DE3206492C2

DE3206492C2 - Elektromotorisch angetriebenes Straßenfahrzeug

Info

Publication number: DE3206492C2
Application number: DE3206492A
Authority: DE
Inventors: Erich 8650 Kulmbach Pöhlmann; Bernd Dr.-Ing. 4300 Essen Stoy
Original assignee: RHEINISCH-WESTFAELISCHES ELEKTRIZITAETSWERK AG 4300 ESSEN DE; Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG
Current assignee: RWE Energie AG
Priority date: 1982-02-24
Filing date: 1982-02-24
Publication date: 1985-03-28
Also published as: IT8319726A1; GB8523559D0; GB8519940D0; FR2521923A1; GB2115995A; IT8319726A0; GB2115995B; FR2521923B1; GB2163018B; GB8518796D0; IT1161091B; GB8305050D0; DE3206492A1; GB2163018A

Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit einem batteriegespeisten elektromotorischen Antrieb eines Straßenfahrzeugs, bei dem bevorzugt Reihenschlußmotore Verwendung finden. Es sind mindestens ein Antriebsmotor bzw. ein Antriebsmotorenpaar für jedes der mindestens zwei angetriebenen Räder vorgesehen. Die Motoren sind über eine nichtstarre Antriebsübertragung mit dem zugehörigen angetriebenen Rad verbunden. Bei Zuordnung nur eines Motors je angetriebenes Rad wird die Umschaltung von Langsamfahr- in den Schnellfahrbetrieb zweckmäßig durch Übergang von der Serienschaltung der Motoren auf Parallelschaltung vorgenommen. Im Falle der jedem angetriebenen Rad zugeordneten Motorenpaare dient je einer der Motoren zum Antrieb im Anfahr- und Langsamfahrbereich, während der jeweils andere Motor bei Überschreiten einer vorgegebenen Geschwindigkeit für den Schnellfahrtbetrieb hinzugeschaltet werden kann. Zweckmäßig sind beiden Motorenpaare mit einer Umschaltung auf Parallelschaltung aller Motoren für einen zusätzlichen Schnellfahrtbetrieb vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein elektromotorisch angetriebenes Straßenfahrzeug mit zumindest zwei Antriebsrädern, je einem Elektromotorantriebsaggregat pro Antriebsrad, Akkumulatorenbatterie und Steuereinheit, wobei jedes Elektromotorantriebsaggregat einen ersten Reihenschlußmotor und ei- 5σ nen zweiten Reihenschlußmotor aufweist, wobei ferner beim Anfahren sowie bei Langsamfahrt zuerst die ersten Reihenschlußmotoren mit Hilfe der Steuereinheit einschaltbar und außerdem bei höherer Geschwindigkeit und Schnellfahrt die zweiten Reihenschlußmotoren zuschaltbar sind.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Straßenfahrzeug (US-PS 40 93 896) sind in jedem Elektromotorantriebsaggregat beide Elektromotoren elektrisch parallel geschaltet und mit jeweils einem Getriebe verbunden, welches Getriebe antriebstechnisch parallel auf das zugeordnete Antriebsrad arbeiten. Das eine der beiden Getriebe hat eine Übersetzung für eine kleine Fahrzeuggeschwindigkeit und damit zum Anfahren und für die Langsamfahrt. Das andere der Getriebe hat ein Obersetzungsverhältnis für eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Antriebsübertragung von den Getrieben auf die Antriebsräder ist starr. Bei Langsamfahrt wird nur der Elektromotor mit dem dafür eingerichteten Getriebe erregt, der andere Elektromotor und sein Getriebe laufen frei mit Für höhere Geschwindigkeiten wird der zweite Elektromotor hinzugeschaltet und die Erregung beider Elektromotoren wird nach Maßgabe der gewünschten Geschwindigkeit gesteuert. Andere Zusammenschaltungen der Elektromotoren der einzelnen Eleklromotorantriebsaggregate oder besondere Zusammenschaltungen der Elektromotoren veischiedener Elektromotorantriebsaggregate zum Zwecke der Erzeugung einer gleichsam integrierten Charakteristik der Elektromotoren mit Anpassung an besondere Antriebsforderungen sind nicht vorgesehen und folglich fehlen der Steuereinheit auch die Maßnahmen, die für ein solches Zusammenschalten erforderlich sind. Die Steuereinheit arbeitet mit klassischen Ohmschen Widerständen und mechanischen Kontakten und Kontaktarmen. — Ein sanfter Übergang zwischen Langsamfahrt und Schnellfahrt ist bei der bekannten Ausführungsform nicht ohne weiteres erreichbar und findet insbesondere dann nicht statt, wenn die Umschaltung bei verhältnismäßig niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt wird. Ein zügiges Anfahr- und Beschleunigungsverhalten, letzteres auch im Bereich der Schnellfahrt, ist auf diese Weise nicht zu verwirklichen, es sei denn, man arbeitet mit sehr aufwendigen und besonders eingerichteten Elektromotoroa.

Mit aufwendigen und besonders eingerichteten Elektromotoren arbeitet auch eine andere Ausführungsform (US-PS 31 82 742). Hier sind die Elektromotorantriebsaggregate jeweils mit einem einzigen Elektromotor eigener Art ausgerüstet, bei dem die Ankerwicklung einerseits, die Feldwicklung andererseits insoweit funktionell voneinander getrennt sind, als sie an eigene Akkumulatorbatterien angeschlossen und bezüglich ihrer Spannungs- und Stromversorgung selbständig steuerbar sind. Man versucht auf diese Weise die Verteile eines Reihenschlußmotors und die eines Nebenschlußmotors zu vereinigen. Man arbc^:;et gleichsam mit fremderregten Nebenschlußmaschinen. Der schaltungsmäßige Aufwand ist erheblich. Das Ergebnis ist kein einfaches Aggregat mehr, wie es bei elektromotorischen Antrieben mit Reihenschlußmotoren der Fall ist

Bei anderen Fahrzeugen, nämlich bei Gabelstaplern, ist es bekannt, im Fahrbetrieb aufeinanderfolgende Hintereinanderschaltungen und Parallelschaltungen von verschiedenen Antriebsmotoren zu verwirklichen und damit über eine integrierte Charakteristik unterschiedliche Forderungen zu berücksichtigen. Das hat zur weiteren Entwicklung des gattungsgemäßen Straßenfahrzeugs nichts beigetragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes, elektromotorisch angetriebenes Straßenfahrzeug zu schaffen, bei dem durch Zusammenschalten der Elektromotoren eine integrierte Charakteristik eingestellt werden kann die besonderen Antriebsforderungen entspricht, und mit der sowohl ein sehr zügiges Anfahr- und Beschleunigungsverhalten, letzteres auch im Bereich der Schnellfahrt, als auch ein sanfter Übergang von Langsamfahrt auf Schnellfahrt erreichbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß in jedem der Elektromotorantriebsaggregate der erste Reihenschlußmotor sowie der zweite Reihenschlußmotor über einen Freilauf mechanisch so verbunden sind, daß jeweils der erste Reihenschlußmotor auf das Antriebsrad arbeitet, und zwar über eine nichtstarre Antriebsübertragung, daß die ersten Reihenschlußmotoren

der beiden Elektromotorantriebsaggregate im Anfahrbetrieb und bei Langsamfahrt mii Hilfe der Steuereinheit elektrisch in Reihe schaltbar sind, daß bei Schnellfahrt die zweiten Reihenschlußmotoren der beiden Elektromotorantriebsaggregate elektrisch in Reihe und außerdem gemeinsam den in Reihe geschalteten ersten Reihenschlußmotoren elektrisch parallel schaltbar sind, und daß die nach den Regeln der Leistungselektronik ausgelegte Steuereinheit eine Einrichtung zur Strombegrenzung sowie eine Sperre aufweist, die erst bei Erreichen einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit die elektrisch parallele Zuschaltung der zweiten Reihenschlußmotoren zuläßt Grundsätzlich ist es bei Zwei-Motorenantrieben von elektrischen Fahrzeugen bekannt (DE-AS 11 16 542, DE-OS 20 48 064) mit nichtstarren Übertragungseinrichtungen in Form von Ketten auf die Antriebsräder zu arbeiten. Die Weiterentwicklung der gattungsgemäßen Strpßenfahrzeuge ist durch diese bekannten Maßnahmen bisher nicht beeinflußt worden.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei einem erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Straßenfahrzeug sowohl ein sehr zügiges Anfahr- und Beschleunigungsverhalten als auch eiit sanfter Obergang vom Langsamfahrbetrieb auf Schnellfahrbetrieb möglich ist Das resultiert zunächst aus der Tatsache, daß im Rahmen der Erfindung durch das beschriebene Zusammenschalten der Elektromotoren eine für die unterschiedlichen Antriebsforderungen günstige, integrierte Charakteristik eingerichtet werden kann. Dazu trägt aber auch bei, daß mit einer nichtstarren Antriebsübertragung gearbeitet wird, die Schaltstöße ausgleicht Die Leistungselektronik sorgt dafür, daß beim Obergang von der Langsamfahrt zur Schnellfahrt Schaltstöße vermieden werden, weil die Umschaltung erst erfolgt, wenn eine vorgegebene Fahrgeschwindigkeit erreicht ist

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert Es zeigt in schematischer Darstellung

F i g. 1 die Anordnung des Antriebs sowie

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt au» dem Gegenstand nach F i g. 1 und

Fig.3 bis 6 Schaltbilder verschiedener möglicher Schaltungen der aus wenigstens zwei Reihenschlußmotoren bestehenden Elektromotorantriebsaggregate und F i g. 7 die Parallelschaltung sämtlicher Motoren.

In der F i g. 1 ist ein vierrädriges Fahrzeug dargestellt, dessen Vorderräder 1 lenkbar und dessen Hinterräder als Antriebsräder 2 ausgebildet sind. Im Heck 3 des Fahrzeuges ist eine ggf. aus mehreren Einzelzellen bestehende Akkumulatorenbatterie 4 untergebracht, die mit einer Steuereinheit 5 verbunden ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform besteht das Elektromotorantriebsaggregat aus je einem ersten Reihenschlußmotor 6 und einem zweiten Reihenschlußmotor 7 für jedes Antriebsrad 2. Die Antriebswellen 8 fluchten miteinander. Jedes Elektromctorantriebsaggregat 6, 7 wird von der Steuereinheit 5 aus gesteuert. Die Antriebsübertragung von der Antriebswelle 8 erfolgt über eine nichtstarre Antriebsübertragung 9, z. B. einer Kette, einen Zahnriemen od. dgl., der beispielsweise über ein Kettenritzel 10 an der Antriebswelle 8 und das Kettenrad 11 läuft, welches mit dem zugehörigen Antriebsrad 2 des Fahrzeugs verbunden ist. Diese Antriebsübertragung gestattet eine schwingungsmäßige Entkopplung zwischen dem Elektromotorantriebsaggregat 6,7 und dem Antriebsrad 2.

Durch entsprechende Schaltung .der Steuereinheit 5 ist die Drehrichtung des ElektromotorantriebsaggregE-tes 6,7 umkehrbar- Seine Motoren können elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein, wozu gleichfalls die Steuereinheit 5 dient Bei Kurvenfahrt bewirkt die Steuereinheit 5 einen entsprechenden Ausgleich der Drehzahlen der Elektromotorantriebsaggregate 6,7. Dieser Ausgleich kann beispielsweise von dem Lenkausschlag der Vorderräder 1 abgeleitet sein.

ίο Im Ausführungsbeispiel besteht das Elektromotorantriebsaggregat aus dem mit geringerer Leistung ausgelegten ersten Reihenschlußmotor 6 und einem demgegenüber etwa auf die doppelte Leistung ausgelegten zweiten Reihenschlußmotor 7, die beide auf eine gemeinsame Antriebswelle 8 arbeiten und je durch einen Freilauf 12 miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind. Jedes Elektromotoranaiebsaggregat 6, 7 kann ein gemeinsames Gehäuse 13 für jeweils den ersten Reihenschlußmotor 6 und den zweiten Reihenschlußmotor 7 aufweisen. Die beide.· Elektromotorantriebsaggregate mit jeweils den Reihenschlußmotoren 6 und 7 werden über die Steuereinheit 5 angesteuert Die Schaltung der Steuereinheit 5 ist so ausgebildet, daß zum Anfahren lediglich die ersten Reihenschlußmotoren 6 auf die jeweilige Antriebswelle 8 arbeiten und über die Kraftübertragung 11 die Antriebsräder 2 in Umdrehung versetzen. Hat das Fahrzeug die notwendige Geschwindigkeit erreicht, kann der zunächst von dem ersten Reihenschlußmotor 6 durch- den Freilauf 12 getrennte zweite Reihenschlußmotor 7 hinzugeschaltet werden, so daß dann die beiden Elektromotorantriebsaggregate mit jeweils den ersten Reihenschlußmotoren 6 und den zweiten Reihenschlußmotoren 7 gemeinsam die Antriebsleistung erbringen. Dabei sind jeweils die ersten Reihenschlußmotoren 6 und die zweiten Reihenschlußmotoren 7 untereinander in Serie geschaltet. Bei Unterschreiten einer vorgesehenen Mindestgeschwindigkeit werden die zweiten Reihenschlußmotoren 7 wieder abgeschaltet, so daß die beiden ersten Reihenschlußmotoren 6 dann allein den Antrieb des Fahrzeugs über die beiden Antriebsräder 2 bewirken. Für eine zusätzliche Schnellfahrt ist eine Parallelschaltung aller vier Motoren 6 und 7 vorgesehen.
An die Stelle der paarweisen Motorenanordnung je Antriebsrad 2 können auch mehr als zwei Motoren treten, was jedoch im einzelnen nicht dargestellt ist, die in analoger Weise nach Wahl einander zu- und voneinander abgeschaltet werden können.

Die Steuereinheit 5 kann beispielsweise mit dem Tachometer 14 des Fahrzeugs verbunden sein und die Sperre für die Schneilfahrtschaltung bis zu einer vorwähibaren Geschwindigkeitsschwelle wirksam werden Ia"iser.. Auch kann die Steuereinheit 5 in Verbindung mit dem Tachometer 14 bei Unterschreiten einer ebenfalls vorgebbaren zweiion Geschwindigkeitsscbwelle die Umschaltung in die Langsamfahrt veranlassen.

Die F i g. 3 bis 6 geben verschiedene Schaltmöglichkeiten der erfindnngsgemäßen Antriebsanordnung wieder. So zeigt F i g. 3, daß die Steuereinheit 5 zu den in

6Q Reihe geschalteten ersten Reihenschlußmotoren 6, die den Anfahrbereich des Fahrzeugs bestreiten, vosi einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich aus die beiden gleichfalls untereinander in Reihe geschalteten zweiten Reihenschlußmotoren 7 derart zuschaltet, daß jedem ersten Reihenschlußmotor 6 ein zweiter Reihenschlußmotor 7 mechanisch und elektrisch zugeschaltet ist.

Die Ausführungsform nach F i g. 4 zeigt die Reihenschaltung sämtlicher vier Motoren der beiden Elektro-

motorantriebsaggregate nach F i g. 2.

Bei der Schaltung nach Fig. 5 befinden sich die beiden ersten Reihenschlußmotoren 6 in Reihenschaltung untereinander, hingegen sind die beiden zweiten Reihenschlußmotoren 7 parallelgeschaltet.

Schließlich ist in F i g. 7 eine Parallelschaltung sämtlicher Motoren 6 und 7 der Elektromotorantriebsaggregate wiedergegeben. Daraus geht die große Vielfalt der möglichen Schaltungen und des dadurch möglichen unterschiedlichen Betriebsverhaltens des Fahrzeugs hervor. Die verschiedenen Möglichkeiten lassen sich durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen abwandeln.

Ein Beispiel verdeutlicht die Vorteile des Betriebs des Fahrzeugs nach Fig. 1 und 2, wobei der Einfachheit wegen auf nur ein Elektromotorantriebsaggregat 6, 7 Bezug genommen wird. Es wird ein Zwei-Motor-Antrieb mit den Reihenschlußmotoren 6 und 7 (Pn ι je 6 kW, /j,v = 2200 U/min, Mn, =24 Nm, Im =200 A. u'n = 40 Vj mit einem nennieistungsgieicnen Ein-Motor-Antrieb (Pn2 = 12 kW, n_N = 2200 U/min, M/V2 = 2 Mm = 48 Mn, In₂ = 2 Im =400 A, O_n = 40 V) für ein Elektrofahrzeug verglichen. Beide Motorenanordnungen, die für dieselbe Nennspannung, -drehzahl und -leistung ausgelegt sind, arbeiten mit derselben Batterie 4, deren Strombegrenzung mit 400 A festgesetzt wird. Aus Vereinfachungsgründen wird für alle Reihenschlußmotoren 6 und 7 und den gegenübergestellten Einzelmotor derselbe Wirkungsgrad angesetzt. Bestimmungsgemäß weisen die beiden Motorenanordnungen im Schnellfahrtbereich — Gegenüberstellung der parallel geschalteten Reihenschlußmotoren 6,7 mit je 6 kW und des Einzelmotors mit 12 kW — dasselbe Beschleunigungsverfahren und dieselbe erzielbare Höchstgeschwindigkeit auf.

Bei dem folgenden Vergleich wird die Beschleunigung beider Motorenanordnungen im Anfahrbereich

tigung des kleinen ersten Reihenschlußmotors 6 zwar die Überhöhung seines Anfahrdrehmoments bei dem Grenzstrom gegenüber demjenigen des gegenübergestellten Einzelmotors dämpft, den Vorteil — insbesondere bei entsprechender magnetischer Auslegung — im Grundsatz jedoch nicht eliminiert.

nanantiJ^Arnaetalj^ Dabei WiTw duVQH 2US⁰S⁰S

der im Anfahrbereich wirksame erste Reihenschlußmo6 des Elektromotorantriebsaggregates mit 6 kW

kW

bzw. der gegenübergestellte Einzelmotor mit 12 kW 'den von der Akkumulatorenbatterie 4 her zulässigen Grenzstrom aufnehmen. Weiter wird die Wirkung der möglicherweise auftretenden magnetischen Überlastung des ersten Reihenschlußmotors 6 im Anfahrbereich außer Acht gelassen.

Im gewählten Beispiel weist der erste Reihenschlußmotor 6 infolge des quadratischen Verknüpfungsgesetzes ein Anfahrdrehmoment von 4 · Myvi = 96 Nm auf. Der gegenübergestellte einzelne 12-kW-ReihenschIußmotor erreicht nur 48 Nm, da die Strombegrenzung nur den Nennstrom dieses 12-kW-Motors zuläßt, und dieser Motor damit sein Nenndrehmoment von 48 Nm erzielt

Die größere Dimensionierung des einzelnen 12-kW-Elektromotors, der allein die gewünschte Fahrzeughöchstgeschwindigkeit sicherstellen muß, hat ein kleineres Anfahrdrehmoment zur Folge. Das Elektrofahrzeug fährt mit dem ersten Reihenschlußmotor 6 zügiger an. Der Vorteil der Anordnung von Motorenpaaren anstelle eines Einzelmotors pro Antriebsrad und des nacheinander Zuschaltens von erstem Reihenschlußmotor 6 und zweitem Reihenschlußmotor 7 eines Elektromotorantriebsaggregats besteht vor allem darin, daß bei dem Elektromotorantriebsaggregat beim Anfahren unter Berücksichtigung der Strombegrenzung ein höheres Beschleunigungsmoment zur Verfügung steht bei sonst gleichem Verhalten beider Antriebe im Schnellfahrbereich.

Es kann im übrigen gezeigt werden, daß die EisensätHierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektromotorisch angetriebenes Straßenfahrzeug mit zumindest zwei Antriebsrädern,

je einem Elektromotorantriebsaggregat pro Antriebsrad, Akkumulatorenbatterie und Steuereinheit,

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wobei jedes Elektromotorantriebsaggregat einen ersten Reihenschlußmotor und einen zweiten Reihenschlußmotor aufweist wobei ferner beim Anfahren sowie bei Langsamfahrt zuerst die ersten Reihenschlußmotoren mit Hilfe der Steuereinheit einschaltbar und außerdem bei höherer Geschwindigkeit und Schnellfahrt die zweiten Reihenschlußmotoren zuschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Elektromotorantriebsaggi£-3ate (6, 7) der erste Reihenschlußmotor

(6) sowie der zweite Reihenschlußmotor (7) über einen Freilauf (12) mechanisch so verbunden sind, daß jeweils der erste Reihenschlußmotor (6) auf das Antriebsrad (2) arbeitet, und zwar über eine nichtstarre Antriebsübertragung (9), daß die ersten Reihenschlußmotoren (6) der beiden Elektromotorantriebsaggregate (6,7) im Anfahrbetrieb und bei Langsamfahrt mit Hilfe der Steuereinheit (5) elektrisch in Reihe schaltbar sind, daß bei Schnellfahrt die zweiten Reihenschlußmotoren (7) der beiden Elektromotorantriebsi?gregate (6, 7) elektrisch in Reihe und außerdem gemeinsam den in Reihe geschalteten ersten Reihenschlußmotoren $») elektrisch parallel schaltbar sind, und daG die nach den Regein der Leistungselektronik ausgelegte Steuereinheit (5) eine Einrichtung zur Strombegrenzung sowie eine Sperre aufweist, die erst bei Erreichen einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit die elektrisch parallele Zuschaltung der zweiten Reihenschlußmotoren

(7) zuläßt.