DE69303150T2

DE69303150T2 - Elektrisches System eines elektrischen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE69303150T2
Application number: DE69303150T
Authority: DE
Inventors: Shigenori Kinoshita
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1993-12-19
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2013-12-20
Also published as: JP3178146B2; EP0603778B1; KR0151737B1; US5629603A; KR940013983A; JPH06245327A; CA2111726A1; EP0603778A1; DE69303150D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches System eines Elektrofahrzeugs, bei dem eine Haupt-Sekundärbatterie als eine Spannungsquelle eingesetzt wird.
In Fig. 1 ist ein Antriebssystem eines herkömmlichen Elektrofahrzeugs gezeigt, bei dem als Spannungsquelle eine Haupt-Sekundärbatterie (im folgenden auch einfach als Sekundärbatterie bezeichnet) eingesetzt wird. Diese Figur zeigt ein Antriebssystem für den Antrieb von zwei Rädern mit Hilfe eines einzigen Wechselstrommotors. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Sekundärbatterie, das Bezugszeichen 2 einen Hauptkontakt bzw. Hauptschalter, das Bezugszeichen 3 eine Sicherung, das Bezugszeichen 4 einen Wechseirichter, das Bezugszeichen 5 einen Wechselstrommotor, das Bezugszeichen 6 einen Schalter mit drei Polen zum Öffnen eines Motorstromkreises, das Bezugszeichen 7 eine Untersetzungsgetriebeeinheit und das Bezugszeichen 9 eine Differentialgetriebeeinheit.
Bei diesem Antriebssystem wird die Drehung des Wechselstrommotors 5 durch die Untersetzungsgetriebeeinheit 7 verlangsamt, und es wird diese verlangsamte Drehung über die Differentialgetriebeeinheit 9 auf die Räder 81 und 82 übertragen.
Der Wechselrichter 4 ist mit dem Motor 5 durch Leitungen 60a, den dreipoligen Schalter 6 und Leitungen 60b verbunden, derart, daß der dreipolige Schalter 6 die Leitungen 60a und 60b unterbricht, wenn ein Fehler auf der Seite des Motors 5 auftritt.
Bei dem Antriebsystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, richtet der Wechselrichter 4 die Gleichspannung der sekundären Batterie (Sekundärbatterie) 1 in Wechselspannung um, wodurch sowohl das Drehmoment als auch die Drehzahl des Wechselstrommotors 5 gesteuert werden.
Während des Fahrens des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Spannung wird die Spannung von der sekundären Batterie 1 an den Motor 5 über den Wechselrichter 4 angelegt, der die Gleichspannung in die Wechselspannung umwandelt, so daß die Räder 81 und 82, d.h. der Fahrzeugkörper angetrieben wird. Während des regenerativen Bremsens wird die kinetische Energie des Fahrzeugkörpers über die Räder 81, 82, den Motor 5 und den Wechselrichter 4, der Wechselspannung in Gleichspannung in der Richtung, die zu derjenigen während des Betriebs mit Energiespeisung entgegengesetzt ist, umwandelt, regeneriert und zu der sekundären Batterie 1 zurückgespeist.
Im allgemeinen ist der Wechselrichter des Elektrofahrzeugs in der Form eines Transistor- Wechselrichters mit drei Phasen angeordnet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 401 einen Transistor, während das Bezugszeichen 402 eine Diode bezeichnet, die antiparallel zu dem Transistor 401 geschaltet ist. Die hauptsächliche Schaltung des drei Phasen aufweisenden Inverters ist durch sechs Arme gebildet, von denen jeder aus dem Schaltelement besteht, das den Transistor 401 und die Dioden 402 zusammenfaßt. Das Bezugszeichen 403 bezeichnet einen Kondensator zum Glätten des von der sekundären Batterie 1 abgegebenen Stroms.
In den Fig. 4A bis 5D sind Spannungswellenformen und Stromwellenformen von jeweiligen Abschnitten des Antriebssystems während des Antriebsbetriebs des Elektrofahrzeugs dargestellt. Allgemein gesagt, arbeitet der Wechselrichter zur Ansteuerung des Elektrofahrzeugs mit der gleichen Pulsbreitenmodulations-Steuerung (PWM-Steuerung) wie industrielle Antriebsysteme für Wechselstrommotoren. In diesen Figuren ist das mit Pulsbreitenmodulation arbeitende Steuerverfahren dargestellt. Es ist anzumerken, daß in Fig. 3 eine Ausgestaltung der Schaltung zur Erläuterung der Spannungen und Ströme in den Fig. 4A bis 4D (bei einem Fahrbetrieb mit Leistungsspeisung), und in den Fig. 5A bis 5D (bei einem Bremsbetrieb mit regenerativer Bremsung) gezeigt ist.
Wie aus den Fig. 4A bis 5D ersichtlich ist, wird die Spannung VB der sekundären Batterie 1 durch den Wechselrichter 4 einer Impulsbreiten Modulations-Steuerung unterzogen, um diese in die wechselspannungsseitige Spannung VM des Wechselrichters 4 umzuwandeln, die eine Wellenform besitzt, wie sie in Fig. 4A gezeigt ist. Die Wellenformen während des Betriebs mit Leistungsspeisung und während des Betriebs mit regenerativer Bremsung sind ähnlich. Eine Wellenform, die in Fig. 4A durch eine gepunktete Linie angegeben ist, repräsentiert eine Grundwelle der Pulsbreitenmodulations-Steuerung. Die Pulsbreitenmodulations-Steuerung wird in einer solchen Weise ausgeführt, daß diese Grundwelle zu einer Sinuswelle wird. Folglich nimmt der wechselspannungsseitige Strom iM des Wechselrichters 4 eine solche Wellenform an, bei der dem Strom der Grundwelle Ströme höherer Oberwellen überlagert sind.
Die in den Fig. 4A bis 5D gezeigten Beispiele gelten für den Fall, daß der Leistungsfaktor der Grundwellen gleich 1 ist. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, sind die Phasen der Ströme während des Bremsbetriebs (Fig. 5A bis 5D) und während des Fahrbetriebs mit Energiespeisung (Fig. 4A bis 4D) einander entgegengesetzt, und es wird folglich der Bremsvorgang zu dem regenerativen Vorgang. In gleichartiger Weise ist auch die Priorität des gleichstromseitigen Stroms iB während des Bremsvorgangs invertiert.
Da die Energie, die in der sekundären Batterie eines Elektrofahrzeugs als Spannungsquelle gespeichert ist, begrenzt ist, muß die Batterie geeignet wieder aufgeladen werden. Dieser Vorgang der Batterieladung ist ein hauptsächliches Problem bei dem Einsatz von Elektrofahrzeugen.
Anders ausgedrückt, sind der Ladevorgang zum Laden der sekundären Batterie und eine Ladevorrichtung bei dem Einsatz von Elektrofahrzeugen wesentlich.
Fig. 6 zeigt ein herkömmliches Ladesystem. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet ein Elektrofahrzeug, bei dem die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt werden.
In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 300 eine Ladevorrichtung, die mit der sekundären Batterie 1 über ein Ladekabel 400 und einen Ladeverbinder 200 verbunden ist, der an die sekundäre Batterie 1 angeschlossen ist. Die Ladevorrichtung 300 ist mit einem Verbinder 200 eines externen Energieverteilungssytems 240 über ein Kabel 700 verbunden.
Während des Ladevorgangs ist der Hauptschalter 2 des Elektrofahrzeugs 100 geöffnet, so daß die sekundäre Batterie 1 durch die Energie, die von dem Energieverteilungssystem 240 zugeführt wird, mit Hilfe der Ladevorrichtung 300 geladen wird.
Fig. 7 zeigt die herkömmliche Ladevorrichtung 300. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 301 einen wechselspannungsseitigen Verbinder, das Bezugszeichen 302 bezeichnet einen Abwärtstransformator, der nach Bedarf vorgesehen ist, das Bezugszeichen 303 bezeichnet einen Diodengleichrichter zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, das Bezugszeichen 304 bezeichnet einen Zerhacker, der einen Ladestrom steuert, das Bezugszeichen 305 bezeichnet eine Reaktanz zum Glätten eines Ladestroms, und das Bezugszeichen 306 bezeichnet eine Sicherung.
Allgemein muß die Ladevorrichtung die sekundäre Batterie 1 rasch laden. Daher muß die Kapazität der Ladevorrichtung 300 derart ausgewählt werden, daß sie gleich groß wie oder größer als diejenige des Wechselrichters für die Ansteuerung des Wechselstrommotors des Elektrofahrzeugs ist. Folglich muß die Ladevorrichtung 300 notwendigerweise sperrig ausgelegt werden, und es wird der Ladevorgang kompliziert, da die Ladevorrichtung eine große Kapazität aufweisen muß und darüber hinaus auch den Energiewandler wie etwa den Diodengleichrichter 300 enthalten muß.
Für die Ansteuerung von Elektrofahrzeugen ist es unabhängig von Zeit und Raum wesentlich, eine Ladestation, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, an vielen Stellen wie etwa bei Tankstellen für Brennkraftmaschinen zu installieren.
Jedoch ist es schwierig, das vorstehend erläuterte, herkömmliche Ladesystem an einer großen Anzahl von Stellen zu installieren, da die Ladevorrichtung 300 sperrig und teuer ist. Dies stellt ein Problem bei der weiten Verbreitung von Elektrofahrzeugen dar.
Darüber hinaus weist die Ladevorrichtung 300 die Gleichrichterlast auf, die mit dem Energieverteilungssystem 240 verbunden ist. Dies stellt ein weiteres Problem dahingehend dar, daß diese die Qualität der Energie durch Verursachung von höheren Oberwellen in dem Energieverteilungssystem 240 verschlechtert und den Leistungsfaktor verringert.
In der JP-A-59 061 402 ist ein kompaktes, batteriegetriebenes Fahrzeug offenbart, bei dem keine Ladevorrichtung wie etwa ein Gleichrichter exklusiv vorgesehen ist, indem als Ladevorrichtung für das Fahrzeug ein Antriebs-Wechselrichter so, wie er ist, verwendet wird und dieser in der regenerativen Betriebsart betrieben wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches System eines Elektrofahrzeugs zu schaffen, das dazu imstande ist, eine sekundäre Batterie zu laden, indem es lediglich mit einer externen Wechselspannungsquelle wie etwa einem Energieverteilungssystem verbunden wird, ohne daß eine sperrige und teure Ladevorrichtung eingesetzt wird, und das weiterhin imstande ist, zu verhindern, daß sich eine Energiequalität des Energieverteilungssystems während des Ladevorgangs verschlechtert, wodurch die vorstehend beschriebenen Probleme beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, indem die Tatsache berücksichtigt wurde, daß ein eine große Kapazität aufweisender Wechselrichter mit einer regenerativen Funktion in einem Elektrofahrzeug installiert ist und der Wechselrichter herkömmlicherweise nicht zum Laden einer sekundären Batterie eingesetzt wird. Bei einem normalen Betrieb wird das Elektrofahrzeug durch einen Wechselstrommotor angetrieben, der von dem Wechselrichter mit Leistung gespeist wird. In einem Ladebetrieb fungiert der Wechselrichter als ein Wechselspannungs/Gleichspannungs- Wandler. Ein Kontakt bzw. Schalter wird zur Abtrennung des Motors von dem Wechselrichter während des Ladens der sekundären Batterie eingesetzt.
Genauer gesagt, weist der Schalter erste Anschlüsse und zweite Anschlüsse auf, wobei die ersten Anschlüsse mit zweiten Anschlüssen der Wicklungen des Wechselstrommotors verbunden sind, und die zweiten Anschlüsse des Schalters kurzgeschlossen sind. Die ersten Anschlüsse der Wicklungen des Wechselstrommotors sind mit der Wechselspannungsseite des Wechselrichters verbunden.
Während des Ladens der sekundären Batterie ist der Schalter geöffnet, so daß der Wechselstrommotor angehalten ist, und eine Wechselspannung, die von einer externen Wechselspannungsquelle zugeführt wird, zu dem Wechselrichter über die Wicklungen des Wechselstrommotors, die als Reaktanzen fungieren, gespeist wird. Der Wechselrichter arbeitet als ein Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandler und lädt die sekundäre Batterie.
Auf der anderen Seite ist der Schalter geschlossen, wenn der Motor die Räder antreibt, so daß die Wicklungen in Y-Schaltung verbunden sind und als die Wicklungen des Motors fungieren. In diesem Fall sind die Ladeleitungen, die zu den Ladeverbindern führen, kurzgeschlossen, und es wird der Ladebetrieb der sekundären Batterie unmöglich. Während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie ist es vorzuziehen, den Energiewandler mit Hilfe einer Steuerschaltung einer PWM-Steuerung (Pulsbreitenmodulation-Steuerung) zu unterziehen, um die Stromwellenformen zu verbessern. Die externe Wechselspannungsquelle kann ein Energieverteilungssystem entweder mit einer einzigen Phase oder mit drei Phasen sein. Es ist vorzuziehen, eine Sicherung zwischen dem Energiewandler und dem Energieverteilungssystem einzufügen.
Ein Spitzenwert der Spannung der ladenden Wechselspannungsquelle ist vorzugsweise derart gewählt, daß er niedriger ist als die Spannung der sekundären Batterie. Während des Ladevorgangs der sekundären Batterie ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Räder automatisch gebremst werden, um zu verhindern, daß das Elektrofahrzeug startet.
Während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie muß ein Elektroschock, der auf einen menschlichen Körper einwirkt, verhindert werden. Zu diesem Zweck ist ein Teil des Körpers des Elektrofahrzeugs, das man während des Ladevorgangs berühren kann, geerdet, so daß der Körper bei dem Massepotential gehalten wird.
Bei dem herkömmlichen Ladesystem, wie es in den Fig. 6 und 16 gezeigt ist, ist das Potential der sekundären Batterie nicht gleich groß wie dasjenige des Energieverteilungssystems, da die sekundäre Batterie während des Ladevorgangs gegenüber dem Energieverteilungsystem mit Hilfe eines isolierenden Transformators (Abwärtstransformator) isoliert ist. Im Unterschied hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung das Potential der sekundären Batterie gleich groß wie dasjenige des Energieverteilungssystems, da die sekundäre Batterie direkt von dem Energieverteilungssystem und nicht über den isolierenden Transformator geladen wird.
Fig. 16 zeigt eine erläuternde Darstellung des Ladevorgangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Körper 110 des Elektrofahrzeugs ist gegenüber dem Boden 242 mit Hilfe der Reifen 126 isoliert. Die Bezugszeichen 121 und 122 bezeichnen Streukapazitäten zwischen dem Fahrzeugkörper 110 und den Verbindungsleitungen der Hauptschaltung, die die sekundäre Batterie 1 mit dem Wechselrichter 4 verbinden, und das Bezugszeichen 123 bezeichnet eine Streukapazität zwischen dem Fahrzeugkörper 110 und dem Boden 242.
Auf der anderen Seite ist eine der Leitungen oder die neutrale Leitung eines Energieverteilungssystems 240 mit dem Boden durch eine Masseleitung 251 auf der Seite der Wechselspannungsquelle 250 wie etwa eines Systemtransformators verbunden.
Fig. 17 zeigt das Potential des Fahrzeugs während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie. In dieser Figur bezeichnet Vs das Potential des Energieverteilungssystems 240 bezüglich des Bodens bzw. der Masse CS1 bezeichnet einen kombinierten Kapazitätswert der Streukapazitäten 121 und 122, und CS2 bezeichnet einen Kapazitätswert der Streukapazität 123. Aus dieser Figur ergibt sich, daß das Massepotential V&sub1;&sub1;&sub0; des Fahrzeugkörpers 110 durch die folgende Gleichung wiedergegeben ist:
V&sub1;&sub1;&sub0; = VS x CS1/(CS1 + CS2)
Aus dieser Formel ergibt sich, daß der Kapazitätswert CS2 äquivalent auf einen unendlichen Wert festgelegt werden muß, damit das Massepotential V&sub1;&sub1;&sub0; des Fahrzeugkörpers 110 während des Ladevorgangs auf Null gebracht wird.
Daher wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung der Fahrzeugkörper 110 des Elektrofahrzeugs während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie mit dem Boden mit Hilfe des Ladeverbinders und des Ladekabels verbunden, so daß das Massepotential des Fahrzeugkörpers 110 während des Ladebetriebs auf Null gelegt ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die sekundäre Batterie geladen, während der Verbinder geöffnet ist, und es ist die Wechselspannungsseite des Wechselrichters, der als der Spannungswandler dient, über die Wicklungen des Wechselstrommotors mit dem Energieverteilungssystem verbunden, das als die Lade-Wechselspannungsquelle fungiert. In diesem Fall arbeitet der Wechselrichter in einer Weise, die ähnlich ist wie der Vorgang des regenerativen Bremsens bei einem herkömmlichen Wechselrichter, bei dem die Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt wird. Folglich wird die sekundäre Batterie geladen.
Die Spannung der sekundären Batterie ist vorzugsweise derart ausgewählt, daß sie höher ist als der sinusförmige Spitzenwert der wechselspannungsseitigen Spannung des Wechselrichters. Falls der sinusförmige Spitzenwert größer wird als die Batteriespannung, sollte die wechselspannungsseitige Spannung des Wechselrichters dadurch verringert werden, daß ein Abwärtstransformator eingesetzt wird.
Wenn das Elektrofahrzeug angetrieben wird, ist der Schalter geschlossen, so daß die Wicklungen des Motors in normaler Form verschaltet sind, und es fungiert der Motor als der Wechselspannungsmotor für den Antrieb der Räder.
Da die Wicklungen des Wechselstrommotors, die zwischen den Wechselrichter und die Wechselspannungsquelle während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie geschaltet sind, als Reaktanzen zum starken Unterdrücken der Spannungen höherer Harmonischer wirken, die durch die Pulsbreitenmodulations-Steuerung des Wechselrichters induziert werden, wird die Verzerrung der Stromwellen von der Wechselspannungsquelle stark verringert, so daß sich eine geeignete Wellenform ergibt. Weiterhin kann auch der störende Einfluß der Spannungswellenform, der durch die Pulsbreitenmodulationssteuerung auf das Wechselspannungsverteilungssystem ausgeübt wird, in starkem Maße verringert werden.
Da der Fahrzeugkörper des Elektrofahrzeugs während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf Massepotential gelegt ist, wird der Fahrzeugkörper des Elektrofahrzeugs darüber hinaus nicht auf ein solches Potential aufgeladen, das ein Risiko für einen menschlichen Körper hervorrufen kann.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist keine herkömmliche Ladevorrichtung großer Kapazität und großer Abmessungen, die einen Wechselspannungs/Gleichspannungswandler enthält, erforderlich. Es kann ein elektrisches System, das das Ladesystem enthält, und das kostengünstig, kompakt und raumsparend ist, realisiert werden, was in starkem Maße zur weiten Verbreitung von Elektrofahrzeugen beiträgt.
Während des Ladevorgangs können die Oberwellen höherer Ordnung und die Verzerrungen durch Einsatz eines Verfahrens zur Steuerung des Spannungswandlers wie etwa einer Pulsbreitenmodulations-Steuerung verringert werden, da die Reaktanzen der Wicklungen des Wechselstrommotors herangezogen werden. Darüber hinaus kann die Ladevorrichtung mit einem Einheits-Leistungsfaktor betrieben werden. Dies trägt dazu bei, die Energiequalität des Energieverteilungssystems zu verbessern.
Da eine Wechselspannungsquelle mit entweder einer einzigen Phase oder mit drei Phasen als die ladende Wechselspannungsquelle eingesetzt werden kann, kann eine Haushalts-Spannungsquelle und auch eine industrielle Spannungsquelle in einfacher Weise eingesetzt werden, wodurch eine Beschränkung hinsichtlich der Stromversorgung beseitigt ist.
Da der Fahrzeugkörper des Elektrofahrzeugs während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie durch die Masseleitung innerhalb des Ladekabels und den Ladeverbinder auf Massepotential gelegt ist, gibt es keine Möglichkeit, daß der Fahrzeugkörper während des Ladevorgangs aufgeladen wird. Als Ergebnis ist es möglich, ein für einen menschlichen Körper sicheres Sicherheitsladesystem bereitzustellen.
Die vorstehend genannte und weitere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung, in der ein Antriebssystem eines herkömmlichen Elektrofahrzeugs veranschaulicht ist;
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild, in dem eine hauptsächliche Schaltung eines Transistor-Wechselnrichters mit drei Phasen dargestellt ist;
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild, in dem Spannungen und Ströme von wesentlichen Abschnitten in Fig. 1 dargestellt sind;
Fig. 4A bis 4D veranschaulichen Wellenformen von Spannung und Strom wahrend des Fahrbetriebs des Elektrofahrzeugs mit Energiespeisung;
Fig. 5A bis 5D veranschaulichen Wellenformen von Spannung und Strom während des Bremsbetriebs des Elektrofahrzeugs mit regenerativer Bremsung;
Fig. 6 zeigt ein Schaltbild, das ein herkömmliches Ladesystem veranschaulicht;
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild, in dem die Ausgestaltung einer herkömmlichen Ladevorrichtung dargestellt ist;
Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen herkömmlichen Ladevorgang veranschaulicht;
Fig. 9 zeigt ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems eines Elektrofahrzeugs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild, das einen hauptsächlichen Abschnitt des Ausführungsbeispiels während des Fahrbetriebs mit Energiespeisung zeigt;
Fig. 11 zeigt ein Schaltbild, in dem der hauptsächliche Abschnitt des Ausführungsbeispiels während des Ladevorgangs dargestellt ist;
Fig. 12 zeigt ein schematisches Schaltbild, in dem die Verbindung während des Ladevorgangs bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 veranschaulicht ist;
Fig. 13 zeigt ein Äquivalenzschaltbild während des Ladevorgangs bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9;
Fig. 14 zeigt ein Diagramm, das Wellenformen von Spannung und Strom an unterschiedlichen Abschnitten in Fig. 13 zeigt;
Fig. 15 zeigt ein Äquivalenzschaltbild des hauptsächlichen Abschnitts, wenn ein Induktionsmotor als ein Wechseistrommotor bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 eingesetzt wird;
Fig. 16 zeigt ein Äquivalenzschaltbild während des Ladevorgangs bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9; und
Fig. 17 zeigt ein Schaltbild, das das Potential des Fahrzeugkörpers in Fig. 16 veranschaulicht.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 9 zeigt eine Ausgestaltung eines hauptsächlichen Abschnitts eines Ausführungsbeispiels in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 sind gleiche Abschnitte wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es entfällt deren Beschreibung.
Bei einem Elektrofahrzeug 100A gemäß diesem Ausführungsbeispiel fungiert der Wechselrichter 4 als ein Spannungswandler, der Vorwärts/Rückwärtsumwandlungen durchführt und der die regenerative Funktion aufweist. Die wechselspannungsseitigen verbindenden Leitungen 60a des Wechselrichters 6 sind mit Anschlüssen 51a, 52a und 53a der Phasenwicklungen 51, 52 bzw. 53 des Wechselstrommotors 5 verbunden. Die anderen Anschlüsse 51b, 52b und 53b der Wicklungen 51, 52 und 53 sind mit Anschlüssen 61a, 62a und 63a des dreipoligen Schalters 6 jeweils über die Verbindungsleitungen 60b verbunden. Die anderen Anschlüsse 61b, 62b und 63b des dreipoligen Schalters 6 sind mit einer Kurzschlußleitung 65 verbunden, so daß diese Anschlüsse kurzgeschlossen sind.
Die Anschlüsse der ladenden Verbindungsleitungen 66 sind jeweils mit den Anschlüssen des dreipoligen Schalters 6 verbunden, und die anderen Anschlüsse der Leitungen 66 sind mit einem Ladeverbinder 210a verbunden. Ein Anschluß einer Masseleitung 67 des Fahrzeugkörpers ist mit dem Ladeverbinder 210a verbunden, und es ist der andere Anschluß dieser Masseleitung 67 mit einer zur Verbindung der Masseleitung des Fahrzeugkörpers dienenden Verbindungseinheit 68 des Fahrzeugkörpers 110 verbunden.
Im folgenden wird die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels erläutert.
Zunächst wird das Elektrofahrzeug 100A durch Schließen des dreipoligen Schalters 6 angetrieben. In Fig. 10 ist dieser Zustand gezeigt, bei dem die Anschlüsse 51a, 52a und 53a der Motorwicklungen 51, 52 und 53 durch die Kurzschlußleitung 65 über den Schalter 6 kurzgeschlossen sind und die Wicklungen 51, 52 und 53 eine Y-Verschaltung bilden. Als Ergebnis wird der Motor 5 durch den Wechselrichter 4 als ein Y-verschalteter Motor angesteuert und wird als ein normaler Motor zum Antreiben des Elektrofahrzeugs betrieben.
Während des Antriebsvorgangs ist keine Komponente mit Anschlüssen 211a, 212a und 213a des Ladeverbinders 210a und einem Masseanschluß 214a verbunden. Wenn der dreipolige Schalter 6 geschlossen ist, sind die ladenden Verbindungsleitungen 66 kurzgeschlossen, und es sind demzufolge die Anschlüsse des ladenden Verbinders 210a gleichfalls kurzgeschlossen. Als Ergebnis treten die Motorspannungen nicht an den Anschlüssen 211a, 212a und 213a auf und sind demzufolge während des Antriebsprogramms selbst dann sicher, wenn sie nicht abgeschirmt sind.
Wenn auf der anderen Seite ein abnormaler Betrieb wie etwa ein Fehler während des Antriebsbetriebs des Elektrofahrzeugs auftritt, wird eine Schutzschaltung (nicht gezeigt) als Reaktion auf diesen abnormalen Betrieb wirksam. Hierdurch wird der dreipolige Schalter 6 geöffnet. Auch wenn die Spannungen des Motors zu diesem Zeitpunkt zwischen den Anschlüssen 211a , 212a und 213a des Ladeverbinders 210a auftreten, stellt dies im Hinblick auf die Sicherheit kein Problem dar, da der abnormale Betrieb entweder durch Unterbrechen des Betriebs des Wechselrichters oder durch Öffnen des Hauptschalters 2 und der Sicherung 3 sofort beendet wird.
Nachfolgend wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 11 der Vorgang des Ladens der sekundären Batterie 1 erläutert. Zunächst wird der dreipolige Schalter 6 geöffnet, während der Wechselrichter 4 nicht betrieben wird. Danach wird der Ladeverbinder 210b des Ladekabels 200 mit dem Ladeverbinder 210a verbunden.
Gemäß Fig. 11 enthält das Ladekabel 200 den Verbinder 210b, einen Verbinder 220a, der mit einem Verbinder 220b auf der Seite des Energieverteilungssystems 240 verbunden ist, und Verbindungsleitungen, die aus den ladenden Verbindungsleitungen 230a und der Masseverbindungsleitung 230b bestehen, die die Verbinder 210a und 220a verbinden.
Hierbei sind die ladenden Verbindungsleitungen 230a mit dem Energieverteilungssystem 240 über die Leiter 220a und 220b verbunden, wohingegen die Masseverbindungsleitung 230b mit der Masseleitung 241 über die Verbinder 220a und 220b verbunden sind. Diese Masseleitung 241 ist an die Erde 242 angeschlossen.
In Fig. 12 ist ein Schaltbild gezeigt, das den Ladevorgang veranschaulicht. Die Wicklungen 51, 52 und 53 des Motors wirken als Reaktanzen. Die Ladeleistung wird von einer Wechselspannungsquelle 250 des Energieverteilungssystems 240 über die Wicklungen 51, 52 und 53 zu dem Wechselrichter 4 gespeist. Der Wechselrichter 4 wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um, um die sekundäre Batterie 1 in einem Betriebsablauf zu laden, der gleichartig ist wie derjenige während des vorstehend erläuterten Bremsvorgangs mit regenerativer Bremsung.
Der Wechselrichter 4 weist eine PWM-Steuerschaltung (Pulsbreitenmodulations-Steuerschaltung) 4A zur Durchführung der PWM-Steuerung und eine Ladesteuerschaltung 4B zur Steuerung des Ladevorgangs auf. Die Ladesteuerschaltung 4B steuert den Batteriestrom und die Batteriespannung während des Ladevorgangs. Darüber hinaus ist eine Schutzschaltung 6A zur Erfassung eines Fehlers des Betriebs des Wechselrichters und des Motors während des energiegespeisten Fahrens des Elektrofahrzeugs vorgesehen. Die Schutzschaltung 6A öffnet den Schalter 6, wenn ein Fehler erfaßt wird.
Die neutrale Leitung oder eine der Leitungen des Energieverteilungssystems 240 ist an die Erde 242 über die Masseleitung 241 angeschlossen und hierdurch geerdet. Der Fahrzeugkörper 110 des Elektrofahrzeugs 100A ist ebenfalls durch einen Verbindungsabschnitt 68 der Masseleitung, die Masseverbindungsleitung 230b und die Masseleitung 241 auf Massepotential gelegt.
Fig. 13 zeigt eine Äquivalenzschaltung zum Laden der sekundären Batterie bei diesem Ausführungsbeispiel, und Fig. 14 zeigt Spannungs/Stromwellenformen an unterschiedlichen Abschnitten in Fig. 13.
In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 5x die Reaktanz der Wicklungen, 51, 52 und 53 des Motors 5, das Bezugszeichen 200x bezeichnet die Reaktanz des Ladekabels 200, das Bezugszeichen 240x bezeichnet die Reaktanz des Energieverteilungssystems 240, und die Bezugszeichen 241L und 242L bezeichnen weitere Wechselstromlasten, die an das Energieverteilungssystem 240 angeschlossen sind.
Ferner bezeichnet VB die Spannung der sekundären Batterie 1, iB bezeichnet den Strom der sekundären Batterie 1 während des Ladevorgangs, iAC bezeichnet den wechselstromseitigen Strom des Wechselrichters 4 während des Ladevorgangs, und VAC bezeichnet die wechselspannungsseitige Spannung des Wechselrichters 4.
Da der Wechselrichter 4 mit einer Frequenz, die größer als mehrere kHz ist, PWM-gesteuert wird, wird der Strom iAC, der von dem Energieverteilungssystem 240 zugeführt wird, im allgemeinen zu einem sinusförmigen Strom, dessen Leistungsfaktor annähernd gleich 1 ist, wobei ein kleiner Anteil von hochfrequenten Schwahkungen vorhanden ist, wie es Fig. 14 gezeigt ist.
Die wechselspannungsseitige Spannung VAC des Wechselrichters 4 weist eine impulsbreitenmodulierte Wellenform auf, deren Spitzenwert gleich groß ist wie die Batteriespannung VB, wie es durch VAC [1] angegeben ist.
Da die Reaktanz 5x sehr viel größer als die Reaktanz 200x oder 240x ist, wird ein größerer Teil der Oberwellen der impulsbreitenmodulierten Wellenform durch die Reaktanz 5x absorbiert, und die Spannung an den Verbindern 210a und 210b des Elektrofahrzeugs 100A nähert sich eng an eine Sinuswelle an, wie es durch VAC [2] angegeben ist. Eine Spannung an den Verbindem 220a und 220b auf der Seite des Energieverteilungssystems 240 nähert sich weiterhin einer Sinuswelle an, wie es mit VAC [3] bezeichnet ist.
Da die Versorgungsquellenspannung, die an andere Wechselstromlasten 241L oder 242L, die an das Energieverteilungssystem 240 angeschlossen sind, angelegt wird, nahe bei einer Sinusquelle liegt, wie es durch VAC [3] dargestellt ist, weist der Vorgang des Ladens des Elektrofahrzeugs 100A im wesentlichen keinen Einfluß auf das Spannungsversorgungssystem auf.
Wie zuvor erläutert, sind die Phasenwicklungen des Wechselstrommotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zwischen die externe Wechselspannungsquelle und den Wechselrichter für die Ansteuerung des Wechselstrommotors eingefügt. Folglich wird die sekundäre Batterie unter Heranziehung der Reaktanz der Phasenwicklungen durch den Wechselrichter geladen, an den die Energie von der externen Wechselspannungsquelle angelegt wird.
Es ist vor allem in Betracht zu ziehen, daß das Elektrofahrzeug niemals starten sollte, damit es sich während des Ladevorgangs unter Erzeugung eines Drehmoments nicht bewegt.
Dies wird in größeren Einzelheiten erläutert. Zunächst erfolgt eine Beschreibung für den Fall, daß ein Induktionsmotor eingesetzt wird.
Fig. 15 zeigt ein Äquivalenzschaltbild eines hauptsächlichen Abschnitts, wenn ein Induktionsmotor als der Wechselstrommotor 5 eingesetzt wird. Die Äquivalenzschaltung des Wechselstrommotors (Induktionsmotor) 5 selbst ist bekannt.
In dieser Figur bezeichnen X&sub1; und R&sub1; die Reaktanz und den Wicklungswiderstand der Statorwicklungen. Norrnalerweise ist der Wicklungswiderstand R&sub1; vernachlässigbar, da X&sub1; sehr viel größer ist als R&sub1;. X&sub2;' und R&sub2;' bezeichnen die Reaktanz und den Widerstandswert eines Läufers. S bezeichnet einen Schlupf, Xm einen Erregungsreaktanzwert, V eine Spannung, die an den Motor 5 angelegt wird, und Vm eine Erregungsspannung in der Spannung V.
Während des Vorgangs des Ladens der sekundären Batterie 1 wird das Elektrofahrzeug angehalten. In diesem Fall ist der Schlupf S gleich 1,0, da die Umdrehungsfrequenz gleich Null ist. Normalerweise gilt, daß X&sub1; + X&sub2;' sehr viel größer ist als R&sub2;', wenn der Schlupf S gleich 1,0 ist, und es ist folglich R&sub2;' vernachlässigbar.
Normalerweise liegt X&sub1; + X&sub2;' in der Größenordnung von 10% im Hinblick auf Prozentwerte des Reaktanzwerts. Dies bedeutet, daß die Motorspannung V in der Größenordnung von 10% der Nennspannung liegt, wenn der Strom IAC während des Ladevorgangs gleich groß ist wie der Nennstrom des Motors 5. Da X&sub1; und X&sub2;' im wesentlichen gleich groß sind, ist die erregende Spannung Vm in der Größenordnung von 5 % der Nennspannung.
Da das Drehmoment, das durch einen Induktionsmotor erzeugt wird, proportional zu dem Quadrat der Spannung ist, ist das Drehmoment, das während des Ladevorgangs erzeugt wird, gleich groß wie das Nenndrehmoment, multipliziert mit (5/100)², d.h. 0,25% des Nenndrehmoments.
Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist, besteht kein Risiko, daß ein elektrisches Fahrzeug startet und sich bewegt, da das durch den Induktionsmotor erzeugte Drehmoment sehr klein ist.
Nachfolgend wird der Fall beschrieben, bei dem ein mit Permanentmagnet versehener Synchronmotor als Wechselstrommotor 5 eingesetzt wird.
Das Drehmoment, das auf den Rotor eines mit Permanentmagnet arbeitenden Synchronmotors einwirkt, ist proportional zu dem Motorstrom, da der magnetische Fluß des Rotors konstant ist. Während des Ladevorgangs wird bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch kein Drehmoment zur Bewegung des Elektrofahrzeugs erzeugt, da der Läufer angehalten ist und der Motorstrom ein Wechselstrom ist, der die Frequenz einer kommerziellen Stromquelle aufweist. Demgemäß wird das mittlere Drehmoment, das auf den Läufer einwirkt, zu Null und es wird folglich kein Drehmoment zur Bewegung des Elektrofahrzeugs erzeugt.
Da das Drehmoment, das bei diesem Ausführungsbeispiel während des Ladevorgangs erzeugt wird, sehr klein ist, besteht folglich auch kein Risiko, daß das Elektrofahrzeug startet und sich bewegt. Natürlich ist es bevorzugt, eine Bremssteuerung (Parkbremse) während des Ladevorgangs aus Gründen der Sicherheit vorzusehen.
Es ist anzumerken, daß die Ladespannung der sekundären Batterie 1 während des Ladevorgangs vorzugsweise derart gewählt ist, daß sie höher ist als die wechselspannungsseitige Spannung des Wechselrichters 4, d.h. der sinusförmige Spitzenwert der Wechselspannung der Spannungsquelle 250 in dem Energieverteilungssystem 240.
Dies liegt daran, daß dann, wenn die Batteriespannung niedriger wäre als der sinusförmige Spitzenwert, ein übermäßiger und nicht steuerbarer Ladestrom durch die Dioden, die den Wechselrichter 4 bilden, fließen würde, und demzufolge die Sicherung 3 aufgrund des übermäßigen Stroms durchschmelzen würde, wodurch der Ladestromkreis geöffnet würde. Eine Batteriespannung, die geringfügig niedriger als der Spitzenwert ist, ist jedoch zulässig, da dieser übermäßige Strom durch den Innenwiderstand der Batterie unterdrückt wird.
Auch wenn dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist es vorzuziehen, eine Schutzeinrichtung wie etwa eine Sicherung zwischen dem Energieverteilungssystem 240 und der Wechselspannungsleiter des Wechselrichters 4 vorzusehen, um die Schaltung während des Ladevorgangs zu schützen.
In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel wird der Wechselrichter 4, der während des herkömmlichen Ladevorgangs nicht eingesetzt wurde, als ein Wechselstrom/Gleichstrom- Wandlergerät zum Laden der sekundären Batterie 1 eingesetzt.
Demgemäß ist es möglich, die sekundäre Batterie 1 dadurch zu laden, daß lediglich die Verbindungsleitungen 65 und 66, der Verbinder 210a und die Ladesteuerschaltung 4a zu dem herkömmlichen elektrischen Fahrzeug 100, und lediglich das Ladekabel 200 zu dem Energiesystem hinzugefügt werden. Als Ergebnis kann ein sehr billiges und kleines Ladesystem aufgebaut werden.
Weiterhin wird bei dem Ladebetrieb ein Leistungsfaktor 1 möglich, indem eine Impulsbreitensteuerung des Wechselrichters 4 vorgesehen wird, da der Strom iAC, der von dem Energieverteilungssystem 240 während des Ladevorgangs zu dem Elektrofahrzeug 100 gespeist wird, zu einer nahezu perfekten Sinuswelle mit geringer Verzerrung wird, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Als Ergebnis besteht kein Risiko, daß sich die Energie- bzw. Spannungsqualität des Energieverteilungssystems 240 verschlechtert.
Auch wenn die externe Wechselspannungsquelle bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Energieverteilungssystem 240 mit drei Phasen ist, kann die vorliegende Erfindung auch bei einer externen Spannungsquelle eines Energieverteilungssystems mit einer einzigen Phase eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde irn Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel in Einzelheiten beschrieben, und es ist für den Fachmann aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich, daß Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den nachfolgenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

1. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs, dadurch gekennzeichnet,daß es

eine Haupt-Sekundärbatterie (1);

einen Leistungswandler (4), der eine Gleichspannungsleistung der Haupt-Sekundärbatterie (1) in eine Wechselstromleistung umwandelt, wobei der Leistungswandler eine regenerierende Funktion aufweist, die eine Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung ermöglicht;

einen Wechselstrommotor (5), der Räder (81, 82) des Elektrofahrzeugs (100A) antreibt, wobei der Wechselstrommotor Wicklungen (51, 52, 53) enthält, deren erste Anschlüsse (51a, 52a, 53a) mit der Wechselstrom-Ausgangsseite des Leistungswandlers (4) verbunden sind;

einen Schalter (6), der eine Mehrzahl von Schaltschaltungen enthält, wobei erste Anschlüsse (61a, 62a, 63a) der Schaltschaltungen mit zweiten Anschlüssen (51b, 52b, 53b) der Wicklungen verbunden sind und wobei zweite Anschlüsse (61b, 62b, 63b) der Schaltschaltungen kurzgeschlossen sind; und

einen Ladeverbinder (210a) aufweist, der mit einer externen Wechselspannungsquelle (240) zu verbinden ist, während die Haupt-Sekundärbatterie (1) geladen wird, wobei der Ladeverbinder mit den ersten Anschlüssen (61a, 62a, 63a) der Schaltschaltungen des Schalters (6) verbunden ist.

2. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeverbinder (210a) einen Masseanschluß aufweist, der mit Masse (242) zu verbinden ist, wobei der Masseanschluß mit einem Körper (110A) des Elektrofahrzeugs über eine Masseleitung (67) des Körpers verbunden ist.

3. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) während des Leistungsbetriebs des Elektrofahrzeugs geschlossen ist.

4. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) durch eine Schutzschaltung (6A) geöffnet wird, wenn während des Fahrbetriebs des Elektrofahrzeugs ein Fehler auftritt.

5. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) während des Vorgangs des Ladens der Haupt-Sekundärbatterie (1) geöffnet ist, so daß die Haupt-Sekundärbatterie über ein Ladekabel (230a), den Ladeverbinder (210a) und die Masseleitung (241) geladen wird.

6. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanschluß des Ladeverbinders (210a) über eine Masseverbindungsleitung (230b) in dem Ladekabel mit Masse verbunden ist.

7. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswandler (4) mittels Pulsbreitenmodulation durch eine Steuerschaltung während des Vorgangs des Ladens der Haupt-Sekundärbatterie (1) gesteuert wird.

8. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (240) ein Leistungsverteilungssystem mit einzelner Phase oder mit drei Phasen ist.

9. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsspitzenwert der Wechselspannungsquelle (240) auf einen Wert festgelegt ist, der niedriger ist als die Spannung der Haupt-Sekundärbatterie (1).

10. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (81, 82) während des Vorgängs des Ladens der Haupt-Sekundärbatterie (1) automatisch gebremst sind.

11. Elektrisches System eines Elektrofahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherung zwischen die Wechselspannungsquelle (240) und die Wechselspannungsseite des Leistungswandler (4) geschaltet ist.