DE4116899C2 - Elektrofahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 (DE-OS 20 12 384).

Der Einsatz von Elektrofahrzeugen ist wünschenswert im Hinblick auf die Luftverschmutzung, die Geräuschemission und die Diversifizierung des Ener­ gieverbrauchs. Ein Elektrofahrzeug weist allgemein anstelle des Verbren­ nungsmotors, des Getriebes und des Kraftstofftanks eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs einen Elektromotor, eine Steuereinheit und eine Batterieein­ heit 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 entgegengesetz­ ter 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 verschie­ dene Arten von Brennstoffzellen vorgeschlagen und praktisch eingesetzt wor­ den, beispielsweise Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen, Kohlenwasser­ stoff-Brennstoffzellen, Hydrazin-Brennstoffzellen, Ammoniak-Brennstoffzellen und Methanol-Brennstoffzellen.

Als Generator sind in Elektrofahrzeugen bisher vorzugsweise Gleichstromge­ neratoren eingesetzt worden. Da beträchtliche technologische Fortschritte in der Leistungselektronik erzielt worden sind, sind als Motoren für Elektro­ fahrzeuge Induktionsmotoren und Thyristor-Motoren eingeführt worden. Sol­ che Motoren werden durch verschiedene Steuerverfahren gesteuert, bei­ spielsweise durch Spannungskontrolle, Widerstands-Steuerung, Steuerung durch Thyristor-Chopper oder Transistor-Chopper oder Inverter-(Wechsel­ richter-)Steuerung.

Aus der DE-OS 20 12 384 ist ein Hybrid-Elektrofahrzeug bekannt, bei dem die Antriebsleistung eines Verbrennungsmotors wahlweise zum direkten An­ trieb des Fahrzeugs und zum Aufladen einer Hilfsbatterie mit Hilfe eines Ge­ nerators benutzt werden kann. Bei hohem Leistungsverbrauch kann dann ein durch die Batterie gespeister Elektroantrieb zugeschaltet werden. Die Lei­ stungsverzweigung zwischen Fahrzeugantrieb und Generator wird anhand des Ladezustands der Batterie derart gesteuert, daß die Batterie in einem hohen Ladezustand verbleibt.

Aus DE 31 12 629 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeuges bekannt, bei dem vor Fahrtantritt vom Fahrer die voraussichtliche Tagesfahrt­ strecke eingegeben werden kann. Die Umschaltung zwischen Elektroantrieb und Verbrennungsmotor wird dann so gesteuert, daß der Ladungsvorrat der Batterie für die eingegebene Tagesfahrtstrecke ausreicht.

In DE 33 34 128 A1 werden ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Restfahrtstrecke eines batteriebetriebenen Elektrofahr­ zeugs beschrieben.

Ein weiteres 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 Sekun­ därbatterie 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 Brennstoffzellensy­ stem 2 weist eine Säule 3 aus einer Vielzahl übereinanderliegender Zelle­ neinheiten auf. Die Säule 3 erhält Brennstoff von einer Brennstoff-Reformier­ einrichtung 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 ge­ eigneten Niveau gehalten werden, damit Qualitätsbeeinträchtigungen in Tei­ len der Säule 3 vermieden werden und eine einheitliche Reaktionsgeschwin­ digkeit bei der Stromerzeugung erreicht wird. Aus diesem Grund wird mit ei­ ner 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 Um­ schalten 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 Elek­ trofahrzeugs installiert und dient zur Steuerung der Temperatur und Feuch­ tigkeit im Fahrgastraum des Fahrzeugs.

Während der Fahrt des Fahrzeugs ist das Brennstoffzellensystem 2 kontinuier­ lich in Betrieb. Das Elektrofahrzeug emittiert deshalb im Fahrzustand norma­ lerweise sowohl Schall als auch Abgase wie CO₂. Da außerdem das Brennstoff­ zellensystem 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, be­ steht 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 der oben ge­ nannten Gattung zu schaffen, bei dem einerseits eine sparsame Verwendung des Kraftstoffvorrats und damit eine verminderte Geräusch- und Abgasemis­ sion im Fahrzustand gewährleistet ist und andererseits sichergestellt ist, daß die Batterie über die gesamte Fahrtzeit hinweg, bis zur Erschöpfung des Kraftstoffvorrats, im Bedarfsfall eine hohe Antriebsleistung zur Verfügung stellen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Schwellenwert für den Ladezu­ stand der Batterie, bei dem der Generator eingeschaltet wird, in Abhängig­ keit vom Energieverbrauch der Batterie variiert. Bei geringem Energiever­ brauch wird der Generator erst dann eingeschaltet, wenn die Batterie bereits weitgehend entladen ist, so daß Kraftstoff für den Antrieb des Generators ge­ spart wird. Bei hohem Energieverbrauch, beispielsweise bei Bergfahrten, wird dagegen der Generator bereits früher, d. h., bei einem höheren Ladezu­ stand der Batterie, eingeschaltet, so daß der Energievorrat der Batterie früh­ zeitig gestreckt wird, falls der Energieverbrauch so hoch ist, daß er nicht vollständig durch den Generator ersetzt werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

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

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Se­ kundärbatterie 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 "Ent­ laden" 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 Grad mit Hilfe einer energierückgewinnen­ den Bremse 19 geladen, die kinetische Energie in elektrische Energie um­ wandelt. 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 ver­ schiedene 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 Zu­ stand 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 Se­ kundärbatterie 15 und Masse geschaltet und mißt die Spannung der Sekun­ därbatterie. Ein Restladungs-Meßgerät 26 ist mit der Sekundärbatterie 15 verbunden und mißt den Ladezustand oder die Menge an elektrischer Ener­ gie, die in der Sekundärbatterie 15 gespeichert ist. Die Steuereinrichtung 23 ist mit dem Amperemeter 24, dem Voltmeter 25 und dem Restladungs-Meß­ gerät 26 verbunden und nimmt entsprechende Meßsignale von den Meßge­ räten 24, 25 und 26 auf. Die Steuereinrichtung 23 steuert den Generator 16 anhand dieser Meßsignale. Der Motor 17 ist ein Induktionsmotor, der durch die Wechselrichter-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 Fahr­ zeit des Elektrofahrzeugs V und auf der Ordinate die Energieabgabe der Se­ kundärbatterie 15 aufgetragen.

Gemäß Fig. 2 beginnt die Grafik bei einem Zustand, bei dem die Sekundär­ batterie 15 voll aufgeladen und der Kraftstofftank für den Generator 16 des Elektrofahrzeugs vollgetankt ist. Das Elektrofahrzeug V wird mit relativ nie­ driger 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 Zeit­ punkt 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 Mo­ tor 17 benötigt wird, so wird die überschüssige Energie mit Hilfe der La­ de/Entlade-Steuerung 18 in der Sekundärbatterie 15 gespeichert. Das Elek­ trofahrzeug V wird weiterhin angetrieben, während der Generator 16 elektri­ sche 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 Bedingun­ gen, bei denen die Sekundärbatterie 15 eine relativ große Energiemenge ab­ gibt, beispielsweise während der Bergfahrt, bei eingeschalteten Lampen und bei eingeschalteter Klimaanlage. Unter diesen Bedingungen verliert die Batte­ rie 15 auch während des Betriebs des Generators 16 Energie. Wenn das Elektrofahrzeug V unter diesen Bedingungen genauso betrieben wird wie un­ ter den Bedingungen bei niedrigem Verbrauch gemaß Fig. 2, so ist die Se­ kundärbatterie 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 ge­ genwärtigen 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 vor­ programmiert, daß sie den Generator 16 in Betrieb setzt, wenn die Restla­ dung 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 Sekundär­ batterie 15 geliefert. Da unter dieser Bedingung die Ladung der Sekundärbat­ terie 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 Ver­ ringerung der Lärm- und Abgasemissionen vermieden, so daß die Vorteile ei­ nes Elektrofahrzeugs voll ausgenutzt werden können.

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

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Generator 16 so gesteu­ ert, daß er seinen Betrieb beginnt, wenn die Ladung der Batterie auf 20% ab­ genommen 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 Ausführungsbei­ spiel der Erfindung erläutert werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Energieabgabe der Sekundär­ batterie 15 fortlaufend jeweils wenigstens zweimal berechnet. Anhand der Summe aus den wenigstens zwei Berechnungen und durch Ableitung der Än­ derungsrate des Energieverbrauchs bei wenigstens zwei Berechnungen kann der Zeitpunkt präzise vorhergesagt werden, an dem die Batterie 15 vollstän­ dig 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 ent­ spricht 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 fortlau­ fend den gesamten Energieverbrauch zwischen der Zeit t₂ und der Zeit t₃. Auch in dem in Fig. 5 illustrierten Fall werden die Berechnungen des Ge­ samt-Energieverbrauchs der Sekundärbatterie 15 in ähnlicher Weise ausge­ führt. 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 verschie­ den ist. In Fig. 4 nimmt der Energieverbrauch zwischen t₁ und t₃ zu, wäh­ rend der Energieverbrauch in Fig. 5 zwischen diesen Zeitpunkten abnimmt. Aus diesem Grund muß im Fall der Fig. 4 der Generator 16 zu einem frühe­ ren 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 gemaß 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 ei­ nen Gebirgspaß oder von einem Gebirgspaß auf eine Schnellstraße wechselt.

Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Gasturbine als Ge­ nerator 16 vorgesehen ist, kann der Generator 16 auch durch eine Brenn­ stoffzelle oder eine andere Primärenergiequelle 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. Dar­ über hinaus können auch andere Schwellenwerte der Batterieladung für das Ein- und Ausschalten des Generators 16 gewählt werden.

Claims (5)

1. Elektrofahrzeug mit einer Batterie (15), einem Generator (16), einem Motor (17), der Antriebsenergie von der Batterie (15) und/oder dem Gene­ rator (16) erhält, einer Meßeinrichtung (26) zur Messung des Ladezustands der Batterie (15) und einer Steuereinrichtung (23) zum Ein- und Ausschalten des Generators (16) in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) den Generator (16) ein­ schaltet, wenn die Batterieladung unter einem ersten Schwellenwert liegt, und den Generator ausschaltet, wenn die Batterieladung über einem zweiten Schwellenwert liegt, und daß die Steuereinrichtung den Energieverbrauch zu Lasten der Batterie (15) berechnet und den ersten Schwellenwert in Abhän­ gigkeit vom Energieverbrauch ändert.

2. Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ richtung (23) den ersten Schwellenwert in Abhängigkeit vom Energiever­ brauch unter wenigstens zwei vorgegebenen Werten auswählt.

3. Elektrofahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) als Maß für den Energieverbrauch den mittleren Energieverbrauch anhand der in dem Zeitintervall zwischen einem Bezugs­ zeitpunkt und dem aktuellen Zeitpunkt insgesamt abgegebenen Energiemen­ ge berechnet.

4. Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) berechnet, wann die Batterie (15) bei ungeändertem Verbrauch vollständig entladen wäre, und den ersten Schwellenwert in Abhängigkeit von diesem Berechnungsergebnis verändert.

5. Elektrofahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (23) fortlaufend den Energieverbrauch in aufeinanderfolgenden Zeltintervallen berechnet und anhand der Summe der so berechne­ ten Energieverbräuche sowie anhand der Änderungsrate des Energiever­ brauchs berechnet, wann die Batterie (15) vollständig entladen wäre.