DE4311229C1 - Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit Elektromotor - Google Patents
Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit ElektromotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug gemäß dem
Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Veröffentlichung "Getriebe in Fahrzeugen heute und morgen"
(VDI-Berichte 878, 1991, Seite 611-622) ist ein gattungsgemäßes
nicht-spurgebundenes Fahrzeug bekannt, das mit einem Verbrennungsmotor
ausgerüstet sind, dessen Abtriebswelle mit einem elektrischen Generator
gekoppelt ist. Die Antriebsräder des Fahrzeugs sind mit elektrischen
Fahrmotoren verbunden, die ihre Antriebsenergie aus dem Generator
beziehen. Wegen der vergleichsweise hohen Leistung für den
Fahrzeugantrieb arbeitet der Generator im Mittelspannungsbereich (z. B.
bei 650 Volt). Für die im Fahrzeug vorhandenen elektrischen
Nebenverbraucher wie Innen- und Außenbeleuchtung, Lüftermotoren,
Scheibenheizung, Sitzheizung, elektrischer Fensterheber usw.) ist
üblicherweise (auch aus Sicherheitsgründen) eine
Niederspannungsversorgung (z. B. 12 oder 24 Volt) vorgesehen, die durch
ein entsprechendes Bordnetz mit einer Fahrzeugbatterie realisiert ist.
In herkömmlichen Fahrzeugen wird die Versorgung der elektrischen
Nebenverbraucher regelmäßig durch einen auch als Lichtmaschine
bezeichneten kleinen elektrischen Generator sichergestellt, der vom
Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die Lichtmaschine liefert auch den
erforderlichen Strom zum Laden der Fahrzeugbatterie. Letztere steht dann
zur Stromversorgung der elektrischen Nebenverbraucher zur Verfügung,
wenn die Lichtmaschine keinen (Stillstand des Verbrennungsmotors) oder
nicht genügend Strom (niedrige Drehzahl, viele Verbraucher
eingeschaltet) liefert. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird ein
Elektromotor (Anlasser) benutzt, der aus der Fahrzeugbatterie gespeist
wird und über eine starke Übersetzung (z. B. 1 : 15) ins Langsame den
Verbrennungsmotor antreibt.
Bei einem elektrischen Fahrmotor, z. B. einer Lokomotive, ist
es bekannt, diesen aus einem mit Kondensatoren bestückten
Gleichspannungszwischenkreis zu speisen. Der Generator kann
dabei in das die Fahrleitung speisende Unterwerk verlegt sein
(WO 91/03863).
In der Veröffentlichung VDI-Berichte 878 ist bereits erwähnt, daß die
Funktion der Lichtmaschine und des Anlassers von dem Generator, der den
Strom für die elektrischen Antriebsmotoren erzeugt, mit übernommen
werden kann. Nähere Angaben hierzu werden jedoch nicht gemacht.
Der Anlasser eines Verbrennungsmotors ist ein spezieller Elektromotor,
der auf relativ niedrige Drehzahlen und hohes Drehmoment ausgelegt ist.
Er muß in der Lage sein, die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors über den
oberen Totpunkt in den einzelnen Zylindern hinaus zu drehen. Der Start
des Verbrennungsmotors findet üblicherweise bei Drehzahlen im Bereich
100-300 min-1 statt. Der Anlasser ist nur für einen Kurzzeitbetrieb
ausgelegt und ist im Hinblick auf seine Stromversorgung auf den Anschluß
an eine normale Fahrzeugbatterie von üblicherweise 12 oder 24 Volt
zugeschnitten.
Der mit der Kurbelwelle gekoppelte Generator eines gattungsgemäßen
Fahrzeugs mit vollelektrischer Leistungsübertragung im Antriebsstrang
ist demgegenüber völlig anders ausgelegt. Er muß für den Dauereinsatz
geeignet sein und arbeitet im Regelfall bei deutlich höheren Drehzahlen
des Verbrennungsmotors (z. B. 750-5500 min-1). Auch sein
Spannungsniveau liegt deutlich höher als bei einem Anlassermotor und
beträgt je nach Drehzahl des Verbrennungsmotors beispielsweise
80-650 Volt, liegt also im Mittelspannungsbereich. Im Grundsatz kann der
Generator als Elektromotor betrieben und somit als Anlasser eingesetzt
werden. Zu beachten ist dabei aber das relativ hohe Drehmoment, welches
für den Startvorgang auf die Kurbelwelle einwirken muß. Der Generator
liefert ein solches Moment im Motorbetrieb wegen seiner andersartigen
Auslegung nur bei Beaufschlagung mit einer ausreichend hohen Spannung.
Dies ist kein Problem, wenn ein elektrischer Energiespeicher zur
Verfügung steht zur Speicherung von Nutzenergie beim Abbremsen
des Fahrzeugs (DE 29 43 554 A1). Ein solcher Energiespeicher
stellt den Strom mit einer der normalen Generatorspannung entsprechenden
hohen Spannung zur Verfügung (Mittelspannungsspeicher). Probleme treten
aber dann auf, wenn ein solcher Mittelspannungsspeicher nicht vorgesehen
ist und zum Starten lediglich die Fahrzeugbatterie des
Niederspannungsbordnetzes, das die Versorgung der elektrischen
Nebenverbraucher bewerkstelligt, eingesetzt werden kann. Zu beachten ist
hierbei nämlich nicht nur, daß die angelegte Spannung nicht allein die
EMK (elektromotorische Kraft) des Generators bei der Startdrehzahl (z. B.
10 Volt bei 100 min-1), sondern auch die Ansprechspannung der Elemente
der dem Generator zugeordneten Leistungselektronik (elektrische Ventile)
überwinden muß. Eine 12-Volt-Batterie ist unter diesen Bedingungen
regelmäßig zu schwach. Auch eine 24-Volt-Batterie ist in vielen Fällen,
insbesondere bei kaltem Motor, unzureichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Fahrzeug mit möglichst
wenig Aufwand dahingehend zu verbessern, daß ein Starten des
Verbrennungsmotors auch im kalten Zustand unter Benutzung des Generators
als Anlassermotor möglich ist, wenn lediglich die normale
Fahrzeugbatterie (Niederspannung unter 60 Volt) als Energiequelle zur
Verfügung steht.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 näher gekennzeichnet.
Die Erfindung sieht vor, daß die zum Anlassen des Verbrennungsmotors
erforderliche elektrische Leistung, die dem Generator für den
Motorbetrieb zugeführt werden muß, aus einem elektrischen
Zwischenspeicher entnommen wird, der seinerseits von der
Fahrzeugbatterie gespeist wird. Als Zwischenspeicher in diesem Sinne
wird ein mit Kondensatoren bestückter Gleichspannungszwischenkreis
benutzt, der dem Generator nachgeschaltet ist und aus dem die
Leistungselektroniken der elektrischen Antriebsmotoren des Fahrzeugs
nach Maßgabe der elektronischen Steuerung die Antriebsenergie für den
Fahrbetrieb entnehmen. Die Spannung dieses
Gleichspannungszwischenkreises liegt im normalen Fahrbetrieb
vorzugsweise im Mittelspannungsbereich bis etwa 650 Volt. In manchen
Fällen kann es sinnvoll sein, auch über diesen Wert noch hinauszugehen.
Um die Kondensatoren zu laden, wird von der elektronischen Steuerung
eine Leitungsverbindung von der Fahrzeugbatterie zum
Gleichspannungszwischenkreis geschaltet. Die Kondensatoren sind in der
Lage, relativ große Ströme und somit entsprechend hohe elektrische
Leistungen zur Verfügung zu stellen. Bei etwa einem Drittel des
maximalen Stroms wird normalerweise schon ein für einen sicheren Start
genügendes Drehmoment erzeugt. Daher kann eine 24-Volt-Batterie unter
diesen Umständen schon ausreichen. Vorteilhafter ist es, das Fahrzeug
mit einem Spannungswandler (z. B. elektronischer DC/DC-Wandler)
auszustatten, der die Niederspannung der Fahrzeugbatterie auf ein
höheres Niveau bringt und somit eine höhere Ladung der Kondensatoren
ermöglicht. Für extreme Fälle, wie etwa für den Start bei sehr tiefen
Temperaturen, die im Verbrennungsmotor zu großen mechanischen
Widerständen führen (zähes Motoröl "Festfrieren" des Motors), sieht die
Erfindung darüber hinaus eine Möglichkeit vor, die auch bei ungewöhnlich
hohen erforderlichen Drehmomenten noch ein sicheres Starten erlaubt.
Diese besteht darin, daß die Kurbelwelle zunächst nicht kontinuierlich
durch den als Motor betriebenen Generator gedreht wird, sondern in
Pendelbewegungen versetzt wird. Die elektronische Steuerung sorgt dann
dafür, daß der hin- und herschwingenden Kurbelwelle durch den
antreibenden Generator im richtigen Zeitpunkt sukzessiv immer mehr
Rotationsenergie zugeführt wird, um auf diese Weise in einer sich
aufschaukelnden Schwingung bis über den oberen Totpunkt des
Verbrennungsmotors hinwegzukommen (Pendelanlassen). Dadurch kann
letztlich ein höheres Anlaßmoment erzielt werden, als es an sich vom
Generator unter den gegebenen Bedingungen der Stromeinspeisung möglich
ist. Dieses Pendelanlassen ist von der Steuerung leicht ausführbar, weil
sie auch im Rahmen des normalen Betriebes des Generators, der als
vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer
Kommutierung ausgebildet ist, fortlaufend über hochgenaue Informationen
der Winkelstellung des Rotors gegenüber dem Stator verfügt und der Rotor
mit der Kurbelwelle mechanisch starr gekoppelt ist.
Durch die Erfindung wird es vermieden, nur für den Motorstart eine
gesonderte Batterie mit höherer Spannung vorsehen zu müssen, die nicht
nur zusätzliches Gewicht verursacht, sondern darüber hinaus auch
erhebliches Volumen beansprucht. Wie bei einem herkömmlichen Fahrzeug
mit üblichem Anlassermotor reicht eine normale Fahrzeugbatterie als
elektrischer Energiespeicher aus. Ein wenig Bauaufwand erfordernder
Spannungswandler ermöglicht auch unter erschwerten Bedingungen ein
sicheres Starten.
Anhand des in der einzigen Figur als Blockschema dargestellten
Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Das
Blockschema stellt im wesentlichen den Antriebsstrang eines
nicht-spurgebundenen Fahrzeugs dar.
Ein Verbrennungsmotor 1 ist mit seiner Kurbelwelle an einen Generator 2
gekoppelt, der als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit
elektronischer Kommutierung ausgebildet ist. Der Generator 2 erzeugt
eine Wechselspannung, die nach Gleichrichtung in einem Gleichrichter 3
in einen Gleichspannungszwischenkreis 4 eingespeist wird. Aus dem
Gleichspannungszwischenkreis 4 wird die Antriebsenergie für den Betrieb
der Elektromotoren 8 entnommen, die jeweils mit einem Rad 3 des nicht
dargestellten Fahrzeugs gekoppelt sind. Die Elektromotoren 8 sind wie
der Generator 2 vorzugsweise als vielpolige permanent erregte
Gleichstrommaschinen mit elektronischer Kommutierung (Block 7)
ausgebildet. Der elektrische Strom wird den Elektromotoren 8 als
gepulster Gleichstrom (Block 7) zugeführt. Die elektronische Steuerung,
die den Generator 2 und die Elektromotoren 8 steuert, ist in den
Blöcken GST, FST und MST dargestellt. Die übergeordnete Fahrsteuerung
FST ist dabei den Motorsteuerungen MST, von denen exemplarisch nur eine
einzige dargestellt ist, und der Generatorsteuerung GST überlagert. Im
Unterschied zum Leistungsfluß ist der Signalfluß durch gestrichelte
Pfeile angedeutet. Die Betriebsspannung im Gleichspannungszwischenkreis
4 liegt im Mittelspannungsbereich, vorzugsweise bei etwa 650 Volt. Außer
den Elektromotoren 8 müssen in dem Fahrzeug noch elektrische
Nebenverbraucher 10 (z. B. Ventilatoren, Scheibenheizungen usw.) mit
Strom versorgt werden. Hierzu ist ein Niederspannungsbordnetz von
beispielsweise 12 oder 24 Volt Spannung vorgesehen, das eine
Fahrzeugbatterie 6 beinhaltet. Um die Batterie 6 zu laden und/oder im
normalen Fahrbetrieb die Nebenverbraucher 10 zu speisen, wird der
erforderliche Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 entnommen. Da
das Spannungsniveau des Gleichspannungszwischenkreises 4 wesentlich zu
hoch ist, wird die Spannung in einem elektronischen Wandler 5 bis in den
Bereich der Bordnetzspannung herabgesetzt. Um den Verbrennungsmotor 1 zu
starten, wird der Generator 2, der ohne Zwischenübersetzung mit dem
Verbrennungsmotor 1 gekoppelt ist, als Anlassermotor betrieben. Die
elektronische Steuerung GST, FST, MST veranlaßt hierzu, daß die erforderliche
elektrische Leistung, die in der Wicklung des Generators 2 einen so
hohen Strom zuläßt, daß der Generator 2 ein für das Drehen des
Verbrennungsmotors 1 hinreichendes Anlaßmoment abgibt, aus den
Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 entnommen wird. Die
12-Volt-Fahrzeugbatterie 6 könnte diesen Strom nicht unmittelbar zur
Verfügung stellen, da ihre Spannung zu niedrig ist. Sofern die
Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 nicht ohnehin noch
eine ausreichende Ladung aus einer vorhergehenden Fahrbetriebsphase
aufweisen, führt die elektronische Steuerung GST, FST, MST zunächst eine Ladung
der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 durch. Dies kann
mit vergleichsweise geringer Leistung durch die 12-Volt-Batterie 6
erfolgen. Um eine höhere Ladung der Kondensatoren zu erreichen und somit
eine höhere Leistung für den Startvorgang verfügbar zu machen, ist
vorteilhaft die Einrichtung zur Spannungswandlung 5 vorgesehen, die zu
diesem Zweck eine Umsetzung des Batteriestromes auf ein wesentlich
höheres Spannungsniveau (z. B. 200 oder 300 Volt) bewirkt, also nicht nur
die bereits erwähnte Spannungsverminderung während des normalen
Generatorbetriebs zur Stromeinspeisung in das Niederspannungsbordnetz
vornimmt. Für beide Aufgaben könnten auch separate DC/DC-Wandler
vorgesehen sein. Sobald eine ausreichende Kondensatorladung vorliegt,
kann die elektronische Steuerung den eigentlichen Anlaßvorgang
einleiten. Die zwischengespeicherte elektrische Energie kann mit
vergleichsweise hoher Leistung aus den Kondensatoren abfließen und
erzeugt im Generator 2 ein ausreichend hohes Anlaßmoment für den
Verbrennungsmotor 1.
Besonders zweckmäßig ist es, als Generator 2 eine mit einer Vielzahl von
Permanentmagneten aus einer FeNdB-Legierung bestückte elektronisch
kommutierte elektrische Maschine zu verwenden. Gerade bei niedrigen
Temperaturen weisen derartige Permanentmagnete einen besonders hohen
magnetischen Fluß auf. Dies führt bei z. B. -25°C zu einem gegenüber
Raumtemperatur etwa 3mal so hohen Drehmoment. Auch unter schwierigen
Bedingungen ist dabei ein Pendelanlassen in der Regel nicht
erforderlich. Da ein Anlaßvorgang nur wenige Sekunden dauert, wird die
Leistungselektronik trotz der unter Umständen sehr hohen Ströme nicht
beschädigt.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mit äußerst geringem
Zusatzaufwand unter Ausnutzung der ohnehin für ein gattungsgemäßes
Fahrzeug vorgesehenen Aggregate ein sicheres Starten des
Verbrennungsmotors möglich ist, wobei ein konventioneller Anlaßmotor
ebenso wie eine konventionelle Lichtmaschine ersatzlos entfallen können.
Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung erzielt, die sich letztlich auch
in einer Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs positiv
bemerkbar macht.
Claims (5)
1. Nicht-spurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad (9) für
den Antrieb mit einem Elektromotor (8) gekoppelt ist, der über eine
von einer elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) beeinflußte
Leistungselektronik (3, 4, 7) entsprechend einer vom Fahrer über
ein Fahrpedal eingegebenen Leistungsanforderung mit elektrischem
Strom gespeist wird, wobei der Strom von einem Generator (2)
erzeugt wird, der mit einem Verbrennungsmotor (1) antriebstechnisch
gekoppelt ist, wobei ferner der Strom für den Antrieb vom Generator
(2) mit einer Betriebsspannung im Mittelspannungsbereich
(insbesondere im Bereich über 100 Volt bis 1500 Volt)
bereitgestellt wird und wobei ein Bordnetz im
Niederspannungsbereich (insbesondere unter 60 Volt) vorhanden ist,
das die Versorgung elektrischer Nebenverbraucher (10) sicherstellt,
eine Fahrzeugbatterie (6) aufweist und mit Strom gespeist wird, der
durch Umwandlung eines Teile der vom Verbrennungsmotor (1)
erzeugten mechanischen Energie gewonnen wird, und wobei der
Generator (2) zum Anlassen des Verbrennungsmotors (1) als
Elektromotor betreibbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß dem Generator (2) ein mit Kondensatoren bestückter Gleichspannungszwischenkreis (4) nachgeschaltet ist, aus dem die Elektromotoren (8) gespeist werden
- - daß das Programm der elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) vor dem Anlassen des Verbrennungsmotors (1) eine Aufladung der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises (4) aus der Fahrzeugbatterie (6) vorsieht und
- - daß der Strom für den Motorbetrieb (Anlasserbetrieb) des Generators (2) aus dem Gleichspannungszwischenkreis (4) entnommen wird.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Spannungswandler (5) vorgesehen ist, der die Niederspannung
des aus der Fahrzeugbatterie (6) zum Anlassen entnommenen Stroms
auf eine Mittelspannung oberhalb 100 Volt transformiert.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungswandler (5) auch zur Herabsetzung der
Mittelspannung auf die Niederspannung zum Aufladen der
Fahrzeugbatterie (6) eingerichtet ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Generator (2) eine vielpolige permanent erregte
Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ist und das
Programm der elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) für den Fall, daß die
im Gleichspannungszwischenkreis (4) gespeicherte und von der
Fahrzeugbatterie (6) nachlieferbare Energie für ein direktes Drehen
der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (1) bis über den oberen
Totpunkt hinaus nicht ausreicht, ein Pendelanlassen vorsieht.
5. Fahrzeug nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit
elektronischer Kommutierung ausgebildete Generator (2)
Permanentmagnete aus einer FeNdB-Legierung aufweist.
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