DE2702276A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufladen einer an bord eines elektrofahrzeugs untergebrachten autonomen energiequelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum aufladen einer an bord eines elektrofahrzeugs untergebrachten autonomen energiequelle

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Description

27Π2276
9970-76
Dr. Dletnr ν. Berold
Dipl.-!ng. ΡεΚτ tfd.CtZ
Dipl.-!!■·■;<. Woi;;--,? :-!■-.visier
fIvJfI6G1 l'üiUJ; Ü3CC68
SOGIETE DE TRACTION CEM- OERLIKON
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM AUFLADEN EINER AN BORD EINES ELEKTROFAHRZEUGS UNTERGEBRACHTEN AUTONOMEN ENERGIEQUELLE.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug, das eine Energiequelle an Bord hat, die aufgeladen werden muß, und betrifft insbesondere ein Verfahren oder eine Vorrichtung, womit die Aufladung der an Bord des Fahrzeugs
befindlichen Energiequelle ermöglicht wird, welches Fahrzeug mit einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben
wird, die ebenfalls aus einer Fremdenergiequelle über eine Energieregeleinrichtung versorgt werden können.
7 0 9 8 3 1 / ü ύ 6 1
Pür bestimmte Transportanwendungen, z.B. für öffentliche Verkehrsmittel sind Elektrofahrzeuge von Interesse, die zum einen geeignet sind, ihr*= Energie aus einer ortsfest angebrachten Speiseleitung, .^.B. einer Stromschiene oder einem Fahrdraht zu entnerunen, der als Oberleitung aufgehängt ist und Einphasen-Wechselstrom oder Mehrphasenstrom oder auch Gleichstrom abgibt , und zum anderen Energie aus einer im Fahrzeug untergebrachten Energiequelle zu verwenden, die unterschiedlicher Natur sein kann (thermisch, Schwungmasse, elektrochemisch usw.).
Beim Fremdenergiebetrieb wird die Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs üblicherweise mit einer Regelung der Speisungsenergie durchgeführt, die mehr und mehr elektronisch ist. Eine derartige Regeleinrichtung besteht z.B. aus einer gesteuerten Gleichrichterbrücke im Falle der Speisung mit Wechselstrom oder einem Gleichstromzerhacker, wenn der Antriebsmotor ein Gleichstrommotor ist. Es können andere Regeleinrichtungen verwendet werden, insbesondere wenn die Art des Motors eine andere ist. Zum Beispiel kann bei einem Asynchronmotor als Antriebsmotor ein Wechselrichter eingesetzt werden.
Bei autonomem Betrieb benötigen bestimmte, an Bord des Fahrzeugs befindliche Energiequellen, insbesondere die mit Schwungmoment arbeitenden oder die elektrochemischen, eine Wiedex-aufladung, die vorteilhafterweise vom Fahrzeug selbst bewirkt wird während der Fahrbedingungen, in welchen die Energie durch Rückgewinnung zur Verfugung steht. Diese Wiederaufladung ermöglicht es, die Größe der an Bord befindlichen Energiequelle zu verringern und die Kosten für die Aufladung der Quelle an einem festen Platz zu vermeiden.
709831/Ü661
fr
ι -
Für die Wiederaufladung der an Bord befindlichen Energiequelle ist eine besondere Ladeeinrichtung erforderlich. Damit verbunden ist ein zusätzliches Gewicht, Raumbedarf und sind die durch die besondere Ladeeinrichtung entstehenden Kosten.
Ziel der Erfindung ist es hauptsächlich,
diese Nachteile zu vermeiden. Es ist deshalb die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Energiesteuerung einmal zum Speisen des Motors oder der Antriebsmotore und außerdem auch für die Aufladung der an Bord befindlichen Energiequelle verwendet wird.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Einrichtung für die Regelung der Speisungsenergie der Antriebsmotoren auf eine konstante Stärke eingestellt, und es wird die nicht von den Motoren verbrauchte Energie für das Wiederaufladen der Quelle verwendet»
Es wird nun eine Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung gegeben. Es zeigen:
Figur 1: Ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Fall, daß die an Bord des Fahrzeugs befindliche Energiequelle eine Batterie ist, während die äußere Speisungsenergiequelle für die Elektromotore des Fahrzeugs während des Fremdbetriebs eine Gleichstromquelle ist;
Figur 2: ein Schaltschema für den Fall, in welchem
7 0 9 H Ί 1 / I) K 6 1
die an Bord befindliche Quelle eine Batterie und die äußere Energiequelle eine Wechselstromquelle sind.
Zwischen den Klemmen a und b in der Figur 1, an die der Plus- bzw. Minuspol einer äußeren Gleichstromquelle angeschlossen werden können, um die elektrischen Antriebsmotoren mit Fremdenergie zu speisen, sind in Reihe in bekannter Weise geschaltet:
a) Ein Schalter 1, der die ganze Einrichtung in Betrieb setzt;
b) eine Schutzeinrichtung 2, die beispielsweise aus einem selbsttätigen Unterbrecherschalter und einer Schmelzsicherung besteht, die zueinander parallel liegen;
c) eine Drosselspule 3 eines Eingangsfilters, der mit einem Zerhacker 5 und außerdem mit einem Kondensator 4 im Nebenschluß verbunden ist;
d) einen Zerhacker 5 von bekannter Ausbildung, der zur Speisungsregelung der Fahrzeugantriebsmotoren 6 dient;
e) eine Glättungsdrossel 7;
f) den Antriebsmotor 6.
Parallel zum Antriebsmotor 6 und der Glättungsdrossel 7 ist in an sich bekannter Weise eine Diode 8 und außerdem gemäß der Erfindung eine Anordnung gelegt mit einer Batterie 9, die die an Bord befindliche Energiequelle bildet und die in Reihe geschaltet ist mit einer Glättungsdrossel 10 sowie einer Rückstromsperrdiode 11.
Ein einfacher Schalter 12 verbindet außerdem den positiven Pol der Batterie 9 mit einem Verbindungspunkt £ zwischen dem Eingangsschalter 1 und der Schutzeinrichtung 2.
7 0 9 ö 3 1 / (ι Ο 6 1
- r-
Während der Regelung der Spannung, während die mittlere Spannung am Ausgang des Zerhackers 5 niedriger als die der Batterie 9 ist, fließt nur ein verminderter Strom durch die Batterie» Der Strom, der vom Zerhacker 5 abgegeben wird und der als konstant angenommen wird, wie später noch zum Ausdruck kommt, entspricht annähernd dem Anfahrstrom des Motors 6. Ist die Spannung im wesentlichen gleich der der Batterie, wobei der Wert abhängig vom Typ der verwendeten Batterie definiert ist, so wirkt ein Steuerschaltkreis 13 auf den Zerhacker 5 ein, damit dieser einen konstanten Strom I abgibt (der sich von dem Fahrstrom des Antriebsmotors 6 unterscheiden kann). Der Steuerschaltkreis 13 kann z.B. folgendermaßen aufgebaut sein. In einem Komparator 14 wird ein Bezugsstrom I ~ mit dem vom Zerhacker 5 abgegebenen Strom oder einem aus einem Wandler 15 erhaltenen proportionalen Strom verglichen. Das Ausgangssignal des !Comparators 14 wird mit einem Verstärker 16 verstärkt und auf einen Impulsgenerator 17 gegeben, der den Zerhacker 5 steuert. Im Unterschied zu den bisher üblichen Systemen, bei denen der Impulsgenerator nur dazu verwendet wird, den Zerhacker derart zu steuern, daß die Geschwindigkeit des elektrischen Antriebsmotors variiert wird, wird er im vorliegenden Fall in Verbindung mit den Elementen 14, 15 und 16 auch dazu benutzt, daß der Zerhacker 5 einen konstanten Strom abgibt. Der Impulsgenerator 17 kann ein solcher mit fester Frequenz oder variabler Frequenz sein, je nachdem welcher Zerhacker verwendet wird.
Der Antriebsmotor 6 ist ein Motor mit Fremderregung. Die Regelung der Fremderregung des Antriebsmotors 6 kann in herkömmlicher Weise so geschehen, daß der Motor den für die gewünschten Fahrbedingungen des Fahrzeugs
7 0 b B 3 1 / 11 ο 6 1
erforderlichen Strom J zugeführt erhält. Der Differenzstrom, d.he der Strom Lg = I - J fließt automatisch durch die Batterie 9« Wie J abnimmt, wenn die Geschwindigkeit ansteigt, so steigt Iß gleichermaßen an. Dasselbe gilt für die Spannung an den Polen der Batterie, Der Steuerkreis 13 ist genau dafür eingerichtet, derart auf die mittlere Spannung am Ausgang des Zerhackers 5 einzuwirken, daß der Strom I konstant gehalten wirdo
Diese Funktionsweise beinhaltet, daß die Spannung an den Klemmen des Motors allmählich zunimmt, bis die Gleichgewichtsgeschwindigkeit erreicht ist, wobei üblicherweise diese Spannung praktisch von Anfang bis Ende der Anfahrperiode bei konstanter Belastung konstant ist.
Während des netζunabhängigen Betriebs ist der Schalter 1 offen, während der Schalter 12 geschlossen ist, so daß der Zerhacker 5 und damit auch der Motor 6 aus der Batterie 9 gespeist werden können.
Während das Fahrzeug steht und der Schalter 1 geschlossen ist, so daß die Schaltung mit der äußeren Speisungsquelle verbunden ist, ist im Speisungskreis des Motors 6 ein Schalter 18 vorgesehen, der es erlaubt, die Batterie 9 über den Zerhacker 5 zu speisen, ohne daß der Motor 6 ebenfalls Strom erhält. Es sei bemerkt, daß der Schalter 18 so angebracht ist, daß die Freilaufdiode 8 während der Aufladung der Batterie 9 ebenfalls wirken kann, während der Motor 6 aus dem Stromkreis herausgeschaltet ist.
Während des Bremsens kann die kinetische Energie des Motors mit Vorteil in bekannter Weise rück-
709η:π/ιικ61
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gewonnen und zur direkten Aufladung der Batterie 9 verwendet werden. Dafür kann die Erregung des Motors von Hand oder automatisch so eingestellt werden, daß der Motor 6 als Generator wirkt und einen Strom über die Glättungsdrossel 10 und die Diode 11 zur Aufladung an die Batterie 9 abgibt. Die Diode 11 ist dafür vorgesehen, daß sie den Ladestrom passieren läßt, es aber verhindert, daß die Batterie 9 unmittelbar über den Motor 6 im Antriebszustand des Motors entladen wird und zwar während des vom Netz getrennten autonomen Betriebs als auch während des Betriebs, in welchem das Fahrzeug Energie von einer äußeren Energiequelle zugeführt erhält.
Die vorangehende Beschreibung bezieht sich auf einen Nebenschlußmotor mit Fremderregung„ Es ist aber auch möglich, einen Reihenschlußmotor oder einen Compound-Motor zu betreiben, was aber zusätzliche Einschränkungen mit sich bringt sowohl hinsichtlich der Werte der Netzspannung als auch der Batterie. Trotzdem ist eine solche Lösung ausführbar und kann durch Berechnung bestimmt werden.
Es wird nun auf die Figur 2 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform der Erfindung für den Fall zeigt, wo die äußere Speisungsquelle eine Einphasen-Wechselstromquelle ist. Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der nach Figur 1 dadurch, daß die Einrichtung 5, die zur Regelung der dem Motor 6 zugeführten Energie und der Aufladung der Batterie 9 dient, nicht mehr durch einen Zerhacker gebildet wird sondern durch eine gesteuerte Gleichrichterbrücke, an deren eine Diagonale über den Schalter 1 die Klemmen a. und b angeschlossen sind, welche mit der nicht dargestellten äußeren Einphasen-Wechselstromquelle in Verbindung
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stehen. Der Steuerkreis 13, der an die Gleichrichterbrücke 5 angeschlossen ist, kann demjenigen in der Figur 1 im Aufbau gleichen. Jedenfalls ist der Impulsgenerator 17 obligatorisch ein Impulsgenerator mit fester Frequenz, die von der Frequenz des Einphasen-Wechselstroms abhängig ist, der in der äußeren Speisungsquelle herrscht.
Andererseits ist der positive Pol der Batterie 9 mit dem Schalter 12 über einen Zerhacker 19 verbunden, und die Reihenschaltung aus Zerhacker 19 und Schalter 12 hat eine Reihenschaltung aus einer Diode 11 und der Glättungsdrossel 10 parallel liegen. Der Zerhacker 19 ist so angeordnet, daß Strom vom positiven Pol der Batterie durch den Motor 6 fließen kann, wenn die Schalter 12 und 18 geschlossen sind, während die Diode 11 so in der Schaltung liegt wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel, wodurch verhindert wird, daß die Batterie 9 sich unmittelbar über den Motor 6 entladen kann.
Das in der Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist dem erstbeschriebenen völlig gleich. Im Stromaufnahmebetrieb von einer äußeren Energiequelle sind die Kontakte 1 und 18 geschlossen, während der Schalter 12 offen ist. Dabei wird die Gleichrichterbrücke 5 so gesteuert, daß zum einen der Motor 6 gespeist und zum anderen die Batterie 9 aufgeladen wird. Während des Stillstands des Fahrzeugs ist der Schalter 18 entweder von Hand oder automatisch geöffnet, so daß die Brücke 5 lediglich für die Aufladung der Batterie 9 sorgt. Während des Bremsbetriebs kann die Fremderregung des Motors 6 von Hand oder automatisch so geregelt werden, daß der Motor als Generator die Batterie 9 lädt. Schließlich ist beim autonomen Betrieb des Fahrzeugs aus der Batterie 9 der
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Schalter 1 geöffnet, während die Schalter 12 und 18 geschlossen sind. Dabei erhält der Motor 6 seine Speisung aus der Batterie 9 über den Zerhacker 19.
Die beiden Ausführungsbeispiele verwenden die Batterie als Bordenergiequelle. Die Erfindung kann jedoch auch für andere Arten von an Bord des Fahrzeugs untergebrachten Energiequellen eingesetzt werdene So ist es z.B. bei einer Schwungradenergiequelle, die aus einem mehr oder weniger schnell umlaufenden Kreisel besteht, an den ein Generator angeschlossen ist, möglich, daß die Vorrichtung 5 zur Regelung der Energiezufuhr dazu verwendet wird, in gleicher Weise die Kreiselenergie gewissermaßen aufzutanken· Dazu speist die Vorrichtung 5 auf den Generator, der dann als Motor wirkt und die Drehzahl des Kreisels erhöht.
7 0 9 !■', η / ι'', 6 1

Claims (9)

Pat ent ans ρ r ü ehe
1. ) Verfahren zum Aufladen einer Energiequelle
Bord eines Fahrzeugs, das von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben wird, die entweder bei autonomer Betriebsweise aus der Energiequelle oder mit äußerer Energiezufuhr über eine Energiesteuereinrichtung gespeist werden, die zugleich für die Speisung der Antriebsmotore und das Aufladen der Bordenergiequelle verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesteuereinrichtung auf konstante Energieabgabe eingestellt wird und der von den Antriebsmotoren nicht benötigte Energieanteil zum Aufladen der Bordenergiequelle dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die kinetische Energie des Fahrzeugs während der Bremsperiode rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die so zurückgewonnene kinetische Energie zum Aufladen der Bordenergiequelle dient.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei Klemmen zum Anschluß an eine äußere Energiezufuhr, zwischen die in Reihe ein erster Schalter, eine Schutzeinrichtung, eineSteuereinrichtung für die Speisungsenergie, eine erste Glättungsdrossel und wenigstens ein Elektromotor für den Antrieb des Fahrzeugs geschaltet sind und die Vorrichtung zusätzlich eine Freilaufdiode enthält, die parallel zur ersten Glättungsdrossel und zum Motor geschaltet ist, sowie eine Bordenergiequelle für autonomen Betrieb des Fahrzeugs enthält, die an den Ausgang der Energiesteuereinrichtung der-
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ORIGINAL INSPECTED
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art angeschlossen ist, daß sie gleichzeitig mit der Speisung des Motors aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein Steuerschaltkreis (13) der Steuereinrichtung (5) für die Energiesteuerung beigefügt ist, damit diese einen konstanten Strom abgibt»
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Bordenergiequelle eine Batterie ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Batterie(9)an den Ausgang der Steuereinrichtung (5) für die Energieregelung unter Zwischenschaltung einer zweiten Glättungsdrossel (10) und einer Sperrdiode (11), die die unmittelbare Entladung der Batterie (9) über den Motor (10) verhindert, geschaltet ist·
5. Vorrichtung nach Anspruch 4» in welcher die Fremdenergiezufuhr mit Gleichstrom erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (9) über einen zweiten Schalter (12) an einen Verbindungspunkt (c) zwischen dem ersten Schalter (1) und der Schutzeinrichtung (2) angeschaltet ist zur Speisung des Motors (6) über die Steuereinrichtung (5) für die Energieregelung, wenn der erste Schalter (1) offen und der zweite Schalter (12) geschlossen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung (5) für die Energieregelung ein Zerhacker ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Fremdenergiequelle eine Wechselstromquelle ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
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Batterie (9) parallel zum Motor (6) und zur ersten Glättungsdrossel (7) über einen Zerhacker (19) und einen zweiten Schalter (12) angeschlossen ist, um den Motor (6) über den Zerhacker (19) zu speisen, wenn der erste Schalter (1) geöffnet und der zweite Schalter (12) geschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung (5) für die Energieregelung eine gesteuerte Gleichrichterbrücke ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schalter (18) in Reihe unmittelbar vor die erste Glättungsdrossel (7) geschaltet ist, der während der Stillstandsphasen des Fahrzeugs geöffnet ist.
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DE2702276A 1976-01-23 1977-01-20 Wahlweise aus einer äußeren Energiequelle oder aus einer aufladbaren bordeigenen Energiequelle gespeiste Schaltungsanordnung für einen Fahrzeugantrieb Expired DE2702276C3 (de)

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