DE2237963B2

DE2237963B2 - Antriebssystem fuer ein batteriegespeistes landfahrzeug

Info

Publication number: DE2237963B2
Application number: DE19722237963
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Bader
Original assignee: Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug Deutsche Automobilgesellschaft mbH, 3000 Hannover
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1976-04-22
Also published as: GB1416636A; JPS5514602B2; IT989991B; JPS4967312A; US3959701A; FR2194586A1; DE2237963C3; FR2194586B1; DE2237963A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug mit einem durch Feldschwächung in seiner Drehzahl regelbaren Elektromotor, mit einer in Abhängigkeit von der Drehzahl und von einem Fahr- und Bremspedal arbeitenden Regelelektronik, die zum Start des Elektromotors bei vollem Erregerstrom und zum anschließenden Anfahren unter stufenloser Feldschwächung eingerichtet ist, und mit einem stufenlosen Getriebe, das zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordnet ist.

Bei den bekannten Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge werden auf Gruiid der Charakteristik der Elektromotoren - wobei es gleichgültig ist, ob es sich um Gleichstrom- oder Drehstrommotoren handelt zwei elektrische Stellmöglichkeiten unterschieden. Bei der einen Stellmöglichkeit werden Stellglieder im Ankerstromkreis verwendet. Vom Stillstand ausgehend bis zu einem von der Spannung der Antriebsbatterie abhängigen sogenannten Typenpunkt, der durch eine bestimmte zugeordnete Geschwindigkeit v_T gekennzeichnet werden kann, wird die am Motor anliegende Spannung gesteuert. Hierzu wird nach bekannten Verfahren im Falle des Gleichstrommotors die im wesentlichen konstante Batteriespannung durch einen Gleichstromsteiler 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.

Mit einer weiteren Stellmöglichkeit kann die Drehzahl des Elektromotors dann nur dadurch weiter erhöht werden, daß der magnetische Hauptfluß gegenüber seinem Nennwert verringert wird. Je nach Bauart des Elektromotors erstreckt sich dieser Feldschwächbereich von einer durch die Batteriespannung gegebenen Grunddrehzahl 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 Momentpulsationen im Motor zu vermeiden, wodurch beträchtliche Ein-und Ausschaltverluste in den Halbleiter-Leistungsschaltern bzw. den zugehörigen Kommutierungseinrichtungen 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.

Es sind deshalb zahlreiche Lösungen bekanntgeworden, die eine erweiterte Anwendbarkeit des Feldschwächbereichs zum Ziel haben, um damit den Betrieb im Ankerstellbereich und den damit verbundenen Aufwand zu verringern.

Aus der britischen Patentschrift 1263067 ist es bekannt, dem elektrisch ausschließlich im Feldschwächbereich betriebenen Motor noch ein konventionelles mechanisches Wechselgetriebe oder ein stufenloses Getriebe nachzuschalten. Bei geeigneter Bemessung des mechanischen Getriebes läßt sich damit ein befriedigendes Fahrverhalten erzielen, jedoch nur mit einem relativ hohen Aufwand für das mechanische Getriebe, um den Anfahrbereich zwischen Stillstand und Erreichen der Grundgeschwindigkeit bei maximaler Erregung des Motors zu überbrücken. Von einem derartigen Antriebssystem geht die Erfindung

Sehr bekannt ist auch die Batterieunterteilung mit dem Ziel, eine Teilspannung abzugreifen (GB-PS 1074443) oder eine Reihen-Parallel-Umschaltung der Batterieteile unter Verwendung von Dioden vorzunehmen (DT-OS 1438830 und DT-OS 1763 640)' wobei innerhalb der dadurch entstehenden Spannungsstufen eine kontinuierliche Diehzahlregelung durch Feldschwächung vorgenommen

Wenngleich mit dieser Maßnahme gegenüber dem

ursprünglichen Feldschwächgebiet, das bei Speisung ohne Batterieunterteilung verfügbar war, der durch Feldschwächung steuerbare Drehzahlbereich stark erweitert ist, so haften dieser Lösung doch im wesentlichen zwei Nachteile an. Einmal ist das Erreichen der Kleinsten einstellbaren Geschwindigkeit, die sich bei voller Erregung und niedrigster Battwrieteilspannung ergibt, aus dem Stillstand heraus wegen der starren mechanischen Verbindung zwischen elektrischem Antriebsmotor und den Fahrzeugrädern immer mit einem störenden Ruck verbunden. Zum anderen wird auch beim Anschluß an Batterieteilspannung das Feldschwächgebiet in größtmöglichem Umfang Mit dem Elektromotor wird ein hydrodynamischer Wandler gekoppelt. Da 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 Leerlaufveriuste gering zu halten und beim Anfahren einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.

ίο 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.

Der stufenlose Drehmomentwandler, der zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordnet ist, ermöglicht einen ruckfreien Anfahrvorgang des Fahrzeugs aus dem Stillstand. Denn auch bei einer Verkleinerung der Batteriespannung durch Umschal-

tung auf Teilspannung kann, wenn man nicht zum Motor Widerstände in Reihe schaltet, was zusätzliche Verluste mit sich bringt, die Motordrehzahl eine untere Grenze, die durch die Größe der Teilspannung

bei maximaler Erregung bestimmt ist, nicht unterdurchfahren, wobei sich aber dann nicht vermeiden 25 schreiten,
läßt, daß die Umschaltung selbst einen kurzzeitiget. Die dann bei Anfahrt des Fahrzeugs aus dem Still-

kurzschlußartigen Ausgleichsvorgang im Ankerstrom der Maschine hervorruft, der sich als störender Momentenruck bemerkbar macht.

Deshalb ist in den Fällen der DT-OS 1438830 und DT-OS 1763 640 ein Widerstand vorgesehen, um den auftretenden Ausgleichsvorgang im Ankerstrom auf ein erträgliches Maß herabzusetzen. Dieser Widerstand, der dann in einer weiteren Fahrstufe wieder stand auftretende Drehzahldifferenz zwischen der Motordrehzahl und der Drehzahl der Antriebsachse der Fahrzeugräder kann jedoch von einem hydrodynamischen Drehmomentwandler aufgenommen werden, wobei sich vorteilhafterweise eine Drehmomentenvergrößerung durch den Wandler ergibt.

Wegen der meist beschränkt zur Verfügung stehenden Antriebsenergie ist man bei Elektrofahrzeugen

überbrückt wird, bedingt zusätzliche Schaltmitlel zu 35 darauf bedacht, auch die Nutzbremsung mit möglichst

seiner Überbrückung und zusätzliche Verluste. gutem Wirkungsgrad durchführen zu können. Dies ist

Ausgehend von dem Antriebssystem nach der aber bei einem Drehmomentwandler der beschriebe-

GB-PS 1263 067 liegt der Erfindung die Aufgabe zu- nen Bauart von vornherein nicht erfüllt. Andererseits

gründe, unter Verwendung der bekannten Erweite- kommen die für den Fahrbetrieb vorteilhaften Eigen-

rung des elektrisch ansteuerbaren Geschwindigke.its- 40 schäften des Wandlers beim Nutzbremsen nicht

bereichs durch Reihen-Parallelschaltung von Teilbatterien den Aufwand für das stufenlose Getriebe zu vermindern und für einen stoßfreien Übergang zwischen den elektrischen Betriebsbereichen bei Fahren und Bremset! zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Umschaltung von zwei je mit einer Diode in Reihe geschalteten Teilbatterien von Parallel- auf Reihenschaltung ein von der Regelelektronik betätig-

Wirkung. Da sich beim Nutzbremsen gegenüber dem Fahrbetrieb bei gleichbleibender Drehrichtung nur die Richtung des übertragenen Moments ändert, ist es mit einem zusätzlichen Freilauf möglich, den Wandler beim Nutzbremsen selbsttätig durchzukuppeln, ohne daß es hierzu eines Regeleingriffs von außen bedarf.

Dies geschieht durch eine derartige Ausbildung der Regelelektronik, daß beim Betät-gen des Bremspedals

barer Schalter vorgesehen ist, daß die Rcgelelektronik 50 die Erregung so vergrößert wird, daß der Elektromoso aufgebaut ist, daß der Elektromotor zunächst bei tor, von der Antriebswelle über den Freilauf angetrie-

~ ben, als Generator läuft und die auf volle Batterie

spannung geschaltete Batterie auflädt.

Um dem Verkehr angepaßte Bremsvorgänge zu ereinen solchen Wert gesteigert wird, daß die anschlie- 55 möglichen, ist vorgesehen, daß das Bremspedal mit

mechanischen Bremse verbunden ist, welche

Batterieteilspannung bei vollem Erregerstrom gestartet und unter Feldschwächung angefahren wird, daß bei Erreichen der Nenndrehzahl der Erregerstrom auf

ßende automatische Umschaltung auf Reihenschaltung der Teübatterien stromlos erfolgt, daß anschließend unter nochmaliger stufenloser Feldschwächung bis zur Höchstdrehzahl beschleunigt wird und daß als stufenloses Getriebe ein hydrodynamischer Drehmomentwandler mit einem Freilauf, der ein Überholen des Antriebs durch den Abtrieb bei Nutzbremsung sperrt, vorgesehen ist.

Die stromlose Umschaltung ist durch die in Reihe mit den Batterieteilen geschalteten Dioden erleichtert, da während des Umschaltvorgangs bei Erhöhung der Erregung und parallelgeschalteten Batterieteilen kein Rückstrom fließen kann.

einer

beim weiteren Betätigen des Bremspedals nach Erreichen der vollen Erregung anspricht.

Die Regelelektronik ist so auszubilden, daß sie nach Wiedererreichen der vollen Erregung bei Unterschreiten der Nenndrehzahl die Batterie wieder auf Batterieteilspannung umschaltet, um beim Abbremsen bis Stillstand die Motordrehzahl bis auf den niedrigstmöglichen Wert abzusenken.

Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführungsform und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der charakteristischen

Größen für einen Zyklus.

Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung zeigt Bild 1. Dabei ist als Elektromotor (6) eine fremderregte Gleichstrommaschine dargestellt. Die beiden Hälften der Antriebsbatterie sind mit 1 und 2 bezeichnet, und man erkennt, daß bei offenem Schalter 3 die beiden Batteriehälften parallel geschaltet und durch Dioden 4 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 einer Regelelektronik 8 nach Maßgabe der Stellungen eines Fahrpedals 9 oder eines Bremspedals 10 versorgt wird. Der Einfluß weiterer Meßgrößen, wie Drehzahl, Strom und gegebenenfalls Temperatur des Motors auf die Regelelektronik, entspricht bekannten Anordnungen und ist deshalb zur Vereinfachung nicht gezeichnet. Der Elektromotor treibt über seine Welle 11 das Pumpenrad 12 eines hydrodynamischen Wandlers, dessen Turbine 13 über die Abtriebswelle 14 und ein Hinterachsgetriebe 15 mit Fahrzeugrädern 16 verbunden ist. Der Wandler weist das zur Momentvergrößerung notwendige Leitrad 17 auf, das sich über einen Freilauf

18 am Gehäuse abstützt. Dadurch kann der Wandler bei ungefähr gleichen Antriebs- und Abtriebsdrehzahlen als Kupplung arbeiten. Ein weiterer Freilauf

19 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 14 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 Erregerwicklung 7 und geöffnetem Schalter 3 direkt an die halbe Batteriespannung gelegt, da die beiden Batteriehälften parallel geschaltet sind. Der dabei auftretende kurzzeitige Stromstoß ist normalerweise unbedenklich und kann in kritischen Fälien etwa durch Anlaßdrosseln, die mit den Dioden 4 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 Leer.aufverluste nur unbedeutend sind; in einem ausgeführten Beispiel betrugen sie o% der Nennleistung des Elektromotors. Diese Verluste können im übrigen nach bekannten Methoden (Unstetigkeitsstellcn in der Strömung des Wandlers oder Einbau von Drossclscheiben) noch weiter verringert werden, wenn dies notwendig erscheint. Zur Anfahrt wird die von der Erregerwicklung 7 erzeugte Erregung verringert, dadurch erhöht sich die Drehzahl der Motorwellc 11 und damit auch das vom Wandler übertragene Moment. Wenn die Drehzahl des Elektromotors den doppelten Wert der Leerlaufdrehzahl überschritten hat. wird von der Rcgclclektronik 8 automatisch der Schalter 3 geschlossen und gleichzeitig der Erregerstrom verdoppelt, so daß der Erregerstrom wieder denselben Wcrl wie im Leerlauf aufweist. Damit ist sichergestellt, daß die Motordrehzahl vor und nach der Umschaltung den eleichcn Wcrl einnimmt und damit ein störender Ruck beim Schließen des Schalters 3 vermieden wird. Mit bekannten Mitteln der Regelungstechnik kann die Regelclektronik 8 so ausgestaltet werden, daß eine auch nur vorübergehende Drehzahlerhöhung beim Umschalten vermieden wird, obschon sich der Erregerstrom 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

ίο 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 i4 mit der Motorachse 11 kuppelt, und andererseits wird durch das Betätigen des Bremspedals 10 von der Regelelektronik 8 die Erregung so vergrößert, daß der Elektromotor als Generator arbeitet und die hintereinandergeschalteten 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 4 und 5 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.

In Bild 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 i₀, dabei ist das Feld voll erregt und die Batterien sind parallel geschaltet (Schalter 3 geöffnet). Das Verhältnis der Leerlaufdrehzahl des Motors zu seiner Nenndrehzahl beträgt /!,:/!„ = 0.5 (Bereich 21): die Ausgangsdrehzahl /I₃ des Wandlers wire durch die mechanische Bremse auf 0 gehalten. Zum Anfahren (Bereich 22) wird der Erregerstrom 1, abgesenkt, dadurch kann ein Strom von der Batterie ir den Elektromotor fließen, wodurch sich die Motordrehzahl /i, vergrößert und über den Wandler auch das Fahrzeug beschleunigt wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist proportional der Wandlerausgangs drehzahl /i_:. Sobald n,: n„ = 1 beträgt, wird die Erre gung wieder auf ihren Ausgangswert vergrößer (Bereich 23); dieser Vorgang benötigt wegen der Er regcrzeitkonstante ungefähr 0,3 s. Dadurch wird de Ankerstrom zu 0. da sich während dieser kurzen Zei die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht wesentlich ändcn kann. Es k.-nn der Schalter 3 stromlos geschlossci werden (Bereich 24) und die Erregung wieder voi ihrem Nennwert ausgehend verkleinert werden, wo

S₅ durch eine weitere Beschleunigung des Fahrzeugs er möglicht wird (Hereich 25). Zum Nutzbremsen win die Erregung von der Rcgclelcktronik 8 so vergrößer! daß der Motnrsirom seine Richtung umkehren kam

und die Batterien auflädt (Bereich 26). Der zusätzliche Freilauf im Wandler stellt dabei sicher, daß während es Nutzbremsens stets «, = n, ist. Sobald der Punkt /ι,: /i₍, = 1 erreicht ist, kann auch mit voller Erregung keine Nutzbremsung mehr erzielt werden; vor dem weiteren Bremsen wird der Schalter 3 stromlos geöffnet (Bereich 27) und mit der mechanischen

Bremse das Fahrzeug zum Stillstand gebracht reiche 28. 29). Infolge des Wandlers sinkt mit ndie Motordrehzahl H₁. bis der Wert «,:«„=() reicht ist. Beim Unterschreiten dieses Wertes bi von der nunmehr parallelgcschalteten Batterie ν ein Strom zu fließen, um die Leerlaufdrehzah rcchtzuerhalten (Bereich 29).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug mit einem durch Feldschwächung in seiner Drehzahl regelbaren Elektromotor, mit einer in Abhängigkeit von der Drehzahl und von einem Fahr- und Bremspedal arbeitenden Regelelektronik, die zum Start des Elektromotors bei vollem Erregerstrom und zum anschließenden Anfahren unter stufenloser Feldschwächung eingerichtet ist, und mit einem stufenlosen Getriebe, das zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung von zwei je mit einer Diode (4,5) in Reihe geschalteten Teilbatterien (1, 2) von Parallel- auf Reihenschaltung ein von der Regelelektronik (8) betätigbarer Schalter (3) vorgesehen ist, daß die Regelelektronik (8) so aufgebaut ist, daß der Elektromotor (6) zunächst bei Batterieteilspannung bei vollem Erregerstrom gestartet und unter Feldschwächung angefahren wird, daß bei Erreichen der Nenndrehzahl der Erregerstrom auf einen solchen Wert gesteigert wird, daß die anschließende automatische Umschaltung auf Reihenschaltung der Teilbatterien stromlos erfolgt, daß anschließend unter nochmaliger stufenloser Feldschwächung bis zur Höchstdrehzahl beschleunigt wird und daß als stufenloses Getriebe ein hydrodynamischer Drehmomentwandler (12, 13,17,18) mit einem Freilauf (19), der ein Überholen des Antriebs durch den Abtrieb bei Nutzbremsung sperrt, vorgesehen ist.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Regelelektronik (8), daß beim Betätigen des Bremspedals (10) die Erregung so vergrößert wird, daß der Elektromotor (6), von der Antriebswelle (14) über den Freilauf (19) angetrieben, als Generator läuft und die auf volle Batteriespannung geschaltete Batterie (1, 2) auflädt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremspedal (10) mit einer mechanischen Bremse verbunden ist, welche beim weiteren Betätigen des Bremspedals (10) nach Erreichen der vollen Erregung anspricht.

4. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) so ausgebildet ist, daß sie nach Wiedererreichen der vollen Erregung bei Unterschreiten der Nenndrehzahl die Batterie (1, 2) wieder auf Batterieteilspannung umschaltet.