DE2400756B2 - Antriebssystem fuer ein batteriegespeistes landfahrzeug - Google Patents

Description

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, mit einem Widerstand im Ankerstromkreis und mit einer zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordneten Kupplung.

Bei den bekannten Antriebssystemen für Elektrofahr- ^₀ zeuge werden aufgrund der Charakteristik die Elektromotoren — wobei es gleichgültig ist, ob es sich um Gleichstrom- oder Drehstrommotoren handelt — zwei elektrische Stellmöglichkeiten unterschieden. Bei der einen Stellmöglichkeit werden Stellglieder im Anker-Stromkreis verwendet. Vom Stillstand ausgehend bis zu einem von der Spannung der Antriebsbatterie abhängigen Typenpunkt, gekennzeichnet durch die Nenndrehzahl wird die am Motor anliegende Spannung gesteuert. Hierzu wird nach bekannten Verfahren im Falle des Gleichstrommotors die im wesentlichen konstante BatteriespannuDg 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.

Mit einer weiteren Stellmöglichkeit kann die Drehzahl des Elektromotors 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 3- bis 5fachen Nenndrehzahl entsprechen. Die so erreichbare Maximaldrehzahl des Elektromotors ist der vom Fahrzeug erreichbaren Spitzengeschwindigkeit proportional.

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 Aufichaltverluste in den Halbleiter-Leistungsschaltern bzw. den zugehörigen Kommutierungseinrichtungen entstehen. Andererseits sind die hierzu notwendigen Halbleiterbauelemente, 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 Feldschwächgebiet hingegen wird im Falle 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 zahlreiche Lösungen bekannt, die eine erweiterte Anwendbarkeit des Feldschwächbereiches zum Ziel haben, um damit den Betrieb im Ankerstellbereich und den damit verbundenen Aufwand zu verringern.

Aus der GB-PS 12 63 067 und der US-PS 36 28 621 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 dem relativ hohen Aufwand für das mechanische Getriebe, um den Anfahrbereich zwischen Stillstand und Erreichen der Grundgeschwindigkeit bei maximaler Erregung des Motors zu überbrücken. Außerdem muß beim Wechseln der Gänge des mechanischen Getriebes die kraftschlüssige Verbindung zwischen Motor und Antriebsrädern durch Lösen der mechanischen Kupplung unterbrochen werden, wobei die Kupplung durch einen vom Fahrer ausgelösten Eingriff getrennt wird.

Bekannt ist auch, die Batterieunterteilung durch Reihen-Parallelumschaltung der Batterieteile unter Verwendung von Dioden vorzunehmen (DT-OS 14 38 830 und DT-OS 17 63 640), wobei innerhalb der dadurch entstehenden Spannungsstufen eine kontinuierliche Drehzahlregelung durch Feldschwächung vor-

genommen wird.

Wenngleich mit dieser Maßnahme gegenüber dem ursprünglichen Feldschwächgebiet das hei Speisung ohne Batierieunterteilung verfügbar war. der durch Feldschwächung steuerbare DrehzaWbexeicb 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 Batterieteilspannung ergibt aus dem Stillstand heraus wegen der in den genannten Patentschriften vorgesehenen starren mechanischen Verbindung zwischen elektrischem Antriebsmotor und den Fahrzeugrädern immer mit einem störenden Ruck verbundea Zum anderen wird auch beim Anschluß an Batterieteilspannung das Feldschwächgebiet in größtmöglichem Umfang durchfahren, wobei sich dann aber nicht vermeiden läßt daß die Umschaltung selbst einen kurzzeitigen kurzschlußartigen Ausgleichsvorgang im Ankerstron» der Maschine hervorruft, der sich als störender Momentenruck bemerkbar macht.

In der DT-OS 14 38 830 und DT-OS 17 63 640 ist deshalb ein Widerstand vorgesehen, um den bei der Batterieumschaltung auftretenden Ausgleichsvorgang im Ankei strom auf ein erträgliches Maß herabzusetzen. Dieser Widerstand, der dann in einer weiteren Fahrstufe wieder überbrückt wird, bedingt zusätzliche Schaltmittel zu seiner Überbrückung und zusätzliche Verluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung der bekannten Erweiterung des eleKtrisch ansteuerbaren Geschwindigkeitsbereichs durch Reihen-Parallelschaltung von Teilbatterien und durch Einschalten eines Widerstandes im Ankerstromkreis den Aufwand für das stufenlose Getriebe zu vermindern und für einen stoßfreien Übergang zwischen den elektrisehen Betriebsbereichen bei Fahren und Bremsen zu sorgen und somit ein technisch einfacheres und kostenmäßig günstigeres Antriebssystem zu schaffen, welches die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß unter Verwendung einer nicht schaltbaren hydrodynamischen Kupplung der gesamte Drehzahlstellbereich des Elektromotors in drei Bereichen mit Hilfe der in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl, einem Fahr- und einem Bremspedal arbeitenden Regelelektronik kontinuierlich durchlaufen wird, daß der erste Bereich bei Parallelschaltung von zwei je mit einer Diode in Reihe geschalteten Teilbatterien und eingeschaltetem Widerstand im Ankerstromkreis von der niedrigsten Betriebsdrehzahl des Elektromotors, bei Stillstand des Fahrzeugs mit Erregernennstrom, über Feldschwächung bis zur halben Nenndrehzahl reicht, daß die Regelelektronik bei Erreichen der halber. Nenndrehzahl die Erregung des Elektromotors so vergrößert, daß der Widerstand im Ankerstromkreis stromlos überbrückbar ist, daß der zweite Bereich bei parallelgeschalteten Teilbatterien und überbrücktem Widerstand im Ankerstromkreis von der halben Nenndrehzahl über Feldschwächung bis zur Nenndrehzahl reicht, daß die &, Regelelektronik bei Erreichen der Nenndrehzahl die Erregung des Elektromotors so vergrößert, daß der anschließende Umschaltvorgang auf Reihenschaltung der Teilbatterien stromlos erfolgt und daß der dritte Bereich bei Reihenschaltung der Teilbatterien und überbrücktem Widerstand im Ankerstromkreis von der Nenndrehzahl über Feldschwächung bis zur zulässigen Höchstdrehzahl reicht.

Der im ersten Bereich in den Ankerstromkreis geschaltete Widerstand begrenzt beim Anschalten des Elektromotors den dabei auftretenden kurzzeitigen Stromstoß auf Werte, die etwa dem Nennstron> des Elektromotors entsprechen. Da der Elektromotor im Stillstand des Fahrzeuges über diesen Widerstand an Batterieteilspannung, bei einem Ausführungsbeispiel an halber Batteriespannung, liegt ist dessen Leerlaufdrehzahl welche vorzugsweise zwischen 20 und 40% der Nenndrehzahl beträgt sehr niedrig. Entsprechend niedrig sind die dabei auftretenden Leerlaufverlust«, bei geeigneter Dimensionierung der Kupplung nur etwa 5 bis 8% der Nennleistung des Elektromotors.

Gegenüber bekannten Antriebssystemen weist die erfindungsgemäße Lösung einen besseren elektrischen Wirkungsgrad auf, da die der Batterie entnommenen Ströme zeitlich konstant sind und nicht der Batteriestrom durch Taktung ständig aus- und eingeschaltet werden muß. wobei 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 bei der erfindungsgemäßen Lösung in der Verbindung Batterie—Elektromotor mit Ausnahme des Widerstandes im ersten Bereich und den gegebenenfalls vorgesehenen Dioden bei Schaltung auf Batterieteilspannung im zweiten Bereich keine verlustbchafteten Schaltelemente notwendig. Ein weiterer Vorteil ist daß die Batteriespannung niedriger als üblich gewählt werden kann, was bei galvanischen Energiequellen mit einem Ansteigen der auf das Gewicht bezogenen Energie verbunden ist da die Anzahl der hintereinandergeschalteten Zellen verringert werden kann. Bei den bekannten elektrischen Antrieben ist eine Spannungsabsenkung wegen der in den Vcrbindungsleitungen zwischen Batterie und Elektromotor liegenden Schaltelemente (Thyristoren, Induktivitäten usw.) stets mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrades verbunden. Mit der Erfindung ist es deshalb auch möglich, als Antriebsmotor einen Unipolarmotor, eine kollektorlose Gleichstrommaschine einfacher Bauart die jedoch eine nur seht geringe Klemmenspannung (meist unter IO Volt) aufweist zu verwenden. Dies ist für neuartige galvanische Energiequellen, z. B. Hochtemperaturzeilen, von Bedeutung.

Da eine hydrodynamische Kupplung wesentlich preiswerter ist als ein einziger der bei bekannten Antrieben erforderlichen Leistungsthyristoren, sind die Gesamtkosten eines erfindungsgemäßen Antriebes erheblich geringer als die eines vergleichbaren bekannten Antriebes.

In der noch nicht zum Stand der Technik gehörenden deutschen Patentanmeldung P 22 37 963.1 wurde ein Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug vorgeschlagen, bei dem anstelle der zum Anfahren notwendigen aufwendigen Schaltmittel der bisher verwendeten Anordnung die Kombination einer umschaltbaren Antriebsbatterie mit einer entsprechend gesteuerten Regeleiektronik und einem hydrodynamischen Drehmomentwandler verwendet wird. Durch diese Anordnung wird ein für den Fahrzeugbetrieb ausreichender, durch Feldschwächung regelbarer Drehzahlbereich ermöglicht.

Diesem Antriebssystem haftet jedoch der Nachteil an, daß zum Rückwärtsfahren ein entsprechendes Schaltgetriebe benötigt wird, da die vom hydraulischen Wandler übertragenen Momente bei Drehrichtungsumkehr wegen des üblicherweise unsymmetrischen Aufbaus nur

sehr klein sind. Ein weiterer Nachteil ist, daß zur Verbesserung des Wandlerwirkungsgradcs bei Nutzbremsung ein zusätzlicher Freilauf, der ein Überholen des Antriebs durch den Abtrieb sperrt, benötigt wird.

Eine hydrodynamische Kupplung, die meist in völlig geschlossener Form ausgeführt werden kann, weist einen einfacheren Aufbau auf als ein bei dem vorgeschlagenen Antriebssystem verwendeter hydrodynamischer Wandler, der zum Betrieb zumeist noch einen eigenen ölkreislauf mit entsprechender Pumpe benötigt. Deshalb sind die Kosten für eine solche Kupplung auch geringer als für einen entsprechenden Wandler.

Bei Nutzbremsungen wird durch Betätigen des Bremspedals von der Regelelektronik die Erregung so vergrößert, daß der Elektromotor, von der Antriebswelle über die hydrodynamische Kupplung angetrieben, in an sich bekannter Weise als Generator läuft und die Batterie 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 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.

Zur Rückwärtsfahrt muß in bekannter Weise im Falle der Gleichstrommaschine nur die Erregerwicklung umgepolt werden (bei einer Drehstrommaschine muß zur Rückwärtsfahrt die Phasenfolge vertauscht werden), da der symmetrische Aufbau einer hydrodynamischen Kupplung gleichermaßen einen Betrieb in beiden Drehrichtungen zuläßt.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 das elektrische Schaltbild und den mechanischen Antrieb und

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der charakteristischen Größen für einen Zyklus.

In Fig. 1 ist der verwendete Elektromotor 6 als fremderregte Gleichstrommaschine dargestellt. Die beiden Hälften 1, 2 einer Antriebsbatterie sind durch Dioden 4 und 5 gegenseitig entkoppelt, um eine gegenseitige Auf- und Entladung der beiden Hälften untereinander zu unterbinden. Ein im Ankerstromkreis des Elektromotors 6 liegender Hauptschalter 17 ist durch die Reihenschaltung eines Vorwiderstandes 19 und eines Schalters 18 überbrückt Die beiden Hälften 1, 2 der Antriebsbatterie, welche durch einen Schaher 3 in Reihe oder parallel schaltbar sind, speisen direkt oder aber den Vorwiderstand 19 den Elektromotor 6 und aber eine Regelelektronik 8 abhängig von der Stellung eines Fahrpedals 9 und eines Bremspedals 10 die Erregerwicklung 7 des Elektromotors 6. Auch die Schalter 3,17 und 18 werden von der Regelelektronik 8 betätigt Der Elektromotor 6 treibt Ober seine Welle 11 das Pumpenrad 12 einer hydrodynamischen Kupplung, deren Turbine 13 über eine Antriebswelle 14 und ein Hinterachsgetriebe 15 mit den Fahrzeugrädern 16 verbunden ist

Die in der folgenden Beschreibung angegebenen Drehzahlen sind wie folgt definiert:

«ο: Nenndrehzahl der Motorwelle bei voller Batteriespannung und Erregernennstrom,

flö/2: Halbe Nenndrehzahl der Molorwellc bei halber Battcricspannung und Erregcrncnnstroni,

m.: Lcerlaufdrehzahl der Motorwclle bei halber Batteriespannung. Erregernennstrom und Widerstand 19 im Ankerstromkreis,

πι: Drehzahl der Motorwelle 11,

«max: Maximale Drehzahl der Motorwclle bei voller Batteriespannung, ohne Widerstand 19 im Ankerstromkreis bei geringster zulässiger Erregung und ίο Π2-. Drehzahl der Antriebswelle 14.

In Fig.2 sind für einen Fahrzyklus die Verläufe des Ankerstromes, des Erregerstromes und der Drehzahlen von Motorwelle und Antriebswelle über der Zeit, jeweils bezogen auf ihren Nennwert, dargestellt.

Anhand der beiden Figuren ergibt sich folgender Funktionsablauf für einen Fahrzyklus:

Zum Anlassen wird der Elektromotor 6 bei voll erregter Feldwicklung 7 und geöffneten Schaltern 3 und 17 über den Schalter 18 und Vorwiderstand 19 an die halbe Balteriespannung gelegt, da die beiden Batteriehälften parallel geschaltet sind. Der Vorwiderstand 19 begrenzt den dabei auftretenden kurzzeitigen Stromstoß des Ankerstromes auf einen etwa dem Nennstrom des Elektromotors entsprechenden Wert, siehe Bereich 20 in Fig.2. Danach stellt sich die von der Größe des Vorwiderstandes 19 abhängige, bei etwa 20% der Nenndrehzahl /7o des Motors liegende Leerlaufdrehzahl

. m ein, siehe Bereich 21. Zum Anfahren wird durch Betätigen des Fahrpedals 9 von der Regelelektronik 8 die in der Erregerwicklung 7 erzeugte Erregung verringert, wodurch sich die Drehzahl /Ji der Motorwelle 11 und damit auch das von der Kupplung übertragene Moment und die Drehzahl /72 der Antriebswelle 14 erhöhen, siehe Bereich 22. Wenn die Drehzahl m die halbe Nenndrehzahl /?o/2 erreicht hat, wird von der Regelelektronik 8 automatisch die Erregung wieder auf ihren Nennwert vergrößert Bereich 23, wodurch der Ankerstrom zu 0 wird. Daraufhin wird von der Regelelektronik 8 automatisch der Hauptschalter 17 geschlossen und damit der Vorwiderstand 19 überbrückt Da das Produkt von Erregerstrom und Drehzahl vor und nach dem Schließen des Hauptschalters 17 gleich groß ist wird ein störender Ruck beim Schließen des Hauptschalters vermieden. Bereich 24. Zur weiteren Geschwindigkeitssteigerung wird die Erregung wieder verkleinert bis die Drehzahl m des Elektromotors die Nenndrehzahl H₀ erreicht. Bereich 25. Daraufhin wird von der Regelelektronik 8 die Erregung abermals auf ihren Nennwert vergrößert wodurch der Ankerstrom wieder zu 0 wird. Bereich 26. Anschließend wird von der Regelelektronik automatisch der Schalter 3 stromlos geschlossen. Bereich 27, und dadurch die Batteriespannung auf ihren Nennwert erhöht Damit ist sicherge- stellt daß die Motordrehzahl n% vor und nach dem Schließen des Schalters 3 gleich bleibt und somit ein störender Ruck vermieden wird. Nach dem Umschalter) kann nun weiter die Drehzahl tt\ und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges bis zu ihrem Höchsten wert gesteigert werden, indem die Erregung von ihrem Nennwert bis zum zulässigen Mindestwert verringert wird. Bereich 28. Zum Nutzbremsen wird bei Betätiger des Bremspedals 10 von der Regelelektronik 8 die Erregung so vergrößert daß der Ankerstrom seine Richtung umkehren und die nach wie vor in Reihe geschalteten Batteriehälften 1,2 aufladen kann. Berek! 29. Sobald die Motordrehzahl n_x wieder auf die Nenndrehzahi H₀ gesunken ist kann auch mit vollei

Erregung wegen des mil den Battcriehiilllen in Reihe geschalteten Dioden keine Nutzbremsung mehr er/iell werden. Deshalb wird vor dem weiteren Bremsen von der Regclelektronik Schalter 3 stromlos geöffnet. Bereich 30. und anschließend mit der mechanischen Bremse das Fahrzeug zum Stillstand gebracht. Bereich 31. Mit der Drehzahl n₂ der Antriebswelle sinkt infolge der Kupplung auch die Motordrehzahl /j|, bis die halbe

Nenndrehzahl n_al2 unterschritten wii Augcnbiick wird von der Rcgelclektr Sehalter 17 geöffnet und dadurch der W den Ankerstromkreis geschaltet. Gleicl von den parallelgeschaltcten Ballcrichäl Ankerstrom zu fließen, um die l.ccrl; aufrechtzuerhalten. Bereich 31 und 32.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch: »^

   Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfohrzeug mit einem durch Feldschwächung in seiner s Drehzahl regelbaren Elektromotor, ηώ 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, mit einem Widerstand im Ankerstromkreis und mit einer zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordneten Kupplung, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer nicht schiitbaren hydrodynamischen Kupplung der gesamte Drehzahlstellbereich des Elektromotors (6) in drei Bereichen mit Hilfe der in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl, einem Fahr- und einem Bremspedal (9, 10) arbeitenden Regelelektronik (8) kontinuierlich durchlaufen wird, daß der erste Bereich bei Parallelschaltung von zwei je mit einer Diode in Reihe geschalteten Teilbatterien (1,2) und eingeschaltetem Widerstand (19) im Ankerstromkreis von der niedrigsten Betriebsdrehzahl des Elektromotors, bei Stillstand des Fahrzeugs mit Erregernennstrom, über Feldschwächung bis zur halben Nenndrehzahl reicht, daß die Regelelektronik bei Erreichen der halben Nenndrehzahl die Erregung des Elektromotors so vergrößert, daß der Widerstand im Ankerstromkreis stromlos überbrückbar ist daß der zweite Bereich bei parallelgeschalteten Teilbatterien und überbrücktem Widerstand (19) im Ankerstromkreis von der halben Nenndrehzahl über Feldschwächung bis zur Nenndrehzahl reicht, daß die Regelelektronik bei Erreichen der Nenndrehzahl die Erregung des Elektromotors so vergrößert, daß der anschließende Umschaltvorgang auf Reihenschaltung der Teilbatterien stromlos erfolgt und daß der dritte Bereich bei Reihenschaltung der Teilbatterien und überbrücktem Widerstand (19) im Ankerstromkreis von der Nenndrehzahl über Feldschwächung bis zur zulässigen Höchstdrehzahl reicht.

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