本發(fā)明涉及一種電驅動系統(tǒng)、一種具有電驅動系統(tǒng)的機動車和一種用于運行電機的方法。

背景技術：

為了在電動車輛、諸如電驅動的轎車中在同時高的最終速度的情況下實現(xiàn)良好的加速度，已知不同的方案。例如電機可以通過兩檔變速器與車輪耦合。此外還已知的是，在特別運動的和功率強勁的電動車輛中，相應大地確定電機的尺寸，以便即使在高轉速的情況下還能夠提供足夠的轉矩。

此外，DE 10 2011 056 012 A1描述了一種電動車輛的具有兩個單獨的電機的傳動系，其中第一電機相較于第二電機針對較高的最大轉矩、但是較低的最大轉速來設計。

基于在電驅動系統(tǒng)的領域中的特別是針對電動車輛的越來越多的進一步研發(fā)，存在對成本適宜的、高效的、有助推能力的電驅動系統(tǒng)的需求。

技術實現(xiàn)要素：

對此，根據第一方面，本發(fā)明實現(xiàn)一種電驅動系統(tǒng)，該電驅動系統(tǒng)具有：電能存儲器，該電能存儲器包括第一電能存儲設備和第二電能存儲設備；電機；和逆變器，該逆變器被設計用于，在第一運行模式下在使用由第一能量存儲設備提供的第一電壓的情況下驅控所述電機，并且在第二運行模式下在使用由第一能量存儲設備和第二能量存儲設備構成的串聯(lián)電路所產生的第二電壓的情況下驅控所述電機。

根據另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)一種用于運行電機的方法，該方法具有以下步驟：提供電能存儲器，該電能存儲器包括第一電能存儲設備和第二電能存儲設備；在第一運行模式下在使用由第一能量存儲設備提供的第一電壓的情況下驅控所述電機；和在第二運行模式下在使用由第一能量存儲設備和第二能量存儲設備構成的串聯(lián)電路所產生的第二電壓的情況下驅控所述電機。

本發(fā)明的優(yōu)點

本發(fā)明所基于的構思是，根據當前所需的功率需求以不同的電壓驅控電驅動系統(tǒng)中的電機。在低的轉速或小的功率需求的情況下，電機在此可以由合適的能量存儲設備中的較低的電壓來驅控。為了功率提高，特別是在高轉速下，此外可以通過將該能量存儲設備與另外的能量存儲設備組合來提高用于驅控電機的電壓。

通過該方式可以的是，即使在低的功率需求的情況下也在高效的工作點中驅控電機。因此，在低的功率需求的情況下實現(xiàn)很好的效率，該效率大于常規(guī)驅動系統(tǒng)在部分負載運行中的效率。

在更高的功率需求的情況下，例如針對在高轉速下的強烈的加速度或針對在相對高的速度下驅動電動車輛，此外可以通過附加的能量存儲設備提高用于驅控電機的電壓。對此，例如多個能量存儲設備串聯(lián)，使得各個能量存儲設備的端電壓的和可供用于驅控電機。

因此，通過電驅動系統(tǒng)的根據本發(fā)明的驅控，一方面在少的功率需求的情況下實現(xiàn)高的效率，此外同時也為高功率和高轉速提供足夠的能量儲備。該運行模式也被稱為助推運行模式。在此僅需要常規(guī)驅動系統(tǒng)的相對少的修改。與常規(guī)的需要耗費的傳動機構、附加的電機或類似的部件的解決方案不同，所述電驅動系統(tǒng)的成本、重量和體積下降。

根據一種實施方式，逆變器包括中性點鉗位（NPC）逆變器。NPC逆變器相較于常規(guī)的B6橋允許在使用具有不變的耐壓強度的開關元件的情況下輸出電壓的加倍。通過該方式可以的是，在運行模式中以相應高的電壓驅控電機，而不必為此研發(fā)新的更耐壓的開關元件。因此，具有足夠的耐壓強度的相應半導體開關元件、特別是MOSFET、IGBT、碳化硅（SiC）或氮化鎵（GAN）開關元件已經市售可用。此外，NPC逆變器的使用也允許所需的無源器件由于較高的可能的開關頻率而減少，而這不顯著影響效率。此外，一個開關的失效不必然導致NPC逆變器的完全失效，由此也可以提高電驅動系統(tǒng)的可用性。

根據另一種實施方式，第一電能存儲設備和第二電能存儲設備在一個節(jié)點處相互連接。該節(jié)點與NPC逆變器的中間端子（中性點）電連接。通過該方式，例如具有中間抽頭的電池可以用作能量存儲器。該中間抽頭在該情況下是兩個能量存儲設備之間的節(jié)點。通過該方式可以特別簡單地實現(xiàn)針對根據本發(fā)明的電驅動系統(tǒng)的能量供應。

根據一種實施方式，逆變器還被設計用于在回收模式中整流由電機所提供的電壓。所述被整流的電壓可以通過逆變器提供給第一電能存儲設備和/或第二電能存儲設備。通過該方式可以的是，通過電機將運行能轉化為電能并且將所述電能又輸送給電能存儲器。

根據一種實施方式，第一能量存儲設備和第二能量存儲設備不同地構造。例如第一能量存儲設備可以包括高能存儲設備。這樣的高能存儲設備被設計用于存儲大量的能量并且在需要時又輸出這些能量。通過該方式，例如可以通過第一電能存儲設備提供針對電機的較長期的運行所需的能量。 此外，例如第二電能存儲設備可以實施為高功率能量存儲器。這樣的高功率能量存儲器特別是能夠非?？焖俚靥峁┐罅康碾娔?。所述提供的電能例如可以用于強烈的加速度過程或電機在特別高功率下的短時間允許。通過兩個電能存儲設備的不同實施方案，在此兩個能量存儲設備中的每個可以單獨適配于相應的要求。

如果此外例如在回收期間電能存儲器也通過逆變器充電，則在此特別是可以優(yōu)選地選擇兩個電能存儲設備之一。在該情況下，在回收過程期間應該被充電的能量存儲設備可以針對提高數(shù)量的充電循環(huán)來進行優(yōu)化。例如對此特別適合的是超級電容器或類似的。如果在回收期間給針對提高數(shù)量的充電循環(huán)來設計的能量存儲設備充電，則可以提高整個能量存儲設備的預期壽命。

在一種替代的實施方式中，第一能量存儲設備和第二能量存儲設備相同地構造。通過該方式，可以在沒有提高的研發(fā)花費的情況下特別簡單地實現(xiàn)所需的電能存儲器。

根據另一種實施方式，第一能量存儲設備包括牽引電池。因此可以特別簡單地構造用于根據本發(fā)明的驅動系統(tǒng)的電能存儲器。

根據一種實施方式，第一能量存儲設備和/或第二能量存儲設備具有至少300伏特的端電壓。優(yōu)選地，相應的端電壓具有大約400伏特的電壓。對于這樣的電壓水平，已經存在大量的可用的具有足夠的耐壓強度的器件、諸如牽引電池和逆變器。因此在該情況下可以特別簡單并且成本適宜地構造電驅動系統(tǒng)。

根據一種實施方式，如果電機的轉速超過預先確定的第一極限值和/或要由電機提供的轉矩超過預先確定的第二極限值，則在第二運行模式中驅控電機。通過根據電機的轉速和/或所要求的轉矩在兩個運行模式之間進行變換，對于每個情況可以選擇最優(yōu)的運行模式，使得一方面電機以高效率運行并且此外也可以滿足暫時的高功率要求。

根據另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)一種具有根據本發(fā)明的電驅動系統(tǒng)的機動車。通過根據本發(fā)明的電驅動系統(tǒng)集成到機動車、諸如轎車、或者也可以是其他機動車、諸如公交車或載重汽車中，可以通過非常寬的功率譜分別提供高效的驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)特別是即使在加速或高的速度時也提供足夠的功率儲備。

附圖說明

本發(fā)明的其他實施方式和優(yōu)點從參考附圖的以下描述中得出。

在此：

圖1示出根據一種實施方式的電驅動系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出根據一種實施方式的具有NPC逆變器的電驅動系統(tǒng)的示意圖；

圖3示出根據一種實施方式的具有驅動系統(tǒng)的機動車的示意圖；

圖4示出轉矩關于電機的轉速的變化曲線的示意圖；和

圖5示出如一種實施方式所基于的用于運行電機的方法的示意圖。

具體實施方式

圖1示出根據一種實施方式的電驅動系統(tǒng)的示意圖。電能存儲器1將其電能饋送給逆變器2。逆變器2將電能存儲器1提供的直流電壓轉換成一相或多相交流電壓并且利用該交流電壓驅控電機3。

電能存儲器1原則上可以是任意的電能存儲器，該任意的電池存儲器除了兩個外部的端子“正和負”之外還具有附加的中間抽頭。例如電能存儲器1可以是包括第一電能存儲設備11和第二電能存儲設備12的兩件式能量存儲器，其中第一和第二能量存儲設備11和12在一個節(jié)點處彼此電連接。該節(jié)點在該情況下是電能存儲器1的中間抽頭K。在這里示出的示例中，第一能量存儲設備11的正端子與第二能量存儲設備12的負端子連接并且該節(jié)點與逆變器2連接。此外，第一能量存儲設備11的負端子以及第二能量存儲設備12的正端子與逆變器2連接。替代地，以下電能存儲器1也是可以的，其中第一能量存儲設備11的負端子與第二能量存儲設備12的正端子連接。

電能存儲器1在此可以是具有中間抽頭K的電池，其中兩個能量存儲設備11和12分別通過一個或多個電池單元構成。替代地，電能存儲器1也可以通過兩個單獨的電池構成，其中兩個電池中的每個對應于電能存儲設備11或12。在該情況下，兩個電池之間的電連接是中間抽頭K。

第一電能存儲設備11的端電壓在此可以恰好或至少近似對應于第二電能存儲設備12的端電壓。替代地，同樣可以的是，第一電能存儲設備11和第二電能存儲設備12具有不同的端電壓。優(yōu)選地，第一電能存儲設備11上的端電壓至少對應于常規(guī)牽引電池的端電壓，如所述牽引電池為了運行例如電動車輛中的電機所使用的那樣。這樣的牽引電池通常具有至少300伏特、特別是在大約300伏特和400伏特之間的端電壓。

電能存儲器1的第一電能存儲設備和第二電能存儲設備12可以相同地構造。此外，然而也可以的是，第一能量存儲設備11和第二能量存儲設備12在其結構上或至少在參數(shù)、如能量存儲容量和/或端電壓上不同。例如可以的是，第一能量存儲設備11比第二能量存儲設備12具有更大或更小的能量存儲容量。第一能量存儲設備11例如可以設計成高能存儲器。這樣的高能存儲器可以以相對小的存儲體積存儲大量的能量并且在需要時提供這些電能。第二能量存儲設備12例如可以實施為高功率存儲器。這樣的高功率存儲器能夠在很短的時間段內提供大量的能量、特別是大量的電能。因此通過這樣的高功率存儲器例如可以在很高的功率需求的情況下十分快速地提供所需的電能。例如這樣的高功率存儲器可以是超級電容器或類似的。但是，其他存儲技術同樣可以。

此外，電能存儲器1的兩個電能存儲設備11和12也可以針對不同數(shù)量的最大充電循環(huán)來優(yōu)化。因此，例如兩個電池存儲設備之一11或12可以針對特別高數(shù)量的充電循環(huán)來優(yōu)化，而分別另外的能量存儲設備11或12僅針對較少數(shù)量的充電循環(huán)來設計。在該情況下，在回收模式中，優(yōu)選地可以將電能饋送到針對較高數(shù)量的充電循環(huán)來設計的能量存儲設備11或12中。因此，針對較少數(shù)量的充電循環(huán)來設計能量存儲設備11或12在回收過程期間不負載。通過該方式可以成本適宜地針對長的壽命構型電能存儲器1。

電能存儲器1的三個端子、即負端子、正端子和中間抽頭K與逆變器2電連接。例如該逆變器可以是中性點鉗位逆變器（NPC逆變器）。逆變器2將電能存儲器1提供的直流電壓轉換成一相或多相交流電壓。利用該轉換的交流電壓驅控與逆變器2電連接的電機3。在此，逆變器2的運行可以基于控制信號進行，所述控制信號由控制設備4生成并且提供給逆變器2?？刂菩盘栐诳刂圃O備4中的生成在此例如可以基于控制參數(shù)41進行，諸如基于預先給定的轉速或要提供給電機3的轉矩來計算。

在第一運行模式中，逆變器2在此可以僅僅在使用電能存儲器1的部分電壓的情況下驅控電機3，該部分電壓由第一能量存儲設備11來提供。第二能量存儲設備12在所述第一運行模式中不用于驅控電機3。因此，在所述第一運行模式中，可以用來驅控電機3的電壓的幅度通過第一能量存儲設備11的端電壓來限制。由第一能量存儲設備11提供的電壓通常足以將電機3在直至預先確定的極限的轉速范圍內運行。也可以在使用僅僅由第一能量存儲設備11提供的電壓的情況下將電機3良好地加速直至轉速的該極限。為了此外即使在較高的轉速下也能夠良好地加速電機或即使在較高的轉速下也能夠由電機3提供足夠的轉矩，可以通過逆變器2在另外的運行模式中在使用電能存儲器1上的完整的電壓的情況下驅控電機3。在該情況下，用于驅控電機3的逆變器2使用由第一能量存儲設備11和第二能量存儲設備12的串聯(lián)電路得出的并且位于電能存儲器1的正端子和負端子之間的電壓。通過使用所述較高的電壓，逆變器2在電機3處也可以提供具有相應較高的幅度的交流電壓。因此即使在較高轉速下也可以通過電機3提供足夠大的轉矩，或者即使在較高轉速下也可以實現(xiàn)電機3的改進的加速度。對此要注意的是，電機3的絕緣、特別是電機3中的繞組的絕緣也相應地耐壓地來設計。也就是說，電機3的耐壓強度必須適配于電能存儲器1的正端子和負端子之間的、即通過第一和第二能量存儲設備11和12的串聯(lián)電路得出的電壓。此外，電驅動系統(tǒng)、特別是電機3以及逆變器2必須針對高的電功率和與之關聯(lián)的放熱來設計，所述高的電功率和與之關聯(lián)的放熱可能在所述第二運行模式中出現(xiàn)。

是逆變器2在第一運行模式中在使用僅僅一個電能存儲設備11的電壓的情況下驅控電機3，還是在使用由第一和第二能量存儲設備11和12構成的電能存儲器1的整個電壓的情況下驅控電機3的決定在此可以基于電機3的轉速和/或要在電機3上設定的轉矩來確定。如之前所述，在此在低轉速下或要在電機3上設定低的轉矩的情況下足夠的是，僅僅在使用第一能量存儲設備11的電壓的情況下驅控電機3。而在較高轉速下和/或較高的要設定的轉矩的情況下，在使用第一和第二能量存儲設備11、12的電壓的情況下驅控電機3。相應運行模式的選擇在此可以通過控制設備4在使用在控制設備4上提供的控制參數(shù)41的情況下來做出。控制設備4在此例如可以接收關于電機的額定轉速以及要在電機上設定的轉矩的數(shù)據并且由此確定合適的運行模式。隨后，在如此確定的運行模式中進行逆變器2的驅控。

除了兩個前述的運行模式之外，此外，回收模式是可以的。在該另外的運行模式中，電機3作為發(fā)電機運行。電機3在此在逆變器2處提供一相或多相交流電壓，所述交流電壓由逆變器2轉換成直流電壓。逆變器2在該運行模式中因此作為整流器工作。如此整流的電壓然后可以提供給能量存儲器1并且對能量存儲器1進行充電。在此可以的是，電能存儲器1的第一能量存儲設備以及第二能量存儲設備同時被充電。替代地，可以給兩個能量存儲設備中的僅僅一個11或12充電。例如可以僅僅給當前具有較低的充電狀態(tài)的那個能量存儲設備11或12充電。此外也可以的是，優(yōu)選地給兩個能量存儲設備之一11或12充電。例如兩個能量存儲設備之一11或12可以針對較高數(shù)量的充電循環(huán)來優(yōu)化。分別另外的能量存儲設備11或12可以在該情況下成本適宜地針對較少數(shù)量的充電循環(huán)來設計。

圖2示出根據一種實施方式的電驅動系統(tǒng)的示意圖，在該實施方式中逆變器2實施為NPC逆變器。這樣的NPC逆變器特別適合作為前述的電驅動系統(tǒng)的逆變器。在電能存儲器1的中間抽頭K和正或負端子之間分別布置有中間回路電容器C1、C2。在此示出的逆變器的三個相中的每個相包括四個半導體開關元件T1至T4、T5至T8和T9至T12。原則上，然而也可以利用在此示出的電路原理實現(xiàn)與三個不同數(shù)量的相。對于第一相，在此四個開關元件T1至T4在能量存儲器1的正和負端子之間串聯(lián)。在第二半導體開關元件T2和第三半導體開關元件T3之間的中間節(jié)點與電機3的一個相端子連接。在第一和第二半導體開關元件T1、T2之間的節(jié)點以及在第三和第四半導體開關元件T3、T4之間的節(jié)點分別通過二極管D1或D2與電能存儲器1的中間抽頭K連接。其他相的結構在此如圖2中所示地類似于剛才描述的第一相。

這樣實施的以NPC逆變器形式的逆變器2在此也允許使用常規(guī)開關元件、諸如MOSFET或IGBT，但是也可以是新型的快速開關的碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）開關。

圖3示出根據一種實施方式的具有電驅動系統(tǒng)的電動車輛5的示意圖。電能存儲器1給逆變器2饋電。逆變器2然后驅控電機3。電機3通過傳動機構和機械連接與車輛5的軸的車輪耦合。根據電機3的轉速并且因此車輛5的速度以及所期望的加速度或要設定的轉矩，在此或者以完全的通過能量存儲器1提供的電壓驅控電機3，或者僅僅以電能存儲器1的中間抽頭和外部端子之間的部分電壓驅控電機3。

圖4示出可用的轉矩M關于電機3的轉速n的線圖的示意圖。虛的曲線變化在此示出在第一運行模式中的可用的轉矩，在該第一運行模式中通過逆變器2僅以第一電能存儲設備11中的部分電壓來驅控電機3。如在此可見那樣，在極限轉速之上，可用的轉矩下降。因此，電機3和因此必要時還有利用該電機3驅動的電動車輛僅還能夠顯著更弱地被加速。而在使用第一和第二能量存儲設備11和12的組合構成的電能存儲器1的整個電壓時，在這里也可以記錄到下降之前，可用的轉矩在高得多的轉速范圍之上仍保持恒定。因此電機3在利用較高的電壓驅控時即使在較高的轉速范圍上也能夠很好地被加速。

前述的電驅動系統(tǒng)例如可以用于完全或部分電驅動的車輛。特別是在具有相對高的最終速度的轎車的情況下，可以在很大的速度范圍上實現(xiàn)良好的加速度。在此，即使在高轉速下還可以提供大的轉矩。同樣，前述的電驅動系統(tǒng)也可以用于任意其他電動車輛。例如重的車輛、諸如公交車或載重汽車也可以在正常行駛運行期間在第一運行模式中驅控并且在強烈的加速期間在另外的運行模式中運行。

圖5示出如根據一種實施方式的用于運行電機3的方法所基于的流程圖的示意圖。在第一步驟S1中提供電能存儲器1，其包括第一電能存儲設備11和第二電能存儲設備12。兩個電能存儲設備11和12在此優(yōu)選地在共同的節(jié)點K處彼此電耦合。在步驟S2中，在第一運行模式中在使用由第一能量存儲設備11提供的電壓來驅控電機3。此外，在步驟S3中，在第二運行模式中在使用由第一能量存儲設備11和第二能量存儲設備12構成的串聯(lián)電路所產生的第二電壓來驅控電機3。在此，如果電機3的轉速超過預先確定的第一極限值和/或要由電機3提供的轉矩超過預先確定的第二極限值，則在第二運行模式中驅控電機3。

總之，本發(fā)明涉及一種電驅動系統(tǒng)和一種用于運行電機的方法，其中在第一運行模式中在使用第一電壓的情況下驅控電機。為了暫時的功率提高，還可以在第二運行模式中驅控電機，其中用于驅控的電壓通過另一能量源來提高。