelne Spannungs-Module 2-i der modular aufgebauten Span- nungsquelle 1 zumindest teilweise seriell geschaltet, um eine höhere Betriebsspannung für den Elektromotor des Fahrzeugs zu erreichen. Es wird auf diese Weise der Antriebsmaschine bzw. dem Elektromotor des Elektrofahrzeugs in dem Anfahrbereich durch die modular aufgebaute Spannungsquelle 1 eine elektri- sehe Spannung zur Verfügung gestellt, die deutlich unterhalb der Spannung zum Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs liegt. Daher verbessert sich mithilfe der Vorrichtung zur dynamischen Einstellung der Betriebsspannung für den Elektromotor 9 der Wirkungsgrad für den Elektromotor und den Umrichter in diesem Anfahrbereich . Um diese Funktion zu realisieren ist zudem eine Anpassung der Schaltzeiten der Leistungsschalter des Umrichters 10 erforderlich. Diese Anpassung erfolgt gleichzeitig zu dem Schalten des Schaltnetzwerks 3. Hierbei werden bei zumindest teilweiser Parallelschaltung die Zeiten in denen die Leistungsschalter des Umrichters 10 eingeschaltet sind gegenüber dem Zustand bei zumindest teilweiser Serienschaltung bei jeweils gleicher Drehzahl des Elektromotors 9 länger gewählt. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektro- Antriebseinheit 8 für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor 9 zum Antrieb des Fahrzeugs und mit einer modular aufgebauten Spannungsquelle 1, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die mo- dular aufgebaute Spannungsquelle 1 liefert eine Betriebsspannung U _EM für den Elektromotor 9 in Abhängigkeit von einer Drehzahl n des Elektromotors 9, wobei diese Betriebsspannung an einen Umrichter 10 angelegt wird, der einen von der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 abgegebenen Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom für einen Drehfeld- Elektromotor 9 umwandelt. Der Umrichter 10 kann die Information zur Anpassung der Schaltzeiten für die Leistungsschalter aus der EingangsSpannung bzw. der AusgangsSpannung der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 oder aus der Information über die Drehzahl n des Elektromotors 9 ziehen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Elektro- Antriebseinheit 8 sind die Schaltsteuerung 4 und das Schaltnetzwerk 3 in der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 integriert, wobei die Schaltsteuerung 4 die Drehzahl n des Drehfeld-Elektromotors 9 einstellt. Diese Drehzahl n kann bei einer möglichen Ausführungsform einer von dem Fahrer des Elekt- rofahrzeugs eingestellten Solldrehzahl entsprechen. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Drehzahl n direkt sensorisch am Elektromotor 9 mit einem Drehzahlmesser erfasst werden. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Elektromotor 9 um einen Drehfeld- Elektromotor.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel , bei dem die modular aufgebaute Spannungsquelle 1 mit dem darin integrierten Schaltnetzwerk 3 und der darin integrierten Schaltsteue- rung 4 direkt an einen Gleichstrom-Elektromotor 9 der Elekt- ro-Antriebseinheit 8 angeschlossen ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Elekt- ro-Antriebseinheit 8 gemäß der Erfindung. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Steuerschaltung 4 zur Ansteuerung des Schaltnetzwerkes 3 nicht in der modular aufgebauten Spannungsquelle 1, sondern in einer Leistungselektronik des Fahrzeugs, die beispielsweise einen Umrichter 10 aufweist, der einen mehrphasigen Wechselstrom für einen Drehfeld-Elektromotor 9 generiert.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung eines einfa ^¬ chen Ausführungsbeispiels für eine SchaltSteuerung 4, die ein Schaltnetzwerk 3 der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 ansteuert. Bei dem in Fig. 6 dargestellten einfachen Ausfüh- rungsbeispiel weist die Schaltsteuerung 4 einen Mikroprozes ^¬ sor bzw. eine Central Processing Unit 4A auf, die Zugriff auf einen Datenspeicher 4B hat und mit einem Interface bzw. einer Datenschnittstelle 4C verbunden sein kann. In dem Datenspei ^¬ cher 4B der Schaltsteuerung 4 können für verschiedene Elekt- romotore 9 der Elektro-Antriebseinheit 8 unterschiedliche Kennlinien bzw. Schwellenwerte abgelegt werden, um ein dreh ^¬ zahlabhängiges Spannungsverhalten der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 zu erreichen.

Die Figuren 7, 8, 9 zeigen beispielhaft die von der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 abgegebene Betriebsspannung für einen Elektromotor 9 in Abhängigkeit von einer Drehzahl n des Elektromotors 9. Die in den Figuren 7, 8, 9 dargestellten Be ^¬ triebsspannungen U _EM werden von der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 erzeugt, indem die Leistungsschalter des darin integrierten Schaltnetzwerkes 3 in Abhängigkeit von der Dreh ^¬ zahl n des Elektromotors 9 durch die Schaltsteuerung 4 ge ^¬ schaltet werden. Wie man aus den Figuren 7, 8, 9 erkennen kann, nimmt die Betriebsspannung U _EM die durch die modular aufgebaute Spannungsquelle 1 geliefert wird, auf diese Weise mit der Drehzahl n des Elektromotors 9 stufenweise zu. Bei dem in Fig. 7 dargestellten einfachen Beispiel ist ein Dreh ^¬ zahl-Schwellenwert n _sw vorgesehen. Bei Überschreiten des Schwellenwertes n _S w wird die Betriebsspannung U _EM durch Rei ^¬ henschaltung von Spannungs-Modulen 2-i erhöht. In einem unte- ren Drehzahlbereich unterhalb des Schwellenwertes n _sw wird die Betriebsspannung U _EM der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 verringert, indem die Spannungs-Module 2-i der modu ^¬ lar aufgebauten Spannungsquelle 1 zumindest teilweise paral ^¬ lel geschaltet werden. In dem unteren Drehzahlbereich unter- halb des Schwellenwertes n _sw wird auf diese Weise der Wir ^¬ kungsgrad der Antriebseinheit 8 erhöht. Die Schwellwerte n _sw können für den Wechsel von zumindest teilweiser Parallel ^¬ schaltung auf zumindest teilweise Serienschaltung unterschiedlich ausfallen wie für den Wechsel von zumindest teil- weiser Serienschaltung auf zumindest teilweise Parallelschal ^¬ tung . Bei anderen AusführungsVarianten der erfindungsgemäßen Elektro-Antriebseinheit 8 können auch mehrere Drehzahl- Schwellenwerte n _sw vorgesehen sein, sodass eine stufenweise Erhöhung der Betriebsspannung U _EM für den Elektromotor 9 er- folgt, wie dies beispielhaft in Fig. 8 dargestellt ist. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel sind drei Drehzahlbereiche mithilfe von zwei Schwellenwerten n _sw i, n _sw2 definiert, wobei sich die Betriebsspannung abhängig von der Drehzahl n während der Fahrt des Elektrofahrzeugs stufenweise erhöht. Die Anzahl der Schwellenwerte bzw. Drehzahlbereiche kann abhängig von dem Typ und der Bauart des Elektromotors 9 variieren und individuell an die Bedürfnisse des jeweiligen Elektromotors 9 angepasst werden. Fig. 9 zeigt ein Beispiel mit fünf verschiedenen Drehzahl- Schwellenwerten und einer entsprechenden Anzahl von Drehzahl- bereichen des Elektromotors 9. Die Anzahl der Drehzahlbereiche kann variieren, wie in Fig. 9 beispielhaft angedeutet. Die Höhe der Spannungsstufen zwischen den verschiedenen Dreh- zahlbereichen des Elektromotors 9 kann ebenfalls an den

Elektromotor 9 angepasst sein.

Die in Fig. 7, 8, 9 dargestellten Drehzahl-Schwellenwerte n _S w bzw. die entsprechenden Kennlinien können in dem Datenspei- eher 4B der Schaltsteuerung 4 abgelegt sein und können durch die CPU 4A in entsprechende Steuersignale für die Leistungs- schalter 5-i innerhalb des Schaltnetzwerkes 3 umgerechnet werden. Bei einer möglichen AusführungsVariante können die Schwellenwerte bzw. die Kennlinien über die Schnittstelle 4C der Schaltsteuerung 4 in den Datenspeicher 4B eingeschrieben werden. Bei dem Datenspeicher 4B kann es sich auch um einen festprogrammierbaren Datenspeicher handeln, der in die

Schaltsteuerung 4 eingesetzt wird. Die Verschaltung der Spannungs-Module 2-i der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 kann mithilfe der steuerbaren Leistungsschalter 5-i des

Schaltnetzwerkes 3 durch Steuersignale CRTL geändert werden, die von der Schaltsteuerung 4 individuell für den Elektromo- tor 9 basierend auf der in dem Datenspeicher 4B abgelegten Schaltkennlinie des jeweiligen Elektromotors 9 generiert wer ^¬ den. Die Anzahl der Spannungs-Module 2-i innerhalb der modu- lar aufgebauten Spannungsquelle 1 kann variieren. Beispiels- weise können auch drei oder mehr Spannungs-Module 2-i innerhalb der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 in Reihe oder parallel mittels des Schaltnetzwerkes 3 verschaltet werden. Auf diese Weise hat man beispielsweise sowohl einen Span ^¬ nungsbereich bis zu einem Drittel der Nennspannung zur Verfü- gung als auch einen Spannungsbereich bis zur Nennspannung des Energiespeicherverbundes der modular aufgebauten Spannungs- quelle.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann innerhalb eines Elekt- rofahrzeugs eingesetzt werden. Bei dem Elektrofahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Elektrofahrrad, ein Elektro- straßenfahrzeug, ein Elektrowasserfahrzeug oder um ein Elekt- roschienenfahrzeug handeln. Weiterhin kann es sich bei dem Elektrofahrzeug auch um ein Hybridfahrzeug handeln, das neben dem Elektromotor über einen Verbrennungsmotor verfügt.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Module bzw. Spannungs-Module 2-i der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 zusätzlich in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Betriebsparameter geschaltet .

Bei einer möglichen Ausführungsform wird der zusätzliche Betriebsparameter, der in Abhängigkeit durch das Schalten der Module 2-i der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 erfolgt, mithilfe eines Sensors erfasst. Der Sensor erfasst beispiels ^¬ weise eine Temperatur T der Spannungsquelle 1. Mit der erfin ^¬ dungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, mit denselben Spannungs-Modulen 2-i bzw. Energiespeicherzellen . und derselben Anzahl von Spannungs-Modulen sowie derselben Antriebsmaschine bzw. demselben Elektromotor einen höheren Gesamtwirkungsgrad zu erreichen. Auf diese Weise kann die in dem Energiespei- cherverbund bzw. der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 gespeicherte elektrische Energie effizienter genutzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft somit eine Leistungselektronik für elektrische Antriebsmaschinen bzw. Elekt- romotoren, die in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl n der Antriebsmaschine bzw. des Elektromotors den Energiespei ^¬ cherverbund, der aus mehreren Spannungs-Modulen besteht, für den jeweiligen Zustand der Antriebsmaschine am besten geeignet schaltet. So kann die Leistungselektronik die einzelnen Module des Energiespeicherverbundes bzw. der modular aufge ^¬ bauten Spannungsquelle 1 parallel und/oder in Reihe verschal ^¬ ten. Dadurch ergeben sich verschiedene EingangsSpannungen beispielsweise für einen Umrichter der Leistungselektronik. Der Umrichter kann den an den Energiespeicherverbund 1 gelie- ferten Gleichstrom in einen entsprechend benötigten Drehstrom für die Antriebsmaschine bzw. den Elektromotor 9 umwandeln. Durch das richtige Verhältnis der Zustände „eingeschaltet" zu „ausgeschaltet" der Leistungsschalter, insbesondere MOSFET oder IGBT des Umrichters, ergibt sich dann die gewünschte Leistung für die Antriebsmaschine 9. Die erfindungsgemäße Vorrichtung berücksichtigt das richtige Verhältnis der Zu ^¬ stände „eingeschaltet" zu „ausgeschaltet" der Leistungsschalter des Umrichters, indem die momentane EingangsSpannung aus dem Energiespeicherverbund bzw. der modular aufgebauten Span- nungsquelle 1 abhängig ist von den gewählten Schaltzeiten der

Leistungsschalter des Umrichters und umgekehrt. Bei einer Änderung der EingangsSpannung für den Umrichter bzw. Ausgangs- Spannung der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 werden die Schaltzeiten der Leistungsschalter des Umrichters geeignet angepasst, um ein stetiges Verhalten des Drehmomentverlaufes bzw. der Drehzahl n des Elektromotors 9 über die Schaltschwelle hinweg zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße Vor ^¬ richtung bietet somit eine Regelung, die abhängig von der Motordrehzahl n des Elektromotors 9 eine geeignete Verschaltung der Module 2-i innerhalb der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 schafft und zudem die Schaltzeiten des Umrichters geeignet anpasst. Bei Parallelschaltung der Spannungs-Module bzw. Batterie-Module 2-i innerhalb der modular aufgebauten Spannungs uelle 1 sind dabei längere Einschaltzeiten der Schaltelemente bzw. Leistungsschalter 5-i vorgesehen als bei einer Reihenschaltung von Spannungs-Modulen 2-i bei gleicher Drehzahl der Antriebsmaschine 9. Anhand der Schaltzeiten der Schaltbausteine bzw. Leistungsschalter 5-i des Schaltnetzwerkes 3 lässt sich auf diese Weise die Drehzahl n der Antriebsmaschine bzw. des Elektromotors 9 variieren. Bei einer Einschaltzeit von 100 % der maximal möglichen Einschaltzeit wird eine Maximaldrehzahl n _max des Elektromotors 9 erreicht. Werden beispielsweise die Spannungs-Module 2-i einer modular aufgebauten Spannungsquelle 1 mit zwei Spannungs-Modulen 2-1, 2-2 parallel geschaltet, wird nur eine halbe MaximalSpannung des Batteriepacks bzw. der modular aufgebauten Spannungsquelle 1 erreicht. In diesem Falle wird mit einer Einschaltzeit von 100 % die halbe Maximaldrehzahl n _max des Elektromotors 9 erreicht. Wird nun auf eine Reihenschaltung umgeschaltet, wird dieselbe Drehzahl n des Elektromotors 9 mit einer Einschaltzeit der Schaltelemente bzw. Leistungsschalter von 50 % der maximal möglichen Einschaltzeit erreicht. Bei dieser Schaltstufe kann nun die Antriebsmaschine bzw. der Elektromotor 9 weiter bis zu ihrer mit der Spannung aus dem Batteriepack möglichen Maximaldrehzahl n _max beschleunigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, sowohl Drehfeld-Elektromotore als auch Gleichstrom-Motore zu betreiben. Bei Betrieb eines Gleichstrom-Motors werden anstatt eines Umrichters lediglich Schaltbausteine verwendet, mit denen das richtige Verhältnis der Zustände „eingeschaltet" zu „aus- geschaltet" eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dynamischen Einstellung einer Betriebsspannung für einen Elektromotor 9 bildet ein elektrisches Getriebe für eine modular aufgebaute Spannungsquelle 1, bei der abhängig von einer Fahrzeuggeschwindigkeit V bzw. einer Drehzahl n einer Antriebsmaschine 9, verschiedene Schaltstufen zur Erhöhung des Entladewirkungsgrades eingestellt werden können.