DE3737633C2 - Regeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeug - Google Patents

Description

Eine Regeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeug mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus "Japan Railway Cybernetics Conference", "Collection of Papers Released at the 18th Domestic Symposion on Utilisation of Cybernetics in Railway", veröffentlicht 18. November 1981, Seiten 245 bis 249, bekannt.

Bekannterweise wird einem einen Induktionsmotor eines elektrischen Fahrzeugs speisenden Wechselrichter eine Ausgangs(Arbeits)-Frequenz f_INV vorgegeben, indem eine Schlupffrequenz fs zu einer Frequenz fr, die der Drehzahl des In­ duktionsmotors entspricht (äquivalent zur Geschwindigkeit des Elektrofahrzeugs), addiert oder von dieser Frequenz fr subtra­ hiert wird. Der Wechselrichter wird mit einem Sollwert proportional zur Wechselrichter-Freqenz f_INV beaufschlagt, um seine Ausgangsspannung V abzugeben.

Was die Schlupffrequenz fs anbelangt, wird ein Sollwert fsp entsprechend dem geforderten Drehmoment vorge­ geben und durch ein Ausgangssignal eines Strom-Regelsystems korrigiert. Ein an das Strom-Regelsystem angelegter Strom-Sollwert wird zumindest in einem Bereich variabler Spannung und variabler Frequenz (variable voltage and variable frequency region/VVVF-Bereich) des Wechselrich­ ters konstant gehalten und hat zwei später zu beschreibende Moden oder Betriebszustände in einem Bereich konstanter Span­ nung und variabler Frequenz (constant voltage and variable frequency region/CVVF-Bereich). Im Gegensatz zu dem Strom-Sollwert nimmt ein rückzukoppelnder Motorstromwert die Form eines Mittelwertes von mehreren Motorströmen oder eines Maximalwertes von mehreren Motorströmen an.

Insbesondere wo eine Wieder-Haftfunktion als wichtig er­ achtet wird, wird vorzugsweise ein Maximalstrom-Regelsystem verwendet. In diesem System wird ein Maximalstrom erfaßt, so daß, selbst wenn ein Teil der Antriebsräder durchdreht, und der zu einem mit der durchdrehenden Welle verbundenen Motor fließende Strom abnimmt, das teilweise Durchdrehen keinen ne­ gativen Einfluß auf die anderen Räder hat. Daraus folgt, daß die durchdrehende Welle wieder in den Haftzustand gebracht werden kann, ohne unnötigerweise den Strom zu erhöhen, um das Drehmoment zu steigern. Ein derartiges Regelsystem ist in dem eingangs zitierten Artikel beschrieben.

Bei einem Induktionsmotor-getriebenen Elektrofahrzeug, das mit dem bekannten Maximalstrom-Regelsystem ausgerüstet ist, kommt es jedoch vor, daß ein gewünschtes Drehmoment-Ni­ veau nicht erreicht werden kann.

Der Unterschied im Raddurchmesser zwischen Rädern, die jeweils mit mehreren Induktionsmotoren verbunden sind, tritt in gewissem Umfang unvermeidlich auf. Der Raddurchmesser-Un­ terschied führt zu einer Differenz in der Drehfrequenz zwi­ schen den Motoren, und die Drehzahl-Differenz steigt an, wenn die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeugs ansteigt. Da die synchrone Drehzahl der Vielzahl der von dem gemeinsamen Wechselrichter gespeisten Induktionsmotoren gleich ist, wird andererseits die Differenz in der Schlupffrequenz zwischen den Motoren erhöht, so daß das Dreh­ moment-Ungleichgewicht zunimmt, wenn die Elektrofahrzeug-Ge­ schwindigkeit ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt bewirkt die Maximal­ strom-Regelung, daß der Strom zu einem Motor, der an dem Maximal-Drehmoment Anteil hat, auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, was dazu führt, daß das Drehmoment der übrigen Motoren umso mehr er­ niedrigt wird, je höher die Geschwindigkeit des Elektrofahr­ zeugs wird, und dadurch das Gesamt-Drehmoment abnimmt.

Ausgehend von der aus der eingangs genannten Druck­ schrift bekannten Maximalwertregelung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeug anzugeben, die es gestattet, das Gesamtdrehmoment möglichst konstant zu halten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in An­ spruch 1 gekennzeichnet. Danach wird der Motorstrom als Funk­ tion der Wechselrichterfrequenz oder der Fahrzeugge­ schwindigkeit erhöht und dadurch einer Abnahme des Gesamt­ drehmoments aufgrund einer Raddurchmesser-Differenz entgegen­ zuwirken.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen be­ schrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Regeleinrichtung für ein Induktionsmotor-angetriebenes Elek­ trofahrzeug;

Fig. 2 und 3 grafische Darstellungen zur Erläuterung der Eigenschaften einer von dem in Fig. 1 gezeigten Regeleinrichtung gesteuerten Elektrofahrzeugs; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei­ spiels einer Regeleinrichtung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Regeleinrichtung für ein Induktionsmotor-angetriebenes Elektrofahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 sind eine Gleichstrom-Leitung 1, ein Stromabnehmer 2, ein Haupt­ schalter 3, eine Filter-Drosselspule 4, ein Filter-Kondensator 5, ein VVVF-Wechselrichter 6 sowie Dreiphasen-Induktions(Asynchron-)motoren 7 und 8 dargestellt. Drehzahl-Sensoren 9 und 10 sind so ausgelegt, daß sie die Drehzahl der Induk­ tionsmotoren erfassen, und Strom-Umformer 11 und 12 so, daß sie die Primärströme der Induktionsmotoren erfassen. Weiterhin sind ein Drehzahl-Rechner 13, Grundwellen-Detektoren 14 und 15 sowie ein Maximalwert-Detektor 16 vorgesehen, der die höhere Ordnung bevorzugt. Ein Motorstrom-Sollwertgeber 17 ist so ausgelegt, daß er einen Primärstrom der Induk­ tionsmotoren vorgibt, und ein Komparator 18 hat die Funktion, einen Motorstrom-Sollwert Ip mit einem Motorstrom-Maximalwert I_Mmax zu vergleichen, um eine Differenz ΔI zu berechnen, die einem Stromregler 19 zugeführt wird. Eine Korrekturschaltung 20 kor­ rigiert einen vorgegebenen Schlupffrequenz-Sollwert fsp mit dem Ausgangssignal Δfs des Stromreglers 19, um eine Schlupf­ frequenz fs zu erzeugen. Eine Additions-Substraktions-Schaltung 21 addiert oder subtrahiert die Schlupffrequenz fs zu oder von einer Drehfrequenz fr der Motoren und wirkt während des Fahrbetriebs als Addierer und während einer Nutzbremsung als Subtrahierer. Ein γ-Modulations­ grad-Sollwertgeber 22 empfängt fr ± fs, d. h. die Wechselrichter-Frequenz f_INV, und erzeugt eine Motorspannung V. Eine Korrekturschaltung 23 empfängt die Motor-Drehzahl fr, die kennzeichnend für die Geschwindig­ keit des Elektrofahrzeugs ist, die Raddurchmesser-Abweichung ΔWD zwischen den angetriebenen Rädern, einen Sollwert 24 für den Fahrbetrieb sowie einen Sollwert 25 für Nutzbremsung und berechnet einen Korrekturwert ΔIp für den Motorstrom-Sollwert.

Im folgenden wird der Betrieb des nach Fig. 1 aufgebauten Regelsystems kurz erläutert. Von einer nicht gezeigten Haupt-Steuereinheit werden Fahr-Sollwerte für das elektrische Fahrzeug ausgegeben. Befindet sich die Regeleinrichtung in der Stellung "Fahrbetrieb", so erzeugt der Sollwertgeber 17 einen Motor­ strom-Sollwert Ip, so daß der Stromregler 19 den Schlupffrequenz-Korrekturwert Δfs liefert. Folglich liefert der Wechselrichter 6 an die Motoren eine Motorspannung V, wobei das Verhältnis V/f zwischen der Wech­ selrichter-Ausgangsspannung V (Motorspannung) und der Wechsel­ richter-Ausgangsfrequenz f_INV konstant ist, wodurch die Motoren veranlaßt werden, ein Drehmoment zu erzeugen. Wie oben be­ schrieben, werden die Motorströme durch die Grundwellen-Detektoren 14 und 15 und den Maximalwert-Detektor 16 mit Bevorzu­ gung der höheren Ordnung rückgekoppelt. Wenn das elektrische Fahrzeug beschleunigt, wird der Motorstrom-Sollwert Ip entsprechend der Drehzahl fr erzeugt, so daß eine Drehmoment-Regelung erfolgt.

Die Korrekturschaltung 23 ist der wesentliche Teil der Erfindung und wird im folgenden beschrieben. Da für die Steuerung des VVVF-Wechselrichters 6 hochgenaue Operationen erforderlich sind, wird ein Mikroprozessor als Steuerzentrum verwendet, mit dem verschiedene Operationen relativ leicht ausgeführt werden können. Aufbauend auf die Tatsache, daß im Leerlauf des Elektrofahr­ zeugs (Stellung AUS) die Geschwindigkeiten der Aufstands- bzw. Laufflächen der Antriebsräder (Umfangsgeschwindigkeiten der Vielzahl von Antriebsrädern) einander gleich sind, kann die Differenz im Raddurchmesser zwischen einzelnen Motorwellen zu­ geordneten Rädern leicht bestimmt werden, indem die Drehzahlen der einzelnen Wellen gelesen und ausgewertet werden. Im Drehzahl-Rechner 13 wird damit eine Raddurchmesser-Abweichung ΔWD zwischen den Rädern im Leerlauf bestimmt. Die Korrekturschaltung 23 bestimmt einen Korrektur-Koeffizienten K auf Grundlage der Raddurchmesser- Differenz ΔWD. Die Korrekturschaltung 23 berechnet dann ΔIp = -Kfr in einem Bereich, in dem die Drehzahl fr unter einer vorgegebenen Drehzahl fr₁ liegt, d. h. in dem fr ≦ fr₁ gilt, und ΔIp = Kfr₁ in einem Bereich, in dem die Drehzahl fr die vorgegebene Drehzahl fr₁ übersteigt, d. h. in dem fr < fr₁ gilt, und gibt den Rechenwert ΔIp an den Motorstrom-Sollwertgeber 17 ab. Durch die Maximalwert-Erfassungsmethode wird somit eine Verringerung im Gesamt-Drehmoment verhindert.

In den Fig. 2 und 3 sind grafisch Spannungs-, Strom- und Drehmoment-Kennlinien dargestellt, wenn eine Differenz in den Raddurchmessern vorliegt. Fig. 2 zeigt, daß bei Kon­ stant-Drehmoment-Steuerung bis zu einer Drehzahl fr₁ im CVVF-Bereich erfolgt, der Strom I_M so geregelt wird, daß er proportional zur Drehzahl fr nach Verlassen eines VVF-Bereiches, also ab dem Wert fr₀, erhöht wird.

Wenn der Maximalwert des Motorstroms I_M so geregelt wird, daß er bei Vorliegen einer Raddurchmesser-Differenz einer gestrichelten Kurve I_M0 folgt, wird das Gesamt-Drehmoment abnehmen, wie mit einer gestrichelten Kurve T₀ dargestellt, wenn die Drehzahl fr zunimmt.

Hat ein Motor, beispielsweise der Motor 8, der mit einem Rad mit einem relativ kleinen Raddurchmesser verbunden ist, konkret die Drehzahl fr(8), und ein Motor, beispielsweise der Motor 7, der mit einem Rad mit dem maxima­ len Raddurchmesser verbunden ist, die Drehzahl fr(7), nimmt die Differenz fr(8) - fr(7) zu, wenn die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl ansteigt. Im Gegensatz zur Schlupffrequenz fs(7) = f_INV - fr(7) des Motors 7, die im wesentlichen konstant bleibt, nimmt folglich die Schlupffrequenz fs(8) = f_INV - fr(8) des Motors 8 mit ansteigender Geschwindigkeit ab. Das ist der Grund für die Tatsache, daß das Drehmoment der jeweiligen Motoren bis auf den Motor, bei­ spielsweise den Motor 7, der mit dem Rad mit dem maximalen Raddurchmesser verbunden ist und mit dem maximalen Strom ver­ sorgt wird, abnimmt.

Wird der maximale Motorstrom so geregelt, daß er einer durchgezogenen Kurve I_M1 folgt, indem der oben be­ schriebene Korrekturwert ΔIp addiert wird, der mit einem aus der Raddurchmesser-Differenz ΔWD bestimmten Korrektur-Koeffizienten K korreliert ist, so kann das Gesamt- Drehmoment konstant gemacht werden, wie mit einer durchgezogenen Kurve T₁ angegeben.

Fig. 3 zeigt die Regelung, die von einem Bereich kon­ stanten Drehmoments über einen Bereich konstanter Leistung in einen Motor-charakteristischen Bereich übergeht.

Auch in diesem Fall kann die Korrektur wie im vorherigen Fall durchgeführt werden, und man kann eine Drehmoment-Kennlinie T₁ für das Elektrofahrzeug erhalten, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.

Im vorherigen Ausführungsbeispiel wird der Strom-Korrek­ turwert ΔIp über der Drehzahl fr₁ nur zur Erleichterung der Regelung linear entsprechend ΔIp = Kfr geändert. Der Strom- Korrekturwert wird mit ansteigender Drehzahl fr vorzugsweise geringfügig gesättigt, d. h. der Korrektur-Koeffizient K selbst wird geringfügig verringert, wenn die Drehzahl fr ansteigt, so daß eine leicht konvexe Strom-Kurve I_M1 entsteht.

Fig. 4 zeigt ein Steuersystem für ein Induktionsmotor- angetriebenes Elektrofahrzeug nach einem weiteren Ausführungs­ beispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis auf die Ausnahme, daß die Korrekturschaltung 23 für den Motorstrom-Sollwert durch eine Korrekturschaltung 26 für einen Spannungs-Sollwert ersetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel lassen sich Korrekturwirkungen nur er­ reichen, wenn der Wechselrichter 6 im VVVF-Bereich läuft.

Wie oben beschrieben, kann nach vorliegender Erfindung die mit ansteigender Geschwindigkeit einhergehende Verringe­ rung im Gesamt-Drehmoment selbst in der Maximalstrom-Steuerme­ thode korrigiert werden, die eine höhere Wiederhaft-Fähigkeit hat. Folglich kann man eine eine hohe Beschleunigung gestattende Regeleinrichtung für Induktionsmotor-angetriebene Elektrofahrzeuge erhalten.

Claims (3)

1. Regeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeug mit einem Wechselrichter (6) zur Erzeugung variabler Spannung (v) und variabler Frequenz (f_INV),
von dem Wechselrichter (6) gespeisten, auf verschiedene Räder arbeitenden Induktionsmotoren (7, 8),
Motorstrom-Istwertgebern (11, 12),
einem Auswerter (16) zur Erfassung des Motorstrom-Maxi­ malwertes (I_Mmax)
einem Motorstrom-Sollwertgeber (17) und
einem Regelkreis (18, 19, 20), dem der Motorstrom-Maxi­ malwert (I_Mmax) und der Motorstrom-Sollwert (I_p) zugeführt werden und der die Frequenz (f_INV) des Wechselrichters (6) beeinflußt,
gekennzeichnet durch eine Korrektureinrichtung (23), die einen den Motorstrom-Sollwert (Ip) erhöhenden, mit zunehmen­ der Wechselrichterfrequenz (f_INV) oder zunehmender Fahrzeug­ geschwindigkeit steigenden Korrekturwert (ΔIp) erzeugt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Motorstrom-Sollwertgeber (17) den Motorstrom- Sollwert (Ip) bis zu einer Motordrehzahl fr₁ proportional zur Wechselrichterfrequenz (f_INV) oder zur Fahrzeuggeschwindigkeit er­ höht, wobei fr₁ innerhalb desjenigen Motordrehzahlbereichs liegt, in dem die Ausgangsspannung (V) des Wechselrichters (6) konstant ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (9, 10, 13) zur Erfassung eines der Motordrehzahl oder der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Frequenzwertes (fr),
eine Einrichtung zur Vorgabe eines Schlupffrequenz-Sollwertes (fsp),
eine Einrichtung (21) zur Addition oder Subtraktion des Schlupffrequenz-Sollwertes (fsp) zu bzw. von dem Frequenzwert (fr) zur Steuerung der Wechselrichterfrequenz (f_INV), und
eine Einrichtung (19, 20) zur Korrektur des Schlupffre­ quenz-Sollwertes (fsp) entsprechend der Differenz aus dem Motorstrom-Sollwert (Ip) und dem Motorstrom-Maximalwert (I_Mmax).