DE2645507A1 - Elektrischer leistungswandler fuer aus einer akkumulatorenbatterie gespeiste elektrofahrzeuge - Google Patents

Elektrischer leistungswandler fuer aus einer akkumulatorenbatterie gespeiste elektrofahrzeuge

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DE2645507A1 DE19762645507 DE2645507A DE2645507A1 DE 2645507 A1 DE2645507 A1 DE 2645507A1 DE 19762645507 DE19762645507 DE 19762645507 DE 2645507 A DE2645507 A DE 2645507A DE 2645507 A1 DE2645507 A1 DE 2645507A1
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Description

DIFL.-ING. 1CA1JS BEHN
DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER
PATENTANWÄLTE
WIDENMAYERSTRASSE 6 D 8OOO MÜNCHEN 22
TEL (089) 22 25 30 - 29 51 92
8. Oktober 1976 A 23976 B/ib
Firma TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho,
Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan
Elektrischer Leistungswandler für aus einer Akkumulatorenbatterie gespeiste Elektrofahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungswandler für
die Speisung des Antriebsmotors aus einer Akkumulatorenbatterie.
Es ist allgemein bekannt, bei einem Batteriefahrzeug die Gleichspannung der Akkumulatorenbatterie unmittelbar einem Antriebs-Gleichstrommotor oder über einen Wandler einem Antriebs-Wechseih
strommotor zuzuführen, wobei der Wandler den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Bei diesem System wird die gesamte Leistung der Batterie entnommen, deren Kapazität und Gewicht groß sein müssen, so daß es notwendig ist, eine entsprechende Batterie vorzusehen. Batterien für die Verwendung in Motorfahrzeugen enthalten im allgemeinen sechs Zellen und weisen eine Ausgangsspannung von 12 V auf.
Da eine Reihenschaltung von Batterien nicht vorteilhaft ist, sind Batterien mit 12 bis 24 V für die Speisung elektrischer Motorfahr-
Bankhaus Mnrrk F.nck & Co. München Nr 25464 I Bankhaus H Aufhauser München Nr 261300 Postscheck München 20SO4 BOO
Telegrammadresse Patentsemor
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zeuge vorteilhaft. Andererseits ist für den Antriebsmotor eine hohe Spannung vorteilhaft. Aus diesem Grund besitzen Antriebsmotoren für Fahrzeuge im allgemeinen eine Leistung von 10 bis 100 KW und eine Spannung von 100 bis 400 V. Früer wurde die Gleichspannung der Batterie einem Gleichstrom-Antriebsmotor zugeführt, und es wurde eine Batteriespannung von 48 bis 96 V gewählt. Dieses System ist aber im Hinblick auf die Betriebseigenschaften und die Wirtschaftlichkeit nicht zufriedenstellend. Ein solches Elektrofahrzeug erfordert eine Ladeeinrichtung. Da aber solche Ladevorrichtungen sperrig sind, ist es nicht möglich, sie auf dem Fahrzeug zu installieren. Die Ladeeinrichtungen werden deshalb im allgemeinen stationär angeordnet. Da ein Gleichstrommotor nicht nur teuer, sondern auch eine umständliche Wartung erfordert, ist man bestrebt, Wechselstrommotoren, insbesondere Induktionsmotoren, zu verwenden.
Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten elektrischen Leistungswandler für den Betrieb eines Antriebsmotors für ein Fahrzeug aus einer Batterie zu schaffen, der auc'i für die Ladung der Batterie aus einem Wechselstromnetz verwendet werden kann.
Durch den Gegenstand der Erfindung soll auch ein verbesserter elektrischer Leistungswandler für die Verwendung in Elektrofahrzeugen geschaffen werden, der eine Speisung des Antriebsmotors des Fahrzeugs mit verhältnismäßig hoher Spannung aus einer Batterie mit verhältnismäßig niedriger Spannung mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungswandler für aus einer Akkumulatorenbatterie gespeiste Elektrofahrzeuge mit ei-
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nem erste Schaltelemente enthaltenden ersten Wandler für die Umwandlung der Batteriegleichspannung in einear Wechselspannung, mit einem Übersetzungstransformator für die Erhöhung der Ausgangsspannung des ersten Wandlers und mit einem ersten Gleichrichter für die Gleichrichtung der Sekundärspannung des Übersetzungstraniormators. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Gleichrichter zur Gleichrichtung der Wechselspannung eines Wechselstromnetzes vorgesehen ist, daß ein zweite Schaltelemente enthaltender zweiter Wandler vorgesehen ist, der zwischen die Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators und den Ausgang des zweiten Gleichrichters geschaltet ist und die Ausgangsgleichspannung des zweiten Gleichrichters in eine für die Erregung der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators geeignete Wechselspannung umwandelt, daß für die Aufladung der Akkumulatorenbatterie den ersten Schaltelementen des ersten Wandlers gegen-parallel-geschaltete Gleichrichterdioden vorgesehen sind und daß eine Schaltvorrichtung für die Umschaltung der Betriebszustände der beiden Wandler vorgesehen ist.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des elektrischen Leistungswandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 2: ein Schaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels, Fig. 3: ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers für den Betrieb eines Induktionsmotors mit
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Wechselstrom veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz, und
Fig. 4: ein Schaltbild eines weiter abgewandelten Ausführungsbeispiels, das für eine Akkumulatorenbatterie mit verhältnismäßig niedriger Spannung geeignet ist.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei welchem ein Dreiphasen-Induktionsmotor 34 aus einer Akkumulatorenbatterie 1 mit einem Gleichstrom veränderbarer Frequenz gespeist wird, der durch den elektrischen Leistungswandler gemäß der Erfindung erzeugt wird. Der elektrische Leistungswandler enthält einen ersten Umformer 2, der Halbleiter-Schaltelemente 15 und 16 enthält, die durch eine Torsteuerschaltung 14 gesteuert werden und Wechselstrom mit im wesentlichen konstanter Spannung, die durch die Spannung der Batterie 1 bestimmt ist, der Primärwicklung eines Übersetzungstransformators 20 zuführt. Obgleich dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, kann der Umformer mit einer geeigneten Kommutierungsschaltung versehen sein, wie sie allgemein bekannt ist. Zwischen den Klemmen U1 und V1 der Sekundärwicklung wird eine hohe Wechselspannung in der Größenordnung von mehreren V erzeugt. Diese hochtransformierte Wechselspannung wird mit Hilfe eines ersten Gleichrichters in Gleichstrom umgewandelt. Dieser erste Gleichrichter enthält Dioden 21 und 22, und es wird der Gleichstrom in einen Wechselstrom veränderbarer Frequenz umgewandelt, und zwar durch einen zweiten Umformer 33, um so den Antriebsmotor 34 mit veränderbarer Geschwindigkeit zu betreiben. Die Ausgangs spannung und die Frequenz des zweiten Umformers 33 sind so gewählt, daß der Motor 34 ein Drehmoment erzeugt, das der Stellung eines Drehmoment-Einstellwiderstandes 9 proportional ist, der von
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einem Beschleunigungspedal 8 betätigt wird, wodurch das Antriebsdrehmoment des Motors 34 durch das Maß der Herabbewegung des Beschleunigungspedals 8 gesteuert wird.
Die oben beschriebenen Vorgänge werden dadurch bewirkt, daß die Übertragungsschalter 27, 28 und 29 jeweils auf die Antriebsseite DR geschaltet werden. Für die Ladung der Batterie 1 während des Stillstandes des Batteriefahrzeuges werden diese Übertragungsschalter auf die Ladeseite CH geschaltet, und es wird ein Stecker 3 0 in die Steckdose eines Netzes mit einer Spannung von 100/110 V und 5 0/6 0 Hz gesteckt. Natürlich kann das Netz auch eine andere Spannung und eine andere Frequenz aufweisen.
Es wird dann die Netzspannung durch einen zweiten Gleichrichter 2 6 gleichgerichtet, und es wird die Ausgangsspannung des Gleichrichters durch einen dritten Umformer in einen Wechselstrom ho<zher Frequenz umgeformt. Dieser dritte Umformer enthält Halbleiter-Schaltelemente 23 und 24 und einen nicht dargestellten Kommutierungskreis. Die Wechselspannung wird durch den Transformator herabtransformiert, und es wird die in der Primärwicklung des Transformators induzierte Spannung durch ein Paar Gleichrichterdioden 17 und 18 gleichgerichtet, die zu den Schaltelementen 15 und 16 gegenparallel-geschaltet sind und die zur Ladung der Batterie 1 vorgesehen sind. Der Ladestrom wird durch einen Stromtransformator 19 festgestellt, dessen Ausgang einer Steuervorrichtung 13 zugeführt wird, und zwar zusammen mit einem vorbestimmten eingestellten Wert einer Einstellvorrichtung 10 für den Ladestrom. Der Ausgang eines Oszillators 11 und der Ausgang der Steuervorrichtung 13 werden einem Modulator 12 zugeführt, wodurch eine Impulsweitensteuerung des dritten Umformers durch eine Torsteuerschaltung 25 bewirkt wird,
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so daß die Batterie mit einem vorbestimmten Ladestrom geladen wird.
Auf diese Weise kann der elektrische Leistungswandler nach Fig. 1 zwei Funktionen ausüben, nämlich den Antrieb des Batteriefahrzeuges mit veränderlicher Geschwindigkeit und die Ladung der Batterie mit einer verhältnismäßig einfachen Schaltung, die nur ein leichtes Gewicht hat.
Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Zeichnung sind Elemente, die mit denjenigen nach Fig. 1 identisch sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Eingangsspannung am zweiten Umformer 33, welcher den Induktionsmotor 34 speist, die gleiche Höhe wie die Gleichspannung, die vom zweiten Gleichrichter 2 6 erzeugt wird, der vom Netz gespeist wird. Hierdurch ist es möglich, die Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 20 für den Fahrbetrieb und den Ladebetrieb gemeinsam zu verwenden, so daß die Fahr-Gleichrichter 21 und 22 und die Schaltelemente 2 3 und 24 des Ladeumformers an die gleichen Sekundärklemmen geführt werden können, so daß besondere Zwischenanzapfungen wie in Fig. 1 nicht erforderlich sind.
Außerdem ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Transformator 2 0 mit einer dritten Wicklung versehen, deren Klemmen U3 und und V3 an Dioden 31 und 32 geführt sind, um so eine kleine Gleichspannung von beispielsweise 12 V zu erhalten, die für die Erregung von Hilfsvorrichtungen im Fahrzeug geeignet ist. Ein Filter 35 ist vorgesehen, um die kleine Gleichspannung zu glätten. Da der erste Umformer im wesentlichen eine konstante Wechselspannung erzeugt, ist die in der dritten Wicklung erzeugte Spannung
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ebenfalls konstant, so daß auch eine im wesentlichen konstante niedrige Hilfsgleichspannung (12 V) erzeugt wird, und zwar unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges.
Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung. Durch diese Schaltung ist es möglich, einen Induktionsmotor mit einem Wechselstrom mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz zu speisen. Die in Fig. 3 gezeigten Elemente, die denjenigen in den Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 sind die Schaltelemente 15 und 16 durch eine Torsteuerschaltung 14 gesteuert worden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Drehmomentsteuerschaltung 36 zugefügt, die durch einen veränderbaren Widerstand 9 bezüglich des Drehmomentes gesteuert wird, wobei der Widerstand 9 durch ein Beschleunigungspedal 8 betätigt wird. Der Ausgang der Drehmoment-Steuerschaltung wird dem zweiten Umformer 3 3 zur Steuerung der Frequenz des den Motor 34 speisenden Wechselstromes zugeführt. Gleichzeitig wird der Ausgang der Drehmomentsteuerschaltung 36 der Torsteuerschaltung 14 des ersten Umformers 2 zugeführt, und zwar über die Übertragungsschalter 27 und 28, die Steuervorrichtung 13 und den Modulator 12, um so eine Impulsweitensteuerung des ersten Umformers zu bewirken und dadurch die effektive Spannung, mit welcher die Primärwicklung des Transformators gespeist wird, zu verändern. Auf diese Weise werden die Spannung und die Frequenz des dem Induktionsmotor 34 zugeführten Wechselstromes durch das Beschleunigungspedal 8 gesteuert, wodurch die Geschwindigkeit und das Drehmoment des Motors wunschgemäß ohne Leistungsverlust gesteuert werden können.
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Obwohl in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen für den Antrieb des Batteriefahrzeuges ein Induktionsmotor verwendet ist und ein Umformer 33 für die Umformung des Ausgangs des ersten Gleichrichters in einen Wechselstrom mit veränderbarer Frequenz verwendet ist, kann in gewissen Fällen ein Gleichstrommotor unmittelbar durch den Ausgang des ersten Gleichrichters gespeist werden.
Ferner ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 so zusammengestellt worden, daß die Batterie eine verhältnismäßig hohe Klemmenspannung von beispielsweise 48 bis 96 V hat. Aus diesem Grunde sind eine dritte Wicklung und Gleichrichterdioden 31 und 32 für die Erzeugung einer Gleichspannung von 12V vorgesehen, und zwar für die Speisung verschiedener Hilfseinrichtungen des Fahrzeuges, wie Lampen, ein Radio, ein Startmotor, ein Wischer usw.
Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung ist für ein Batteriefahrzeug geeignet, bei welchem die Batterie eine verhältnismäßig niedrige Klemmenspannung, beispielsweise 12 oder 24 V, aufweist, wobei die Batterie für die Lieferung der Antriebsleistung zum Antriebsmotor des Fahrzeuges und für verschiedene Hilfsvorrichtungen verwendet wird, die mit 12V oder 24 V Gleichspannung arbeiten. Fig. 4 zeigt außerdem im einzelnen die Konstruktion und die Arbeitsweise des ersten und des zweiten Umformers. Die grundsätzliche Konstruktion und die grundsätzliche Arbeitsweise des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist ähnlich derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, so daß identische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Halbleiter-Schaltelemente 15 und 16 des ersten Umformers 2 durch den Oszillator 11 und die Steuervorrichtung 13 über den Übertragungsschalter 27 in gleicher Weise wie in Fig. 1 gesteuert. Im einzelnen wird der Oszillator 11 von der Batterie 1 über einen Spannungsstabilisator 58 erregt, um eine Rechteckwelle zu erzeugen, die durch den Modulator 12 zu einer Sägezahnwelle geformt wird. Zwischen dem Modulator 12 und der Steuervorrichtung 13 ist ein Komparator 59 eingeschaltet, und es ist der Kontakt DR des Übertragungsschalters 27 mit der Basiselektrode der Schaltelemente 15 und 16 (nur eine Verbindung ist dargestellt) über einen Steuertransformator 60 verbunden. Die Steuervorrichtung 13 wird durch die Gleichspannung erregt, die durch die Gleichrichterdioden 21 und 22 erzeugt wird, und es ist die Steuervorrichtung 13 mit einem Spannungs-Einstellwiderstand 45 für die Erzeugung einer Impulsweitensteuerung der Schaltelemente 15 und 16 für die Aufrechterhaltung einer konstanten Sekundärspannung, unabhängig von der Änderung der sekundären Last des Transformators 2O1 versehen. Außerdem enthält die Steuervorrichtung 13 einen Widerstand 47, welcher den Entladestrom auf einen Maximalwert begrenzt, und einen Widerstand 48, welcher den Ladestrom auf einen maximalen Wert begrenzt.
Der Umformer 33 enthält Halbleiter-Schaltelemente 51, 52, 53 und 54, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, um einen Wechselstrom von 100 V, 50 Hz oder 110V, 60 Hz oder irgendeinen Wechselstrom mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Etequenz zu erzeugen. Diese Schaltelemente werden durch einen Oszillator 57 über Steuertransformatoren 55 und 56 EIN-AUS-gesteuert. Die Schwingungsfrequenz des Oszillators 57 wird durch einen Widerstand 58 gesteuert. Drosselspulen 6 0 und 61 und Kondensatoren 62 und 63,
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die zusammen Filter bilden, sind für die Gleichrichterdioden 17, 18, 21 und 22 vorgesehen.
Wie oben beschrieben, wird durch die Erfindung ein kompakter und leichter elektrischer Leistungswandler für die Verwendung in einem Batteriefahrzeug geschaffen, das von einem Gleichstrom- oder Wechselstrommotor angetrieben werden kann, wobei durch den Leistungswandler die Batterie leicht geladen werden kann.
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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrischer Leistungswandler für aus einer Akkumulatorenbatterie gespeiste Elektrofahrzeuge mit einem erste Schaltelemente enthaltenden ersten Wandler für die Umwandlung der Batteriegleichspannung in eine Wechselspannung, mit einem Übersetzungstransformator für die Erhöhung der Ausgangswechselspannung des ersten Wandlers und mit einem ersten Gleichrichter für die Gleichrichtung der Sekundärspannung des Übersetzungstransformators, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Gleichrichter (26) zur Gleichrichtung der Wechselspannung eines Wechselstromnetzes vorgesehen ist, daß ein zweite Schaltelemente (23,24) enthaltender zweiter Wandler vorgesehen ist, der zwischen die Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators (20) und den Ausgang des zweiten Gleichrichters (26) geschaltet ist und die Ausgangsgleichspannung des zweiten Gleichrichters in eine für die Erregung der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators (20) geeignete Wechselspannung umwandelt, daß für die Aufladung der Akkumulatorenbatterie (1) den ersten Schaltelementen (15,16) des ersten Wandlers (2) gegen-parallelgeschaltete Gleichrichterdioden (17,18) vorgesehen sind und daß eine Schaltvorrichtung (27,28,29) für die Umschaltung der Betriebszustände der beiden Wandler vorgesehen ist.
2. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Wandler (33) für die Umwandlung der Ausgangsgleichspannung des ersten Gleichrichters (21,22) in eine Wechselspannung veränderbarer Frequenz für die Speisung eines
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Wechselstrom-Antriebsmotors (34) für das Fahrzeug vorgesehen ist.
3. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Wandlers (23,24) an die Klemmen (U2,V2) der Sekundärwicklung des Übersetzungstransformators (20) geführt ist.
4. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung mit Zwischenanzapfungen (U2, V2) versehen ist und daß der Ausgang des zweiten Wandlers (23,24) an die Zwischenanzapfungen (U2,V2) geführt ist.
5. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Übersetzungstransformator (20) mit einer dritten Wicklung (U3,V3) zur Erzeugung einer von der Ausgangsspannung des ersten Wandlers (2) abweichenden Wechselspannung versehen ist, der ein dritter Gleichrichter (31,32) zur Gleichrichtung dieser Wechselspannung zugeordnet ist.
6. Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltelemente torgesteuerte Halbleiter-Schaltelemente (15,16) enthalten und daß für diese ersten Schaltelemente (15,16) eine Torsteuerschaltung (14) für die Steuerung der Ausgangswechselspannung des ersten Wandlers (2) vorgesehen ist.
7. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsteuerschaltung (14) durch ein Beschleunigungspedal (8) des Fahrzeuges gesteuert ist.
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DE19762645507 1975-10-13 1976-10-08 Elektrischer leistungswandler fuer aus einer akkumulatorenbatterie gespeiste elektrofahrzeuge Withdrawn DE2645507A1 (de)

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