DE3638946A1

DE3638946A1 - Verfahren zum schutz des elektroantriebes eines fahrzeuges gegen ueberlast

Info

Publication number: DE3638946A1
Application number: DE19863638946
Authority: DE
Inventors: Juergen Angelis; Hartmut Scherf; Helmut Haase
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1988-05-26
Also published as: DE3774087D1; US4845414A; DE3638946C2; JPS63136903A; EP0270850B1; EP0270850A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz des Elektroantriebes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektroautos, gegen Überlast bei vorübergehendem Über schreiten der Nennleistung.

Elektrische Antriebe besitzen den Vorteil, daß sie kurz zeitig überlastet werden können, mit anderen Worten ihre Nennleistung (höchstzulässige Dauerleistung) kann für kurze Zeit überschritten werden. Dieser Vorteil wird bei Elektrofahrzeugen betriebsmäßig zum Anfahren und Be schleunigen bzw. zum Befahren von Steigungen und Rampen genutzt. Der Überlastbetrieb muß jedoch zeitlich einge grenzt werden, um den elektrischen Antrieb vor Schäden zu schützen.

Ein Überlastschutz ist durch die thermische Überwachung aller Antriebskomponenten gegeben. Wenn vorgegebene Tem peraturschwellen überschritten werden, wird die Leistung des Antriebes automatisch zurückgenommen. Die Leistungsrücknahme führt zu einer Reduzierung der Fahr geschwindigkeit. Für den Fahrzeugbetreiber tritt die Geschwindigkeitsreduktion überraschend auf, was zu ge fährlichen Verkehrssituationen führen kann.

Eine weitere Möglichkeit für einen Überlastschutz stellt die Überwachung des über die Zeit integrierten Betriebs stromes dar. Beispielsweise ist durch die DE-PS 24 31 540 eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer elektrischen Maschine gegen zu hohe Erwärmung be kanntgeworden, bei der durch Begrenzung des Motorstromes die Läufertemperatur so beeinflußt wird, daß die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Hierfür wird das Quadrat des gemessenen Stromes integriert und der Integralwert mit einem der Nennleistung entsprechen den Temperaturwert verglichen. Bei zu hohen Integralwer ten wird der Motorstrom reduziert. Wird diese Steuerung bei Elektrofahrzeugen angewendet, so können ebenfalls Überraschungseffekte für den Fahrzeugbetreiber auftre ten, da die Fahrzeughöchstgeschwindigkeit von der Vorge schichte der Fahrleistung abhängt. Eine vorhersehbare, reproduzierbare Fahrleistung (Höchstgeschwindigkeit) ist nicht einstellbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachtei le zu vermeiden und ein Verfahren zum Schutz des Elek troantriebes eines Fahrzeuges anzugeben, durch das redu zierbare Fahrleistungen eingehalten und Überraschungsmo mente für den Fahrzeugbetreiber vermieden werden können.

Die Aufgabe wird für ein Verfahren zum Schutz des Elek troantriebes eines Fahrzeuges gegen Überlast dadurch gelöst, daß die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges auto matisch derart begrenzt wird, daß eine bei Nennbetrieb des Elektroantriebes sich entsprechend den beschleuni gungsunabhängigen Fahrwiderständen ergebende Dauergeschwindigkeit nicht, bzw. nur während kurzer Zeitspannen, überschritten wird. Das Verfahren wird durchgeführt, sobald die Nennleistung bzw. der Nennstrom des Elektroantriebes überschritten wird. Eine kurzzeitige, die Nennleistung übersteigende Leistung wird dabei nur zum Beschleunigen freigegeben.

Die Nennleistung des Elektroantriebes, zu dem die Fahr zeugkomponenten von der Energiequelle bis zu den An triebsrädern gezählt werden, ist gleich der maximal zulässigen Dauerfahrleistung des Antriebes. Dieser Dau erleistung entspricht eine maximal zulässige Dauerge schwindigkeit des Fahrzeuges, die sich unter den gegebe nen beschleunigungsunabhängigen Fahrwiderständen ein stellt. Als beschleunigungsunabhängige Fahrwiderstände können z. B. der Rollwiderstand, der Steigungswiderstand, der Luftwiderstand und der Kurvenwiderstand angesehen werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich repro duzierbare Fahrleistungen, denn die höchste zugelassene Dauergeschwindigkeit geht auf die Leistung des Nennbe triebes und nicht auf die Höchstleistung des Antriebes zurück. Überraschungsmomente durch eine plötzliche, von einem Überlastschutz ausgelöste Leistungs- und Geschwin digkeitsverminderung können vermieden werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß aus den aktuellen Fahrwiderständen und der Nennlei stung des Elektroantriebes laufend eine maximal zulässi ge Dauergeschwindigkeit bestimmt wird, welche mit der aktuell vorliegenden Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen wird, und daß eine Reduktion der Antriebsleistung (bzw. des Antriebsstromes) auf den Leistungsnennwert (bzw. den Stromnennwert) dann erfolgt, wenn die Fahrzeuggeschwin digkeit gleichgroß oder größer als die zulässige Dauer geschwindigkeit ist.

Ein kurzzeitiges Überschreiten des Leistungs- bzw. Stromnennwertes wird im Falle der Beschleunigung solange zugelassen, bis die dem Nennbetrieb des Antriebes ent sprechende Dauergeschwindigkeit erreicht ist. Eine Be schleunigung über diese Dauergeschwindigkeit hinaus kann dann nicht erfolgen.

Vorzugsweise werden zur Ermittlung der maximal zulässi gen Dauergeschwindigkeit Meßwerte herangezogen, die un mittelbar im Fahrzeug abgefragt werden können. Dies sind z. B. Antriebsstrom, Antriebsspannung, Drehzahl der elek trischen Maschine und Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die Bestimmung der Dauergeschwindigkeit kann anhand der nachstehend angegebenen Gleichung (12) erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Fahrzeugleistung dann begrenzt wird, wenn die Differenz zwischen der unter den gegebenen Be triebsbedingungen aufzubringenden elektrischen Leistung und der elektrischen Nennleistung des Antriebes größer wird als die Beschleunigungsleistung des Elektrofahrzeu ges dividiert durch den bei Nennleistung vorliegenden Wirkungsgrad des Elektroantriebes.

Eine Begrenzung der Fahrzeugleistung wird auch hier zweckmäßigerweise durch eine Reduktion des Antriebstro mes auf den Nennstrom des elektrischen Antriebes vorge nommen. Auch bei dieser Lösung können alle erforderli chen Meßdaten unmittelbar im Fahrzeug abgefragt werden. Der angesprochene Wirkungsgrad des Elektroantriebes ist gleich dem Quotienten aus der Leistung am Rad des Fahr zeuges zur elektrischen Leistung des Antriebes.

Um bei einer Leistungsreduktion ein sprunghaftes Um schalten von Antriebsstrom auf Nennstrom zu vermeiden, wird die Begrenzung des Antriebstromes vorzugsweise mit einer Zeitkonstanten von wenigen Sekunden (z. B. 10 sec) vorgenommen. Auf diese Weise wird ein Beschleunigungs vorgang nicht abrupt abgebrochen.

Im folgenden sollen theoretische Grundlagen der Erfin dung dargelegt und anhand der Zeichnung die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit beim Beschleunigen eines Fahrzeuges,

Fig. 2 den Ablauf eines Verfahrens gemäß Anspruch 2,

Fig. 3 den Ablauf eines Verfahrens gemäß Anspruch 3 und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

I. Theoretische Grundlagen

Der Leistungsbedarf P _r eines Fahrzeuges am Rad ergibt sich zu

P _r = F · v (1)

mit

v - Geschwindigkeit F - Fahrwiderstand

Der Fahrwiderstand F ergibt sich aus der Addition von

F _r - Rollwiderstand F _st - Steigungswiderstand F _L - Luftwiderstand F _b - Beschleunigungswiderstand und F _k - Kurvenwiderstand
(wird im folgenden vernachlässigt).

P _r = (F _r + F _st + F _L + F _b) · v (2)

Die einzelnen Widerstände können aus folgenden Gleichun gen ermittelt werden:

F _r = m · g · f _r (3)

mit

m - Fahrzeugmasse (kg) g - 9,81 m/sec² f _r - Reibbeiwert

F _st = m · g · sin Alpha (4)

Alpha ist der Steigungswinkel

F _L = 0,5 · d · c _w · A · (v ± v _w)² (5)

mit

d - Dichte der Luft = 1,25 kg/m³ c _w - Luftwiderstandszahl A - Fahrzeugfläche v _w - Windgeschwindigkeit

Faßt man die Konstanten zu k zusammen, so ergibt sich aus Gleichung (5):

F _L = k · (v ± v _w)² (6)

Der Beschleunigungswiderstand F _b setzt sich aus einem translatorischen Anteil und einem rotatorischen Anteil zusammen. Der rotatorische Anteil ergibt sich aus der Summe der auf das Rad bezogenen Trägheitsmomente (Multi plikation mit dem Quadrat der Übersetzungen) multipli ziert mit der Beschleunigung b. Der rotatorische Anteil wird in Form eines Massenfaktors c berücksichtigt. Damit ergibt sich der Beschleunigungswiderstand zu

F _b = m · (1 + c) · b (7)

Aus der Messung von Geschwindigkeit v (km/h) und Motor drehzahl n (U/min) sowie dem Reifenhalbmesser r (m) läßt die Übersetzung ü _i ermitteln.

ü _i = 0,3777 · r · n/v (8)

Enthält der Antrieb ein Wechselgetriebe, so lassen sich den unterschiedlichen Übersetzungen ü _i bekannte Massen zuschlagfaktoren c _i zuordnen

ü ₁ → c ₁
ü ₂ → c ₂
ü ₃ → c ₃ usw.

Aus der Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit (V ₂, V ₁, t) läßt sich die Beschleunigung b ermitteln.

b = (v ₂ - v ₁)/t (9)

Aus den Gleichungen (7) bis (9) errechnet sich der Be schleunigungswiderstand F _b.

Mit den vorstehenden Gleichungen läßt sich der Lei stungsbedarf P _r eines Fahrzeuges am Rad prinzipiell aus Konstanten (m, g, f _r, k, r, c _i) und Meßwerten (v, n, Alpha, v _w) bestimmen. Allerdings sind der Steigungswinkel Alpha und die Winkelgeschwindigkeit einer Messung vom Fahrzeug aus nicht ohne weiteres zugänglich. Beide Größen lassen sich jedoch in erster Näherung zu dem Wert eines Scheinstei gungswinkels Alpha zusammenfassen, da sich Gegen- bzw. Rückenwind vom Fahrzeug aus betrachtet wie eine Steigung oder ein Gefälle auswirken.

Die Leistung P _r am Rad ergibt sich auch aus der Messung der Antriebsspannung U und dem Antriebsstrom I zu:

U · I · ETA = P _r (10)

ETA ist der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Antrie bes von der elektrischen Leistungsversorgung bis zum Rad. ETA ist grundsätzlich bei einem Antrieb bekannt und kann über ein Kennlinienfeld als Funktion von Leistung, Drehzahl und Übersetzung vorgegeben werden.

Aus den Gleichungen (2), (4) und (10) ergibt sich der Steigungswinkel Alpha zu:

sin Alpha = (U · I · ETA - (F _r + F _b) · v - k · v ³)/ m · g · v (11)

Da diese Gleichung (11) lediglich Konstanten bekannter Größe und Meßgrößen (I, U, v, n) enthält, die im Fahrzeug unmittelbar gewonnen werden können, läßt sich der Stei gungswinkel Alpha jederzeit im Fahrzeug ermitteln.

II. Berechnung der höchstzulässigen Dauergeschwindigkeit v _D

Die höchstzulässige Dauergeschwindigkeit v _D des Fahrzeu ges stellt sich bei den aktuellen Fahrwiderständen als konstante Geschwindigkeit ein, wenn der Elektroantrieb mit seiner Nennleistung P _n betrieben wird und auf das Fahrzeug keine beschleunigenden oder verzögernden Kräfte einwirken. Aus den Gleichungen (2) bis (6) ergibt dann für die Nennleistung P _n, die am Rad ansteht:

P _n = I _n · U _n × ETA = (f _r + sin Alpha) · m · g · v _D + k · v _D ³ (12)

mit

I _n - Nennstrom U _n - Nennspannung

Die Dauergeschwindigkeit v _D läßt sich durch Lösung der Gleichung (12) ermitteln. Zur Lösung der Gleichung (12) kann beispielsweise ein Iterationsverfahren angewendet werden.

III. Begrenzung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf v _D

Solange die elektrische Leistung des Antriebes unter der Nennleistung P _n liegt, wird der elektrische Antrieb nicht überlastet und ein Verfahren zum Schutz gegen Überlast braucht nicht einzugreifen. Beim Beschleunigen des Fahrzeuges ist es jedoch häufig erwünscht, die elek trische Leistung über die Nennleistung hinaus zu stei gern, um einen erhöhten Beschleunigungseffekt zu erzie len. Die erhöhte Leistung P _k führt zu einer verstärkten und auf Dauer nicht zulässigen Belastung des Elektroan triebes. Sie darf daher nur kurze Zeit zugelassen wer den.

Erfindungsgemäß wird sie dadurch begrenzt, daß eine Ge schwindigkeitssteigerung über die Dauergeschwindigkeit v _D, die vorstehend definiert wurde, nicht zugelassen wird. Zur näheren Erläuterung dient Fig. 1, die einer seits den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit bei Be schleunigung unter Nennleistung P _n und andererseits un ter einer kurzzeitig zugelassenen Überleistung P _k zeigt. Bei Nennleistung P _n wird das Fahrzeug bis auf die Dauer geschwindigkeit v _D beschleunigt (Definition). Bei der Überleistung P _k wird das Fahrzeug stärker beschleunigt. Der Beschleunigungsvorgang wird jedoch zum Zeitpunkt A abgebrochen, um den Antrieb nicht zu überlasten. Der Antrieb wird auf den Nennbetrieb heruntergesteuert, und das Fahrzeug bewegt sich mit seiner Dauergeschwindigkeit v _D weiter. Hierfür werden im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 zwei Verfahren beschrieben.

IV. Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Verfahren

a) Gemäß Fig. 2 wird zunächst in der Abfrage 10 ermittelt, ob der Strom I des elektrischen Antriebes größer ist als der Nennstrom I _n. Ist dies nicht der Fall, so liegt eine Überlast nicht vor und eine eventuell vorliegende Strom begrenzung wird in der Operation 11 aufgehoben. die Stromabfrage 10 kann dann in vorgebbaren Zeitabständen wiederholt werden. Ist der gemessene Antriebsstrom I größer als der Nennstrom I _n, so wird die Dauergeschwin digkeit v _D in einer Operation 12 anhand der Gleichung (12) berechnet. Die Berechnung kann durch eine entspre chende elektrische Schaltungsanordnung oder einen elek tronischen Rechner erfolgen. Anschließend wird in einer weiteren Abfrage 13 festgestellt, ob die Fahrgeschwin digkeiten v des Fahrzeuges größer ist als die errechnete Dauergeschwindigkeiten v _d. Ist dies nicht der Fall, so wird der Abfragezyklus wiederholt. Ist die Fahrge schwindigkeit v größer als die Dauergeschwindigkeit v _D, so wird in einer Operation 14 eine Begrenzung des An triebsstromes I auf den Nennstrom I _n vorgenommen. An schließend wird der Abfragezyklus wiederholt Die Strombegrenzung in der Operation 14 erfolgt zweck mäßigerweise nicht sprunghaft, sondern ist mit einer Zeitkonstanten von beispielsweise 10 Sekunden behaftet. Hierdurch wird vermieden, daß ein Beschleunigungsvorgang abrupt abgebrochen wird, sobald die Dauergeschwindigkeit v _D erreicht ist.

b) Auf die unmittelbare Berechnung des Fahrwiderstandes und der Dauergeschwindigkeit v _D kann durch Anwendung des nachfolgend anhand Fig. 3 beschriebenen Verfahrens ver zichtet werden. Diesem Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, daß dann, wenn die Antriebsleistung P größer ist als die Nennleistung P _n, der Leistungsanteil des elektrischen Antriebes, der die Nennleistung übersteigt, kleiner ist als die Beschleunigungsleistung P _b des Fahr zeuges. Ist die Fahrzeuggeschwindigkeit v größer als die vorstehend definierte Dauergeschwindigkeit v _D, so ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt, so daß eine Strombe grenzung auf den Nennstrom I _n vorgenommen wird.

Diese Zusammenhänge lassen sich aus den Gleichungen (11) und (12) ableiten. Bei Anwendung der Bedingung v _D größer als v ergibt sich dann die Beziehung

P _n < U · I · ETA - m · (1 + c _i) · b · v (13)

Verwendet man die Definitionen

P _elD · ETA = P _n (P _elD - elektrische Dauerleistung) (14)

U · I · ETA = P (15)

m · (1 + c _i) · b · v = P _b (16)

so folgt:

U · I - P _elD < P _b/ETA oder P - P _n < P _b (17)

Gemäß Fig. 3 wird zunächst in der Abfrage 15 geprüft, ob das Fahrzeug fährt. Ist dies der Fall, so wird in der Abfrage 16 ermittelt, ob der Strom I des elektrischen Antriebes größer ist als der Nennstrom I _n. Ist dies nicht der Fall, so wird das Fahrzeug nicht mit Überlast betrieben und eine eventuell vorliegende Strombegrenzung wird in der Operation 17 aufgehoben. Ist der gemessene Strom I größer als der Nennstrom I _n, so wird in einer Operation 18 die Beschleunigungsleistung P _b gemäß Glei chung (16) unter Verwendung der zeitlichen Ableitung (Differentiation) der Fahrgeschwindigkeit v ermittelt. Anschließend erfolgt die Abfrage 19 gemäß der Beziehung (17). Ist die Beziehung (17) erfüllt, so wird der Abfra gezyklus wiederholt. Anderenfalls wird durch die Opera tion 20 der Strom I des elektrischen Antriebes auf den Nennstrom I _n begrenzt. Auch hier ist es zweckmäßig, die Strombegrenzung allmählich vorzunehmen (Zeitkonstante).

Das Verfahren arbeitet unabhängig von allen Störeinflüs sen, die außerhalb des Fahrzeuges liegen und nur über Berechnungen ermittelt werden können (Windgeschwindig keit, Steigung, Kurvenfahrt, Straßenbelag), da diese bei der Differenzenbildung nach Gleichung (17) enthalten sind. Als Informationen dienen Größen, die normalerweise im Fahrzeug gemessen werden.

Unter der Voraussetzung, daß die Dauerleistung auch im Falle der thermischen Leistungsberechnung noch zur Ver fügung steht, kann eine einmal erreichte Geschwindigkeit immer gehalten werden. Überraschungseffekte können daher vermieden werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, durch die die Operation 18 und Abfrage 19 gemäß Fig. 3 realisiert wer den.

Aus den Meßwerten der Motordrehzahl n und der Fahrzeugge schwindigkeit v wird durch den Operator 22 anhand der Gleichung (8) das Übersetzungsverhältnis ü _i bestimmt und der zugehörige Massenzuschlagfaktor c _i ermittelt. In dem Summenbildner 23 wird zum Massenzuschlagfaktor c _i die Zahl 1 addiert.

Im Differenzierer 24 wird aus dem Geschwindigkeitsmeß wert v die Beschleunigung b gebildet, welche im Multi plizierer 25 mit der Fahrzeugmasse m multipliziert wird. In dem nachgeschalteten Multiplizierer 26 wird das Er gebnis des Multiplizierers 25 mit dem Ergebnis des Sum menbildners 23 multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 26 wird in dem Dividierglied 27 durch den Wirkungsgrad ETA des elektrischen Antriebes geteilt. Das Ergebnis wird in einem weiteren Multiplizierer 28 mit dem Geschwindigkeitsmeßwert v multipliziert, wodurch ein Signal gewonnen wird, das gleich der Beschleuni gungsleistung P _b dividiert durch den Wirkungsgrad ETA ist.

Die Abfrage 19 ist durch einen Multiplizierer 29, ein Summenglied 30 und ein Schwellenglied 31 realisiert. Im Multiplizierer 29 wird aus den Meßwerten von Antriebs strom I und Antriebsspannung U das Produkt gebildet. Von diesem Produktwert wird im Summierglied 30 der bereits gewonnene Quotient aus Beschleunigungsleistung P _b und Wirkungsgrad ETA subtrahiert. Der Differenzwert wird dem Schwellenglied 31 zugeführt und in diesem mit dem vor gebbaren Wert der maximal zulässigen elektrischen Dauer leistung P _elD des elektrischen Antriebes verglichen. Ist der Differenzwert größer als P _elD, so ist eine Strombe grenzung nicht erforderlich. Diese Information wird über den Ausgang A zur Weiterverarbeitung ausgegeben.

Claims

1. Verfahren zum Schutz des Elektroantriebes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektroautos, gegen Über last bei vorübergehendem Überschreiten der Nennleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrgeschwindigkeit (v) des Fahrzeuges automatisch derart begrenzt wird, daß eine bei Nennbetrieb des Elektroantriebes sich entspre chend den beschleunigungsunabhängigen Fahrwiderständen (F _r, F _st, F _L) ergebende Dauergeschwindigkeit (v _D) nicht überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß aus den aktuellen Fahrwiderständen (F _r, F _st, F _L) und der Nennleistung (P _n) des Elektroan triebes eine maximal zulässige Dauergeschwindigkeit (v _D) bestimmt wird, welche mit der aktuell vorliegenden Fahr zeuggeschwindigkeit (v) verglichen wird, und daß eine Reduktion der Antriebsleistung (P _el) auf den Nennwert (P _n) dann erfolgt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) gleichgroß oder größer als die zulässige Dauergeschwin digkeit (v _D) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Fahrzeugleistung dann begrenzt wird, wenn die Differenz zwischen der unter den gegebenen Betriebs bedingungen aufzubringenden elektrischen Leistung (U × I) und der elektrischen Nennleistung (P _elD) des Antriebes größer wird als die Beschleunigungsleistung des Elektrofahrzeuges dividiert durch den Wirkungsgrad (ETA) des Elektronantriebes.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Begrenzung der Fahrzeugleistung der Antriebsstrom (I) der elektrischen Maschine auf den Nennstrom (I _n) begrenzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Begrenzung der Antriebsleistung oder des Antriebsstromes (I) mit einer Zeitkonstanten von wenigen Sekunden vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß für den Wirkungsgrad (ETA) des Elektroantriebes eine Konstante eingesetzt wird.