DE19921450C1 - Elektrischer Fahrzeugantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Fahrzeugantrieb mit einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine mit einem Gleichspannungsanschluß, an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle und/oder einer zweiten Energiequelle anlegbar ist, wobei die erste Energiequelle auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und die zweite Energiequelle einen Energiespeicher darstellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die zweite, einen Energiespeicher darstellende Energiequelle über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler an einen mit dem Gleichspannungsanschluß der elektrischen Maschine verbundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle angekoppelt. DOLLAR A Verwendung z. B. in Nutzfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Fahrzeugantrieb mit einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektri­ schen Maschine mit einem Gleichspannungsanschluß, an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle und/oder einer zweiten Energiequelle anlegbar ist, wobei die erste Energiequel­ le auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausge­ legt ist und die zweite Energiequelle einen Energiespeicher dar­ stellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elek­ trischen Maschine ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist.

Bei elektrischen Fahrzeugantrieben stellt sich das Problem, daß sie zeitlich stark schwankenden Belastungsprofilen genügen müs­ sen. Üblicherweise eingesetzte Energiequellen bzw. Energiespei­ cher lassen sich jedoch nur auf ein bestimmtes Belastungsprofil hin optimieren. Beschleunigungsvorgänge erfordern das Bereit­ stellen kurzfristiger Leistungsspitzen, für längere Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit wird dagegen eine gleichbleibende Grundlast über einen längeren Zeitraum hinweg benötigt. Bislang gibt es keine Energiespeicher bzw. Energiequellen für elektri­ sche Energie, die bei vertretbarem Leistungsgewicht gleicherma­ ßen zur Abgabe größerer Energiemengen in kurzer Zeit als auch einer unveränderlichen Grundlast über einen längeren Zeitraum hinweg geeignet sind.

Durch entsprechende Gestaltung der Batterieelektroden ist es möglich, kurzzeitig hohe Leistungen durch eine auf diese Weise darauf abgestimmte Batterie, z. B. eine Blei-Starter-Batterie, bereitzustellen. Eine solche Auslegung führt jedoch zu einer verminderten Energiespeicherfähigkeit der Batterie. Auch Batte­ riesysteme auf alkalischer Basis, wie etwa Nickel-Metallhydrid- Batterien, ermöglichen kurzzeitig hohe Leistungsabgaben. Sie ha­ ben dafür aber ebenfalls nur ein beschränktes Energiespeicher­ vermögen. Kondensatoren sind ebenfalls typische "Leistungsspei­ cher" mit begrenztem Speichervermögen. Andererseits sind als Sy­ steme mit hohem Energiespeicherungsvermögen beispielsweise Me­ tall/Luft-Batterien bekannt, mit denen sich gravimetrische Ener­ giedichten von bis zu 200 Wh/kg, d. h. mehr als doppelt so hohe Energiedichten wie in den besten üblichen elektrochemischen Energiespeichern erzielen lassen. Solche Batterien lassen sich jedoch nur bei zeitlich weitgehend konstanter Entladung nutzen.

In elektrische Energie umgewandelte Bremsenergie kann bei Fahr­ zeugbremsungen nur in solchen elektrischen Energiespeichern gut gespeichert werden, die sich auch zur Aufnahme hoher Leistungs­ spitzen eignen. Eine Batterie mit einem hohen Innenwiderstand, die aufgrund ihrer Charakteristik nicht in dem Maße wie bei­ spielsweise Nickel/Metallhydrid-Batterien zur Abgabe hoher Lei­ stungsspitzen für Beschleunigungen in der Lage ist, kann auch nicht die ganze, bei solchen Nutzbremsungen anfallende Energie aufnehmen. Umgekehrt sind bei allerdings begrenztem Speicherver­ mögen Blei-Starter-Batterien sowie Kondensatorbänke und Schwung­ räder zur Aufnahme von kurzzeitig hohen Leistungen, die beim Um­ wandeln von Bremsenergie in elektrische Energie auftreten, in der Lage. Anders als Batterien stellen Brennstoffzellen elektri­ sche Energiequellen dar, in denen keine elektrische Ladung ge­ speichert ist. Wird elektrische Antriebsenergie mittels einer Brennstoffzelle erzeugt, ist ohne einen zusätzlichen Speicher von elektrischer Energie eine Rückspeicherung von Bremsenergie nicht möglich. In diesem Fall kann in elektrische Energie gewan­ delte Bremsenergie nur ohne Wiederverwendbarkeit für den Fahr­ zeugantrieb in einem elektrischen Bremswiderstand dissipiert werden.

Ein elektrischer Fahrzeugantrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE 41 18 594 C1 bekannt. Dem dortigen Fahrzeugantrieb sind zwei elektrische Energiespeicher mit jeweils unterschiedli­ chem Belastungsprofil zugeordnet. Mittels einer Entladebetriebs­ steuer- und -regeleinrichtung wird die Zufuhr von elektrischer Energie wahlweise aus dem einen, dem anderen oder beiden Ener­ giespeichern an den elektrischen Fahrzeugantrieb eingestellt. Dabei ist der erste Energiespeicher eine Hochenergiebatterie, die eine weitgehend gleichbleibende Grundlastversorgung bereit­ stellen kann, der zweite Energiespeicher wird durch eine kleine­ re Batterie gebildet, die bei Vorliegen von Lastspitzen dem er­ sten Energiespeicher zugeschaltet wird. Beide Energiespeicher werden entweder durch eine Verbindung mit einem elektrischen Versorgungsnetz oder bei einem Brems- oder Schubbetrieb des dem elektrischen Fahrzeugantrieb zugeordneten Kraftfahrzeugs aufge­ laden.

Aus der DE 195 22 563 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit Traktions­ batterie und Kondensatorspeicher bekannt, bei dem ein Abbremsen über den elektrischen Antriebsmotor vorgesehen ist. Dabei reku­ perierte elektrische Energie wird dem Kondensatorspeicher zuge­ führt und dort zwischengespeichert. Eine lebensdauerverringernde Überschreitung des maximalen Ladestromes der Traktionsbatterie wird dadurch vermieden.

Die DE 196 28 877 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einer elek­ trischen Maschine und einer als Großenergiespeicher ausgebilde­ ten Batterie zur Bereitstellung einer konstanten Antriebslei­ stung. Zusätzlich ist ein weiterer Hochleistungsenergiespeicher vorgesehen, der als Leistungskondensator, Kreiselspeicher, Fe­ derspeicher oder Druckspeicher ausgebildet ist. Bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf ebener Fahrbahn wird ledig­ lich dem Großenergiespeicher Energie entnommen. Wird zusätzliche Energie für Beschleunigungsvorgänge und Steigungsfahrten benö­ tigt, so ist deren Entnahme aus dem Hochleistungsenergiespeicher möglich. Es ist vorgesehen, das Kraftfahrzeug mittels der elek­ trischen Maschine abzubremsen und die dabei freiwerdende Energie wenigstens teilweise wieder den Energiespeichern zuzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist, einen elektrischen Fahrzeugantrieb der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die eine Energiequelle zur Grundlastspeisung und die andere, als Energie­ speicher ausgebildete Energiequelle für kurzzeitige Belastungs­ spitzen ausgelegt sind und Bremsenergie mit gutem Wirkungsgrad rekuperiert und genutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Fahrzeugantrieb ge­ löst, bei dem die zweite, einen Energiespeicher darstellende Energiequelle über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler an einen mit dem Gleichspannungsanschluß der elektrischen Maschine ver­ bundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle angekop­ pelt ist. Auf diese Weise kann bei Bremsvorgängen der zweiten, als Energiespeicher ausgebildeten Energiequelle Bremsenergie zu­ geführt werden, und es ist umgekehrt möglich, bei Vorliegen von Belastungsspitzen die elektrische Maschine mit Energie aus der zweiten Energiequelle zu betreiben. Zudem besteht die Möglich­ keit, die zweite Energiequelle über den DC/DC-Wandler mit Ener­ gie der ersten Energiequelle aufzuladen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist der ersten Energiequelle zur Vermeidung von Rückströmen ein Stromsperrele­ ment zugeordnet. Auf diese Weise kann die erste Energiequelle vor Überspannungen geschützt werden, die beim Rekuperieren von Bremsenergie oder auch bei Vorliegen von Belastungsspitzen auf­ treten können, bei denen die elektrische Maschine mit Energie aus der zweiten Energiequelle betrieben wird.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist der bidirek­ tionale DC/DC-Wandler aus zwei gleichartigen, getaktet steuerba­ ren Umrichtern in Ein-Phasen-Brückenschaltung mit je einer Transformatorwicklung im Brückenzweig aufgebaut. Auf diese Weise ist es durch geeignetes Takten der Umrichter möglich, rekupierte Bremsenergie der zweiten, als Energiespeicher ausgebildeten elektrischen Energiequelle zuzuführen bzw. die elektrische Ma­ schine sowohl mit Energie aus der ersten elektrischen Energie­ quelle als auch der zweiten Energiequelle zu betreiben.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der ein­ zigen Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm eines elektrischen Fahrzeugantriebs.

Der gezeigte elektrische Fahrzeugantrieb 1 weist einen Drei- Phasen-Wechselrichter 2 mit angeschlossener permanenterregter Synchronmaschine 3 auf. Er kann jedoch auch als beliebiger an­ dersartiger, für Gleichstromversorgung geeigneter Antrieb ausge­ bildet sein. Der Fahrzeugantrieb 1 hat einen Gleichspannungsan­ schluß 4a, 4b, an den über eine zwischengeschaltete Diode 5 eine erste, als Traktionsbatterie 6 ausgebildete Energiequelle ange­ schlossen ist. Diese wird mit der Diode 5 vor unter Umständen schädlichen Rückströmen geschützt. Alternativ kann die erste Energiequelle auch beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebil­ det sein.

Zwischen die erste Energiequelle 6 mit der Diode 5 und den Fahr­ zeugantrieb 1 ist ein erster Umrichter 7 geschaltet. Dieser Um­ richter 7 ist an einen zweiten Umrichter 8 über einen Transfor­ mator mit Wicklungen 11, 12 induktiv gekoppelt. Der zweite Um­ richter 8 ist einem Leistungs-Energiespeicher 9 zugeordnet, der als eine zweite Energiequelle für den Fahrzeugantrieb 1 fun­ giert. Der Leistungs-Energiespeicher 9 ist beispielhaft durch einen Kondensator gebildet und eignet sich zur Abgabe und Auf­ nahme kurzer Leistungsspitzen, die beim Beschleunigen und Ab­ bremsen eines Kraftfahrzeugs auftreten, das durch den elektri­ schen Fahrzeugantrieb angetrieben wird.

Die induktiv gekoppelten Umrichter 7 und 8 bilden zusammen einen DC/DC-Wandler und sind jeweils in Ein-Phasen-Brückenschaltung ausgeführt. Sie enthalten als Transistoren ausgebildete Schalt­ elemente 10, um bei Bedarf einen alternierenden, im entsprechen­ den Brückenzweig fließenden Strom für die Primär- bzw. Sekun­ därwicklung 11, 12 des Transformators bereitstellen zu können. Anstelle der gezeigten Bipolar-Transistoren 10 können auch ande­ re geeignete Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise IGBT oder MOS-FET, eingesetzt werden. Die Leistungsübertragung und Über­ tragungsrichtung des aus den Umrichtern 7 und 8 gebildeten DC/DC-Wandlers wird durch geeignete Ansteuerung der Transistoren 10 bei einer Ansteuerfrequenz bestimmt, die möglichst über der Hörschwelle liegt. Durch Variation des Tastverhältnisses kann die übertragene Leistung eingestellt werden, insbesondere ist durch geeignete Taktung der Schaltelemente 10 das Spannungsüber­ setzungsverhältnis zwischen der Traktionsbatterie 6 und dem Lei­ stungs-Energiespeicher 9 festlegbar. Dabei ist das Windungszahl­ verhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung 11, 12 des Transformators so gewählt, daß es einer Spannungsübersetzung entspricht, die ein im Hinblick auf Schaltverlustleistungen der Transistoren 10 günstiges Tastverhältnis ermöglicht.

Um zum Beschleunigen des durch den elektrischen Fahrzeugantrieb angetriebenen Fahrzeugs rasch eine erhöhte Leistung durch den Leistungs-Energiespeicher 9 bereitzustellen, werden die Transi­ storen 10 im Umrichter 8 getaktet so angesteuert, daß von der Sekundärwicklung 12 im Umrichter 8 auf die Primärwicklung 11 im Umrichter 7 ein Wechselspannungssignal übertragen wird, das dort von Dioden 13 gleichgerichtet wird. Ist der Beschleunigungsvor­ gang abgeschlossen, wird die normale durchschnittliche Fahrlei­ stung wieder über die Traktionsbatterie 6 bereitgestellt, wobei soweit erforderlich der von den Umrichtern 7 und 8 gebildete DC/DC-Wandler eine Nachladung des Leistungs-Energiespeichers 9 durchführt. Die Nachladung wird dabei möglichst nur bis zu einem Wert ausgeführt, der um den Energiebetrag einer typischen Nutz­ bremsung unterhalb des Volladezustands liegt, um so in jedem Fall eine Rekuperation von Bremsenergie bei einem Bremsvorgang zu ermöglichen.

Die Schaltungsanordnung für die Halbleiterschaltelemente in den Umrichtern 7 und 8 ist vorteilhafterweise als vergossenes oder gekapseltes Bauteil ausgeführt. Der als Kondensator ausgebildete Leistungs-Energiespeicher 9 kann alternativ auch als elektroche­ mische Batterie oder als Schwungradspeicher mit angeschlossenem mechanisch-elektrischem Wandler ausgeführt sein. Die physikali­ schen Eigenschaften eines solchen Schwungradspeichers sind weit­ gehend mit den Eigenschaften eines Leistungs-Energiespeichers auf Kondensatorbasis vergleichbar. Während jedoch bei Leistungs- Energiespeichern auf Kondensatorbasis das Energiespeichervermö­ gen dem Quadrat der Spannung proportional ist, hängt bei Schwungradenergiespeichern die gespeicherte Energie vom Quadrat der Drehzahl ab. Für den Fall, daß dem Schwungrad ein Wandler mit konstanter Erregung zugeordnet ist, ist die Drehzahl des Schwungrades der Klemmenspannung in etwa proportional, so daß die vom Schwungrad gespeicherte elektrische Energie dem Quadrat der Klemmenspannung des Schwungradspeichers proportional ist.

Claims (3)

1. Elektrischer Fahrzeugantrieb mit

• - einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektri­ schen Maschine (3) mit einem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b), an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle (6) und/oder einer zweiten Energiequelle (9) anlegbar ist, wobei
• - die erste Energiequelle (6) auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und
• - die zweite Energiequelle (9) einen Energiespeicher darstellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elektrischen Maschine (3) ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine (3) in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zweite, einen Energiespeicher darstellende Energiequelle (9) über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler an einen mit dem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b) der elektrischen Maschine ver­ bundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle (6) ange­ koppelt ist.

2. Elektrischer Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Energiequelle (6) zur Vermeidung von Rückströmen ein Stromsperrelement (5) zugeordnet ist.

3. Elektrischer Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale DC/DC-Wandler aus zwei gleichartig aufgebau­ ten, getaktet steuerbaren Umrichtern (7, 8) in Ein-Phasen- Brückenschaltung mit je einer Transformatorwicklung (11, 12) im Brückenzweig aufgebaut ist.