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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems, das einen Elektromotor und eine Batterie mit mehreren Batteriesträngen umfasst, in denen jeweils mehrere Batteriemodule angeordnet sind, die jeweils bezüglich der Ausgangsterminals des jeweiligen Batteriestrangs mit positiver Polung oder negativer Polung selektiv zugeschaltet oder in dem jeweiligen Batteriestrang überbrückt werden können, sodass jeder Batteriestrang eine einstellbare Ausgangsspannung liefert. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines elektrischen Traktionsantriebssystems. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantriebsystem, das einen mit Batteriedirektinverter verbundenen Elektromotor sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung des elektrischen Antriebssystems aufweist.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden und die als Traktionsbatterien bezeichnet werden, da sie für die Speisung elektrischer Antriebe verwendet werden.
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Das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Traktionsantriebssystems 10, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in der 1 dargestellt. Eine Batterie (Traktionsbatterie) 11 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 60 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ferner ein Pulswechselrichter beziehungsweise Pulsumrichter 50, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile 51 und zwei Dioden 52 an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines Elektromotors 70 bereitstellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung nur ein Halbleiterventil und eine Diode mit Bezugszeichen versehen. Die Kapazität des Kondensators 60 ist hinreichend groß gewählt, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile 51 durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug erfordert dies eine hohe Kapazität im Bereich von mF.
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Als Elektromotoren (Elektromaschinen) 70 werden in solchen Traktionsantrieben 10 üblicherweise Drehstrommotoren eingesetzt. Meist handelt es sich dabei um Asynchronmotoren, permanent geregelte Synchronmotoren oder fremderregte Synchronmotoren. Zur Speisung der Elektromaschine 70 werden üblicherweise Pulsumrichter 50 eingesetzt, die im Traktionsbereich bei Elektro- und Hybridfahrzeugen üblicherweise mit Halbleiterschaltern 51, die als Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden (IGBT) ausgebildet sind, ausgeführt werden.
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Die in der 1 dargestellte Batterie 11 umfasst einen Batteriemodulstrang 12, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen 21 in Serie sowie optional zusätzlich parallel zugeschaltet sind, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen, wobei zur Vereinfachung der Darstellung in der Zeichnung nur eine Batteriezelle mit einem Bezugszeichen versehen wurde. Zwischen dem Pluspol der Batteriezellen 21 und einem positiven Batterieterminal 22 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 30 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Minuspol der Batteriezellen und einem negativen Batterieterminal 23 eine Trenneinrichtung 40 geschaltet werden.
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Die Trenn- und Ladeeinrichtung 30 und die Trenneinrichtung 40 umfassen jeweils ein Schütz 31 beziehungsweise 41, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen 21 von den Batterieterminals 22, 23 abzutrennen, um die Batterieterminals 22, 23 spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen 21 ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder andere Personen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 30 ist zusätzlich ein Ladeschütz 32 mit einem zu dem Ladeschütz 32 in Serie geschalteten Ladewiderstand 33 vorgesehen. Der Ladewiderstand 33 begrenzt einen Ladestrom für den Kondensator 60, wenn die Batterie 11 an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 31 offen gelassen und nur das Ladeschütz 32 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 22 die Spannung der Batteriezellen 21, kann das Schütz 31 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 32 geöffnet werden. Die Schütze 31, 41 und das Ladeschütz 32 erhöhen die Kosten für eine Batterie 11 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
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Tritt in der Traktionsbatterie eines solchen Traktionsantriebs ein technisches Problem auf, welches entweder direkt zu dem Ausfall einer Batteriezelle oder bei weiterem Betrieb der Batterie zu einem sicherheitsrelevanten unsicheren Zustand der Batterie führen kann, wird die Batterie von dem Batteriemanagementsystem in einen sicheren Zustand überführt. Dieser Zustand wird gemäß dem Stand der Technik bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen hergestellt, indem die Batterie durch das Öffnen der Schütze der Lade- und Trenneinrichtung vom Gleichspannungszwischenkreis abgetrennt wird.
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Das Führungssystem des Traktionsantriebs muss dann mit der Situation zurechtkommen, dass die Batterie nicht mehr als Energiespeicher zur Verfügung steht. Abhängig von dem Betriebszustand des Elektromotors wird durch das Führungssystem dabei im Wesentlichen nur noch erreicht, dass es zu keiner Zerstörung des Pulswechselrichters oder Inverters kommt. Eine Zerstörung des Inverters kann beispielsweise durch einen unzulässig starken Anstieg der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises hervorgerufen werden. Das Führungssystem kann in der Folge keine Rücksicht mehr auf ein fahrdynamisch sinnvolles Verhalten des Traktionsantriebs nehmen beziehungsweise es kann ein fahrdynamisch sinnvolles Verhalten des Traktionsantriebs aufgrund der Abtrennung der Batterie theoretisch auch gar nicht mehr einstellen.
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Als eine Konsequenz daraus gibt der Traktionsantrieb aus fahrdynamischer Sicht unerwünschte oder sogar unzulässige Drehmomente, insbesondere plötzlich auftretende, große negative Drehmomente, ab. Dies muss in dem Gesamtkonzept eines solchen Traktionsantriebs eines Fahrzeuges dann durch zusätzliche Maßnahmen, wie zum Beispiel durch einen mechanischen Freilauf, beherrscht werden. Diese Zusatzmaßnahmen sind aufwändig und extrem unerwünscht, da sie nur im Falle eines technischen Fehlers in der Batterie benötigt werden und daher üblicherweise nie zum Einsatz kommen.
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In der früheren Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 010 027 864 A1 wurde ein mehrphasiges Batteriesystem mit einer Batterie mit stufig einstellbaren Ausgangsspannungen beschrieben. Das Blockschaltbild eines Antriebssystems (Traktionsantrieb)
10 mit einer solchen Batterie
110 ist in der
2 dargestellt. Die Batterie
110 umfasst mehrere Batteriestränge
120, in denen jeweils mehrere Batteriemodule
130,
140 mit in Serie und/oder parallel geschalteten Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriemodule
130,
140 können über ihnen jeweils zugeordnete sogenannte Koppeleinheiten (nicht separat dargestellt) jeweils in einem zugehörigen Batteriestrang
120 in positiver oder negativer Orientierung seriell zugeschaltet oder überbrückt werden. Zwischen dem Pluspol eines obersten Batteriemoduls
130 und einem positiven Batteriestrangterminal
122 ist in jedem Batteriestrang
120 eine Lade- und Trenneinrichtung
30 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Minuspol eines untersten Batteriemoduls
140 und einem negativen Batteriestrangterminal
123 in jedem Batteriestrang
120 eine Trenneinrichtung
40 geschaltet werden. Insbesondere in dreiphasiger Ausführung werden Systeme mit derartigen Batterien
110 auch als Batteriedirektinverter (DINV)
110 bezeichnet. Wird ein Traktionsantrieb
10 mit Einsatz eines solchen Batteriedirektinverters realisiert, werden die in der
1 dargestellte Traktionsbatterie
10 und der Pulswechselrichter (Inverter)
50 durch den Batteriedirektinverter
110 ersetzt.
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Der mögliche Verlauf der Ausgangsspannung UBS einer jeden Phase des in der 2 dargestellten Batteriedirektinverters 110 ist in der 3 dargestellt. Die dargestellte Ausgangsspannung UBS ist dabei die von einem Batteriestrang 120 erzeugte Spannung. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung UBS eines Batteriestranges 120 von der Anzahl k der zu dem Batteriestrang 120 in positiver oder negativer Orientierung zugeschalteten Batteriemodule 130, 140. Die zu jedem Batteriestrang 120 zugeschalteten Batteriemodule 130, 140 weisen hierbei jeweils die gleiche Modulspannung UM auf. Die in der Abhängigkeit von der zugeschalteten Anzahl k von Batteriemodulen 130, 140 dargestellte Ausgangsspannung UBS des Batteriestranges 120 ist linear und folgt der Relation UBS = k·UM für Batteriemodule 130, 140, die in positiver Orientierung beziehungsweise positiver Polung zu dem zugehörigen Batteriestrang 120 zugeschaltet worden sind, oder der Relation UBS = –k·UM für Batteriemodule 130, 140, die in negativer Orientierung beziehungsweise negativer Polung zu dem zugehörigen Batteriestrang 120 zugeschaltet worden sind. Dabei gilt die Relation 1 < k < n und n ist die maximale Anzahl der Batteriemodule 130, 140, die zu dem Batteriestrang 120 zugeschaltet werden können. Die maximale Ausgangsspannung UBS des Batteriestranges 120 kann dann entsprechend den Wert n·UM annehmen. Die minimale Ausgangsspannung UBS des Batteriestranges 120 kann dann entsprechend den Wert –n·UM annehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems, das einen Elektromotor und eine Batterie mit mehreren Batteriesträngen umfasst. Dabei weist jeder Batteriestrang mehrere Batteriemodule auf, die jeweils bezüglich der Ausgangsterminals eines jeweiligen Batteriestrangs mit positiver Polung oder negativer Polung selektiv zugeschaltet oder in dem jeweiligen Batteriestrang überbrückt werden können, sodass jeder Batteriestrang eine einstellbare Ausgangsspannung liefert. Die Batteriemodule werden während eines Betriebs des Traktionsantriebssystems jeweils auf eine ordnungsgemäße Funktion hin überwacht. Wenn bei der Überwachung ein technischer Fehler zumindest eines Batteriemoduls detektiert wird, wird das zumindest eine Batteriemodul sofort überbrückt. Daneben wird das Traktionsantriebssystem in einen Übergangszustand überführt, in dem der Elektromotor derart von den zugeschalteten Batteriemodulen des Batteriemodulstrangs weiter versorgt und angesteuert wird, dass ein aktuell erzeugtes Drehmoment unverändert beibehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Traktionsantriebssystems, das einen Elektromotor und eine Batterie aufweist, zur Verfügung gestellt. Die Batterie umfasst mehrere Batteriestränge, von denen jeder mehrere Batteriemodule aufweist, die jeweils bezüglich der Ausgangsterminals des jeweiligen Batteriestrangs mit positiver Polung oder negativer Polung selektiv zugeschaltet oder in dem jeweiligen Batteriestrang überbrückt werden können, sodass jeder Batteriestrang eine einstellbare Ausgangsspannung liefert. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die Batteriemodule während eines Betriebs jeweils auf eine ordnungsgemäße Funktion hin zu überwachen und, wenn bei der Überwachung ein technischer Fehler zumindest eines Batteriemoduls detektiert wird, das Traktionsantriebssystem so anzusteuern, dass das zumindest eine Batteriemodul überbrückt wird und das Traktionsantriebssystem in einen Übergangszustand überführt wird. Dabei wird das Traktionsantriebssystem in dem Übergangszustand derart betrieben, dass der Elektromotor auf eine Weise von den zugeschalteten Batteriemodulen des Batteriemodulstrangs weiter versorgt und angesteuert wird, bei der ein aktuell erzeugtes Drehmoment unverändert beibehalten werden kann.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Batterien, die mit einem Batteriedirektinverter (DINV) betrieben werden und an ihrem Ausgang direkt ein dreiphasiges Wechselspannungssystem bereitstellen können.
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Insbesondere können bei Elektro- und Hybridfahrzeugen die Traktionsbatterien als Batteriedirektinverter ausgeführt sein. Die Ausgangsspannungen des Batteriedirektinverters können jeweils stufenförmig zwischen einer minimalen Ausgangsspannung und einer maximal möglichen Ausgangsspannung eingestellt werden. Die minimale Ausgangsspannung einer Phase beziehungsweise eines Batteriestranges wird dann erreicht, wenn alle Batteriemodule in dieser Phase mit negativer Orientierung, das heißt negativer Polung über die ihnen zugeordneten Koppeleinheiten zugeschaltet sind. Die maximale Ausgangsspannung wird entsprechend dann erreicht, wenn alle Batteriemodule in dieser Phase mit positiver Orientierung beziehungsweise positiver Polung zugeschaltet sind.
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Tritt in einem der Batteriemodule des Batteriedirektinverters ein technischer Fehler auf, wie beispielsweise ein plötzlicher unvorhergesehener Ausfall oder eine Fehlfunktion von mindestens einer der darin angeordneten Batteriezellen, wobei die Fehlfunktion mindestens bei einem weiteren Betrieb zu einem sicherheitsrelevanten Zustand des betroffenen Batteriemoduls führen kann, wird dieses Batteriemodul mittels der ihm zugordneten Koppeleinheit zunächst überbrückt. Dieses Batteriemodul steht somit der Batterie des Batteriedirektinverters nicht mehr für die Abgabe oder Aufnahme elektrischer Energie zur Verfügung. Die restlichen Batteriemodule können nach der Erkennung eines technischen Defektes in einem der Batteriemodule den Traktionsantrieb weiter speisen.
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Beim Auftreten eines technischen Fehlers in der Batterie des Batteriedirektinverters wird der damit betriebene Traktionsantrieb dank der Erfindung definiert und zuverlässig in einen speziellen Übergangszustand geführt, bis eine Batteriediagnose und eine Bewertung des Fehlers erfolgt sind. In dem Übergangszustand kann der Antrieb mit dem aktuellen Drehmoment, welches der Antrieb vor dem Auftreten des technischen Problems an der Welle abgegeben hat, weiter betrieben werden. In dem Übergangszustand bleibt das Drehmoment konstant und der Antrieb kann auf die Drehmomentvorgaben, die von dem Fahrer über das Fahrpedal übermittelt werden, weiterhin reagieren. Dies ist aus fahrdynamischer Sicht eine erhebliche Verbesserung zu der aus dem Stand der Technik bekannten Situation. Nach der Bewertung des Fehlers kann der Antriebsstrang dann in eine Art „Fehlerzustand“ überführt werden, in dem das fehlerhafte Batteriemodul nicht mehr an der Speisung des Antriebs beteiligt ist, wobei der Antrieb aber mit einer reduzierten Performance, wie beispielsweise mit einer geringeren elektrischen Reichweite, weiter betrieben werden kann.
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Die im Stand der Technik notwendigen Zusatzmaßnahmen bezüglich der Antriebsfunktion, wie beispielsweise die Durchführung von mechanischen Freiläufen, die in der Regel ohnehin nur beim Auftreten eines Fehlers der Batterie benötigt und verwendet werden, können dadurch entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kommen ohne zusätzliche Hardwaremaßnahmen aus und können daher ohne entsprechende zusätzliche Kosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Antriebssysteme realisiert werden. Der Übergangsbetrieb wird solange aufrecht gehalten, bis durch eine Fehlerdiagnose entschieden werden kann, ob und gegebenenfalls wie die Traktionsbatterie ohne Sicherheitsrisiko und insbesondere mit einer geringeren Performance weiter betrieben werden kann.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein als eine Drehstrommaschine ausgebildeter Elektromotor mittels einer feldorientierten Regelung zum Weiterbetreiben des Antriebssystems mit weiterhin konstantem Drehmoment eingestellt.
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Insbesondere nachdem das Antriebssystem in den Übergangszustand überführt wurde, wird erfindungsgemäß eine Batteriediagnose durchgeführt wird, anhand der entschieden wird, ob das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul weiter betrieben wird und/oder ob weitere sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden.
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Erfindungsgemäß wird der Antrieb günstigerweise stets so betrieben, dass die Führung des Antriebs auch dann gewährleistet ist, wenn ein beliebiges Batteriemodul des Batteriedirektinverters schlagartig ausfällt. Diese Maßnahme kann Auswirkungen auf die zulässige Maximalspannung haben, welche die Drehstromantriebe an ihren Klemmen für die Aufrechterhaltung ihrer Führung benötigen. Ferner wird dadurch bestimmt, bei welchen Drehzahlen eine Asynchronmaschine in den sogenannten Feldschwächbetrieb gefahren wird und nicht mehr ihr maximal mögliches Drehmoment an die Welle abgibt. Tritt in einem Batteriemodul ein Fehlerfall auf, kann der Antrieb auch bei Überbrückung dieses fehlerhaften Batteriemoduls die zur kontrollierten Führung des Elektromotors erforderlichen Spannungsverhältnisse an den Klemmen der Maschine einstellen.
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Die Drehstrommaschine wird dann über eine sogenannte feldorientierte Führung beziehungsweise feldorientierte Regelung, die dem Fachmann bekannt ist, weiter so betrieben, dass der von dem Fahrer über das Fahrpedal vorgegebene Drehmomentwunsch umgesetzt wird. Der Fahrer merkt also zunächst nicht, dass eines der Batteriemodule aufgrund eines technischen Problems ausgefallen ist und überbrückt wurde. In der Übergangsphase wird mittels einer Batteriediagnose und einer Bewertung des Zustands der Batterie entschieden, ob ein technisches Problem vorliegt, das nur ein Batteriemodul betrifft, oder ob ein Problem vorliegt, das die ganze Batterie betrifft.
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Erfindungsgemäß kann, wenn das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul nach Durchführung der erfindungsgemäßen Batteriediagnose weiter betrieben wird, die Batterie das Antriebssystem mit einer entsprechend reduzierten Ausgangsspannung weiter betreiben. Mit anderen Worten, falls aus der Batteriediagnose entschieden wird, dass das Traktionsantriebssystem weiter betrieben werden kann, dann wird das Traktionsantriebssystem in einen derartigen Betriebszustand überführt, in dem der Elektromotor mit einer Ausgangsspannung weiter versorgt wird, die um den Wert einer dem überbrückten defekten Batteriemodul entsprechenden Batteriemodulspannung reduziert ist.
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Andererseits können auch hinreichend viele weitere Batteriemodule als Ersatz für das zumindest eine überbrückte defekte Batteriemodul zugeschaltet werden. Bei einer solchen Vorgehensweise kann der Elektromotor mit einer unveränderten oder nur geringfügiger reduzierten Ausgangsspannung weiter versorgt werden.
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Dies bedeutet auch, dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis der durchgeführten Batteriediagnose entschieden werden kann, ob der Traktionsantrieb mit Ausschluss nur des einen, fehlerhaften Batteriemodul weiter betrieben wird oder ob weitere Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit, wie beispielsweise die Abschaltung weiterer Batteriemodule, die Warnung des Fahrers oder die Reduzierung der Performance des Antriebs, eingeleitet werden müssen.
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Ausgehend von dem aktuellen Zustand der Batterie kann ferner auch der schlagartige Ausfall von zwei oder mehreren Batteriemodulen sicher beherrscht werden. Dies erfordert hier lediglich, dass eine entsprechend hohe Spannungsreserve beim Betrieb des Antriebs gegenüber der maximal zur Verfügung stehenden Spannung einzuhalten ist.
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Bei einer besonderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird, wenn das Antriebssystem mittels der Batterie mit dem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul weiter gespeist wird und daraufhin ein weiteres Batteriemodul ausfällt, das Antriebssystem mittels eines entsprechend wiederholten Verfahrens weiter betrieben. Das bedeutet, dass das vorhin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren weiterhin auch anwendbar ist, wenn die Batterie bereits ein fehlerhaftes Modul aufweist, die restliche Batterie aber weiterbetrieben wird. Dazu muss das Batteriemanagementsystem beziehungsweise das Führungssystem des Antriebs lediglich berücksichtigen, dass die zur Verfügung stehende Maximalspannung, die Speicherkapazität und die Performance der Batterie auf die Verhältnisse angepasst werden, die sich durch den Ausfall eines Batteriemoduls ergeben.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung kann eine Situation, in der zumindest ein Batteriemodul ausfällt, dahingehend sicher beherrscht werde, dass der Antrieb auf zuverlässige Weise in einen Übergangszustand überführt wird, in dem weiter auf aktuelle Drehmomentvorgaben des Fahrers reagiert werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Batteriesystem geschaffen, das mehrere Batteriestränge umfasst, wobei in jedem Batteriestrang jeweils mehrere Batteriemodule angeordnet sind. Dabei sind die Batteriemodule derart ausgebildet, dass sie jeweils mit bezüglich den Ausgangsterminals eines jeweiligen Batteriestrangs positiver Polung oder negativer Polung selektiv zugeschaltet oder in dem Batteriestrang überbrückt werden können.
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Erfindungsgemäß kann die Batterie insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie sein.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein elektrisches Traktionsantriebssystem aufweist, in dem ein Elektromotor und eine zur Versorgung des Elektromotors vorgesehene Batterie angeordnet sind. Die Batterie weist mehrere Batterien, zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung, einen Batteriemodulstrang mit mehreren, jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodulen auf. Die Batteriemodule sind jeweils in Serie zu dem Batteriemodulstrang zuschaltbar oder in dem Batteriemodulstrang überbrückbar ausgebildet. Ferner ist das Batteriesystem mit der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ausgestattet.
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Erfindungsgemäß ist die Batterie insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug, das einen Elektromotor, sowie das Batteriesystem und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, geschaffen, wobei das Batteriesystem beziehungsweise die Vorrichtung in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs angeordnet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Traktionsantriebes mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit einem aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Batteriestrang verbunden ist,
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2 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Traktionsantriebes mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit drei jeweils aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mindestens einer Batteriezelle ausgebildeten Batteriesträngen verbunden ist, wobei die Batteriemodule zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung eines jeden Batteriestranges zu dem zugehörigen Batteriestrang in Serie zuschaltbar und überbrückbar ausgebildet sind,
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3 einen möglichen Verlauf der Ausgangsspannung eines jeden Batteriestranges der in der 2 dargestellten Batterie in Abhängigkeit von der Anzahl der zu dem entsprechenden Batteriestrang zugeschalteten Batteriemodule, und
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4 das Prinzipschaltbild eines Traktionsantriebes nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Elektromotor, der mit einer Batterie mit drei jeweils aus mehreren Batteriemodulen mit jeweils mindestens einer Batteriezelle ausgebildeten Batteriesträngen verbunden ist, wobei die Batteriemodule zu Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsspannung eines jeden Batteriestranges zu dem zugehörigen Batteriestrang in Serie zuschaltbar und überbrückbar ausgebildet sind.
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Ausführungsform der Erfindung
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In der 4 ist das Prinzipschaltbild eines Traktionsantriebes 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Der Traktionsantrieb umfasst eine Batterie (Traktionsbatterie) 110 mit drei Batteriesträngen 120, die an Ihren drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb des Elektromotors 70 bereitstellen.
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Der Elektromotor 70 ist als Drehstrommotor ausgebildet.
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Die Batteriestränge 120 der Batterie 110 sind jeweils aus mehreren Batteriemodulen 130, 140, die jeweils zu dem zugehörigen Batteriestrang 120 seriell zuschaltbar sind und jeweils in Serie und/oder parallel geschaltete Batteriezellen umfassen, ausgebildet.
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Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 4 nur zwei Batteriemodule 130, 140 pro Batteriestrang 120 eingezeichnet. Diese Batteriemodule 130, 140 können über die ihnen jeweils zugeordneten Koppeleinheiten (nicht separat dargestellt) in dem zugehörigen Batteriestrang 120 in positiver oder negativer Orientierung zugeschaltet oder überbrückt werden. Zwischen dem Pluspol eines obersten Batteriemoduls 130 und einem positiven Batteriestrangterminal 122 ist in jedem Batteriestrang 120 eine Lade- und Trenneinrichtung 30, die wie die Lade- und Trenneinrichtung aus der 1 ausgebildet ist, geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen dem Minuspol eines untersten Batteriemoduls 140 und einem negativen Batteriestrangterminal 123 in jedem Batteriestrang 120 eine Trenneinrichtung 40, die wie die Trenneinrichtung aus der 1 ausgebildet ist, geschaltet werden. Systeme mit derartigen Batterien 110 werden auch als Batteriedirektinverter (DICO) 110 bezeichnet.
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Der erfindungsgemäße Traktionsantrieb 110 umfasst ferner eine Steuerungsvorrichtung 200, die mit den jeweiligen Anschlüssen der Batteriemodule 130, 140 elektrisch verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung 200 ist auch dazu ausgebildet, die Spannungen der einzelnen Batteriemodule 130, 140 zu messen. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 200 dazu ausgebildet, dass wenn während des Betriebs des Traktionsantriebssystems 10 ein zu dem Batteriemodulstrang 120 zugeschaltetes Batteriemodul 130, 140 ausfällt oder ein Defekt des Batteriemoduls detektiert wird, den Elektromotor 70 weiterhin zwar mittels der Batterie 110 jedoch ohne die ausgefallenen und überbrückten Batteriemodule 130, 140 zu versorgen und den Elektromotor 70 dabei über die Steuerleitung 210 so einzustellen, dass das Antriebsystem 10 in einen Übergangszustand überführt wird, in dem das Antriebssystem 10 ein zunächst unverändertes Drehmoment wie vor dem Ausfall des mindestens einen Batteriemoduls 130, 140 liefert.
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Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform wird dies insbesondere dadurch erreicht, dass der Elektromotor 70, der als Drehstrommaschine, hier: Asynchronmaschine ausgebildet ist, mittels einer feldorientierten Regelung eingestellt beziehungsweise angesteuert wird.
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Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 200 der hier gezeigten besonderen Ausführungsform dazu ausgebildet, während der Zeitdauer in der das Antriebssystem 10 in dem Übergangszustand ist, eine Batteriediagnose durchzuführen, und daraufhin zu entscheiden, ob der Traktionsantrieb 10 mit mindestens einem ausgefallenen und überbrückten Batteriemodul 130, 140 weiter betrieben wird und/oder ob andere sicherheitsrelevante Maßnahmen eingeleitet werden. Bevorzugt weist die Steuerungsvorrichtung 200 dazu eine Batteriediagnoseeinheit auf.
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Somit werden erfindungsgemäß ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung geschaffen, mit der vorteilhafterweise ein elektrisches Antriebssystem, das einen Batteriedirektinverter aufweist, in einen Übergangszustand, in dem keine Reduzierung des aktuellen Drehmoments vorliegt, überführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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