DE4042377C2 - Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number
DE4042377C2
DE4042377C2 DE4042377A DE4042377A DE4042377C2 DE 4042377 C2 DE4042377 C2 DE 4042377C2 DE 4042377 A DE4042377 A DE 4042377A DE 4042377 A DE4042377 A DE 4042377A DE 4042377 C2 DE4042377 C2 DE 4042377C2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
inverter
converter
speed
drive device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE4042377A
Other languages
English (en)
Other versions
DE4042377A1 (de
Inventor
Volker Prof Fleckenstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baumueller Nuernberg GmbH
Original Assignee
Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baumueller Nuernberg GmbH filed Critical Baumueller Nuernberg GmbH
Priority to DE4042377A priority Critical patent/DE4042377C2/de
Priority to DE4013506A priority patent/DE4013506C3/de
Priority claimed from DE4013506A external-priority patent/DE4013506C3/de
Publication of DE4042377A1 publication Critical patent/DE4042377A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE4042377C2 publication Critical patent/DE4042377C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H02J3/322—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means the battery being on-board an electric or hybrid vehicle, e.g. vehicle to grid arrangements [V2G], power aggregation, use of the battery for network load balancing, coordinated or cooperative battery charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/30—Universal machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe unten genannte BBC-Nachrichten).
Antriebssysteme mit der Umrichtung von Gleichspannung bzw. Gleichstrom in Drehstrom sind an sich bekannt. Sollen diese in Batterie-Fahrzeuge eingesetzt werden, stellt sich das Problem, daß die resultierende Drehspannung aufgrund der niedrigen Batteriespannung ebenfalls niedrig sein muß. Um die erforderliche Antriebsleistung, die sich aus dem Produkt der beiden Faktoren Strom und Spannung zusammen­ setzt, zu gewährleisten, ist bei niedriger Speisespannung der Strom entsprechend hoch, was im Antriebssystem zu Leistungsverlusten führt.
Es ist auch bereits ein elektrisches Antriebssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art für Zweikraft-Lokomotiven mit Drehstromtechnik beschrieben worden (DE-Z: Kuhn, W. u. a.: "Zweikraftlokomotive mit Drehstromtechnik " in: BBC-Nachrichten, 1978, Heft 4, Seiten 135-141): Darin wird wegen der großen Spannungsunterschiede des Fahrdrahtes, von dem elektrische Energie für die Lokomotive abgegriffen wird, ein zusätzlicher Zweiquadrantensteller eingesetzt, der die Fahrdrahtspannung auf einen konstanten Wert am Eingang eines Traktionswechselrichters anhebt. Dadurch läßt sich auch die übertragbare Leistung ohne Umbau der Lokomotive vergrößern. Der darin beschriebene Zweiquadrantensteller kann den Strom in zwei Richtungen führen, während die Polarität der Spannung beibehalten bleibt. Im elektrischen Bremsbetrieb wird Energie ins Fahrleitungsnetz zurückgeliefert.
Ferner sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven während des Fahrbetriebs bekannt (DE 28 15 441 A1), wonach von einer Gleichstrom- Fahrstromleitung Energie über einen Hilfsbetriebs- Wechselrichter und einen nachgeschalteten Gleichrichter einem Akkumulator zu dessen Aufladung zugeführt wird. Dabei ist auch noch erwähnt, daß Gleichrichterschaltungen, die auch eine Fahrdraht-Wechselspannung an die sowohl von einem Traktionswechselrichter als auch von einem Hilfbetriebs­ wechselrichter benötigten Eingangsspannungen anpassen können, bekannt seien.
Aus der Offenlegungsschrift DE 37 01 208 A1 ist ein Steuerverfahren für einen Stromrichter bekannt geworden, in welcher eine zugeführte Gleichspannung geschaltet wird, um eine Betriebsspannung und eine Betriebsfrequenz zu steuern. Die Gleichspannung wird niedrig gehalten, bis die Betriebsfrequenz einen vorgegebenen Wert erreicht. Nach dessen Überschreiten wird die Gleichspannung mit der Betriebsfrequenz bis zu einem Maximalwert erhöht. Die Gleichspannungsversorgung des Wechselrichters wird aus einem Drehstromnetz über Gleichrichtung abgeleitet und mittels eines Zerhacker-Transistors und Lade-Kondensators gesteuert.
Es ist ein Elektrospeicher-Straßenfahrzeug bekannt (Offenlegungsschrift DE 31 16 341 A1), das mit einem fremderregten Gleichstrommotor mit Ankerstromsteller und Feldstromsteller arbeitet. Der Feldstromsteller arbeitet im Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller. Zur Ladung einer Nebenaggregate-Batterie aus der Leistungsbatterie während des Fahrbetriebes ist ein Ladewandler, bestehend aus einem Tiefsetzsteller mit nachgeschaltetem Gegentaktwandler, vorgesehen. Zur Ladung der Leistungsbatterie wird der Feldstromsteller als Hochsetzsteller eingesetzt. Er ist eingangsseitig über eine Gleichrichterbrückenschaltung mit dem speisenden Wechselspannungsnetz verbunden. Ausgangsseitig ist der Hochsetzsteller über den Tiefsetzsteller des Ladewandlers mit der zu ladenden Leistungsbatterie beschaltet und bildet so ein Bord-Batterieladegerät. Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller liegen dabei am gleichen Kondensator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Antriebseinrichtung für ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit Drehfeldmaschine den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern, indem bei niedrigen Motordrehzahlen hohe Schaltfrequenzen für den Wechselrichter vermieden werden und gleichzeitig eine erhöhte Verfügbarkeit der Gleichspannungsquelle erzielt wird. Zur erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe wird auf die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Antriebseinrichtung verwiesen. Danach bildet der kombinierte Hoch- und Tiefsetzsteller einen Spannungswandler, der in seinem Umsetzverhalten mit der Spannung und/oder Drehzahl der elektrischen Maschine derart gekoppelt ist, daß die resultierende Spannungserhöhung für den Wechselrichter von den genannten Parametern beeinflußt ist.
In Weiterführung dieses Gedankens besteht eine vorteilhafte Betriebsweise der Antriebseinrichtung darin, daß der Spannungswandler die Gleichspannung zum Wechselrichter innerhalb eines Drehzahlintervalls mit zur Drehzahl proportionaler Anhebung und in den benachbarten Drehzahlbereichen mit jeweils konstanter Anhebung oder Umsetzung überträgt. Insbesondere kann das genannte Dreh­ zahlintervall dem Bereich mit konstantem Antriebsdreh­ moment, und/oder einer der benachbarten Drehzahlbereiche dem Feldschwächbetrieb (veränderliches Drehmoment) einer Asynchronmaschine entsprechen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Verhältnis von nied­ rigster zu höchster Drehzahl des genannten Drehzahlinter­ valls entsprechend der Quellenausgangsspannung zur maxima­ len Wechselrichtereingangsspannung zu dimensionieren. Hier­ durch kann beispielsweise für den Bereich mit konstantem Antriebsdrehmoment der gesamte verfügbare Arbeitshub des Spannungswandlers ausgenutzt werden. Im untersten Drehzahl­ bereich - also vom Maschinenstillstand ausgehend - bleibt die Gleichspannung durch den Spannungswandler ungewandelt, wird also mit gleicher Höhe zum Wechselrichter übertragen.
Zur Verminderung von Verlusten in Antriebseinrichtung besteht eine andere Weiterbildung der Erfindung darin, daß der Wechselrichter mit einem Taktverfahren angesteuert wird, aufgrund welchem sich Oberwellen im Strom der Arbeits­ maschine gezielt eliminieren lassen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung nebst Vergleich mit bekannten Ausführungen sowie anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines an sich bekannten Antriebs­ systems mit Gleichstrommotor,
Fig. 2 ein Schaltbild eines an sich bekannten gleich­ stromversorgten Drehfeldantriebs,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung,
Fig. 4a ein Schaltbild für den Teil der Gleichstrom­ speisung der Antriebseinrichtung nach Fig. 3,
Fig. 4b ein Schaltbild einer gegenüber Fig. 4a abge­ wandelten Gleichstromspeisung,
Fig. 5 den Verlauf der Wechselrichtereingangsspannung über die Antriebsdrehzahl gemäß Erfindung und
Fig. 6 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Antriebs­ einrichtung für Batteriebetrieb.
Batteriegespeiste Fahrzeugantriebe werden u. a. mit Gleichstrommotoren in Reihen­ schlußausführung ausgerüstet, wie in Fig. 1 dargestellt. Beispiele hierfür sind Flurförderfahrzeuge, Gabelstapler, Elektroautos usw. Die Steuerung von Drehzahl und Drehmoment der Elektromotoren erfolgt entweder durch Steuerung von Schützen mit Vorwiderständen oder durch Zwischenschalten von elektronischen Gleichstromstellern zwischen der Batte­ rie und dem Motor. Je nach Leistung, Entwicklungsstand und technischen Anforderungen sind diese Gleichstromsteller mit Thyristoren und den dazugehörigen Löscheinrichtungen, Abschaltthyristoren (gate turn-off thyristor - GTO) oder Leistungstransistoren ausgerüstet. Allerdings ist die Nenn­ spannung dieser Antriebe gegenüber Antrieben, die aus Ver­ sorgungsnetzen gespeist werden, niedrig. Dies ist, wie ein­ gangs bereits angedeutet, darauf zurückzuführen, daß aus Aufwands-, Gewichts- und Kostengründen möglichst wenig Bat­ teriezellen zur Erzeugung der Speisespannung in Reihe geschaltet werden. In praktischen Anwendungsfällen bewegen sich die Normspannungen je nach Leistungsanforderung um 24 Volt, 48 Volt oder 80 Volt. Um dennoch die gewünschte Leistung - Produkt von Strom und Spannung - bereitstellen zu können, ist zwangsläufig die niedrige Batteriespannung durch hohe Batterie- bzw. Motorströme auszugleichen. Diese hohen Ströme müssen von den Halbleiterschaltern des Gleich­ stromstellers (vgl. nachstehende Erläuterung bezüglich Fig. 1) geführt und geschaltet werden. Auch die Zuleitungen, Anschlüsse und gegebenenfalls Steckverbindungen müssen ent­ sprechend aufwendig ausgelegt sein. Zudem ist neben Aufwand und Kosten bei batteriebetriebenen Fahrzeugen der Gesamt­ wirkungsgrad von besonderer Bedeutung, da die mögliche Betriebsdauer je Batterieladung mit steigendem Wirkungsgrad auch größer wird.
Um den Aufwand an Leistungshalbleitern gering zu halten und zugleich die Verluste zu minimieren, ist heute die Ausfüh­ rung der Spannungssteuerung für die Gleichstrommotoren nur als Einquadrantensteller üblich, wie in Fig. 1 dargestellt:
Ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor 1 wird von einer Gleich­ spannungsquelle, z. B. eine Batterie mit der Aus­ gangsspannung UB, aus versorgt bzw. gespeist. Vor Umkehr der Motordrehrichtung, z. B. für Rückwärtsfahrten, wird die Spannungsumkehr über je zwei Wendeschütze W1 bzw. W2 bewirkt. Die beim Umschalten der Wendeschütze W1, W2 zwangsweise entstehenden stromlosen Pausen nimmt man in Kauf, um den Aufwand an Leistungshalbleitern beim Einsatz eines Mehrquadrantenstellers und die dabei mehr entstehen­ den höheren Verluste in den Leistungshalbleitern zu ver­ meiden.
Gleichstrommotoren haben trotz guter Regeleigenschaften den entscheidenden Nachteil des wartungsaufwendigen Kollektor- Kohleapparates. Zudem muß für die Wartungsarbeiten die Zugänglichkeit zum Kollektor des Motors konstruktiv aufwen­ dig gewährleistet sein. Die Empfindlichkeit von Kollektor und Kohlen gegenüber Überströmen begrenzt das maximal mög­ liche Motormoment, das gerade bei im Kurzzeitbetrieb einge­ setzten Fahrzeugantrieben hoch sein soll. Infolgedessen ist es auch bei batteriegespeisten Fahrzeugantrieben sinnvoll, bürstenlose Motoren als Antriebsmotoren zum Einsatz bringen zu können, da sie die beschriebenen Nachteile nicht haben. Als bürstenlose Motoren sind dabei sowohl Asynchron- als auch Synchronmotoren denkbar, wobei bei Synchronmotoren vor allem permanenterregte Motoren betrachtet werden müssen.
Das für die Speisung der Motoren benötigte dreiphasige Spannungssystem kann prinzipiell aus der Batteriespannung UB durch Zwischenschalten eines Pulswechselrichters erzeugt werden, wie es für regelbare Drehstromantriebe an sich bekannt und in Fig. 2 dargestellt ist: Eine Drehfeld­ maschine 3 wird von einer Gleichspannungsquelle 2, gegebe­ nenfalls eine Batterie mit der Ausgangsspannung UB, aus über einem Pulswechselrichter 4 gespeist. Der Aufwand für einen derartigen Wechselrichter ist - verglichen mit norma­ len Industrieantrieben - unverhältnismäßig groß, da auf­ grund der niedrigen Batteriespannung UB hohe Motorströme fließen müssen, wie aus dem folgenden Beispiel hervorgeht:
Bei 80 Volt Batteriespannung ist die maximal mögliche Motorspannung bei Sinusmodulation 56 Volt. Bei einem Asyn­ chronmotor mit 5 KW Abgabeleistung und η·cosinus ϕ = 0,75 ergeben sich Motorströme von 70 Ampere, während bei einem aus dem Versorgungsnetz gespeisten Antrieb nur Ströme von 10 Ampere notwendig wären. Die Verluste in den Wechsel­ richterventilen bzw. Transistoren 5 sind jedoch proportio­ nal zu dem jeweils fließenden Strom, zumal der Motorstrom jeder Phase von jeweils zwei Ventilen geführt wird. Mithin ergeben sich bei der direkten Speisung des Wechselrichters 4 aus der Gleichspannungsquelle 2 zum einen hohe Verluste, hervorgerufen durch hohe Motorströme, was die Energiebilanz verschlechtert; zum anderen müssen als Stromventile Halb­ leiter mit einer entsprechend großen Stromtragfähigkeit einsetzt werden. Diese sind, insbesondere wenn sie durch interne Parallelschaltung von einzelnen Elementen herge­ stellt werden, wegen des benötigten Aufwandes und der Größe teuer.
Mithin stellt sich das Problem, für gleichstromgespeiste, insbesondere batteriegespeiste Drehstromantriebe ein Antriebssystem zu schaffen, das die in der niederen Speise- Gleichspannung UB begründeten Nachteile vermeidet. Zur Abhilfe ist gemäß Fig. 3 zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Wechselrichter 4 mit nachgeschalteter Drehfeld­ maschine 3 ein Spannungswandler 6 geschaltet. Zwischen dem Spannungswandler 6 und dem Wechselrichter 4 ist zudem noch ein Glättungskondensator 7 parallel angeordnet, der der Glättung der Wechselrichtereingangsspannung UE dient.
Gemäß Fig. 4a kann der Spannungswandler 6 in an sich bekannter Weise als Hochsetzsteller bzw. Aufwärts-Wandler mit einem Leistungstransistor 8 als Schaltelement, einer Speicherdrossel 9 und einer Diode 10 ausgeführt sein. Beim Durchschalten des Leistungstransistors 8 wird in der Speicherdrossel 9 Energie gespeichert, die beim darauf­ folgenden Sperren des Leistungstransistors 8 über die Diode 10 zu einer Erhöhung der Wechselrichtereingangsspannung UE führt. Allerdings ist mit dem Hochsetzsteller gemäß Fig. 4a nur eine unidirektionale Energielieferung von der Gleich­ spannungsquelle zum Wechselrichter bzw. Motor möglich.
Um aber die beim Bremsen des Motors entstehende Brems­ energie in die Gleichspannungsquelle 2 zurückliefern zu können, und dadurch den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern, ist gemäß Fig. 4b der Spannungswandler 6 zu einem kombi­ nierten Hoch-Tiefsetzsteller erweitert, indem ein weiterer Transistor 11 und eine weitere Diode 12 in schaltungstech­ nisch an sich bekannter Weise angeordnet sind. Wegen weite­ rer schaltungstechnischer Einzelheiten wird auf Tietze- Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik", 8. Auflage, Seite 539 bis 547, verwiesen. Mittels des zusätzlichen Tiefsetzstellerteils 11, 12 kann der Spannungswandler gemäß Fig. 4b einen bidirektionalen Betrieb realisieren, nämlich Energie sowohl in eine entsprechende Wechselrichterein­ gangsspannung UE als auch in eine entsprechende Speise- Gleichspannung UB wandeln. Bei dieser Anordnung ist die Wechselrichtereingangsspannung UE in weiten Grenzen frei wählbar. Ihre Höhe wird man zweckmäßig so festlegen, daß die Gesamtverluste und der Aufwand des aus Hoch-/Tiefsetz­ steller 8-12 und Wechselrichter 4 gebildeten Systems mög­ lichst klein werden. Darüber hinaus bietet die freie Wähl­ barkeit der Wechselrichtereingangsspannung UE die Möglich­ keit, verfügbare Halbleiterelemente spannungsmäßig optimal ausnützen zu können.
In den Leistungshalbleitern 5 des Pulswechselrichters 4 treten neben den Durchlaßverlusten Schaltverluste auf, deren Höhe proportional der Schaltfrequenz des Pulswechsel­ richters 4 ist. Um diese Verluste klein zu halten, ist eine niedrige Schaltfrequenz anzustreben. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die Schaltfrequenz und das Verhältnis der Motorspannung zur Wechselrichtereingangsspannung UE die Oberschwingungsanteile im Motor- bzw. Antriebsstrom bestim­ men. Die Oberschwingungsströme führen zu zusätzlichen Ver­ lusten im Antrieb, und die auftretenden Spitzenströme müs­ sen von den Wechselrichterventilen 5 geschaltet werden.
Die bei niedrigen Motordrehzahlen und damit niedrigen Motorspannungen erforderliche hohe Schaltfrequenz läßt sich verringern, wenn die Wechselrichtereingangsspannung UE nicht konstant ist, sondern der jeweiligen Motorspannung bzw. Motordrehzahl angepaßt wird. In dieser Hinsicht bietet die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung die Möglichkeit, die Wechselrichtereingangsspannung UE zwischen der Speise- Gleichspannung oder Batteriespannung UB und einer fast beliebigen, wählbaren Maximalspannung Umax einzustellen. Beispielsweise kann so die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n in drei Arbeitsbereichen I, II und III betrieben werden, wie in Fig. 5 dargestellt:
- Bereich I:
Hochsetzsteller gesperrt
UE = UB
0<n<n*
- Bereich II:
Hochsetzsteller arbeitet
UB<UE<Umax
n*<n<nN
- Bereich III:
Hochsetzsteller arbeitet
UE=Umax
nN<n<nmax
Im untersten Drehzahlbereich I zwischen der Drehzahl 0 und n* ist der Hochsetzsteller gesperrt, und die Wechsel­ richtereingangsspannung UE gleich der Batteriespannung UB. Der Wechselrichter kann in dem Bereich I aufgrund der nied­ rigen Eingangsspannung mit einer niedrigen Taktfrequenz betrieben werden, so daß sich die Schaltverluste verrin­ gern. Da in diesem Bereich der Hochsetzsteller als solcher, d. h. als pulsierend getakteter bzw. geschalteter Span­ nungswandler nicht in Funktion ist, reduzieren sich Ver­ luste, die beim Schalter von Leistungstransistoren ent­ stehen, wesentlich. So werden beim Spannungswandler 6 gemäß Fig. 4b Energie- bzw. Leistungsverluste im Leistungstransistor 8 und der Diode 10 aufgrund Schaltens weitgehend vermieden. Die Verluste in der Speicherdrossel 9 reduzieren sich auf den Ohmschen Anteil.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird in einem bestimmten Dreh­ zahlintervall II die Wechselrichtereingangsspannung UE etwa proportional mit der Drehzahl n angehoben. Das Verhältnis der dieses Drehzahlintervall II begrenzenden unteren und oberen Drehzahlen n* bzw. nN ist im Ausführungsbeispiel etwa gleich dem Verhältnis der Speise-Gleichspannung bzw. Batteriespannung UB zur maximalen Wechselrichtereingangs­ spannung Umax gewählt.
Hierbei kann die Ansteuerung des Wechselrichters in ver­ schiedener Weise erfolgen. Blockbetrieb der Motorspannung, d. h. nur einmaliges Schalten je Spannungshalbschwingung ergibt die niedrigsten Schaltverluste, führt aber aufgrund der sich ergebenden Oberschwingungen im Motorstrom zu höhe­ ren Durchlaßverlusten im Wechselrichter und auch zu höheren Motorverlusten. Die Taktung des Wechselrichters wird daher so gesteuert, daß durch gezielte Elimination von Ober­ schwingungen im Motorstrom die Gesamtverluste des aus Wech­ selrichter und Motor gebildeten Systems minimal werden.
Gemäß Fig. 5 hat im Bereich III die Wechselrichtereingangs­ spannung den Wert Umax erreicht, und sie kann aufgrund der Auslegung des Hoch-/Tiefsetzstellers und des nachgeschalte­ ten Wechselrichters nicht mehr gesteigert werden. In diesem Bereich kann dann z. B. eine angeschlossene Asynchron­ maschine in an sich bekannter Weise im Feldschwächbereich betrieben werden.
Wie bereits ausgeführt, bietet die erfindungsgemäße Antriebs­ einrichtung die Möglichkeit, die Wechselrichtereingangsspannung in weiten Grenzen frei wählen zu können. Dies erlaubt zum einen, den Aufwand an Leistungshalbleitern nach Kosten und Volumen zu minimieren, zum anderen ist eine Betriebsführung unter dem Gesichtspunkt von minimalen Verlusten des Gesamt­ systems möglich. Ferner lassen sich beim Wechselrichter die freie Vorgabe von dessen Eingangsspannung mit dessen Puls­ modulation so aufeinander abstimmen, daß noch ein zusätz­ licher Beitrag zur Minimierung der System-Gesamtverluste resultiert.
Mit besonderem Vorteil läßt sich die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung in batteriegetriebenen Fahrzeugen einsetzen. Solche werden heute vorwiegend an zentralen, fest insta­ lierten Ladestationen aufgeladen. Bei vielen Anwendungen ist es jedoch sinnvoll, diese Fahrzeuge während Betriebspausen nachzuladen. Dabei ist es jedoch erforder­ lich, daß die Ladeeinrichtung und der Laderegler für die Batterie mit im Fahrzeug installiert sind. Da moderne Bat­ terien Schnelladung mit hohen Ladeströmen zulassen, ist eine Nutzung des erfindungsgemäßen Antriebssystems, z. B. in Elektroautos, möglich. Dies heißt aber, daß die Ladeein­ richtung hohe Ströme regeln muß. Entsprechend aufwendig und schwer sind die Ladeeinrichtungen mit Regler aufgebaut, was zu einer Belastung des Fahrzeugs führt.
Demgegenüber ist es mit dem zuvor erläuterten erfindungs­ gemäßen Antriebssystem möglich, den Spannungswandler 6 als Ladegerät für eine als Batterie ausgeführte Fahrzeug- Gleichspannungsquelle 2 einzusetzen, wie in Fig. 6 gezeigt:
Lediglich ein aus Speicherdrossel 9, Leistungstransistor 11 und Schalt-Diode 12 gebildeter Tiefsetzsteller ist ein­ gangsseitig mit einem Gleichrichter 13 mit externem Netzan­ schluß 14 verbunden. Der Leistungstransistor und mithin der zugehörige Tiefsetzsteller werden vom Ausgang 15 eines Ladereglers 16 getaktet bzw. gesteuert. Der Zustand der Gleichspannungsquelle bzw. Batterie 2 wird anhand von des­ sen Ausgangsspannung UB mit einer Abtasteinrichtung 17 des Ladereglers 16 erfaßt, welcher gegebenenfalls daraufhin den Tiefsetzsteller über den Leistungstransistor 11 inakti­ viert. An den beiden Eingangsklemmen 18 des Tiefsetz­ stellers 9, 11, 12 kann wie bei den oben erläuterten Bei­ spielen der (in Fig. 6 nicht dargestellte) Wechselrichter 4 sowie der Glättungskondensator 7 noch parallel zum Gleich­ richter 13 angeschaltet sein.
Damit ist in dem Fahrzeug mit minimalem Mehraufwand (Lade­ gleichrichter 13) eine Ladeeinrichtung für die Gleichspan­ nungsquelle bzw. Batterie 2 mit integriert, die für Schnel­ ladung ausreichend leistungsfähig ist.

Claims (6)

1. Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, mit einer von einer Gleichspannungsquelle (2) über einen Hochsetzsteller (8, 9, 10) und einen diesem nachgeschalteten Pulswechselrichter (4) gespeisten Drehfeldmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, daß
  • - Gleichspannungsquelle (2) eine aufladbare Batterie ist,
  • - der Hochsetzsteller (8, 9, 10) die Wechselrichtereingangsspannung (Ue) abhängig von der Motorspannung und/oder -drehzahl variiert, und daß
  • - der Hochsetzsteller zu einem kombinierten Hoch-/Tiefsetzsteller (8, 9, 10, 11, 12) zur Ladung der Batterie (2) im Brems- und stationären Ladebetrieb erweitert ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (6) die Gleichspannung (UB) zum Wechselrichter (4) innerhalb eines Drehzahlintervalls (II) mit zur Drehzahl proportionaler Anhebung und in den benachbarten Drehzahlbereichen (I, III) mit jeweils konstanter Anhebung oder Umsetzung überträgt.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Drehzahlintervall (II) dem Bereich mit konstantem Antriebsdrehmoment und/oder einer der benachbarten Drehzahlbereiche (III) dem Feldschwächbetrieb beispielsweise einer Asynchronmaschine entspricht.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von niedrigster zu höchster Drehzahl des Drehzahlintervalls (II) dem Verhältnis der Quellengleichspannung (UB) zur maximalen Wechselrichtereingangsspannung (Umax) entspricht.
5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im untersten Drehzahlbereich (I) die Gleichspannung (UB) vom Spannungswandler (6) zum Wechselrichter (4) weitgehend unverändert übertragen wird.
6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (4) im Sinne einer Elimination von Oberwellen im Strom der Antriebsmaschine getaktet wird.
DE4042377A 1990-04-27 1990-04-27 Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug Expired - Fee Related DE4042377C2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4042377A DE4042377C2 (de) 1990-04-27 1990-04-27 Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug
DE4013506A DE4013506C3 (de) 1990-04-27 1990-04-27 Elektrisches Antriebssystem mit einer aufladbaren Gleichspannungsquelle

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4042377A DE4042377C2 (de) 1990-04-27 1990-04-27 Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug
DE4013506A DE4013506C3 (de) 1990-04-27 1990-04-27 Elektrisches Antriebssystem mit einer aufladbaren Gleichspannungsquelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4042377A1 DE4042377A1 (de) 1991-12-05
DE4042377C2 true DE4042377C2 (de) 1996-11-14

Family

ID=6405244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4042377A Expired - Fee Related DE4042377C2 (de) 1990-04-27 1990-04-27 Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4042377C2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19931199A1 (de) * 1999-07-07 2001-01-18 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Steuerung eines Leistungs-Antriebssystems
DE102009047065A1 (de) * 2009-11-24 2011-05-26 SB LiMotive Company Ltd., Suwon Serienschaltung von Schaltreglern zur Energieübertragung in Batteriesystemen
DE102010001682A1 (de) * 2010-02-09 2012-01-19 Sb Limotive Company Ltd. Vollständige Integration von Energiespeichern und Leistungselektronik in Elektro- und Hybridfahrzeugen im Umfeld Ladestation/Energienetz

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4143597C5 (de) * 1991-11-22 2008-06-26 Baumüller Nürnberg GmbH Druckmaschine mit wenigstens einem elektromotorisch angetriebenen, axial verstellbaren Zylinder oder sonstigen Drehkörper
DE4224996A1 (de) * 1992-07-29 1994-02-03 Hella Kg Hueck & Co Vorschaltgerät zum Betreiben von Hochdruck-Gasentladungslampen mit niederfrequenter, rechteckförmiger Spannung in Kraftfahrzeugen
DE4325275A1 (de) * 1993-07-28 1995-02-02 Abb Patent Gmbh Stromrichterschaltung zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreises
JP3713521B2 (ja) * 1997-11-10 2005-11-09 東北電力株式会社 電源装置およびこれが搭載される電気自動車
DE102005041825A1 (de) * 2005-09-02 2007-03-15 Siemens Ag Regelvorrichtung für eine dreiphasige Drehstrommaschine
JP2008295280A (ja) 2007-04-27 2008-12-04 Meidensha Corp モータ駆動装置
FI20085290A0 (fi) * 2008-04-09 2008-04-09 Rocla Oyj Trukin sähköjärjestelmä
DE102010042915A1 (de) * 2010-10-26 2012-04-26 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2815441A1 (de) * 1978-04-10 1979-10-18 Bbc Brown Boveri & Cie Verfahren und vorrichtung zum laden von akkumulatoren auf elektrischen triebwagen und lokomotiven waehrend des fahrdrahtbetriebs
DE3116341A1 (de) * 1981-04-24 1982-11-18 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Elektrospeicher-strassenfahrzeug
JPS62166784A (ja) * 1986-01-16 1987-07-23 Mitsubishi Electric Corp インバ−タ装置の制御方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19931199A1 (de) * 1999-07-07 2001-01-18 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Steuerung eines Leistungs-Antriebssystems
DE102009047065A1 (de) * 2009-11-24 2011-05-26 SB LiMotive Company Ltd., Suwon Serienschaltung von Schaltreglern zur Energieübertragung in Batteriesystemen
DE102010001682A1 (de) * 2010-02-09 2012-01-19 Sb Limotive Company Ltd. Vollständige Integration von Energiespeichern und Leistungselektronik in Elektro- und Hybridfahrzeugen im Umfeld Ladestation/Energienetz

Also Published As

Publication number Publication date
DE4042377A1 (de) 1991-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2385909B1 (de) Verfahren für die steuerung einer stromversorgungseinrichtung mit einem wechselrichter
DE60215902T2 (de) Antriebsgerät, Steuerverfahren und Programmspeichermedium für das Antriebsgerät, und Apparatur zur Erzeugung von Energie
EP1710115B1 (de) Schaltungsanordnung und Ansteuerverfahren für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zwei Gleichstromquellen
DE4107391A1 (de) Elektrofahrzeug mit mindestens einem batteriegespeisten wechselrichter
EP3295538A1 (de) Fahrzeugseitige ladeschaltung für ein fahrzeug mit elektrischem antrieb und verfahren zum betreiben eines fahrzeugseitigen stromrichters sowie verwenden zumindest einer wicklung einer fahrzeugseitigen elektrischen maschine zum zwischenspeichern
DE102010039886B4 (de) Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug
DE10244229A1 (de) Stromversorgungssystem und Stromversorgungsverfahren
DE19857645A1 (de) Elektrisches System für Elektrofahrzeug
WO2010069830A1 (de) Betriebsanordnung für ein elektrisch betriebenes fahrzeug
DE102014103566A1 (de) Elektrisches antriebssystem
EP0849112A1 (de) Drehstromantriebsanordnung
DE4013506C2 (de) Elektrisches Antriebssystem mit einer aufladbaren Gleichspannungsquelle
DE102009052680A1 (de) Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mit Tiefsetzsteller
DE102016103041A1 (de) Leistungsumwandlungsvorrichtung
DE4042377C2 (de) Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug
DE102014211853A1 (de) Spannungskonverter und Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung
WO2017186390A1 (de) Elektrisches system mit mindestens zwei modulen
WO2013124012A2 (de) Ladevorrichtung eines elektrisch betriebenen fahrzeugs
DE102018001032A1 (de) Motorantriebsvorrichtung
DE102019119561A1 (de) Dc/dc-wandler mit grosser verstärkung für elektrifizierte fahrzeuge
DE102017115506A1 (de) Steuervorrichtung für einen Inverter
DE102013203734B4 (de) Modularer Hochfrequenz-Umrichter
DE102020104380A1 (de) Abwärts/aufwärtswandler für elektrischen antrieb
DE102013206296A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeugbordnetz
DE102010052808A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem Quasi-Z-Source-Umrichter

Legal Events

Date Code Title Description
AC Divided out of

Ref country code: DE

Ref document number: 4013506

Format of ref document f/p: P

AC Divided out of

Ref country code: DE

Ref document number: 4013506

Format of ref document f/p: P

OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: BAUMUELLER NUERNBERG GMBH, 90482 NUERNBERG, DE

8181 Inventor (new situation)

Free format text: FLECKENSTEIN, VOLKER, PROF., 90411 NUERNBERG, DE

AC Divided out of

Ref country code: DE

Ref document number: 4013506

Format of ref document f/p: P

AC Divided out of

Ref country code: DE

Ref document number: 4013506

Format of ref document f/p: P

D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
AC Divided out of

Ref country code: DE

Ref document number: 4013506

Format of ref document f/p: P

8339 Ceased/non-payment of the annual fee