DE3410293A1

DE3410293A1 - Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE3410293A1
Application number: DE19843410293
Authority: DE
Inventors: Richard 2800 Bremen Goldgrabe
Original assignee: ELEKTRON BREMEN
Current assignee: ELEKTRON BREMEN
Priority date: 1984-03-21
Filing date: 1984-03-21
Publication date: 1985-09-26

Description

Elektr:>fahrzeug
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Derartige Elektrofahrzeuge sind beispielsweise als Gabelstapler, Straßenverkehrsfahrzeuge etc. im Einsatz. Als Elektromotor wird hierbei stets ein Gleichstommotor verwendet. Während der Betriebsruhe wird die Batterie über ein besonderes Ladegerät aufgeladen.
Gleichstrommotoren sind wegen ihres Kommutators relativ störanfällig und wartungsintensiv. Darüber hinaus haben sie auch ein verhältnismäßig großes Eigengewicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Elektrofahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es bei mindestens gleicher Leistung einfacher und robuster aufgebaut ist und weniger Wartung benötigt. Weiterhin soll der Aufwand für ein besonderes Batterieladegerät vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, als Elektromotor eine Drehstommaschine (Synchron- oder Asynchronmaschine), vorzugsweise eine Asynchronmaschine der Käfigläuferbauart zu verwenden und durch einen speziellen Regler mit Stromrichter die speziellen Anforderungen für Elektrofahrzeuge zu erfüllen.
Hierdurch werden folgende Vorteile erreicht: Einerseits wird der ordnungsgemäße Fahrbetrieb gewährleistet. Andererseits wird durch "umgekehrten Stromfluß" mit Hilfe derselben Einheiten eine Aufladung der Batterie möglich, und zwar sowohl in Form einer "Nutzbremsung" als auch durch Aufladung der Batterie aus einem Drehstrom-oder Wechselstromnetz ohne die Verwendung zusätzlicher Batterie-Ladegeräte. Die Ansteuerung des Stromrichters erfolgt im wesentlichen auf der Grundlage der Impulssteuerung in sogenannter"getakteter Technik". Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Ausgangsfrequenz und damit die "Drehzahl" des Drehfeldes für die Wechselstrommaschine in weiten Grenzen für alle benötigten Betriebszustände eingestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der einzigen Figur beschrie- ben, die ein Blockschaltbild des Antriebes des Elektrofahrzeuges zeigt.
Bei der Erfindung wird eine Wechselstrommaschine bekannter Bauart, vorzugsweise eine Käfigläufer-Asynchronmaschine verwendet, die zu ihrem Betrieb in bekannter Weise mehrphasigen, insbesondere 3-phasigen Wechselstrom benötigt. Zur Erzeugung und Regelung dieses Wechselstromes wird der folgend beschriebene Regelkreis verwendet: Ein Drehzahlsollwertgeber 1 ist hier als Potentiometer dargestellt, an dessen Schleiferabgriff sowohl positive als auch negative Gleichspannung abgegriffen werden kann.
An dem Schleiferabgriff steht somit ein Drehzahlsollwertsignal an. Dieses wird dem Eingang eines Hochlaufgebers 2 zugeführt, der die in der Figur gezeigte Begrenzerkennlinie hat. Hierdurch sollen insbesondere auch zu schnelle Änderungen des Sollwertsignales vermieden werden, damit nicht das Kippmoment der Asynchronmaschine überschritten werden kann. Ohne diesen Begrenzer könnte nämlich die Regelung instabil werden, insbesondere bei zu schnellen bzw.
sprunghaften Sollwertänderungen. Der Ausgang des Hochlaufgebers 2 wird dem Eingang eines Frequenzreglers 3 mit Schlupfbegrenzung zugeführt, der die in der Zeichnung prinzipiell dargestellte abgeknickte Regelkennlinie hat.
Das Ausgangssignal dieses Frequenzreglers wird dem Eingang eines Schlupffrequenzreglers 4 zugeführt, der eine ähnliche Kennlinie wie der Frequenzregler 3 aufweist. Der Ausgang des Schlupffrequenzreglers 4 wird einem maschinenseitigen Steuersatz 5 zugeführt, der an seinem Ausgang Impulse bzw. Impulsmuster erzeugt, die in festgelegter Beziehung zu seinen Eingangssignalen stehen. Das Ausgangssignal des Steuersatzes 5 wird über eine oder mehrere Leitungen einem bzw. entsprechend mehreren Steuereingängen eines Stromrichters 6 zugeführt. Dieser Stromrichter liegt mit seiner Wirkstrecke zwischen einer Gleichspannungsbatterie 12 und der Wechselstrommaschine 13. Zwischen der Bat terie 12 und der Gleichspannungsseite des Stromrichters 6 ist noch ein Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler 11 (DC/DC-Wandler) angeordnet, der die Batterie-Gleichspannung von beispielsweise 24 V auf eine Gleichspannung von beispielsweise 500 V hochtransformiert. Der Stromrichter 6 und der DC/DC-Wandler 11 sind so ausgelegt, daß sie in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung arbeiten. So wandelt in der als "Vorwärtsrichtung" definierten Betriebsart der Stromrichter 6 an seiner Gleichspannungsseite anliegende Spannungen in Wechselspannungen und hier speziell in 3-phasige Wechselspannungen um. Umgekehrt, d. h. in Rückwärtsrichtung, wirkt der Stromrichter 6 als Gleichrichter, d. h. an seiner Wechselspannungsseite anliegende Wechselspannung wird gleichgerichtet und als Gleichspannung einer Gleichspannungsseite ausgegeben. In Vorwärtsrichtung besitzt der Stromrichter 6 beispielsweise drei Thyristorstrecken, während er in Rückwärtsrichtung einen Drehstromgleichrichter mit entsprechenden Dioden in bekannter Schaltungsanordnung aufweist. Andere Schaltungsvarianten mit antiparallel geschalteten, steuerbaren Diodenstrecken sind ebenfalls denkbar.
Der DC/DC-Wandler 11 arbeitet ebenfalls in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, d. h. er transformiert beispielsweise in Vorwärtsrichtung eine Batteriespannung von 24 V auf 500 V hoch, während er in Rückwärtsrichtung eine Gleichspannung von 380 V auf 24 V heruntertransformiert. Damit kann mit ein und denselben Bauelementen der Wechselstrom, motor 13 aus der Batterie 12 als Motor betrieben werden und umgekehrt die Batterie 12 bei einer Nutzbremsung aus der Wechselstrommaschine aufgeladen werden oder ohne zusätzliches Ladegerät auch aus einem Netz aufgeladen werden.
Zum Schließen des Regelkreises für den Motor- und den Nutzbremsbetrieb ist in die Verbindungsleitung(en) zwischen Stromrichter 6 und Wechselstrommaschine 13 ein Ist- wertrechner 9 angeschlossen, der Eingangsgrößen bzw. Betriebsparameter der Wechselstrommaschine 13 mißt (beispielsweise Strom, Spannung, Phasenlage und Frequenz) und aus einer oder mehreren dieser Größen zusammen mit der in ihm gespeicherten Betriebskennlinie der Wechselstrommaschine 13 an seinem Ausgang einen Istwert eines Betriebsparameters der Wechselstrommaschine ermittelt. Dieser Betriebsparameter kann beispielsweise das Drehmoment bzw. die Last sein; bevorzugt ist jedoch nach der Erfindung als Betriebsparameter der Regelung die Drehzahl mit unterlagertem Schlupf zu wählen, wenn eine Asynchronmaschine verwendet wird. Am Ausgang des Istwertrechners 9 steht im heschriebenen Ausführungsbeispiel ein der Drehzahl der Wechselstrommaschine 13 proportionales Signal an. Dieses Signal wird als Istwertsignal einem Vergleicher 17 zugeführt, der dieses Drehzahl-Istwert-Signal mit einem Sollwertsignal (Ausgang des Frequenzreglers 3) vergleicht und die Regelabweichung als Eingangssignal dem Schlupffrequenzregler 4 zuführt.
Da eine reine Drehzahlregelung zu Instabilitäten führen könnte und insbesondere im Moment des Anfahrens der Wechselstrommaschine 13 das "Losbrechmoment" bzw. Anfahrmoment größer als das Kippmoment sein könnte, ist zusätzlich eine Schlupfkompensation vorgesehen. Als Eingangssignal wird dieser ebenfalls das Schlupfistwertsignal des Istwertrechners 9 zugeführt. Entsprechend der in der Figur prinzipiell dargestellten Begrenzerkennlinie wird ein Regelsignal erzeugt, das einem weiteren Vergleicher 18 zugeführt wird. Dieser Vergleicher 18 liegt zwischen dem Ausgang des Hochlaufgebers 2 und dem Eingang des Frequenzreglers 3. Die Differenz zwischen dem hochlaufbegrenzten Drehzahlsollwertsignal und dem Ausgangssignal der Schlupfkompensation 8 wird dem Eingang des Schlupffrequenzreglers 3 zugeführt, dessen Ausgang dann das Sollwertsignal für den Vergleicher 17 bildet.
Zur weiteren Stabilisierung des Regelkreises sind die beiden hintereinander geschalteten Regler 3 und 4 über eine Rückkopplung 16 rückgekoppelt, d. h. das Ausgangssignal des Reglers 4 wird über ein Rückkopplungsglied 16 mit dem Dämpfungsfaktor K einem weiteren Eingang des Vergleichers 18 zugeführt.
Durch Einstellung der Kennlinien der erwähnten Bauelemente kann in Abhängigkeit von dem Drehzahlsollwertgeber 1 die Wechselstrommaschine 13 in alle denkbaren Betriebszustände gebracht werden. Insbesondere ist es möglich, die Frequenz der Wechselspannung am Ausgang des Stromrichters 6 und damit des Drenfeldes der Wechselstrommaschine 13 in weitem Umfange zu ändern und auch die Frequenz "0" einzustellen. Auch ist es möglich, die Drehrichtung des Drehfeldes zu ändern durch Umschaltung der Phasenlage der einzelnen Ausgänge des Stromrichters 6. Damit lassen sich folgende drei Betriebszustände einstellen: - Motorbetrieb - Bremsbetrieb - Generatorbetrieb.
Definiert man den Schlupf S einer Asynchronmaschine in herkömmlicher Weise als n -n n S wobei n die Läuferdrehzahl und n die synchrone Drehzahl ist, bedeuten hierbei dann: Schlupf = 0: synchrone Drehzahl; Schlupf = 1: Stillstand; Bereich zwischen S = 0 und S = 1: Motorbetrieb; Schlupf zwischen 1 und Q , jedoch positiv: Bremsbetrieb; und Schlupf negativ, d. d. der Läufer dreht schneller als das Drehfeld: Generatorbetrieb.
Durch entsprechende Ansteuerung des Stromrichters 6 können bei allen Drehzahlen und Drehrichtungen des Läufers der Wechselstrommaschine 13 diese Betriebszustände einge ommen werden.
Hervorzuheben ist besonders noch der Betriebszustand des Generatorbetriebes, bei dem der Stromrichter 6 sozusagen in Rückwärtsrichtung betrieben wird und die im Generatorbetrieb von der Wechselstrommaschine 13 erzeugte elektrische Leistung in Gleichspannung umgeformt (umgerichtet) wird und über den DC/DC-Wandler 11 runtertransformiert und zur Aufladung der Batterie 12 verwendet wird. Es kann somit eine echte "Nutzbremsung" durchgeführt werden, bei der kinetische Energie des Läufers in elektrische Energie zur Aufladung der Batterie umgeformt wird, wodurch gleichzeivig der Laufer abgebremst wird.
Der Stromrichter 6 hat zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen auch noch die Funktion eines "Ladegerätes", welches aus einem externen Netz 15 die Batterie auflädt. Die Spannung aus dem Netz 15 wird über eine Sicherung 14 an einer schaltbaren Einspeisestelle 20 auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters 6 eingespeist. Die im Stromrichter 6 gleich gerichtete und im DC/DC-Wandler 11 runtertransformierte Netzspannung lädt die Batterie 12 auf. Zur Regelung des Batterie-Ladevorganges ist der Regler 7 vorgesehen, der Ladestrom, Ladespannung und ggf. zeitlichen Verlauf derselben als Eingangsgröße erhält (durch nicht dargestellte Meßfühler) und sein Ausgangssignal über einen Summierer 19 dem Eingang des maschinenseitigen Steuersatzes 5 zuführt. Hierdurch erfolgt dann eine vom Ladezustand abhängige Steuerung des als Gleichrichter dienenden Stromrichters 6, worüber Ladespannun bzw. Ladestrom eingestellt werden. Bei Auflafiung der Batterie 12 aus dem F) hstronetz 15 wird die Wechselstromrnaschine 13 und ggf. auch der 1 stwert rechner 9 ab- geklemmt, damit sie nicht vom Drehstromnetz versorgt werden.
Bei der Erfindung können im Handel erhältliche Drehstrommotoren für 380 V Drehstrom verwendet werden, wobei der im DC/DC-Wandler benötigte Transformator sehr klein sein kann, insbesondere wenn für die Umwandlung hohe Frequenzen bis zu 20 Hz verwendet werden. Auch wird durch den DC/DC-Wandler 11 der Wirkungsgrad des maschinenseitigen Stromrichters 6 erheblich erhöht, so daß diese Anordnung auch bei niedriger Batteriespannung wie z. B. 20 V verwendet werden.
Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung dargestellten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenl i ste 1 Drehzahl Sollwertgeber 2 Hochlaufgeber 3 Frequenzregler mit Schlupfbegrenzung 4 Schlupffrequenzregler 5 maschinenseitiger Steuersatz 6 maschinenseitiger Stromrichter 7 Ladestromregler 8 Schlupfkompensation 9 Istwertrechner für Schlupffrequenz 10 Batterieüberwachung und Ladezustandsanzeige 11 DC/DC-Wandler 12 Batterie 13 Motor 14 Sicherung 15 Netz 16 Rückkopplung (mit Dämpfung) 17 Vergleicher 18 Vergleicher 19 Summierer 20 Einspeisestelle - Leerseite -

Claims

Elektrofahrzeug Ansprüche Elektrofahrzeug mit einer Batterie, einem von dieser mit Energie versorgtem Elektromotor und mit einer Steuereinrichtung zur Einstellung von Drehzahl, Drehrichtung und/oder Drehmoment des Elektromotors, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Elektromotor eine Drehstrommaschine (13) ist, daß die Steuereinrichtung mindestens einen Stromrichter (6) aufweist, der in Richtung von der Batterie (12) zur Drehstrommaschine (13) als Wechselrichter und in umgekerter Richtung als Gleichrichter aufgehaut ist,und daß ein geschlossener Regelkreis mit einer Istert-Erfaeinrichtung (9) zur Erfassung von Betriebsparametern der Drehstrommaschine (13) und mit einem Regler (3, 4, 5) zur Ansteuerung des Stromrichters (6) vorgesehen ist.

2. Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrommaschine eine Asynchronmaschine (13), vorzugsweise eine Käfigläufermaschine (Normmotor) ist.

3. Elektrofahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Batterie (12) und dem Stromrichter (6) ein Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler (11) angeordnet ist, der in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung betreibbar ist.

4. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwert-Erfaßeinrichtung einen Istwertrechner (9) aufweist, der aus elektrischen Eingangsgrößen der Asynchronmaschine (13) (z. B. Strom, Spannung, Frequenz, Phasenlage) einen Istwert eines Regelparameters (z. B. Drehzahl, Drehmoment bzw. Schlupf) der Asynchronmaschine (13) ermittelt, wobei dieser Istwert des Regelparameters in einem Vergleicher (17) mit einem Sollwert des entsprechenden Maschinenparameters verglichen wird, wobei ein im Vergleichsergebnis proportionales Signal über einen Regler (4) und einen maschinenseitigen Steuersatz (5) dem Steuereingang des Stromrichters (6) zuführbar ist.

6. Elektrofahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der maschinenseitige Steuersatz (5) eine Impulssteuereinheit ist, die an ihrem Ausgang impulsförmige Signale abgibt.

6. Elektrofahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Istwertrechners (9) zusätzlich einem Schlupfkompensationsschaltkreis (8) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal in einen Vergleicher (18) mit einem von einem Drehzahlsollwertgeber (1) erzeugten Signal verglichen und über einen weiteren Regler (3) als Sollwert dem Vergleicher (17) zugeführt wird.

7. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplung (16) vom Ausgang des Reglers (4) zu dem Eingang des vorderen Vergleichers (18) vorgesehen ist.

8. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Drehzahlsollwertgeber (1) und dem vorderen Vergleicher (18) ein Hochlaufgeber (2) angeordnet ist, der zeitliche Änderungen des Sollwertsignales des Drehzahlsollwertgebers (1) begrenzt.

9. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mindestens zwei Schleifen besitzt, von denen eine die Schlupffrequenz für dessen Asynchronmotor (13) regelt und die andere die Amplitude des der Asynchronmaschine (13) zugeführten Stromes bzw. der Spannung.

10. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stromrichter (6) und der Asynchronmaschine (13) eine Einspeisung (20) für Wechselstrom, vorzugsweise Drehstrom aus einem Netz (15) vorgesehen ist zur Aufladung der Batterie (12) über die jeweils in Rückwärtsrichtung betriebenen Stromrichter (6) und Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler (11), wobei Ladestrom und/oder Ladespannung überwacht und der Stromrichter (6) über einen Lade-Regler (7) angesteuert wird.

11. Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laderegler (7) den zeitlichen Verlauf des Batterie-Ladestromes und der Batterieladespannung überwacht.

12. Elektrofahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Batterieüberwachung (10) zur Anzeige der jeweils in der Batterie (12) vorhandenen Kapazität und damit der möglichen Betriebsdauer bis zur nächsten Ladung vorgesehen ist.

13. Elektrofahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (6) auf folgende Betriebszustände umsteuerbar ist: a) Motorbetrieb der Wechselstrommaschine (Schlupf zwischen 0 (Leerlaufdrehzahl) und 1 (Stillstand)); b) Generatorbetrieb (Schlupf negativ, d. h.

Drehzahl des Läufers größer als "Drehzahl" des Drehfeldes, jedoch gleichsinnig mit diesem); und c) Bremsbetrieb (Schlupf zwischen 1 und O , d. h. Drehrichtung des Läufers gegensinnig zur Drehrichtung des Drehfeldes).

14. Elektrofahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufladung der Batterie (12) aus dem Netz (15) die Asynchronmaschine (13) und ggf. der Istwert rechner (9) vom Netz abgetrennt sind.