DE4116899A1 - Elektrofahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit einem Generator als Primärenergiequelle und einer Hilfsbatterie als sekundärer Energiequelle.

Der Einsatz von Elektrofahrzeugen ist wünschenswert im Hinblick auf die Luftverschmutzung, die Geräuschemission und die Diversifizierung des Energieverbrauchs. Ein Elektrofahrzeug weist allgemein anstelle des Verbrennungsmotors, des Getriebes und des Kraftstofftanks eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs einen Elektromotor, eine Steuereinheit und eine Batterieeinheit auf. Typische Batterien für Elektrofahrzeuge sind Brennstoffzellen, bei denen es sich um chemische Batterien handelt, sowie Akkumulatoren. Ein Akkumulator ist wiederaufladbar, indem ein Gleichstrom mit entgegengesetzter Polarität als beim Entladevorgang an die Zellen angelegt wird. Eine Brennstoffzelle wird während des Betriebs normalerweise kontinuierlich mit gasförmigem Brennstoff versorgt und wandelt die chemische Energie des gasförmigen Brennstoffs direkt in elektrische Energie um. Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellen vorgeschlagen und praktisch eingesetzt worden, beispielsweise Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen, Kohlenwasserstoff- Brennstoffzellen, Hydrazin-Brennstoffzellen, Ammoniak-Brennstoffzellen und Methanol-Brennstoffzellen.

Als Generator sind in Elektrofahrzeugen bisher vorzugsweise Gleichstromgeneratoren eingesetzt worden. Da beträchtliche technologische Fortschritte in der Leistungselektronik erzielt worden sind, sind als Motoren für Elektrofahrzeuge Induktionsmotoren und Thyristor-Motoren eingeführt worden. Solche Motoren werden durch verschiedene Steuerverfahren gesteuert, beispielsweise durch Spannungskontrolle, Widerstands-Steuerung, Steuerung durch Thyristor-Chopper oder Transistor-Chopper oder Inverter- (Wechselrichter-)Steuerung.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Elektrofahrzeugs ist in Fig. 6 gezeigt. Das Elektrofahrzeug weist eine Sekundärbatterie 1 (Akkumulator) und ein Brennstoffzellensystem 2 als (primäre) Energiequelle auf. Die Sekundärbatterie 1 ist im unteren Mittelbereich des Fahrzeugs angeordnet und ist mit Hilfe des Brennstoffzellensystems 2 wiederaufladbar und wird während des Betriebs eines nicht gezeigten Motors entladen. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Säule 3 aus einer Vielzahl übereinanderliegender Zelleneinheiten auf. Die Säule 3 erhält Brennstoff von einer Brennstoff-Reformiereinrichtung 4 mit einem nicht gezeigten Brenner und Luft, die von einer Luftversorgungseinheit 6 geliefert und in einem Wärmetauscher 5 erwärmt wird. Der reformierte Brennstoff und die vorgewärmte Luft werden in der Säule 3 zur chemischen Reaktion gebracht, so daß die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

In der Säule 3 muß die durch Verluste bei der Stromerzeugung entstehende Wärme entfernt werden, und die Temperatur der Zellen muß auf einem geeigneten Niveau gehalten werden, damit Qualitätsbeeinträchtigungen in Teilen der Säule 3 vermieden werden und eine einheitliche Reaktionsgeschwindigkeit bei der Stromerzeugung erreicht wird. Aus diesem Grund wird mit einer Umwälzpumpe 7 ein Kühlmittel in der Säule 3 umgewälzt, so daß die Säule 3 auf der optimalen Temperatur gehalten wird. Ein Chopper 9 steuert die Zufuhr der von der Säule 3 gelieferten Spannung zu dem Motor, wobei der Chopper 9 mit Hilfe eines nicht gezeigten Thyristors oder Transistors in rascher Folge die elektrische Verbindung zwischen der Säule 3 und der Spannungsquelle unterbricht und wieder herstellt. Durch das schnelle Umschalten des Choppers wird das Strom-Tastverhältnis (Verhältnis der EIN-/ AUS-Perioden pro Stunde) variiert. Auf diese Weise kann der Mittelwert der angelegten Spannung kontinuierlich zwischen Null und der Maximalspannung der Batterie variiert werden. Eine Klimaanlage 10 ist auf dem Dach des Elektrofahrzeugs installiert und dient zur Steuerung der Temperatur und Feuchtigkeit im Fahrgastraum des Fahrzeugs.

Während der Fahrt des Fahrzeugs ist das Brennstoffzellensystem 2 kontinuierlich in Betrieb. Das Elektrofahrzeug emittiert deshalb im Fahrzustand normalerweise sowohl Schall als auch Abgase wie CO₂. Da außerdem das Brennstoffzellensystem 2 nur eine bestimmte Energiemenge erzeugt und an den Motor liefert und deshalb die Sekundärbatterie 2 auf Steigungsstrecken oder bei der Beschleunigung zusätzlich elektrische Energie an den Motor liefert, besteht das Problem, das die Kapazität der Sekundärbatterie 1 erschöpft sein kann, bevor der Kraftstoffvorrat für das Brennstoffzellensystem 2 verbraucht ist. In diesem Fall steht keine ausreichende Antriebsleistung des Fahrzeugs bei Steigungen oder bei der Beschleunigung zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrofahrzeug zu schaffen, das sich durch eine verminderte Geräusch- und Abgasemission im Fahrzustand und durch eine höhere Verfügbarkeit der Antriebsleistung unter verschiedenen Bedingungen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug weist eine Sekundärbatterie und einen Generator auf, die mit einem Motor verbunden sind, der das Fahrzeug antreibt, wenn er elektrische Energie von der Sekundärbatterie oder von dem Generator oder von beiden Energiequellen gleichzeitig erhält. Der Generator befindet sich wechselweise im Betriebszustand und im Ruhezustand. Eine Überwachungseinrichtung überwacht den Ladezustand der Sekundärbatterie. Eine Steuereinrichtung ist mit der Überwachungseinrichtung und dem Generator verbunden und schaltet den Generator vom Ruhezustand in den Betriebszustand, wenn die Überwachungseinrichtung feststellt, daß die Batterieladung kleiner als ein vorgegebener erster Wert ist, und den Generator vom Betriebszustand in den Ruhezustand schaltet, wenn die Batterieladung größer als ein vorgegebener zweiter Wert ist.

Da somit der Generator in Abhängigkeit vom Ladezustand der Sekundärbatterie betrieben wird, ist es möglich, die Betriebszeit des Generators während der Fahrt des Elektrofahrzeugs insgesamt zu verringern. Auf diese Weise wird die Immission von Lärm und Abgasen erheblich verringert. Außerdem wird verhindert, daß sich die Sekundärbatterie vollständig entlädt, bevor der Kraftstoffvorrat für den Generator verbraucht ist. Es ist somit sichergestellt, daß unter allen Fahrbedingungen die volle Fahrzeugleistung zur Verfügung steht, solange Kraftstoffvorrat noch nicht aufgebraucht ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Antriebs- und Steuersystems eines Elektrofahrzeugs;

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Sekundärbatterie und eines Generators;

Fig. 4 und 5 Diagramme für ein Steuersystem des Elektrofahrzeugs gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Elektrofahrzeugs.

Gemäß Fig. 1 weist das Elektrofahrzeug V eine zwischen "Laden" und "Entladen" umschaltbare Sekundärbatterie 15 und einen Generator 16 auf, dessen Betriebs- und Ruhezeiten steuerbar sind. Die Sekundärbatterie 15 und der Generator 16 sind mit einer Lade/Entlade-Steuerung 18 verbunden, die das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 15 steuert. Die Steuerschaltung 18 ist mit einem Motor 17 zum Antrieb des Elektrofahrzeugs V verbunden.

Die Sekundärbatterie 15 wird in der Hauptsache mit Hilfe des Generators 16 und zusätzlich zu einem gewissen Grund mit Hilfe einer energierückgewinnenden Bremse 19 geladen, die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie der Sekundärbatterie 15 dient in der Hauptsache zur Energieversorgung des Motors 17 über eine Inverter- oder Wechselrichter-Steuerung 20, durch die der Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Außerdem versorgt die Sekundärbatterie 15 verschiedene Lampen 22 über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 21.

Der Generator 16, der beispielsweise durch eine Gasturbine gebildet wird, wird gesteuert durch eine Steuereinrichtung 23, die in Abhängigkeit vom Zustand der Sekundärbatterie entscheidet, ob der Generator 16 laufen soll oder nicht. Ein Amperemeter 24 zur Messung der Stärke des Stromes von oder zu der Sekundärbatterie 15 ist zwischen der Lade/Entlade-Steuerung 18 und der Sekundärbatterie 15 angeordnet. Ein Voltmeter 25 ist zwischen die Sekundärbatterie 15 und Masse geschaltet und mißt die Spannung der Sekundärbatterie. Ein Restladungs-Meßgerät 26 ist mit der Sekundärbatterie 15 verbunden und mißt den Ladezustand oder die Menge an elektrischer Energie, die in der Sekundärbatterie 15 gespeichert ist. Die Steuereinrichtung 23 ist mit dem Amperemeter 24, dem Voltmeter 25 und dem Restladungs-Meßgerät 26 verbunden und nimmt entsprechende Meßsignale von den Meßgeräten 24, 25 und 26 auf. Die Steuereinrichtung 23 steuert den Generator 16 anhand dieser Meßsignale. Der Motor 17 ist ein Induktionsmotor, der durch die Wechseltrichter-Motorsteuerung 20 gesteuert wird.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 ein Steuerverfahren für das oben beschriebene Elektrofahrzeug V erläutert werden.

In den Diagrammen in Fig. 2 und 3 ist jeweils auf der Abszisse die Fahrzeit des Elektrofahrzeugs V und auf der Ordinate die Energieabgabe der Sekundärbatterie 15 aufgetragen.

Gemäß Fig. 2 beginnt die Grafik bei einem Zustand, bei dem die Sekundärbatterie 15 voll aufgeladen und der Kraftstofftank für den Generator 16 des Elektrofahrzeugs vollgetankt ist. Das Elektrofahrzeug V wird mit relativ niedriger und konstanter Geschwindigkeit gefahren, und die Lampen 22 sind nicht in Betrieb. Wenn die Restladung der Sekundärbatterie 15 auf 20% der vollen Kapazität (der Ladung bei voll aufgeladener Batterie) gefallen ist, nach einer Fahrzeit des Fahrzeugs vom Zeitpunkt 0 zu einem bestimmten Zeitpunkt t₁, so wird der Generator 16 in Betrieb gesetzt, so daß er elektrische Energie an den Motor 17 für den Antrieb des Elektrofahrzeugs V liefert. Wenn in diesem Zustand der Generator 16 mehr Energie liefert, als vom Motor 17 benötigt wird, so wird die überschüssige Energie mit Hilfe der Lade/ Entlade-Steuerung 18 in der Sekundärbatterie 15 gespeichert. Das Elektrofahrzeug V wird weiterhin angetrieben, während der Generator 16 elektrische Energie an den Motor 17 und an die Sekundärbatterie 15 liefert. Wenn zu einem Zeitpunkt t₂ die Ladung der Sekundärbatterie 15 wieder auf 80% der vollen Kapazität angestiegen ist, so wird der Generator 16 abgeschaltet, und die Energie für den Motor 17 wird wieder von der Sekundärbatterie 15 geliefert. Die oben beschriebenen Vorgänge werden wiederholt, bis sowohl die Batterie 15 als auch der Kraftstofftank für den Generator 16 leer sind.

Fig. 3 zeigt ein Steuerverfahren für das Elektrofahrzeug V unter Bedingugen, bei denen die Sekundärbatterie 15 eine relativ große Energiemenge abgibt, beispielsweise während der Bergfahrt, bei eingeschalteten Lampen und bei eingeschalteter Klimaanlage. Unter diesen Bedingungen verliert die Batterie 15 auch während des Betriebs des Generators 16 Energie. Wenn das Elektrofahrzeug V unter diesen Bedingungen genauso betrieben wird wie unter den Bedingungen bei niedrigem Verbrauch gemäß Fig. 2, so ist die Sekundärbatterie 15 bereits zu einem relativ frühen Zeitpunkt entladen, da der Einschaltzeitpunkt für den Generator 16 unter diesen Bedingungen zu spät liegt. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß die Steuereinrichtung 23 den Gesamt-Energieverbrauch von einem bestimmten Zeitpunkt bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt anhand der Signale von dem Amperemeter 24, dem Voltmeter 25 und dem Restladungs-Meßgerät 26 berechnet und ermittelt, wann die Sekundärbatterie 15 ihre Kapazität vollständig erschöpft hat. Auf dieser Grundlage entscheidet die Steuereinrichtung 23, wann der Generator 16 eingeschaltet wird. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 23 derart vorprogrammiert, daß sie den Generator 16 in Betrieb setzt, wenn die Restladung der Sekundärbatterie 15 auf 50% der vollen Kapazität abgesunken ist. Wenn der Generator 16 eingeschaltet wird, so wird das Elektrofahrzeug V hauptsächlich durch die Energie von dem Generator 16 angetrieben, und nur der darüber hinaus benötigte Restbetrag an Energie wird von der Sekundärbatterie 15 geliefert. Da unter dieser Bedingung die Ladung der Sekundärbatterie 15 nicht wieder auf 80% der vollen Kapazität ansteigen kann, bleibt der Generator 16 in Betrieb, bis der Kraftstoffvorrat verbraucht ist. Auch die Sekundärbatterie 15 gibt Energie ab, bis sie vollständig entladen ist.

Bei dieser Auslegung des Elektrofahrzeugs V ist es möglich, die Betriebszeit des Generators 16 zu verkürzen. Auf diese Weise wird eine beträchtliche Verringerung der Lärm- und Abgasemissionen vermieden, so daß die Vorteile eines Elektrofahrzeugs voll ausgenutzt werden können.

Da der Einschaltzeitpunkt des Generators 16 in Abhängigkeit von der Restkapazität der Sekundärbatterie 15 bestimmt wird, wird verhindert, daß sich die Batterie 15 entlädt, bevor der Generator 16 den Kraftstoffvorrat verbraucht hat. Das Elektrofahrzeug V behält daher seine volle Leistungsfähigkeit, bis der Kraftstoff aufgebraucht ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Generator 16 so gesteuert, daß er seinen Betrieb beginnt, wenn die Ladung der Batterie auf 20% abgenommen hat, und den Betrieb wieder einstellt, wenn die Ladung wieder auf 80% angestiegen ist. Durch diese Hysterese wird ein häufiges Umschalten zwischen Laden und Entladen der Batterie verhindert, so daß entsprechende Schaltverluste minimiert werden.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Energieabgabe der Sekundärbatterie 15 fortlaufend jeweils wenigstens zweimal berechnet. Anhand der Summe aus den wenigstens zwei Berechnungen und durch Ableitung der Änderungsrate des Energieverbrauchs bei wenigstens zwei Berechnungen kann der Zeitpunkt präzise vorhergesagt werden, an dem die Batterie 15 vollständig entladen wäre. Anhand dieser Vorhersage ändert die Steuereinrichtung 23 den Betriebszustand des Generators 16, indem sie den Wert verändert, der den Einschaltzeitpunkt für den Generator 16 bestimmt. Dieser Wert entspricht dem vorgegebenen Wert der Restladung der Sekundärbatterie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Gemäß Fig. 4 berechnet die Steuereinheit 23 den Gesamt-Energieverbrauch der Sekundärbatterie 15 zwischen der Zeit t₁ und der Zeit t₂ sowie fortlaufend den gesamten Energieverbrauch zwischen der Zeit t₂ und der Zeit t₃. Auch in dem in Fig. 5 illustrierten Fall werden die Berechnungen des Gesamt- Energieverbrauchs der Sekundärbatterie 15 in ähnlicher Weise ausgeführt. Obgleich der Gesamt-Energieverbrauch zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃ (Fläche unter der Kurve) in dem Fall gemäß Fig. 5 der gleiche ist wie in dem Fall gemäß Fig. 4, besteht insofern ein Unterschied, als die Änderungsrate des Energieverbrauchs zwischen den Zeiten t₁ und t₃ verschieden ist. In Fig. 4 nimmt der Energieverbrauch zwischen t₁ und t₃ zu, während der Energieverbrauch in Fig. 5 zwischen diesen Zeitpunkten abnimmt. Aus diesem Grund muß im Fall der Fig. 4 der Generator 16 zu einem früheren Zeitpunkt eingeschaltet werden als in dem Fall der Fig. 5.

Bei dem Steuerverfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird somit vorausberechnet, wann die Sekundärbatterie 15 geleert wäre, während bei dem Steuerverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich das Integral des Energieverbrauchs der Sekundärbatterie 15 berücksichtigt wird. Das Verfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist besonders in den Fällen zweckmäßig, in denen sich die Fahrbedingungen des Elektrofahrzeugs V ändern, beispielsweise, wenn das Fahrzeug von einer Schnellstraße auf einen Gebirgspaß oder von einem Gebirgspaß auf eine Schnellstraße wechselt.

Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Gasturbine als Generator 16 vorgesehen ist, kann der Generator 16 auch durch eine Brennstoffzelle oder eine andere Primärenenergiequelle gebildet werden.

Während ferner bei dem obigen Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, daß der Generator 16 eingeschaltet wird, wenn die Sekundärbatterie 15 höchstens 20% ihrer vollen Kapazität hat, kann der Generator 16 in Beschleunigungsphasen des Elektrofahrzeugs V auch schon früher eingeschaltet werden. Darüber hinaus können auch andere Schwellenwerte der Batterieladung für das Ein- und Ausschalten des Generators 16 gewählt werden.

Claims (8)

1. Elektrofahrzeug mit einer Batterie (15), einem Generator (16) und einem Motor (17), der Antriebsenergie von der Batterie (15) und/oder dem Generator (16) erhält, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (16) während der Fahrt des Fahrzeugs zwischen einem Betriebszustand und einem Ruhezustand umschaltbar ist und das Steuermittel (23) zum Ein- und Ausschalten des Generators (16) in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie (15) vorgesehen sind.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladungs- Meßeinrichtung (26) zur Messung des Ladezustands der Batterie (15) vorgesehen ist und das die Steuereinrichtung (23) ein Ladezustands-Signal von der Meßeinrichtung (26) erhält und den Generator (16) aus dem Ruhezustand in den Betriebszustand schaltet, wenn die Batterieladung unter einem ersten vorgegebenen Wert liegt und den Generator aus dem Betriebszustand in den Ruhezustand schaltet, wenn die Batterieladung über einem zweiten vorgegebenen Wert liegt.

3. Elektrofahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) den Generator (16) in Betrieb setzt, wenn die Batterieladung kleiner ist als ein vorgegebener Wert und der Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs pro Zeiteinheit größer ist als ein vorgegebener Ver­ brauchswert.

4. Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) den Energieverbrauch zu Lasten der Batterie (15) berechnet und in Abhängigkeit von diesem Energieverbrauch einen Schwellenwert unter wenigstens zwei vorgegebenen Werten auswählt und den Generator (16) in Betrieb sitzt, wenn die Batterieladung kleiner ist als der ausgewählte Schwellenwert.

5. Elektrofahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Werte in der Steuereinrichtung (23) gespeichert sind und daß die Steuereinrichtung die Batterieladung mit den gespeicherten Werten vergleicht.

6. Elektrofahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) den ersten vorgegebenen Wert in Abhängigkeit von der von der Batterie (15) abgegebenen Energiemenge ändert.

7. Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) berechnet, wann die Batterie (15) bei ungeänderten Verbrauch vollständig entladen wäre, und den ersten vorgegebenen Wert in Abhängigkeit von diesen Berechnungsergebnis verän­ dert.

8. Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) fortlaufend den Gesamt-Energieverbrauch zu Lasten der Batterie (15) wenigstens zweimal berechnet und die Änderungsrate des Energieverbrauchs sowie die Summe der berechneten Gesamt-Energieverbräuche berechnet und auf dieser Grundlage bestimmt, wann die Batterie (15) vollständig entladen wäre.