DE3909861C2 - Niederflur-Stadtbus mit Elektromotor-Einzelradantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Niederflur-Stadtbus mit Elektromotor-Einzelradantrieb. Aus den VDI-Berichten Nr. 878, 1991, Seiten 611 bis 622 ist ein solcher Niederflur-Stadtbus mit Elektromotor- Einzelradantrieb bekanntgeworden.

Ein rein elektrischer Batterie-Stadtbus bietet bekanntlich viele Vorteile. Er ist emissionsfrei, geräuscharm und unabhängig von Ölimporten. Zusätzlich ist die Nutzbremsung möglich, die gleichzeitig eine verschleißfreie und unerschöpfliche Sicherheitsbremsung ist. Bei Bremsungen kann die in der Fahrzeugmasse gespeicherte kinentische und geodätische Energie weitgehend zurückgewonnen werden.

Die Hauptaufladung der Batterie kann mit Nachtstrom erfolgen, der nicht nur kostengünstig ist, sondern gleichzeitig belegt, daß solche Batterie-Fahrzeuge keine zusätzlichen Stromkapazitäten erfordern, sondern die bereits vorhandenen besser nutzen. Hierdurch begründet sich die Bereitschaft zur Förderung solcher Fahrzeuge seitens der Kraftwerksbetreiber.

Aus etzArchiv, Band 3, 1981, Heft 12, Seiten 405 bis 412, ist ein Elektro-Stadtbus mit Batterie- und Schwungmassenspeicher als Langzeit- und Kurzzeitspeicher bekanntgeworden.

Die Zeitschrift "Elektrische Bahnen b", 85. Jahrgang, Heft 8/1987, enthält auf den Seiten 252 bis 260 einen Aufsatz "Elektroauto mit Hochenergiebatterie".

DE 29 08 270 A1 beschreibt die Zuordnung besonderer Umrichter zu den Fahrmotoren, während DE-PS 6 61 187 die besondere Anordnung von Antriebsmotoren im Fahrzeug beschreibt. DE 31 33 027 C2 zeigt bei einem Fahrzeug eine Kegelradlagerung, die zusätzlich die Radlagerung bildet.

Am Bus der eingangs beschriebenen Gattung werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Überragend wichtig ist das Erfordernis der Wirtschaftlichkeit.

Eine entscheidende Rolle spielt die Nutzlast (Fahrgäste) im Verhältnis zum Leergewicht des Fahrzeuges. Nutzlast plus Fahrzeuggewicht muß aber im Rahmen der maximal zulässigen Achslasten liegen wegen der Straßen-Verkehrs-Zulassungsverordnung. Aus diesem Grunde gibt es z. Zt. praktisch keinen Diesel-Stadtbus, der an der hinteren Antriebsachse keine Zwillingsbereifung besitzt, obwohl Zwillingsbereifungen lauftechnisch nachteilig sind. Der Grund für die hohe Achslast liegt in der erzwungenen räumlichen Gewichtsanhäufung von Dieselmotor, Gelenkwelle, Schaltgegetriebe und Differentialgetriebe auf der Triebseite in Verbindung mit dem großen, erforderlichen Überhang des Fahrzeuges über die Treibachse hinaus.

Zwecks Machbarkeit der Einfachbereifung auch für die Antriebsräder wurde in jüngster Zeit die Absicht geäußert, einen Dieselbus in Leichtbauweise aus faserverstärkten Kunststoffen zu schaffen, wie dies vom Flugzeugbau her bekannt ist. Auf diese Weise kann sicher das Leergewicht des Fahrzeuges reduziert werden, aber es entstehen auch Nachteile. Erstens ist die Kostenfrage kritisch zu sehen und zweitens ist ein Recycling bei Kunststoffen umweltkritisch bzw. ebenfalls kostenträchtig. Dagegen ist die Recyclingfrage für Stahlblech-Konstruktionen optimal gelöst, wie die Wiedergewinnung des Rohstoffes bei Schrottfahrzeugen zeigt.

Zur Wirtschaftlichkeit trägt ebenfalls bei, wenn die Haltezeiten zum Ein- und Aussteigen klein gehalten werden können, wenn dies leicht und bequem ohne Stufen und bei großen Türöffnungen möglich ist wie z. B. bei S-Bahnen. Gleichzeitig trägt dies zur größeren Akzeptanz bei älteren bzw. behinderten Menschen bei.

Entscheidend aber ist die Gewichtsminderung des leeren Fahrzeuges, die natürlich auch Kostenminderung bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Niederflur-Stadtbus mit Elektromotor-Einzelradantrieb derart zu gestalten, daß ein niedriges Leergewicht und damit eine hohe Nutzlast erzielt wird, daß sich die Niederflur- Bauweise über die gesamte Fahrzeuglänge erstrecken kann, und daß die Gewichtsverteilung über die Fahrzeuglänge eine optimale ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Eine wesentliche, aber für sich allein noch nicht entscheidende Maßnahme ist, erfindungsgemäß den rein elektrischen Stadtbus mit einem Langzeit- Energiespeicher (Batterie) hoher Kapazität (KWh), aber relativ kleiner Nennleistung (KW) und einen Kurzzeitspeicher (Schwungscheibe) mit relativ kleiner Kapazität (KWh) aber hoher effektiver Nennleistung (KW) auszurüsten.

Der Grund hierfür ist folgender: Der maximale Leistungsfluß beim Stadtbus entsteht beim Anfahren und Beschleunigen ebenso wie beim Verzögern des Fahrzeuges, damit insbesondere der normale Verkehrsfluß nicht behindert wird und gleichzeitig vertretbare Fahrzeiten erzielt werden. Im Gegensatz hierzu liegt der Leistungsbedarf eines Stadtbusses bei konstanter Fahrgeschwindigkeit und annähernd ebener Stadtlage auf einem wesentlich niedrigeren Niveau, und zwar bei etwa 30% der Beschleunigungsleistung. Bei einem erfindungsgemäßen Stadtbus wird die Leistung für konstante Fahrgeschwindigkeit von einem Langzeitspeicher aufgebracht. Der Kurzzeitspeicher hingegen dient dazu, die hohe Bremsleistung bei Verzögerungsbremsungen aus voller Fahrgeschwindigkeit aufzunehmen, und diese bei der Anfahrbeschleunigung wieder zur Verfügung zu stellen. Der Kurzzeitspeicher wird als hochtourige Schwungscheibe ausgebildet, die direkt mit einer elektrischen Maschine gekuppelt ist, die sowohl als Generator als auch Motor arbeiten kann. Die Ansteuerung für die Umsteuerung des Leistungsflusses kann zweckmäßig von der zugeordneten Stellung des Leistungspedales und des Bremspedales eingeleitet werden.

An sich ist die Kombination von Batterie und Schwungscheibe nicht neu und wurde schon in Veröffentlichungen Mitte der 70er Jahre in USA und England vorgeschlagen in Verbindung mit Aufzügen und auch elektrischen Fahrzeugen. Hauptanlaß hierfür war die ungenügende Lebensdauer der Batterie infolge der sehr hohen Stromspitzen bei der Anfahrbeschleunigung. Im Prinzip diente der Vorschlag der Beseitigung eines technischen Mangels der Batterie. In den Veröffentlichungen wurde ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Schwungscheibe zweckmäßig für mehrere Fahrzyklen bzw. längere Steigungsfahrten ausgelegt wird.

Selbst heute im Hinblick auf die Neuentwicklung von Hochleistungsbatterien und Schwungscheiben aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen gilt immer noch die Tatsache, daß in der Schwungscheibe spezifisch weniger Energie pro Gewichtsaufwand (∼ 50 Wh/kg) gespeichert werden kann als bei gleichem Gewichtsaufwand für die Batterie (∼ 120 Wh/kg). Deshalb ist es schon aus diesem Grunde für den Durchschnittsfachmann nicht erkennbar, weshalb man zwei verschiedene Arten von Energiespeichern verwenden sollte, wenn neue Hochleistungsbatterien den technischen Anforderungen voll genügen. Noch weniger ist es für den Fachmann zu erkennen, daß gerade durch die Verwendung des Schwungrad-Speichers trotz seines geringeren spezifischen Speichervermögens gegenüber der Hochleistungsbatterie eine ganz erhebliche Gewichtseinsparung erzielt wird, und zwar in Bezug auf das Gesamtgewicht von Batterie plus Schwungradspeicher. Das Batteriegewicht kann auf weit mehr als die Hälfte reduziert werden. Es würden in einer annähernd ebenen Stadtlage zwei NaS-Batterie-Einheiten ausreichen anstelle von sechs Einheiten ohne Schwungradspeicher. Das Mehrgewicht für die Schwungscheibe mit direkt gekuppelten Motor/Generator und Gehäuse kommt zwar hinzu, ist aber relativ gering. Voraussetzung hierfür ist, daß der Schwungradspeicher nur für eine einzige Energiespeicherung aus maximal möglicher Fahrgeschwindigkeit dimensioniert ist bei etwa 50%iger Drehzahlabsenkung bei Wiederabgabe dieser Energie beim Anfahren. Hierfür sind 500 Wh als Energie ausreichend und lassen den relativ geringen Gewichtsaufwand aufgrund des spezifischen Wertes von 50 Wh/kg schon erkennen. Eine wesentlich größere Dimensionierung der Schwungscheibe würde die Wirtschaftlichkeit aus verschiedenen Gründen nicht mehr gewährleisten.

Sollte im Ausnahmefall infolge einer Gefahrenbremsung mit den mechanischen Bremsen nicht mehr die volle Schwungscheibenenergie für die Anfahrbeschleunigung zur Verfügung stehen, kann jederzeit aus der Batterie die Schwungscheibe auch mit geringem Leistungsfluß quasi leichte nachgeladen, d. h. auf höhere Drehzahl gebracht werden.

Eine NaS-Batterieeinheit hat z. B. einen Energieinhalt von 32 KWh, eine Dauerleistung von 33 KW und eine Kurzzeitleistung von 50 KW. Zwei Batterieeinheiten im Fahrzeug stellen eine ausreichende Energiereserve dar, wenn die Topografie der Stadtlage nicht als gebirgig bezeichnet werden muß und eine Kurzzeit-Aufladung von unter einer Minute pro Stadt-Umlauf-Km erfolgt.

Rein rechnerisch könnten mit nur zwei Batterieeinheiten trotzdem Strecken bis nahezu 1000 m Höhenunterschied bewältigt werden. Es würden zwar hierbei extrem die zwei Batterieeinheiten bis auf 30% entladen, können aber bei nachfolgender Talfahrt durch Nutzbremsung weitgehend wieder aufgeladen werden.

Gegenüber den vorgenannten Batterie-Kennwerten beträgt vergleichsweise die Anfahr- bzw. Beschleunigungsleistung etwa 150 KW, die vom Schwungscheiben-Generator erzeugt wird.

Diese Leistung wird aber stets nur als Kurzzeitleistung benötigt, das bedeutet daß die elektrischen Maschinen wegen der Kurzzeit-Überlastungsfähigkeit der Elektrik kleiner dimensioniert werden können. Auch dies trägt zur Kosten- und Gewichtsminderung bei und steht im Zusammenhang mit dem Antriebsprinzip.

Erfindungsgemäß wird der Batteriebus trotz konventioneller Stahlbauweise mit Einfachbereifung auch an den Antriebsrädern ausgerüstet, wodurch ebenfalls Kosten- und Gewichtseinsparungen erzielt werden. Die hierzu erforderliche Gewichtsverteilung wird dadurch möglich, daß erstens ein Einzelradantrieb vorgesehen ist, wobei die Motoren in Richtung zur Fahrzeugmitte angeordnet werden. Zweitens werden die Batterien und weitere elektrische Ausrüstungen für den Antrieb an der Kopfseite des Fahrzeuges und unterhalb des Fahrersitzes untergebracht. Dadurch wird nicht nur ein Achslastausgleich erzielt wegen der an der Kopfseite des Fahrzeuges fehlenden Fahrgäste, sondern gleichzeitig wegen der Niederflur-Ausführung des Busses der Fahrzeugführer wieder auf normale Sitzhöhe gebracht.

Erfindungsgemäß ist der Einzelradantrieb so ausgebildet, daß das Traggehäuse des gewählten Kegeltriebes mit Lagerung gleichzeitig die Funktion der Radlagerung mit übernimmt. Hierbei ist es unerheblich, ob das Traggehäuse Bestandteil eines Längs-Schwenkarmes ist (wie dargestellt) oder als ein quer zur Fahrtrichtung liegender Schwenkarm ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird der Einzelradantrieb elektrisch so angesteuert, daß bei der verwendeten Drehstrom-Leistungselektronik jeder Rad-Motor für sich allein einen frequenzgesteuerten Umrichter besitzt, so daß die fahrgeschwindigkeits- bzw. lastabhängige Frequenzlage eine gleichmäßige Belastung der Antriebsräder bewirkt. Prinzipiell wird also durch eine Art von elektrischem Differential das übliche mechanische Differential ersetzt.

Noch bedeutender wirkt sich erfindungsgemäß der Wegfall des mechanischen Differentials in der Hinsicht aus, daß der Niederflur erstmalig über die gesamte Länge des Fahrgastraumes ausgeführt werden kann. Hierdurch wird es zusätzlich möglich, daß das Fahrzeug insgesamt als echtes Niederflur- Fahrzeug eine zugeordnete, sehr niedrige Fahrzeughöhe insgesamt aufweist, womit ebenfalls Kosten- und Gewichtseinsparungen verbunden sind.

Außerdem wird das Fahrzeug so ausgeführt, daß der Überhang auf der Antriebsräder-Seite soweit reduziert wird, daß in Verbindung mit der optimal möglichen Lastverteilung der für den Antrieb erforderlichen Elemente eine insgesamt gleichmäßiger Achslastverteilung eintritt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht des Busses.

Fig. 2 zeigt den Bus von oben gesehen.

Fig. 3 zeigt den Einzelrad-Antrieb.

Fig. 4 zeigt das elektrische Antriebsschema.

Nach Fig. 1 befinden sich unter dem erhöhten Fahrersitz zwei Batterieeinheiten (1,2). Die Stromrichter (3, 4) sind zusammengefaßt (in 3) dargestellt und befinden sich ebenfalls unterhalb des Führersitzes. Auch der Schwungradspeicher (6') mit Generator/Motor (5') ist hier angeordnet.

Auf der Antriebsseite ist ein Schwenkarm (5) dargestellt, der einen Drehzapfen (6) besitzt, der die Zug- und Bremskräfte am Rahmen des Fahrzeuges abstützt. Mit dem Schwenkarm (5) bildet das Kegelrad-Getriebe in Verbindung mit der Radlagerung eine Einheit (7), die in Fig. 3 ausgeführtlich dargestellt ist.

Vom Kegelrad-Getriebe (7) besteht eine Gelenkwellenverbindung (8) zum Antriebsmotor (9), der unterhalb eines Fahrgastsitzes am Rahmen des Fahrzeuges befestigt ist. Der Schwenkarm (5) ist über eine Luftfeder (10) am Rahmen des Fahrzeuges abgestützt.

Fig. 2 zeigt den über den gesamten Fahrgastraum sich erstreckenden Niederflur (11). Lediglich die Sitze unmittelbar über den Rädern sind zwangsläufig höher angeordnet und besitzen allein die notwendige Stufe (12).

Gegebenenfalls kann unter der hintersten Sitzreihe eine dritte Batterieeinheit (13) liegen, sei es als "Reservetank" oder für den Fall einer besonders ungünstigen geodiätischen Stadtlage.

Fig. 3 zeigt die Radlagerung mit Kegelrad-Getriebe und Gelenkwellenanschluß. Hierbei ist das Gehäuse (14) Bestandteil des Schwenkarmes (5). Das Tellerrad (15) ist mit der Radachse (16) fest verbunden und bildet mit dem Ritzel (17) eine Triebeinheit. Die Lagerung (18) der Radachse (16) ist gleichzeitig die Lagerung für das Tellerrad des Kegelrad-Getriebes. Die Radnabe (19) bildet wie üblich mit der Bremstrommel (20) eine Einheit. Die Antriebsräder (21) besitzen Einfachbereifung (22).

Fig. 4 zeigt das elektrische Antriebsschema, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit neue Strichnummern verwendet werden.

Die Batterie (1') ist mit der Gleichstromschiene (2') verbunden, von der jeweils über die Steuereinrichtungen (8') und die Teilstromrichter (3') bei konstanter Traktionsfahrt die Fahrmotoren (7') gespeist werden. Hierbei hat die Gleichstromschiene eine Spannung, die der Summe der in Reihe geschalteten Batteriezellen entspricht multipliziert mit der Spannung einer Zelle.

Bei starker Verzögerungs-Bremsung wird in den Fahrmotoren (7') Strom erzeugt, der jeweils über die Teilstromrichter (3'), die Steuereinrichtungen (8') und Teilstromrichter (4') der Schwungradspeicher (6') über die elektrische Maschine (5') als Motor antreibt. Umgekehrt ist der Leistungsfluß bei starker Anfahrbeschleunigung. In beiden Fällen ist über die Steuereinrichtungen (8') die Batterie (1') abgeschaltet. Die Beeinflussung der Steuereinrichtungen (8') erfolgt bei Verzögerungsbremsungen in Abhängigkeit von der Stellung des Bremspedales und bei Beschleunigung in Abhängigkeit von der Stellung des Leistungspedales. Die Umschaltpunkte können hierbei für den Fahrer durch Druckpunkte erkennbar sein. Kleiner Stellweg an den Pedalen bedeutet entsprechend kleinen und großer Stellweg entsprechend großen Leistungsfluß.

Teilstromrichter (3', 4') bilden jeweils gemeinsam die Gesamtstromrichter (I,II). Jeder Einzelradantrieb besitzt einen eigenen Stromrichter.

Bei konstanter Gefällefahrt fließt der Strom von den Fahrmotoren (7') über die Steuereinrichtung (8') zur Batterie (1') und lädt diese auf, wobei wiederum die Steuereinnichtung (8') von der Stellung des Bremspedales beeinflußt wird.

Claims (4)

1. Niederflur-Stadtbus mit Elektromotor-Einzelradantrieb, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• 1.1 neben Hochleistungs-Batterieeinheiten (1, 2) als Langzeitspeicher ist als Kurzzeitspeicher (4) eine hochtourige Schwungmasse mit gekuppeltem Motor-Generator vorgesehen, dessen Energie- Speicherkapazität etwa nur 1% der Speicherkapazität der Batterieeinheiten (1, 2) beträgt;
• 1.2 die Antriebsräder (21) weisen Einfachbereifung auf;
• 1.3 die Antriebsmotoren (9; 7') sind zur Fahrzeugmitte am Fahrzeugrahmen angeordnet und über je eine Gelenkwelle (8) mit dem zugeordneten Achsgetriebe (7) verbunden, dessen Kegelradlagerung zusätzlich die Radlagerung (18) bildet;
• 1.4 das Hauptgewicht für Batterien (1; 1'), Stromrichter (3, 4; 3', 4') und Schwungradspeicher (6') ist an der Kopfseite des Fahrzeuges und unterhalb des Führersitzes angeordnet;
• 1.5 das Fahrzeug weist einen Niederflur (11) über die gesamte Länge des Fahrgastraumes auf.

2. Niederflur-Stadtbus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Frequenzsteuerung der Drehstrom- Leistungselektronik für jeden Antriebsmotor einen eigenen Stromrichter (3, 4; 3', 4') aufweist und solche Schaltmittel (8') besitzt, die beim Anfahren des Fahrzeuges mit stärkerer Beschleunigung allein die im Schwungradspeicher (6') gespeicherte Bremsenergie auf die Antriebsmotoren (9; 7') schaltet, während bei konstanter Fahrgeschwindigkeit und Traktion allein die Batterien (1; 1') zugeschaltet werden bzw. in Umkehrung bei Gefällefahrt mit weitgehend konstanter Fahrgeschwindigkeit die Batterien (1; 1') zur Aufladung mit Bremsenergie zugeschaltet sind, während bei stärkeren Bremsverzögerungen der Bremsenergiefluß zu der als Motor arbeitenden elektrischen Maschine (5') geschaltet ist, die mit dem Schwungradspeicher (6') direkt gekuppelt sind.

3. Niederflur-Stadtbus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (8') beim Bremsen von der jeweiligen unterschiedlichen Stellung des Bremspedales und bei Traktion von der jeweiligen unterschiedlichen Stellung des Leistungspedales gesteuert wird.

4. Niederflur-Stadtbus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug mit nahezu gleichem Überhang an der Vorder- und Hinterachse ausgebildet ist, wobei der Überhang an der Antriebsachse gegenüber dem Überhang an der Lenkachse gegebenenfalls geringfügig kleiner ist.