DE2400756C3 - Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug - Google Patents

Description

genommen wird.

Wenngleich mit dieser Maßnahme gegenüber dem ursprünglichen Feldschwächgebiet. das bei Speisung ohne Batterieunterteilung verfügbar war. der durch Feldschwächung steuerbare Drehzahlbereich stark s erweitert ist. so haften dieser Losung doch im wesentlichen zwei Nachteile an. Einmal ist das Erreichen der kleinsten einstellbaren Geschwindigkeit, die sich bei voller Erregung und niedrigster Batterietcilspannung 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 verbunden. 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 Ankerstrom oor 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 Ankerstrom auf ein erträgliches Maß herabzusehen. Dieser Widerstand, der dann in einer weiteren Fahrstufe wieder überbrückt wird, bedingt zusätzliche Schallmittel /u 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 halben Nenndrehzahl die Erregung des Elektromotors so vergrößert, daß der Widerstand im Ankerstromkreis stromlos überbrückbar ist. daß der zweite Bereich bei parallelgeschalteten Teilbatterien und überbrückten! Widerstand im Ankerstromkreis von der halben Nenndrehzahl üb^r 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 überbrückten! Widerstand im Ankerstromkreis von der Nenndrehzahl über Feldschwächung bis zur zulässigen Höchstdrehzahl reicht.

Der im ersten Bei eich in den Ankerstromkreis geschaltete Widerstand begrenzt beim Anschalten des Elektromotors den dabei auftretenden kurzzeitigen Stromstoß auf Werte, die etwa dem Nennstrom 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 Leerlaufverluste, 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 verlustbehafteten 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 hintereinandergeschaheten 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 Wirkungsgrades verbunden.

Mit der Erfindung ist es deshalb auch möglich, als Antriebsmotor einen Unipolarmotor, eine kollektorlose Gleichstrommaschine einfacher Bauart, die jedoch eine nur sehr geringe Klemmenspannung (meist unter 10 Volt) aufweist, zu verwenden. Dies ist für neuartige galvanische Energiequellen, z. B. Hochtemperaturzellen, 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 oer bisher verwendeten Anordnung die Kombination einer umschaltbaren Antriebsbatterie mit einer entsprechend gesteuerten Regelelektronik 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 Wandlcrwirkungsgrades 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 εη 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

Fig. 1 das elektrische Schaltbild und den mechanischen Antrieb und

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

In F i g. 1 ist der verwendete Elektromotor 6 als fremderregte Gleichstrommaschine dargestellt. Die beiden Hälften !, 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 Schalter 3 in Reihe oder parallel schaltbar sind, speisen direkt oder Ober den Vorwiderstand 19 den Elektromotor 6 und über 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 über seine Welle Il das Pumpenrad 12 einer hydrodynamischen Kupplung, deren Turbine 13 über eine Antriebswelle 14 und ein Hintcrachsgetnebe 15 mit den Fahrzeugrädern 16 verbunden ist.

Die in der folgenden Beschreibung angegebenen Drehzahlen sind wie folg! definiert:

n₍: Ncnndreh/aW dvr Moiorwdle bei voller Batterie und I rrepcrnennsmim.

/?o/2: Halbe Nenndrehzahl der Motorwelle bei halber Biitlcricspannung und Erregcrncnnstroin.

m.: Lccrlaufdrchzahl der Motorwcllc bei halber Batteriespannung. Erregernennstrom und Wider· stand 19 im Ankerstromkreis.

ri[-. Drehzahl der Motorwellc 11.

n_mjx: Maximale Drehzahl der Motorwelle bei voller Battcriespannung, ohne Widerstand 19 im Ankerstromkreis bei geringster zulässiger Erregung und ίο ny. Drehzahl der Antriebswelle 14.

In F i g. 2 sind für einen Fahrzyklus die Verläufe des Ankerstromes, des F.rregerstromes und der Drehzahlen von Motorwelle und Antriebswelle über der Zeil.

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 Batteriespannung 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 F i g. 2. Danach stellt sich die von der Größe des Vorwiderstandes 19 abhängige, bei etwa 20% der Nenndrehzahl nodes Motors liegende Leerlaufdrehzahl πι. 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 n\ der Motorwelle 11 und damit auch das von der Kupplung übertragene Moment und die Drehzahl n? der Antriebswelle 14 erhöhen, siehe Bereich 22. Wenn die Drehzahl /?i die halbe Nenndrehzahl /Jo/2 erreicht hat. v· ^:.-d 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 ri\ des Elektromotors die Nenndrehzahl /J₀ 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 w ird von der Regelelektronik automatisch der Schalter 3 stromlos geschlossen. Bereich 27, und dadurch die Batteriespan nung auf ihren Nennwert erhöht. Damit ist sicherge stellt, daß die Motordrehzahl n, vor und nach derr Schließen des Schalters 3 gleich bleibt und somit eir störender Ruck vermieden wird. Nach dem Umschaltet kann nun weiter die Drehzahl n_x und damit di< Geschwindigkeit des Fahrzeuges bis zu ihrem Höchst do wert gesteigert werden, indem die Erregung von ihren Nennwert bis ram zulässigen Mindestwerl verringcr wird. Bereich 28. Zum Nutzbremsen wird bei Betätige! des Bremspedals 10 von der Rcgclclektronik 8 di F.rrcgung so vergrößert, daß der Ankerstrom sein f,_s Richtung umkehren und die nach wie vor in Reih geschalteten Baucrichälflen 1,2 aufladen kann. Bcreic 29 Sobald ilic Moinrdrch/ahl n, wieder auf dt Ninmlrch/ahl n,, gesunken ist. kann .tuch mit volle

Erregung wegen des mit den Batteriehülfien in Reihe gesehalteten Dioden keine Nutzbremsung mehr erzielt werden. Deshalb wird vor dem weiteren Bremsern von der Regelelektronik Schalter 3 stromlos geöffnet. Bereich 30, und anschließend mit der mechanischen Bremse das Fahrzeug zum Stillstand gebracht. Bereich 31. Mit der Drehzahl Π2 der Antriebswelle sinkt infolge der Kupplung auch die Motordrehzahl riu bis die halbe

Nenndreh/.ahl Πο/2 unterschritten wird. In
Augenblick wird von der Regelclektronik ai Schalter 17 geöffnet und dadurch der Widerstai den Ankerstromkivis geschaltet. Gleichzeitig
von den parallelgeschalteten Battcriehälften wi< Ankerstrom zu fließen, um die Lecrlaufdreh aufrechtzuerhalten. Bereich 31 und 32.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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 stufenioser 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 schalibaren hydrodynamischen Kupplung der gesamte DrehzahlsteUbereich 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 Anke? Stromkreis stromlos überbrückbar ist, daß der zweite Bereich bei parallelgeschalteten Teilbatterien und überbrücktem Widerstand (19) im Ankerstronikreis von der halben Nenndreh/ahl über Feldichwächung bis zur Nenn- ^₅ drehzahl reicht, daß die Regelelektronik bei Erreichen der Nenndrehzahl die Eregung 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 Nennd>-eh/ahl über Feldschwächung bis /ur zulässigen Höchstdrehzahl reicht.

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein batteriegespeistes Landfahrzeug mit einem durch Feldschwächung in seiner Drehzahl regelbaren Elektro motor, mit einer in Abhängigkeit von der Drehzahl und von einem Fahr- und Bremspedal arbeitenden Regel clekfonik. die /um Start des Elektromotors bei vollem Erregerstrom und /um anschließenden Anfahren unter stufenloser Feldschwächung eingerichtet ist, mit einem Widerstand im Ankerstronikreis und mit einer zwischen dem Elektromotor und den Fahrzeugrädern angeordneten Kupplung.

   Bei den bekannten Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge 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 Stcllmöglichkcit werden Stellglieder im Anker-Stromkreis verwendet. Vom Stillstand ausgehend bis zu einem von der Spannung der Antriebsbatterie abhängigen Typenpunkt, gekennzeichnet durch die Ncnndreh-/ahl wird die am Motor anliegende Spannung gcstcuer Hierzu wird nach bekannten Verfahren im Falle de Gleichstrommotors die im wesentlichen konstant Battcriespannung durch einen Gleichstromsteller ν getaktet daß sich an den Klemmen bzw. am Anker de Motors ein entsprechender niedrigerer Mittelwert de Spannung einstellt. Deshalb bezeichnet man dicsei Bereich als AnkersteHbereich.

   Mit einer weiteren Stellmöglichkeit kann die Dreh zahl des Elektromotors nur dadurch weiter erhöh werden, daß der magnetische Hauptfluß gegenübe seinem Nennwert verringert wird. Je nach Bauart de Elektromotors erstreckt sich dieser Feldschwächbc reich von einer durch die Batteriespannung gegebenei Grunddrehzahl bis zu Drehzahlen, die etwa der 3- bi 5fachea Nenndrenzahl entsprechen. Die so erreichbar! Maximaldrehzahi des Elektromotors ist der von Fahrzeug erreichbaren Spitzengeschwindigkeit propor tional.

   Der Ankerstellbereich ist nun einerseits durch einei schlechteren Wirkungsgrad als der Feldschwächbercicl gekennzeichnet, da der volle Motorstrom in rasche Folge ein- und ausgeschaltet werden muß (Schaltfre quenzen einige 100 Hz), um störende Momentpulsatio ncn im Motor zu vermeiden, wodurch beträchtliche Ein und Ausschaltverluste in den Halbleiter-Leistungsschal tern bzw den zugehörigen Kommutierungseinrichtun gen entstehen. Andererseits sind die hierzu notwendi gen Halbleiterbauelemente, da sie für den voller Motorstrom ausgelegt sein müssen und dabei guK dynamische Eigenschaften aufweisen sollen, um dei Gesamtwirkungsgrad nicht noch weiter zu versenken tern, recht kostspielig.

   Im Feldschwächgebiet hingegen wird im Falle dei Gleichstrommaschine der Motorstrom überhaupt nich unterbrochen. Es wird zur Regelung nur der Erreger strom, der aber nur wenige Prozent des Motorstrom· beträgt, ein- und ausgeschaltet. Im Falle der Drehstrom maschine wird im Feldschwächbereich nur so of umgeschaltet, wie es der Frequenz der Drehstromma schine entspricht.

   Es sind zahlreiche Lösungen bekannt, die ein« erweiterte Anwendbarkeit des Feldschwächbereiche! zum Ziel haben, um damit den Betrieb im Ankerstellbe reich und den damit verbundenen Aufwand zi verringern.

   Aus der GB-PS 12 bi 0b7 und der US-PS 3b 28 621 is es bekannt, dem elektrisch ausschließlich im Feld Schwächbereich betriebenen Motor noch ein konventio nelles mechanisches Wechselgetriebe oder ein stufenlo ses Getriebe nachzuschalten. Bei geeigneter Bemessung des mechanischen Getriebes läßt sich damit cir befriedigendes Fahrverhalten erzielen, jedoch nur mii dem relativ hohen Aufwand für das mechanische Getriebe, um den Anfahrbereich /wischen Stillstand unc Erreichen der Grundgeschwindigkeit bei maximale! Erregung des Motors zu überbrücken. Außerdem muC beim Wechseln der Gänge des mechanischen Getriebe; die kraftschlüssige Verbindung zwischen Motor jnc Antriebsrädern durch Lösen der mechanischen Kupp lung unterbrochen werden, wobei die Kupplung durcr einen vom Fahrer ausgelösten Eingriff getrennt wird.

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