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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, aufweisend eine
Gleichspannungsquelle, einen an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen
Wechselrichter, welcher mit einem dem Elektroantrieb des Fahrzeugs
dienenden Elektromotor in Verbindung steht und zur Ansteuerung des
Elektromotors im Dreiphasen-Drehstrombetrieb geeignet ist, und eine
zusätzliche
Wechselspannungsquelle, welche zum Anschluss elektrischer Wechselstrom-Verbraucher geeignet
ist.
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Fahrzeuge
mit einem Elektroantrieb, welcher als einziger Antrieb des Fahrzeugs
oder als Hilfsantrieb, z.B. zusätzlich
zu einem verbrennungsmotorischen Antrieb, vorgesehen sein kann,
besitzen in der Regel eine von einer Gleichspannungsquelle gespeiste
Vorrichtung zur Versorgung des Antriebselements, in der Regel eines
Elektromotors, mit Wechselstrom. Als Gleichspannungsquelle kann
dabei beispielsweise eine Batterie, ein Kondensator, eine Brennstoffzelle
oder eine Kombination solcher Energiequellen dienen. Zur Speisung
des Elektromotors wird die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Gleichspannung
typischerweise von einem Wechselrichter in drei phasenverschobene
Wechselspannungen (Dreiphasen-Drehstrom)
umgewandelt, mit welchen die Wicklungen des Elektromotors beaufschlagt werden.
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Zur
Steigerung des Komforts der Benutzer eines Kraftfahrzeugs, etwa
um das Betreiben haushaltsüblicher
Elektrogeräte
im Fahrzeug oder in der Umgebung des Fahrzeugs zu ermöglichen,
ist es wünschenswert,
an einem Fahrzeug eine zusätzliche Wechselspannungsquelle
mit der für
das regionale Stromnetz typischen Netzspannung und Frequenz (z.
B. 110 V @ 60 Hz oder 220 V @ 50 Hz) bereitzustellen. Von einer
entsprechend leistungsfähig
ausgelegten zusätzlichen
Wechselspannungsquelle kann gegebenenfalls nicht nur ein einzelner
Wechselstrom-Verbraucher, sondern ein zum Anschluss mehrerer Verbraucher
geeignetes Wechselstromnetz gespeist werden.
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Zur
Vermeidung des Gewichts und des Bauraum beanspruchenden Volumens
unnötiger
Komponenten in einem Fahrzeug ist es zweckmäßig, als Energiequelle für eine solche
zusätzliche
Wechselspannungsquelle die bereits für den Elektroantrieb im Fahrzeug
vorgesehene Gleichspannungsquelle zu verwenden. Zur Umsetzung der
von der Gleichspannungsquelle gelieferten Gleichspannung in eine Wechselspannung
wird ein Wechselrichter benötigt. Auch
hier wird zweckmäßigerweise
der bereits im Fahrzeug vorhandene, zum Betrieb des Elektromotors
geeignete Wechselrichter verwendet.
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Aus
der
DE 197 22 644
C1 ist ein Elektrofahrzeug mit einer zusätzlichen
Wechselstromquelle bekannt, bei welcher, wie beschrieben, die Umsetzung
der Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung
durch einen bereits für
die Speisung des Elektroantriebs vorgesehenen Wechselrichter erfolgt.
Dabei ist eine Steckdose zum Anschluss elektrischer Verbraucher
direkt mit dem Wechselrichter verbunden. Dies birgt jedoch den Nachteil,
dass der Scheitelwert der an der Steckdose verfügbaren Wechselspannung in jedem
Fall kleiner oder gleich der an der Gleichspannungsquelle verfügbaren Gleichspannung
ist. Dementsprechend ist die gewünschte
zusätzliche
Wechselspannungsquelle nur dann durch eine Vorrichtung gemäß der
DE 197 22 644 C1 realisierbar,
wenn als Gleichspannungsquelle eine Hochleistungsbatterie zur Verfügung steht,
deren Ausgangsspannung größer oder gleich
der gewünschten
Scheitelspannung der zusätzlichen
Wechselspannungsquelle ist. Von der Verfügbarkeit einer Gleichspannungsquelle
mit solch hoher Ausgangsspannung kann jedoch in der Regel nicht
ausgegangen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb
mit einer zusätzlichen
Wechselspannungsquelle, welche geeignet ist, elektrische Geräte oder
Vorrichtungen mit einer Wechselspannung zu versorgen, und deren Scheitelspannung
größer ist
als die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle, von welcher der
Elektroantrieb versorgt wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
indem Komponenten des Elektromotors zur Transformation der an den Ausgängen des
Wechselrichters verfügbaren
Spannungen auf die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle verwendet
werden.
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Insbesondere
können
der Wechselrichter und der Elektromotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung so miteinander verschaltet und der Wechselrichter
so betrieben werden, dass der Wechselrichter und die Komponenten
des Elektromotors als Brückensteller
wirken. Das Transformationsverhältnis
ist dabei festgelegt durch die elektrische Schaltung, die sich aus
der Verbindung der Spannungsausgänge
des Wechselrichters mit den Komponenten des Elektromotors, sowie
deren Verbindungen untereinander und den Abgriff der Wechselspannungsquelle
ergibt.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine erste Statorwicklung des Elektromotors im
Wesentlichen zwischen zwei Spannungsausgänge des Wechselrichters geschaltet.
Der Wechselrichter wird dabei so betrieben, dass die erste Statorwicklung
mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird diese
Wechselspannung erzeugt, indem an den beiden über die erste Statorwicklung
verbundenen Spannungsausgängen zwei
um 180° gegeneinander
versetzte pulsbreitenmodulierte Spannungen erzeugt werden, die jeweils im
Wesentlichen sinusförmig
sind. Somit ergibt sich auch als die an der ersten Statorwicklung
anliegende Differenz dieser beiden Spannungen eine im Wesentlichen
sinusförmige
Spannung. Bei einem elektronisch gesteuerten Wechselrichter ist
die Software zum Betrieb des Wechselrichters dementsprechend gegenüber dem
Betrieb zur Ansteuerung eines Elektromotors im Dreiphasen-Drehstrombetrieb
zu verändern
bzw. zu erweitern.
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Die
beiden anderen Statorwicklungen des Elektromotors sind galvanisch
von dem Wechselrichter entkoppelt. Sie werden im Wesentlichen in
einer Reihenschaltung verbunden. Durch die Beaufschlagung der ersten
Statorwicklung mit einer Wechselspannung wird jedoch eine Kopplung
zwischen den Statorwicklungen über
den magnetischen Fluss in den Komponenten des Elektromotors verursacht.
Die Komponenten des Elektromotors erfüllen somit die Funktion eines
Transformators. Die erste Statorwicklung wirkt als Primärspule des
Transformators, die beiden anderen Statorwicklungen als Sekundärspule.
Der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor des Elektromotors
reicht aus, um als Luftspalt des Transformators, bzw. als Speicherdrossel
eines Hochsetzstellers zu fungieren.
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Die
Ausgangsspannung des Transformators kann an den freien Enden der
beiden in Reihenschaltung verbundenen Statorwicklungen abgegriffen
werden und steht als Wechselspannung der Wechselspannungsquelle
zur Verfügung.
In der beschriebenen Vorrichtung ergibt sich für den durch die Komponenten
des Elektromotors realisierten Transformator, unter der Voraussetzung
der gleichen Wicklungszahl für
alle drei Statorwicklungen, ein festes Transformationsverhältnis von ü=2.
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Die
Amplitude der an der Wechselspannungsquelle zur Verfügung gestellten
Wechselspannung wird somit gegenüber
der maximalen Amplitude einer zwischen den Spannungsausgängen des Wechselrichters
erzeugbaren Wechselspannung verdoppelt. Die Amplituden der an den
Spannungsausgängen
des Wechselrichters erzeugten Spannungen und somit die Amplitude
der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle kann im Wechselrichter
in an sich bekannter Weise durch Pulsbreitenmodulation verändert, insbesondere
verringert, werden.
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Hieraus
ergibt sich gegenüber
dem Stand der Technik eine Verdoppelung des Wertebereichs für die Amplitude
der an einer zusätzlichen
Wechselspannungsquelle zur Verfügung
stellbaren Wechselspannung. Insbesondere die Anforderungen an die Gleichspannungsquelle
werden dadurch gegenüber dem
Stand der Technik erheblich reduziert. Zudem birgt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil einer galvanischen Entkopplung zwischen
dem Fahrzeug und dessen zusätzlicher
Wechselspannungsquelle.
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Alternativ
zur oben beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung können
der Wechselrichter und der Elektromotor durch eine Abänderung
der beschriebenen Beschattung des Transformators und/oder eine Abänderung
der beschriebenen Signalform der von dem Wechselrichter erzeugten
Ausgangsspannungen in an sich bekannter Weise so verschaltet und
betrieben werden, dass der Wechselrichter und die Komponenten des
Elektromotors als Hochsetzsteller wirken. Der Wertebereich für die Amplitude
der an der zusätzlichen
Wechselspannungsquelle zur Verfügung
stellbaren Wechselspannung ist damit noch weiter vergrößerbar.
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An
einem Elektromotor sind für
dessen Betrieb als Antriebselement typischerweise Mittel zur Erfassung
der an den Statorwicklungen anliegenden Spannungen vorgesehen. Diese
Mittel zur Erfassung der an den Statorwicklungen anliegenden Spannungen
sind beim erfindungsgemäßen Betrieb
des Elektromotors bzw. einzelner Komponenten des Motors zur Kontrolle
der Wechselspannung der zusätzlichen Wechselspannungsquelle
und gegebenenfalls zu deren Regelung verwendbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind an den Verbindungen
zwischen den Spannungsausgängen
des Wechselrichters und den Statorwicklungen und den Verbindungen
der Statorwicklungen untereinander Schaltelemente vorgesehen, die
eine Umschaltung erlauben zwischen der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Form
der elektrischen Verschaltung des Wechselrichters und des Elektromotors
und einer an sich bekannten Form der elektrischen Verschaltung,
in welcher der Elektromotor im Dreiphasen-Drehstrombetrieb betreibbar ist.
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Zum
Anschluss elektrischer Wechselstrom-Verbraucher an die zusätzliche
Wechselspannungsquelle ist an dem Fahrzeug gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
mindestens eine mit der Wechselstromquelle verbundene Steckdose
vorgesehen. Solche Steckdosen können
als Außen-
oder Innenanschlüsse
ausgebildet sein. Im ersten Fall befindet sich eine solche Steckdose
an einer Außenwand
des Fahrzeugs und ist von außen
zugänglich. Im
anderen Fall befindet sich die Steckdose bevorzugt hinter einer
Heck- oder Kofferraumklappe im Fahrzeuginneren.
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Bevorzugt
ist zudem eine Anzeige der aus der zusätzlichen Wechselspannungsquelle
entnommenen Energiemenge vorgesehen. Ferner ist bevorzugt ein gesonderter
Zähler
zur Kontrolle der entnommenen Energiemenge vorgesehen. Schließlich sind
bevorzugt Mittel zur Sperre der Wechselspannungsquelle gegen unbefugte
Benutzung oder unter unzulässigen
Betriebsbedingungen vorgesehen.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen wird die Erfindung weiter erläutert. Dabei zeigen schematisch
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1 die
Verschaltung zwischen einer Gleichspannungsquelle, einem Wechselrichter
und einem Elektromotor im Dreiphasen-Drehstrombetrieb, hier beispielhaft
in Sternschaltung ausgeführt,
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2 die
erfindungsgemäße Verschaltung zwischen
einer Gleichspannungsquelle, einem Wechselrichter und einem Elektromotor,
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3 eine
Vorrichtung gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung, in welcher durch das Vorsehen von Schaltelementen
zwischen dem Dreiphasen-Drehstrombetrieb
und dem erfindungsgemäßen Betrieb
zur Speisung einer Wechselstromquelle umgeschaltet werden kann.
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In 1 ist
eine aus dem Stand der Technik bekannte Verschaltung zwischen einer
Gleichspannungsquelle 1, einem Wechselrichter 2 und
einem Elektromotor mit den Statorwicklungen 3, 4 und 5 im Dreiphasen-Drehstrombetrieb,
hier beispielhaft in Sternschaltung ausgeführt, dargestellt. Der Wechselrichter 2 ist
an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen und erzeugt
drei jeweils um 120° gegeneinander
phasenversetzte Spannungssignale. Mit diesen Spannungssignalen werden
die Statorwicklungen 3, 4 und 5 des Elektromotors
beaufschlagt. Das durch die Ansteuerung mit dem Drehstrom erzeugte
Magnetfeld verursacht ein Drehmoment auf den Rotor des Elektromotors.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Verschaltung
zwischen einer Gleichspannungsquelle 1, einem Wechselrichter 2 und
einem Elektromotor mit den Statorwicklungen 3, 4 und 5.
Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist eine erste Statorwicklung des Elektromotors, hier
die Statorwicklung 3, zwischen zwei Spannungsausgänge des
Wechselrichters geschaltet. Der elektronisch gesteuerte Wechselrichter 2 ist
wie zuvor an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen.
Der Wechselrichter wird dabei so betrieben, dass sich an der Statorwicklung 3 eine
Wechselspannung ergibt. Diese Wechselspannung wird erzeugt, indem
an den beiden über
die erste Statorwicklung verbundenen Spannungsausgängen zwei
um 180° gegeneinander
versetzte pulsbreitenmodulierte Spannungen erzeugt werden, die im Wesentlichen
sinusförmig
moduliert sind.
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Die
beiden Statorwicklungen 4 und 5 sind in einer
Reihenschaltung miteinander verbunden und galvanisch von dem Wechselrichter 2 und
somit vom gesamten Fahrzeug entkoppelt. Durch die typische Gestaltung
von Stator, Statorwicklungen und Rotor eines Elektromotors ergibt
sich jedoch die Möglichkeit,
eine Kopplung zwischen den Statorwicklungen über den magnetischen Fluss
zu verursachen. Der magnetische Kreis mit Luftspalt wird dabei über den Stator
und den Rotor des Elektromotors geschlossen. Der Luftspalt zwischen
Stator und Rotor reicht aus, um als Luftspalt eines Transformators
zu fungieren. Bei entsprechender Ansteuerung zumindest einer der
Statorwicklungen und bei entsprechender Beschattung der Anordnung
können
die Komponenten des Elektromotors somit als Transformator wirken. 2 zeigt
die Anordnung, in welcher die Statorwicklungen 3, 4 und 5 den
Transformator 6 bilden. Durch die Beaufschlagung der Statorwicklung 3,
welche die Primärspule
des Transformators 6 darstellt, mit einer Wechselspannung
wird eine Wechselspannung in den Sekundärspulen, den beiden anderen Statorwicklungen 4 und 5,
induziert. Die Ausgangsspannung des Transformators kann an den freien
Enden der beiden in Reihenschaltung verbundenen Statorwicklungen 4 und 5 abgegriffen
werden und steht als Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 7 zur
Verfügung.
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Auf
den Rotor des Elektromotors wird durch die beschriebene Anordnung
und Ansteuerung ein im zeitlichen Mittel ausgeglichenes Drehmoment
erzeugt, so dass dieser nicht dauerhaft in Bewegung versetzt wird.
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3 zeigt
eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung. Gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung
sind in den Verbindungen zwischen den Spannungsausgängen eines
Wechselrichters 2'' und den Statorwicklungen 3, 4 und 5 und
in den Verbindungen der Statorwicklungen untereinander Schaltelemente 8, 9 und 10 vorgesehen,
die eine Umschaltung erlauben zwischen der in 2 dargestellten
erfindungsgemäßen Form
der elektrischen Verschaltung des Wechselrichters 2' aus 2 mit
dem Elektromotor und der in 1 dargestellten
elektrischen Verschaltung des Wechselrichters 2 aus 1 mit
dem Elektromotor, in welcher der Elektromotor im Dreiphasen-Drehstrombetrieb
betreibbar ist.
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Der
Wechselrichter 2'' ist ebenfalls
hinsichtlich seiner Betriebsart umschaltbar. In einem ersten Betriebsmodus
ist er in der Lage, die Funktion des Wechselrichters 2 aus 1 auszuführen, in
einem zweiten Betriebsmodus die Funktion des Wechselrichters 2' aus 2.
Im ersten Betriebsmodus des Wechselrichters 2'' werden die Schaltelemente 8, 9 und 10 so
gestellt, dass sich eine elektrische Verschaltung des Wechselrichters 2'' mit dem Elektromotor gemäß 1 ergibt.
Im zweiten Betriebsmodus des Wechselrichters 2'' werden die Schaltelemente 8, 9 und 10 so
gestellt, dass sich eine elektrische Verschaltung des Wechselrichters 2'' mit dem Elektromotor gemäß 2 ergibt.