DE2237963A1

DE2237963A1 - Antriebssystem fuer elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE2237963A1
Application number: DE2237963A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Bader
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1974-02-14
Also published as: FR2194586B1; JPS5514602B2; DE2237963C3; US3959701A; FR2194586A1; GB1416636A; DE2237963B2; IT989991B; JPS4967312A

Description

Deutsche Automobilgesellschaft DAUG 30

mit beschränkter Haftung

Hannover ^2?" ^{Juli 197}"

"Antriebssystem für Elektrofahrzeuge"

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Elektrofahrzeuge.

Bei den bekannten. Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge werden auf Grund der Charakteristik der Elektromotoren - wobei es gleichgültig ist, ob es sich um Gleichstrom- oder Drehstrommotoren handelt - stets zwei Fahrbereiche unterschieden. Vom Stillstand ausgehend bis zu einem, Von der Spannung der Antriebsbatterie abhängigen, sogenannten Typenpunkt, der durch eine bestimmte zugeordnete Geschwindigkeit v_ gekennzeichnet werden kann, wird die am Motor anliegende Spannung so gesteuert, daß der magnetische Hauptfluß im Motor unabhängig von der Geschwindigkeit im wesentlichen seinen Nennwert einnimmt, d.h. es wird die Klemmenspannung näherungsweise proportional zur Drehzahl des Motors bzw. zur Fahrzeuggeschwindigkeit verändert. Hierzu wird nach bekannten Verfahren im Falle des Gleichstrommotors die im wesentlichen konstante Batteriespannung durch einen Gleichstromsteller so getaktet, daß sich an den Klemmen bzw. am Anker des Motors ein entsprechender niedrigerer Mittelwert der Spannung einstellt. Deshalb bezeichnet man diesen Bereich als Ankerstellbereich. In derselben Weise erfolgt die Spannungsanpassung im Falle eines Drehstrommotors durch entsprechende Steuerung und Taktung etwa des Pulewechselrichters.

Beim Überschreiten der Geschwindigkeit v— liegt die volle Batteriespannung an den Klemmen des Elektromotors, bzw. die Amplitude der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung hat den Wert der Batteriespannung erreicht. Die Drehzahl des Elektromotors kann

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dann nur dadurch weiter erhöht werden, daß der magnetische Hauptfluß gegenüber seinem Nennwert verringert wird. Je nach Bauart des Elektromotors erstreckt sich dieser Feldschwächbereich bis zu Drehzahlen, die etwa der Geschwindigkeit (3...5) v_ entsprechen. Diese Geschwindigkeit stellt damit auch die vom Fahrzeug erreichbare Spitzengeschwindigkeit dar.

Der Ankerstellbereich ist nun einerseits durch einen schlechteren Wirkungsgrad als der Feldschwächbereich gekennzeichnet, da der volle Motorstrom in rascher Folge ein- und ausgeschaltet werden muß (Schaltfrequenzen einige 100 Hz), um störende Homentpulsationen im Motor zu vermeiden, wodurch beträchtliche Ein- und Aueschaltverluste in den Halbleiter-Leistungsschaltern bzw. den zugehörigen Konunutierungseinrichtungen entstehen. Andererseits sind die hierzu notwendigen Halbleiter-Bauelemente, da sie für den vollen Motorstrom ausgelegt sein müssen und dabei gute dynamische Eigenschaften aufweisen sollen, um den Gesamtwirkungsgrad nicht noch weiter zu verschlechtern, recht kostspielig.

Im Feldschwächbereich hingegen wird im Fall der Gleichstrommaschine der Motorstrom überhaupt nicht unterbrochen; es wird zur Regelung nur der Erregerstrom, der aber nur wenige Prozent des Motorstroms beträgt, ein- und ausgeschaltet. Im Falle der Drehstrommaschine wird im Feldschwächbereich nur so oft umgeschaltet, wie es der Frequenz der Drehstrommaschine entspricht; die Steuerung der Erregung selbst erfolgt bei der Synchronmaschine wie bei der Gleichstrommaschine; bei der Asynchronmaschine erfolgt sie verlustlos durch eine entsprechende Vergrößerung der Schlupffrequenz.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem zu schaffen, welches ein Anfahren ohne die aufwendigen Schaltmittel der bisher verwendeten Anordnungen erlaubt und welches gleichzeitig ein höheres Drehmoment und einen besseren Wirkungsgrad liefert.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Antriebssystem, bestehend aus der Kombination eines Elektromotors mit einer von einer Teilspannung auf die volle Batteriespannung umschaltbaren Antriebsbatterie, mit einer auf den Umschalter für die Batteriespannung und auf die Erregung des Motors wirkenden und zumindest von der Motordrehzahl, einem Fahr- und einem Bremspedal gesteuerten Regeleloktronik und mit einem hydraulischen Drehmomentwandler.

Mit dem Elektromotor wird ein stufenloses Getriebe - die Erfindung bevorzugt ein solches hydrodynamischer Bauart - gekoppelt* Dn bei hydrodynamischen Wandlern die aufgenommene Leistung etwa der dritten Potenz der Eingangsdrehzahl proportional ist, wird die Versorgungsspannung des Motors durch Parallelschalten zweier Hälften der Antriebsbatterie im Leerlauf und bei sehr geringen Fahrgeschwindigkeiten halbiert, um die Leerlaufverluste gering zu halten und beim Anfahren einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Denn hierdurch kann bei gleichem Nennfluß die Drehzahl des Elektromotors halbiert werden und es geht die vom Wandler aufgenommene Leistung bei der halbierten Drehzahl entsprechend der oben angeführten Beziehung auf ein Achtel zurück.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal besteht bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Teilspannung der halben Batteriespannung entspricht, die Antriebsbatterie aus zwei Hälften mit je einer Diode, welche so geschaltet sind, daß der Pluspol der ersten Batteriehälfte mit der Kathode der zweiten Diode und der Klemme A des Motors, der Minuspol der ersten Batteriehälfte mit der Kathode der ersten Diode und die Anode der ersten Diode mit dem Minuspol der zweiten Batteriehälfte und der Klemme B des Motors verbunden ist und daß der Umschalter zwischen dem Minuspol der ersten und dem Pluspol der zweiten Batteriehälfte liegt*

In Anfahrbereich des erfindungsgemäßen Antriebssystems, etwa vergleichbar mit dem Ankerstellbereich herkömmlicher Antriebssysteme,

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ist der Elektromotor an die Batterie-Teilspannung angeschlossen und - beginnend bei der Leerlaufdrehzahl mit voller Erregung -zum Anfahren des Fahrzeuges durch Verkleinerung der Erregung bis zum Erreichen der Nenndrehzahl antreibbar und die Antriebebatterie ist durch die Regelelektronik beim Erreichen der Nenndrehzahl auf volle Uatterieepannung und der Elektromotor zugleich wieder auf volle Erregung umschaltbar. Das Umschalten auf volle Erregung mit Erhöhung der Datteriespannung hat zur Folge, daß sich ein ruckfreier Übergang der Drehzahl zwischen den beiden Schaltstellungen ergi^bt.

Die weitere Geschwindigkeitserhöhung wird dadurch erreicht, daß der Elektromotor im Fahrbereich von der Nenndrehzahl bis zur Maximaldrehzahl in an sich bekannter Weise bei voller Battcriespannung durch Verkleinerung der Erregung antreibbar ist.

Um einen günstigen Wirkungsgrad zu erhalten, ist vorgesehen, daß das Leitrad des hydraulischen Drehmomcntwandlers in an sich bekannter Weise einen Freilauf besitzt, so daß der Wandler bei ungefähr gleichen An- und Abtriebsdrehzahlen als Kupplung arbeiten kann.

Um auch Nutzbremsungen durchführen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der hydraulische Drehmomentwandler einen weiteren Freilauf zwischen dem Abtrieb und dem Antrieb aufweist, welcher ein Überholen des Antriebes durch den Abtrieb sperrt. Die Nutzbremsung geht so vor sich, daß beim Detätigen des Bremspedals von der Regelelektronik die Erregung so vergrößert wird, daß der Elektromotor, von der Abtriebswelle über den weiteren Freilauf angetrieben, in an sich bekannter Weise als Generator läuft und die hintereinandergeschalteten Datteriehälften auflädt.

Um dem Verkehr angepaßte Bremsvorgänge zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß das Bremspedal mit einer an sich bekannten mechanischen Bremse verbunden ist, welche bei weiterem Durchtreten des

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Bremspedals nach Erreichen der vollen Erregung anspricht.

Die Regelelektronik ist so ausgebildet, daß sie nach Wiedererreichen der vollen Erregung bei Unterschreiten der Nenndrehzahl die Antriebsbatterie wieder auf Teilspannung umschaltet.

Die geringe Wirkungsgradverschlechterung des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen Antriebssystems infolge der Wandlerverluste wird ausgeglichen durch den besseren elektrischen Wirkungsgrad, da einerseits die der Batterie entnommenen Ströme zeitlich konstant sind und nicht wie bei bekannten elektrischen Antriebesystemen der Batteriestrom durch Taktung ständig aus- und eingeschaltet werden muß, wobei dann der Effektivwert des Batteriestromes höher ist als sein arithmetischer Mittelwert und damit auch die Verluste in der Batterie und in den elektrischen Schaltelementen steigen. Außerdem sind in der Verbindung Batterie Elektromotor im Fall des Gleichstrommotors mit Ausnahme des Anfahrbereichs keine verlustbehafteten Schaltelemente notwendig. Andererseits kann die Batteriespannung niedriger als üblich gewählt werden, was bei galvanischen Energiequellen mit einem Ansteigen der auf das Gewicht bezogenen Leistung verbunden ist, da die Anzahl der hintereinandergeschalteten Zellen verringert werden kann. Bei den bekannten elektrischen Antrieben ist eine Spannungsabsenkung wegen der in den Verbindungsleitungen zwischen Batterie und Elektromotor liegenden Schaltelemente (Thyristoren, Induktivitäten usw.) stets mit einer Verschlechterung des Wirkung«· grades verbunden.

Mit der Erfindung ist es deshalb sogar möglich, als Antriebsmotor einen Unipolar-Motor, eine kollektorlos© Gleichstrommaschine einfacher Bauart, die jedoch eine nur sehr geringe Klssamenspannung (meist<10 V) aufweist, zu verwenden» Dies ist für aeuartige galvanische Energiequellen (Hochtenäperaturzellenl von Bedeutung.

Schließlich sei noch erwälbaat, daß schon der 3?reis slleim

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Leistungsthyristors, der für einen solchen bekannten Antrieb erforderlich ist, wesentlich über dem eines entsprechenden hydrodynamischen Wandlers liegt, so daß die Gesamtkosten des erfindungsgemäßen Antriebes - wobei der Preis der ungesteuerten Dioden k und 5 nicht ins Gewicht fällt, zumal sie nur für den halben Motornennstrom ausgelegt sein müssen - erheblich kleiner sind, als die eines vergleichbaren bekannten elektrischen Antriebssystemes für Fahrzeuge.

Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführungsform und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der charakteristischen Großen für einen Zyklus.

Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung zeigt Bild 1. Dabei ist als Elektromotor eine fremderregte Gleichstrommaschine dargestellt, jedoch ist der erfindungsgemäße Gedanke nicht auf diesen Motortyp beschränkt. Die beiden Hälften der Antriebsbatterie sind mit 1 und 2 bezeichnet, und man erkennt, daß bei offenem Schalter 3 die beiden Batteriehälften parallelgeschaltet und durch die Dioden k und 5 gegenseitig entkoppelt sind, um eine gegenseitige Auf- oder Entladung der Batterien untereinander zu unterbinden. Bei geschlossenem Schalter 3 sind die beiden Batteriehälften hintereinandergeschaltet und gleichzeitig ist der Stromdurchgang durch die Dioden gesperrt. Die Energiequelle speist den Elektromotor 6 mit seiner Erregerwicklung 7, die von der Regelungselektronik 8 nach Maßgabe der Stellungen des Fahrpedals 9 oder de» Bremspedals 10 versorgt wird. Der Einfluß weiterer Meßgrößen, wie Drehzahl, Strom und gegebenenfalls Temperatur des Motors auf die Regelungselektronik, entspricht bekannten Anordnungen und ist

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deshalb zur Vereinfachung nicht gezeichnet. Der Elektromotor treibt über seine Welle 11 das Pumpenrad 12 des hydrodynamischen Wandlers, dessen Turbine 13 über die Abtriebswelle ik und das Hintorachsgetriebe 15 mit den Fahrzeugrädern l6 verbunden ist. Der Wandler weist das zur Momentvergrößerung notwendige Leitrad 17 auf, das sich über einen Freilauf l8 am Gehäuse abstützt* Dadurch kann der Wandler bei ungefähr gleichen Antriebe- und Abtriebsdrehzahlen als Kupplung arbeiten. Der weitere Freilauf bewirkt, daß die Abtriebsdrehzahl nicht größer werden kann als die Antriebsdrehzahl, d.h. beim Bremsen des Fahrzeugs oder beim Befahren eines Gefälles, wenn der Elektromotor also als Generator wirkt, ist die Welle tk mit der Motorachse 11 durchgekuppelt, und es wird die gesamte mechanische Bremsleistung direkt dem Elektromotor zugeführt.

Es ergibt sich nun folgender Funktionsablauf. Zum Anlassen wird der Elektromotor 6 bei voll erregter Feldwicklung 7 und geöffnetem Schalter 3 direkt an die halbe Batteriespannung gelegt, da die beiden Batteriehälften parallelgeschaltet sind. Der dabei auftretende kurzzeitige Stromstoß ist normalerweise unbedenklich und kann in kritischen Fällen etwa durch Anlaßdrosseln, die mit den Dioden k. und 5 in Reihe geschaltet sind, weiter verringert werden. Die sich einstellende Leerlaufdrehzahl des Motors ist dann gleich seiner halben Nenndrehzahl. Bei geeigneter Dimensionierung des Wandlers kann erreicht werden, daß die dabei auftretenden LeerlaufVerluste nur unbedeutend sind; in einem ausgeführten Beispiel betrugen sie 6 S der Nennleistung des Elektromotors. Diese Verluste können im übrigen nach bekannten' Methoden (Unstetigkeitsstellen in der Strömung des Wandlers oder Einbau von Drosselscheiben) noch weiter verringert werden, wenn dies notwendig erscheint. Zur Anfahrt wird die von der Wicklung 7 erzeugte Erregung verringert, dadurch erhöht sich die Drehzahl der Motorwelle Il und damit auch das vom Wandler übertragene Moment. Wenn die Drehzahl des Elektromotors den doppelten Wert der Leerlaufdrehzahl überschrit ten hat, wird von der Regelungselektronik 8 automatisch der Schal-

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ter 3 geschlossen und gleichzeitig der Erregerstrom verdoppelt, so daß der Erregerstrom wieder denselben Wert wie im Leerlauf aufweist. Damit ist sichergestellt, daß die Motordrehzahl vor und nach der Umschaltung den gleichen Wert einnimmt und damit ein störender Ruck beim Schließen des Schalters 3 vermieden wird. Mit bekannten Mitteln der Regelungstechnik kann die Regelungselektronik C so ausgestaltet werden, daß eine auch nur vorübergehende Drehzahlerhöhung beim Umschalten vermieden wird, obschon sich der Erregeretrom wegen der Induktivität der Feldwicklung nicht schlagartig ändern kann. Nach der Umschaltung kann nun weiter die Drehzahl und damit die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gesteigert werden, indem die Erregung von ihrem vollen Wert bis zum zulässigen Mindestwert verringert wird. In einem ausgeführten Beispiel ergibt sich hiermit ein Verhältnis des Maximalmoments beim Anfahren zum Minimalmoment bei Höchstgeschwindigkeit von 1:5« ohne dabei den Elektromotor zu überlasten. Wie die Erfahrungen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren gezeigt haben, ermöglicht dieser Wert befriedigende Fahrleistungen.

Bei einer Bremsung, d.h. wenn mechanische Energie von den Fahrzeugrädern auf den Motor übertragen wird, wird einerseits der Freilauf 19 wirksam, der dann die Welle lh mit der Motorachse 11 kuppelt und andererseits wird durch das Betätigen des Bremspedals 10 von der Regelungselektronik 8 die Erregung so vergrößert, daß der Elektromotor als Generator arbeitet und die hintereinandergcschalteten Batteriehälften 1 und 2 auflädt. Diese Nutzbremsung ist allerdings nur bis zur Nenndrehzahl, die der doppelten Leerlaufdrehzahl des Elektromotors entspricht, möglich, da bei geringeren Drehzahlen der Schalter 3 öffnet und wegen der Dioden k und die dann parallelgeschalteten Batterien nicht mehr aufgeladen werden können. Dies bringt jedoch praktisch keinen Nachteil mit sich, da wegen der geringen Drehzahl im unteren Bereich hierdurch nur weniger als 10 ·« der maximal nutzbaren kinetischen Energie des Fahrzeugs ungenutzt bleiben und überdies das Bremspedal 10 bei stärkerem Durchtreten neben der elektrischen Bremse auch die mechanische Fahrzeugbremse betätigt.

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In Oxid 2 ist der zeitliche Verlauf charakteristischer Größen dargestellt, die jeweils auf ihren Nennwert bezogen sind. Beim Anlassen (Bereich 20) ergibt-sich eine kurze (ungefähr 0,1 s) Stromspitze im Ankerstrom i , dabei ist das Feld voll erregt und die Batterien sind parallelgeschaltet (Schalter 3 geöffnet). Die Leerlaufdrehzahl des Motors beträgt η : η = 0,5 (Bereich 2l), η χ Nenndrehzahl des Motors; die Ausgangsdrehzahl des Wandlers wird durch die mechanische Bremse auf 0 gehalten. Zum Anfahren (Bereich 22) wird die Erregung abgesenkt, dadurch kann ein Strom von der Batterie in den Elektromotor fließen, wodurch sich die Motprdrehzahl η vergrößert und über den Wandler auch das Fahrzeug beschleunigt wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist proportional der Wandlerausgangsdrehzahl n₂· Sobald n. : n_ = 1 beträgt, wird die Erregung wieder auf ihren Ausgangswert vergrößert (Bereich 23); dieser Vorgang benötigt wegen der Erregerzeitkonstante ungefähr 0,3 s. Dadurch wird der Ankerstroin zu 0, da sich während dieser kurzen Zeit die Fahrzeuggeschwxndigkeit nicht wesentlich ändern kann. Es kann der Schalter 3 stromlos geschlossen werden (Bereich 2k) und die Erregung wieder von ihrem Nennwert ausgehend verkleinert werden, wodurch eine weitere Beschleunigung des Fahrzeugs ermöglicht wird (Bereich 25). Zum Nutzbremsen wird die Erregung von der Regelelektronik 8 so vergrößert, daß der Motorstrom seine Richtung umkehren kann und die Batterien auflädt (Bereich 26). Der zusätzliche Freilauf im Wandler stellt dabei sicher, daß während des Nutzbremsens stets n„ = η ist. Sobald der Punkt η : n_ » erreicht ist, kann auch mit voller Erregung keine Nutzbremsung mehr erzielt werden; vor dem weiteren Bremsen wird der Schalter stromlos geöffnet (Bereich 27) und mit der mechanischen Bremse das Fahrzeug zum Stillstand gebracht (Bereiche 28,29). Infolge des Wandlers sinkt mit n_ auch die Motordrehzahl η , bis der Wert η : n_ a 0,5 erreicht ist. Beim Unterschreiten dieses Wertes beginnt von der nunmehr parallelgeschalteten Batterie wieder ein Strom zu fließen, um die Leer1aufdrehzahl aufrechtzuerhalten (Bereich 29).

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Claims

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Ansprüche:

il. !Antriebssystem für Elelitrofahrzeugo, gekennzeichnet durcli dio Kombination eines Elektromotors (6) mit einer von einer Teilspannung auf die volle Batteriespannung umschaltbaren Antriebsbatterie (l,2), mit einer auf den Umschalter (3) für die Batteriespannung und auf die Erregung des Motors wirkenden und zumindest von der Motordrehzahl, einem Fahr- und einem Bremspedal (9,10) gesteuerten Regelelektronik (8) und mit einen hydraulischen Drehmomentwandler (l2,l3,l7,lC und 19).

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurcli gekennzeichnet, daß die Antriebsbatterie aus zwei Hälften (l,2) mit je einer Diode (k,5) besteht, welche so geschaltet sind, daß der Pluspol der ersten Batteriehälfte (l) mit der Kathode der zweiten Diode ('») und der Klemme A des Motors (6), der Minuspol der ersten Batteriehälfte (l) mit der Kathode der ersten Diode (5) und die Anode der ersten Diode mit dem Minuspol der zweiten Battoriehälfte (2) und der Klemme B des Motors verbunden ist und daß der Umschalter (3) zwischen dem Minuspol der ersten und dem Pluspol der zweiten Batteriehälfte liegt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (6) an die Batterie-Teilspannung angeschlossen und - beginnend bei der Leerlaufdrehzahl mit voller Erregung - zun Anfahren des Fahrzeuges durch Verkleinerung der Erregung bis zum Erreichen der Nenndrehzahl antreibbar ist und daß die Antriebsbatterie (l,2) durch die Regelelektronik (8) beim Erreichen der Nenndrehzahl auf volle Batteriespannung und der Elektromotor (6) zugleich wieder auf volle Erregung umschaltbar ist.

h. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (6) im Fahrbereich von der Nenndrehzahl bis

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Maximaldrehz.ahl in an sich bekannter Weise bei voller üatteriespannung durch Verkleinerung der Erregung antreibbar

5. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (l7) des hydraulischen ürehinonientwandlers in an sich bekannter Weise exnen Freilauf (l8) besitzt, so daß der Wandler bei ungefähr gleichen An- und Abtriebsdrehzahlen als Kupplung arbeiten kann.

ü. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Drehmomentwandler einen weiteren Freilauf (l9) zwischen dem Abtrieb (l't) und dem Antrieb (ll) aufweist, welcher ein Überholen des , Antriebes durch den Abtrieb sperrt.

7. Antriebssystem nach einem oder mehreren del' vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betätigen des Bremspedals (io) von der Regelelektronik (8) die Erregung so vergrößert wird, daß der Elektromotor (6), von der Abtriebswelle (l4) über den weiteren Freilauf (l9) angetrieben, in an sich bekannter Weise als Generator läuft und die hintereinandergeschalteten Batteriehälften (l,2) auflädt.

8. Antriebssystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Bremspedal (io) mit einer an sich bekannten mechanischen Bremse verbunden ist, welche bei weiterem Durchtreten des Bremspedale nach Erreichen der vollen Erregung anspricht.

9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) so ausgebildet ist, daß sie nach Wieder-Erreichen der vollen Erregung bei Unterschreiten der Nenndrehzahl die Antriebsbatterie (l,2) wieder auf Teilspannung umschaltet .

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