DE2554548A1

DE2554548A1 - Antriebsaggregat fuer elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE2554548A1
Application number: DE19752554548
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Prof Dr Foerster; Ulrich Dr Ing Heitmeyer; Adrian Dr Ing Kupsa
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-12-04
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1977-06-08
Also published as: FR2334228B1; DE2554548C2; FR2334228A1; JPS5279445A; GB1558873A; US4153128A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft. ; Daim 10 ^!ί~ίΐ/'ί

S t « t t g a rf"" 26.11.1975

"Antriebsaggregat für elektrofahrzeuge"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge, insbesondere für gleislose Straßenfahrzeuge, mit einem Nebenschlußmotor mit Feldstromregelung und mit einem nachgeschalteten Wechselgetriebe mit mindestens zwei Vorwärtsgängen.

Die Reichweite von Elektrofahrzeuge!! ist durch die geringe Speicherdichte der Batterien beschrankt und die Zuladung eingeschränkt „

Um diese Nachteile möglichst klein zu halten, ist es notwendig:

1) daß die umgeformte Energie mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad verarbeitet wird,,

2) daß der Energierückgewinnung durch Bremsen des Fahrzeugs eine erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt und

3) daß das Gesamtgewicht der Anlage so klein wie möglich gehalten wird.

Elektrofahrzeuge sind noch so teuer, daß sie kostenmäßig mit Verbrennungsmotorfahrzeugen nicht konkurrieren können. Die hohen Kosten entstehen neben dem hohen Preis für die Batterie

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einmal durch Verwendung, einer Energieplektronik zur Steuerung der Ankerspannung und zum anderen durch Benutzung von Fahrmotoren mit großem Feldscliwäch'oereich , d.h. hohem Ts'enndrehmoment. Die xm Hinblick auf Überwindung von Steilstrecken bzw. Rampen zu fordernden Drehmomente verlangen darüber hinaus hohe Hadtnomente, die durch Vergrößerung der Motoren und durch eine überdimensionierte Leistunsrselektronik erkauft werden müssen.

In letzter Zeit sind viele Vorschläge bekannt geworden, die darauf abzielen, ein Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge zu schaffen, das mit geringeren Kosten und großem Bedienungskomfort verbunden ist. Diese verwenden jedoch, wie bereits er- v.iihnt, entweder eine aufwendige Energieelektronik im Ankerstromkreis oder Motoren mit großem Feldschwächbereich und weisen somit, die genannten Nachteile auf.

Vijfgabe der Erfindung ist es, ein Antriebsaggregat zu schaffen, das diese Nachteile nicht aufweist, kostenmäßig günstiger liegt und hohen Bedienungskomfort aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Nebenschlußmotor eine hohe ^r-enndrehzn!il in bezug auf die Höchstdrehzahl und einen verkleinerten Feldschwachbereich aufweist und daß diesem iber ein Untersetzungsgetriebe ein automatisches Uechselgetrie-Le nachgeschaltet ist, dessen Ölpumpe von einem ihr zugeordneten Elektromotor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird.

i: die gegenüber der Höchstdrehzahl erhöhte Nenndrehzahl verringert sich das Nerindrehtnoment und als Folge davon auch Abmessungen und Gewicht des Motors. Das Trägheitsmoment des Motors wird aufgrund der verkleinerten Liiuferabmessungen erniedrigt, wodurch das Umschalten der Gänge in Hinblick auf die entstellende Schaltwärme im Getriebe erleichtert wird. Der ver-

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kleinerte Feldschwächbereich zusammen mit der großen Übersetzung des automatischen Getriebes gewährleistet einen Gesamt-Steuerbereich, der bei Steuerung des Motors im Feldschwächbereich von ca. 2 : 1 bis 2,5 '> 1 genügend groß ist.

Aufgrund dieser Maßnahmen ergibt sich ein für kleine Drehmoment-Überhöhungen ausgelegter Motor, der klein und billig wird und in seinem Betriebsbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Bei der Ausgestaltung der Anlage muß selbstverständlich darauf geachtet werden, daß die zusätzlichen Aggregate, hier das Getriebe, mit möglichst hohen Wirkungsgraden arbeiten.

Da die rein elektrische Losung jegliche Getriebeschaltung unnötig macht und damit das Elektroauto ganz unproblematisch in der Bedienung wird, ist es zweckmäßig, das hier vorgesehene Getriebe automatisch schalten zu lassen. Man wird besondere Vorteile davon haben, wenn man das Getriebe in einem Drehzahlbereich arbeiten läßt, bei dem die Getriebeverluste ein Minimum sind.

In der vorgeschlagenen Lösung ist dazu zwischen Nebenschlußelektromotor und automatischem Getriebe ein dauernd mitlaufendes Getriebe eingeschaltet, dessen Übersetzung so gewählt werden kann, daß die Getriebeverluste möglichst klein sind.

In der einen Variation wird dieses Zusatzgetriebe auch noch als Anfahrkupplung dadurch benutzt, daß zuerst die Bremse ge-" löst ist und diese Bremse zum Ankuppelvorgang geschlossen wird. Da in einem kleinen unteren Geschwindigkeitsbereich der Elektromotor ohne Ankerstrometeuerung keinen Betriebspunkt besitzt, kann diese Anfahrkupplung in diesem Bereich auch mit Dauerschlupf betrieben werden. Die entsprechende Ölkühlung ist dafür vorgesehen.

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Durch die getrennte, von einem mit konstanter Drehzahl laufenden Elektromotor angetriebene ölpumpe werden hohe Verluste vermieden, die entstehen, wenn eine von der Eingangswelle des automatischen Getriebes angetriebene Ölpumpe bei hohen Motordrehzahlen wesentlich mehr öl fördert als nötig.

Aufgrund der Getriebeübersetzungen können hohe Radmomente bei kleinen Motormomenten erzeugt werden. Dpmit sind auch keine überhöhten Motorströme erforderlich, die die Batterien besonders belasten und deren Energieinhalt überproportional reduzieren würden. Gleichzeitig ergibt sich bei stark verkleinerten Motorströmen die Möglichkeit, die Batteriespannung abzusenken. Bei geringerer Batteriespannung kann aber bekanntlich die pro Gewichtseinheit gespeicherte Energie beträchtlich erhöht werden.

Trotz des eingesetzten automatischen Getriebes ist eine elektrische Bremsung mit Energierückgewinnung möglich. Dies geschieht in den einzelnen Gängen in der Art, daß bei jeder Motordrehzahl der Erregerstrom so eingestellt wird, daß die induzierte Gegenspannung des Motors so groß wird, wie es für die Erzeugung des nötigen Bremsstromes erforderlich ist.

Bei Unterschreitung einer bestimmten Drehzahl, unterhalb der nicht mehr gebremst werden könnte, wird automatisch in den nächst niederen Gang geschaltet, so daß die gewünschte Verzögerung des Fahrzeuges bei Energierückspeisung erfolgen kann. Im nichtsteuerbaren Teil der Antriebskennlinie, dem Anfahrbereich, der sich vom Stillstand bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 8 km/h erstreckt, ist eine Bremsung mit Energierückgewinnung nicht möglich.

Mit der beschriebenen Kombination sind verschiedene Ausführungs· formen denkbar.

Eine mögliche Ausführungsform ist so ausgestaltet, daß ein

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Ankerstromsteller vorgesehen ist, der nur für einen dem Nenndrehmoment des Gesamtantriebes zugeordneten Ankerstrom ausgelegt ist und keine Einrichtung zum Nutzbremsen besitzt. Da mit dem Ankerstromsteller nur der Anfahrbereich überbrückt zu werden braucht und außerdem ein hohes Anfahrmoment durch den ersten Getriebegang erzeugt wird, braucht der Motor selbst nur ein kleines Moment abzugeben. Entsprechend kann der Ankerstromsteller für einen Ankerstrom ausgelegt werden, der erheblich niedriger ist als der Motornennstrom. Nach Durchfahren des Ankerstellbereiches im 1. Getriebegang wird der Ankersteller durch ein Schütz überbrückt. Dndurch wird der Ankerstromsteller weitaus billiger als die für den vollen Motorstrom ausgelegten Steller. Da das Nutzbremsen im Feldschwächbereich erfolgt, kann auch die Einrichtung zur Energierückgewinnung im Ankerstromsteller entfallen. Durch die geschilderten Maßnahmen läßt sich der Ankerstromsteller bezüglich seines Auslegungsstromes um den Faktor von ca. 3:1 und bezüglich des technischen Aufwandes bis ca. 5:1 gegenüber den üblichen Ankerstromstellern verkleinern.

Eine zweite Ausführungsform ist so aufgebaut, daß im Ankerstromkreis eine Reihenschaltung eines Anlaßwiderstandes und eines Hilfsschützes vorgesehen ist und daß parallel dazu ein vom Fahrschalter betätigter ilauptschütz liegt und daß zwischen Nebenschlußmotor und Untersetzungsgetriebe eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Wandler angeordnet ist. Der Ankerstromsteller fehlt hier und wird durch eine hydrodynamische Kupplung bzw. einen hydrodynamischeii Wandler ersetzt und der Motor über einen Anlaßwiderstand im Leerlauf angelassen.

Eine dritte Ausführungsform ist so aufgebaut, daß im Ankerstromkreis eine Reihenschaltung eines Anlaßwiderstandes und eines Hilfsschützes vorgesehen ist und daß parallel dazu ein vom Fahrschalter betätigtes Ilauptschütz liegt und daß zwischen Nebenschlußmotor und automatischem Getriebe ein Planetenrad-

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.satz mit Lamellenbremse angeordnet ist. Dadurch, daß bei dieser Losung der gesamte Kraftflwp. nicht über Cl, sondern ausschließlich über mechanische Lbertragungselemente geführt wird, ist der Wirkungsgrad dieses Antriebssystetnes besonders gut.

In der Zeichnung und der Beschreibung sind diese drei Ausführungsbeispiele schematise!! dargelegt. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 die Antriebskennlinie und die iiotorkennlinie für das erste Ausführungsbeispiel,

ig· 3 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles und

Fig. 4 das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles .

'h-<s Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels zeigt in Fig. 1 einen Nebenschlußmotor 1 mit seiner Erregerwicklung 2 und einer Steuerelektronik 3i die in Abhängigkeit von einem Fahrpedal 4 und einem Bremspedal 5 sowie von Motor- und Getriebedrehzahl den Ankerstrom über den angedeuteten Ankerstrom steller 6 und den Erregerstrom in der Erregerwicklung 2 regelt Zwischen der Fahrbatterie 9 und dem Motor 1 liegt in Reihe mit einem Hauptschiitz 7 der Ankerstromsteller 6, zu dem ein Hilfsschütz 8 parallel geschaltet ist. Die Motorabtriebswelle wirkt über ein Untersetzungsgetriebe 10 auf das automatische Getriebe 11, dessen Abtriebswelle über ein Ausgleichsgetriebe 12 die Räder antreibt.

Der Motor ist für eine Nenndrehzahl von etwa 3^00 U/min'und eine Höchstdrehzahl von etwa 6000 U/min ausgelegt. Das Untersetzungsgetriebe weist ein Verhältnis von 2,4:1 auf, so daß

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die Eingangedrehzahl des automatischen Getriebes im Feldschwächbereich des Motors von etwa 1250 bis 2500 U/min reicht. Das automatische Getriebe üblicher Bauart hat vier Gänge und ein maximales Übersetzungsverhältnis von 4,3:1. Der Öldruck für die hydraulisch betriebenen Stellglieder wird von einem nicht dargestellten kleinen Elektromotor mit konstanter Drehzahl erzeugt. Mit dieser Auslegung ergibt sich ein gesamter Regelbereich für das Fahrzeug von 8,6:1, der ausschließlich durch Feldregelung bestrichen werden kann. Der Ankerstromsteller ist für einen maximalen Strom ausgelegt, der dem Nennmoment des Motors entspricht.

Über das Hauptschütz 7 wird die Betriebsbereitschnft des Antriebes hergestellt. Das Anfahren im ersten Gang aus dem Stillstand des Motors heraus erfolgt mit Hilfe des Ankerstrometellers 6 bis ca. 8 km/h. Nach Erreichen der Nenndrehzahl des Motors 1 wird der Ankerstromsteller 7 durch das Hilfsschütz 8 überbrückt und der Motor kann nun im Feldschwächbereich in allen vier Gängen sowohl sein Nenndrehmoment als auch die zulässigen Überlastmomente abgeben. Das Nutzbremsen erfolgt durch Zurückschalten der Gänge ausschließlich im Feldschwächbereich. Die automatische Regelung von Anker- und Feldstrom mittels der Regelelektronik 3 ist nicht näher beschrieben.

Fig. 2a zeigt die Kennlinie des Nebenschlußmotors mit den oben angegebenen Daten im Dauerbetrieb (Nennstrom). Der Ankerstellbereich ASB reicht von Motorstillstand bis zur Nenndrehzahl n.,, der Feldschwächbereich FSB von der Nenndrehzahl n., bis zur

Höchstdrehzahl η .

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Fig. 2b zeigt die Antriebekennlinie des Antriebeaggregates, die sich aus der Kombination der Einzelelemente nach Fig. 1 ergibt.

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Man kann daraus das Radmoment M , bezogen auf das Motornennmoment M_n in Abhängigkeit von der Rad- bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit V , für die einzelnen Gänge I, II, III und IV ablesen. Der schraffierte Teil von 0 bis 8,4 km/h bezeichnet den Ankerstellbereich ASB, der übrige Teil den Feldschwächbereich FSB. Mit A ist das maximale Verhältnis VL. ,/M.. * 4,3 des Ausführungebeispiels bezeichnet, während B das maximale Verhältnis M_D j/Mjt, * 2,92 eines konventionellen Aggregates mit einem Feldschwächbereich von 3»²5ί4 und 1,öfacher Stromüberlastung bedeutet.

Das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 3 dargestellt. Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Ankerstromregelung der Steuerelektronik 3 und der Ankerstrometeller 6 sowie Haupt- und llilfsechütz 7 und 8 wegfallen. Statt dessen wird mit einer Steuerelektronik 13 nur der Erregerstrom geregelt. Zwischen Batterie 9 und Motor 1 liegt ein Anfahrwiderstand Rl in Reihe mit dem Hauptschütz 15· Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt ein Hilfsschütz 16. Außerdem befindet sich zwischen Motor 1 und Untersetzungsgetriebe 10 eine hydrodynamische Kupplung. Der Fahrmotor wird über den Anlaßwiderstand Rl gestartet und läuft im Leerlauf. Beim Betätigen des Fahrpedals 4 wird nach Erreichen der Nenndrehzahl der Widerstand Rl mit dem Hilfsschütz 16 kurzgeschlossen und im Feldschwächbereich wird über die hydrodynamische Kupplung 17 das Fahrzeug in Bewegung gesetzt. Beschleunigung, Gangwechsel und Energierückgewinnung erfolgen wie beim ersten AusfUhrungsbeispiel. Beim Unterschreiten der Nenndrehzahl wird das Hauptschütz l6 geöffnet und dadurch der Anlaßwiderstand Rl wieder eingeschaltet, damit das Leerlaufmoment begrenzt bleibt.

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Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels. Dieses ist im wesentlichen wie das zweite Ausführungsbeispiel ±n Fig. 3 aufgebaut, nur werden hier die hydrodynamische Kupplung 17 und das Untersetzungsgetriebe 10 durch einen. Planetenradsatz l8 mit einer Lamellenbremse 19 ersetzt. Die Lamellenbremse l8 setzt den Auftenring des Planetenradsatzes fest, wenn das Fahrzeug anfahren soll. Die Lamellenbremse l8 wird hydraulisch von der Oldruckversorgung des auto matischen Getriebes ti betätigt. Alle übrigen Funktionen erfolgen wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.

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Claims

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Ansprüche

.'Antriebsaggregat für Elektro-Fahrzeuge, insbesondere für gleis-

N J lose Straßenfahrzeuge, mit einem Nebenschlußmotor mit FeId-

stromregelung und mit einem nachgeschalteten Wechselgetriebe mit mindestens zwei Vorwärtsgangen, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußmotor (l) eine hohe Nenndrehzahl in bezug auf di· Höchstdrehzahl und einen verkleinerten Feldschwächbereich aufweist und daß diesem über ein Untersetzungsgetriebe (lO,l8) ein automatisches Wechselgetriebe (ll) nachgeschaltet ist, dessen Ölpumpe von einem ihr zugeordneten Elektromotor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird.
2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ankeretromsteller (6) vorgesehen ist, der nur für einen

des Gesamtantriebes
dem Nenndrehmoment/zugeordneten Ankerstrom ausgelegt ist und kein· Einrichtung zum Nutzbremsen besitzt.
3· Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ankerstromkreis eine Reihenschaltung eines Anlaßwiderstandes (R.) und eines Hilfsschützes (15) vorgesehen ist und daß parallel dazu ein vom Fahrschalter betätigtes Hauptschütz (l6) liegt und daß zwischen Nebenschlußmotor (l) und Untersetzungsgetriebe (10) eine hydrodynamische Kupplung (17) oder ein hydrodynamischer Wandler angeordnet ist.
4.Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ankerstromkreis eine Reihenschaltung eines Anlaßwiderstandes (Rj) und eines Hilfeschützes (15) vorgesehen ist und daß parallel dazu ein vom Fahrschalter betätigtes Hauptschütz (l6) liegt und daß zwischen Nebenschlußmotor (l) und automatischem Getriebe (11) ein Planetenradsatz (l8) mit Lamellenbremse (19) angeordnet ist.

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