DE2554548C2

DE2554548C2 - Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE2554548C2
Application number: DE2554548A
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Prof. Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Förster; Ulrich Dr.-Ing. 7301 Schanbach Heitmeyer; Adrian Dr.-Ing. Kupsa
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-12-04
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1985-02-14
Also published as: JPS5279445A; DE2554548A1; FR2334228A1; US4153128A; FR2334228B1; GB1558873A

Description

a) der Nebenschlußmotor (1) weist eine hohe Nenndrehzahl in bezug auf die Höchstdrehzahl und damit einen verkleinerten Feldschwächbereich auf,

b) dem Nebenschlußmotor (1) ist ein Untersetzungsgetriebe (10) und diesem ein automatisches Wechselgetriebe (11) üachgeschaltet,

c) die ölpumpe des automatischen Wechselgetriebes (11) wird von einem ihr zugeordneten Elektromotor mit konstanter Drehzahl angetrieben,

d) der Ankerstrom wird über einen von einem Hilfsschütz (8) überbrückbaren Ankerstromsteller (6), der nur für einen dem Nenndrehmoment des Gesamtantriebes zugeordneten Ankerstrom ausgelegt ist, von einer Regelelektronik (3) geregelt, die auch den Erregerstrom regelt (F ig. 1).

2. Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge, insbesondere für gleislose Straßenfahrzeuge, mit einem Nebenschlußmotor mit Erregerstromregelung und mit einem nachgeschalteten Wechselgetriebe mit mindestens zwei Vorwärtsgängen, gekennzeichnet durch die gemeinsame Anwendung folgender Merkmale:

a) der Nebenschlußmotor (1) weist eine hohe Nenndrehzahl in bezug auf die Höchstdrehzahl und damit einen verkleinerten Felöschwächbereich auf,

b) dem Nebenschlußmotor (1) ist eine hydrodynamische Kupplung (17) oder ein hydrodynamischer Wandler und diesem über ein Untersetzungsgetriebe (10) ein automatisches Wechselgetriebe (11) nachgeschaltet,

d) der Ankerstrom wird durch einen Anfahrwiderstand (14) eingestellt, der mit einem Hauptschütz (15) in Reihe liegt und der Erregerstrom wird von einer Regelelektronik (13) geregelt, die auch ein Hilfsschütz steuert, welches parallel zum Anfahrwiderstand (14) liegt (F i g. 3).

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrodynamische Kupplung (17) bzw. der Wandler und das Untersetzungsgetriebe (10) durch einen Planetenradsatz (18) mit einer Lamellenbremse (19) ersetzt ist (F i g. 4).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge, insbesondere für gleislose Straßenfahrzeuge, mit einem Nebenschlußmotor mit Erregerstromregelung und mit einem nachgeschalteten Wechselgetriebe mit mindestens zwei Vorwärtsgängen.

Ein derartiges Antriebsaggregat ist aus der DE-OS 19 30 379 bekannt

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen ist durch die geringe Speicherdichte der Batterien beschränkt und die Zuladung eingeschränkt.

Um diese Nachteile möglichst klein zu halten, ist es notwendig:

1. daß die umgeformte Energie mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad verarbeitet wird,

2. daß der Energierückgewinnung durch Bremsen des Fahrzeugs eine erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt, und

3. daß das Gesamtgewicht der Anlage so klein wie möglich gehalten wird.

Elektrofahrzeuge sind noch so teuer, daß sie kostenmäßig mit Verbrennungsmotorfahrzeugen nicht konkurrieren können. Die hohen Kosten entstehen neben dem hohen Preis für die Batterie einmal durch Verwendung einer Energieelektronik zur Steuerung der Ankerspannung und zum anderen durch Benutzung von Fahrmotoren mit großem Feldschwächbereich, d. h. hohem Nenndrehmoment Die im Hinblick auf Überwindung von Steilstrecken bzw. Rampen zu fordernden Drehmomente verlangen darüber hinaus hohe Radmomente, die durch Vergrößerung der Motoren und durch eine überdimensionierte Leistungselektronik erkauft werden müssen.

In letzter Zeit sind viele Vorschläge bekanntgeworden, die darauf abzielen, ein Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge zu schaffen, das mit geringeren Kosten und großem Bedienungskomfort verbunden ist.

So ist der bereits genannten DE-OS 19 30 379 ein Antriebsaggregat mit vergrößertem Feldschwächbereich zu entnehmen, da die Regelung nur in diesem Bereich erfolgen soll. Ein Antriebsaggregat mit verkleinertem Feldschwächbereich hingegen ist aus der DE-Z »ATZ« 1972, Heft 9, S. 364 bekannt, welches außerdem einen Ankerstromsteller aufweist und bei welchem durch Nutzbremsen Energie zurückgewonnen wird.

Die DE-OS 24 00 756 beschreibt ein Antriebsaggregat mit einer Nebenschlußmaschine, welche im Ankerstromkreis einen Widerstand und einen Schaltkontakt in Reihenschaltung und parallel dazu einen Überbrükkungskontakt aufweist und wobei zwischen Motor und Hinterachsgetriebe eine hydrodynamische Kupplung angeordnet ist, wodurch ein größerer Fahrkomfort und ein größerer Drehzahlregelbereich erzielt wird.

Aus der US-PS 36 73 890 schließlich ist eine Getriebeanordnung für Fahrzeuge bekannt, bei welcher zur Vergrößerung der Fahrgeschwindigkeit und des Drehmomentes außer dem Hauptgetriebe ein Hilfsgetriebe mit einem Planetenradsatz vorgesehen ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge die vorhandene Energie mit größtmöglichem Wirkungsgrad zu verarbeiten, einen möglichst großen Anteil an Bremsenenergie zurückzugewinnen und das Gewicht des Fahrzeuges bzw. Antriebes sowie die Kosten möglichst gering zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei unterschiedliche Ausführungen gelöst, nämlich zum einen durch die gemeinsame Anwendung der im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale, und zum anderen durch die gemeinsame Anwendung der im Kennzei-

chen des Anspruchs 2 genannten Merkmale. Durch beide Ausführungen ist ein sehr guter Wirkungsgrad erzieldar, wobei der Wirkungsgrad der Ausführungsform nach Anspruch 2 durch die im Unteranspruch 3 angegebenen Merkmale noch gesteigert werden kann, da bei dieser Lösung der gesamte Kraftfluß ausschließlich über mechanische Übertragungseiemet;e geführt wird.

Durch die gegenüber der Höchstdrehzahl erhöhte Nenndrehzahl verringert sich das Nenndrehmoment und als Folge davon auch Abmessungen und GewLht des Motors. Das Trägheitsmoment des Motors wird aufgrund der verkleinerten Läuferabmessungen erniedrigt, wodurch das Umschalten der Gänge in Hinblick auf die entstehende Schaltwäroie im Getriebe erleichtert wird. Der verkleinerte Feldschwächbereich zusammen mit der großen Übersetzung des automatischen Getriebes gewährleistet einen Gesamt-Steuerbereich, der bei Steuerung des Motors im Feldschwächbereich von ca. 2 :1 bis 2.5 :1 genügend groß ist

Aufgrund dieser Maßnahmen ergibt sich ein für kleine Drehmomentüberhöhungen ausgelegter Motor, der klein und billig wird und in seinem Beuiebsbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeitet

Bei der Ausgestaltung der Anlage muß selbstverständlich darauf geachtet werden, daß die zusätzlichen Aggregate, hier das Getriebe, mit möglichst hohen Wirkungsgraden arbeiten.

Da die rein elektrische Lösung jegliche Getriebeschaltung unnötig macht und damit das Elektroauto ganz unproblematisch in de Bedienung wird, ist es zweckmäßig, das hier vorgesehene Getriebe automatisch schalten zu lassen. Man wird besondere Vorteile davon haben, wenn man das Getriebe in einem Drehzahlbereich arbeiten läßt, bei dem die Getriebeverluste ein Minimum sind.

In der vorgeschlagenen Lösung ist dazu zwischen Nebenschlußelektromotor und automatischem Getriebe ein dauernd mitlaufendes Getriebe eingeschaltet, dessen Übersetzung so gewählt werden kann, daß die Getriebeverluste möglichst klein sind.

In der einen Variation wird dieses Zusatzgetriebe auch noch als Anfahrkupplung dadurch benutzt, daß zuerst die Bremse gelöst ist und diese Bremse zum Ankuppelvorgang geschlossen wird. Da in einem kleinen unteren Geschwindigkeitsbereich der Elektromotor ohne Ankerstromsteuerung keinen Betriebspunkt besitzt, kann diese Anfahrkupplung in diesem Bereich auch mit Dauerschlupf betlieben werden. Die entsprechende ölkühlung ist dafür vorgesehen.

Durch die getrennte, von einem mit konstanter Drehzahl laufenden Elektromotor angetriebene ölpumpe werden hohe Verluste vermieden, die entstehen, wenn eine von der Eingangswelle des automatischen Getriebes angetriebene Ölpumpe bei hohen Motordrehzahlen wesentlich mehr öl fördert als nötig.

Aufgrund der Getriebeübersetzungen können hohe Radmomente bei kleinen Motormomenten erzeugt werden. Damit sind auch keine überhöhten Motorströme erforderlich, die die Batterien besonders belasten und deren Energieinhalt überproportional reduzieren würden. Gleichzeitig ergibt sich bei stark verkleinerten Motorströmen die Möglichkeit, die Batteriespannung abzusenken. Bei geringerer Batteriespannung kann aber bekanntlich die pro Gewichtseinheit gespeicherte Energie beträchtlich erhöht werden.

Trotz des eingesetzten automatischen Getriebes ist eine elektrische Bremsung nut Energierückgewinnung möglich. Dies geschieht in den einzelnen Gängen in der Art, daß bei jeder Motordrehzahl der Erregerstrom so eingestellt wird, daß die induzierte Gegenspannung des Motors so groß wird, wie es für die Erzeugung des nötigen Bremsstromes erforderlich ist
Bei Umerschreitung einer bestimmten Drehzahl, unterhalb der nicht mehr gebremst werden könnte, wird automatisch in den nächst niederen Gang geschaltet, so daß die gewünschte Verzögerung des Fahrzeuges bei Energierückspeisung erfolgen kann. Im nichtsteuerbaren Teil der Antriebskennlinie, dem Anfahrbereich, der sich vom Stillstand bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 8 km/h erstreckt, ist eine Bremsung mit Energierückgewinnung nicht möglich.

In der Zeichnung und der Beschreibung sind die genannten Ausführungsmöglichkeiten schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles,

F i g. 2 die Antriebskennlinie und die Motorkennlinie für das erste Ausführungsbeispiel,

Fig.3 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles, und

F i g. 4 das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles.

Das Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels zeigt in F i g. 1 einen Nebenschlußmotor 1 mit seiner Erregerwicklung 2 und einer Steuerelektronik 3, die in Abhängigkeit von einem Fahrpedal 4 und einem Bremspedal 5 sowie von Motor- und Getriebedrehzahl den Ankerstrom über den angedeuteten Ankerstromsteller 6 und den Erregerstrom in der Erregerwicklung 2 regelt Zwischen der Fahrbatterie 9 und dem Motor 1 liegt in Reihe mit einem Hauptschütz 7 der Ankerstromsteller 6, zu dem ein Hilfsschütz 8 parallel geschaltet ist. Die Motorabtriebswelle wirkt über ein Untersetzungsgetriebe 10 auf das automatische Getriebe 11, dessen Abtriebswelle über ein Ausgleichsgetriebe 12 die Räder antreibt.
Der Motor ist für eine Nenndrehzahl von etwa 3000 U/min und eine Höchstdrehzahl von etwa 6000 U/ min ausgelegt. Das Untersetzungsgetriebe weist ein Verhältnis von 2,4 :1 auf, so daß die Eingangsdrehzahl des automatischen Getriebes im Feldschwächbereich des Motors von etwa 1250 bis 2500 U/min erreicht. Das automatische Getriebe üblicher Bauart hat vier Gänge und ein maximales Übersetzungsverhältnis von 4,3 :1. Der Öldruck für die hydraulisch betriebenen Stellglieder wird von einem nicht dargestellten kleinen Elektromotor mit konstanter Drehzahl erzeugt. Mit dieser Auslegung ergibt sich ein gesamter Regelbereich für das Fahrzeug von 8,6 :1, der ausschließlich durch Feldregelung bestrichen werden kann. Der Ankerstromsteller ist für einen maximalen Strom ausgelegt, der dem Nennmoment des Motors entspricht.

Über das Hauptschütz 7 wird die Betriebsbereitschaft des Antriebes hergestellt. Das Anfahren im ersten Gang aus dem Stillstand des Motors heraus erfolgt mit Hilfe des Ankerstromstellers 6 bis ca. 8 km/h. Nach Erreichen der Nenndrehzahl des Motors 1 wird der Ankerstromsteller 7 durch das Hilfsschütz 3 überbrückt und der Motor kann nun im Feldschwächbereich in allen vier Gängen sowohl sein Nenndrehmoment als auch die zulässigen Überlastmomente abgeben. Das Nutzbremsen erfc'.jt durch Zurückschalten der Gänge ausschließlich im Feldschwächbereich. Die automatische Regelung von Anker- und Feldstrom mittels der Regelelektronik 3 ist nicht näher beschrieben.
Fig. 2a zeigt die Kennlinie des Nebenschlußmotors

mit den oben angegebenen Daten im Dauerbetrieb (Nennstrom). Der Ankerstellbereich ASB reicht vom Motorstillstand bis zur Nenndrehzahl n_N, der Feldschwächbereich FSB von der Nenndrehzahl Πη bis zur Höchstdrehzahl n_m„»,

Fig. 2b zeigt die Antriebskennlinie des Antriebsaggregates, die sich aus der Kombination der Einzelelemente nach F i g. 1 ergibt.

Man kann daraus das Radmoment Mr^, bezogen auf das N4"fnrnennmoment Mn in Abhängigkeit von der Rad- bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit Vr^, für die einzelnen Gänge I, II, III und IV ablesen. Der schraffierte Teil von 0 bis 8,4 km/h bezeichnet den Ankerstellbereich ASB, der übrige Teil den Feldschwächbereich FSB. Mit A ist das maximale Verhältnis Mr^/Mn = 4,3 des Ausführungsbeispiels bezeichnet, während B das maximale Verhältnis Mr₁^ZM_n = 2,92 eines konventionellen Aggregates mit einem Feldschwächbereich von 3,25 :1 und l,8facher Stromüberlastung bedeutet.

Das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels ist in F i g. 3 dargestellt. Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Ankerstromregelung der Steuerelektronik 3 und der Ankerstromsteller 6 sowie Haupt- und Hilfsschütz 7 und 8 wegfallen. Statt dessen wird mit einer Steuerelektronik 13 nur der Erregerstrom geregelt. Zwischen Batterie 9 und Motor 1 liegt ein Anfahrwiderstand 14 in Reihe mit dem Hauptschütz 15. Parallel zu dieser Reihenschaltung Hegt ein Hüfsschütz 16. Außerdem befindet sich zwischen Motor 1 und Untersetzungsgetriebe 10 eine hydrodynamische Kupplung. Der Fahrmotor wird über den Anlaßwiderstand 14 gestartet und läuft im Leerlauf. Beim Betätigen des Fahrpedals 4 wird nach Erreichen der Nenndrehzahl der Widerstand 14 mit dem Hilfsschütz 16 kurzgeschlossen und im Feldschwächbereich wird über die hydrodynamische Kupplung 17 das Fahrzeug in Bewegung gesetzt. Beschleunigung, Gangwechsel und Energierückgewinnung erfolgen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Beim Unterschreiten der Nenndrehzahl wird das Hauptschütz 16 geöffnet und dadurch der Anlaßwiderstand 14 wieder eingeschaltet, damit das Leerlaufmoment begrenzt bleibt.

F i g. 4 zeigt das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels. Dieses ist im wesentlichen wie das zweite Ausführungsbeispiel in F i g. 3 aufgebaut, nur werden hier die hydrodynamische Kupplung 17 und das Untersetzungsgetriebe 10 durch einen Planetenradsatz 18 mit einer Lamellenbremse 19 ersetzt. Die Lamellenbremse 19 setzt den Außenring des Planetenradsatzes fest, wenn das Fahrzeug anfahren soll. Die Lamellenbremse 19 wird hydraulisch von der Öldruckversorgung des automatischen Getriebes 11 betätigt Alle übrigen Funktionen erfolgen wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge, insbesondere für gleislose Straßenfahrzeuge, mit einem Nebenschlußmotor mit Erregerstromregelung und mit einem nachgeschalteten Wechselgetriebe mit mindestens zwei Vorwärtsgängen, gekennzeichnet durch die gemeinsame Anwendung folgender Merkmale: