DE69220003T2 - Elektrisches Betriebsystem versehen mit einer Motor-/Generatorfunktion sowie einer Lader- und/oder Umformerfunktion - Google Patents

Elektrisches Betriebsystem versehen mit einer Motor-/Generatorfunktion sowie einer Lader- und/oder Umformerfunktion

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, bei dem es sich um ein Multifunktionssystem handelt, welches die Motor-/Generator-Hauptfunktion sowie die Lade- und Umformer-Hilfsfunktionen integriert.
  • Im Bereich der elektrischen Antriebstechnik von Kraftfahrzeugen besteht das große Problem, die Menge und den Selbstkostenpreis von verwendetem Material sowie die Anzahl von für die Kontrolle verwendeten elektronischen Bauelementen zu vermindern.
  • Demzufolge hat es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, für ein elektrisches Antriebssystem für Kraftfahrzeuge zu sorgen, das den Erfordernissen der Praxis besser entspricht als die vorbekannten Antriebssysteme vom gleichen Typ und mit demselben Ziel, vor allem dadurch, daß es:
  • - leichter
  • - billiger
  • - wirkungsvoller
  • - zuverlässiger
  • ist und gleichzeitig den Vorschriftsnormen, und insbesondere den Sicherheitsnormen entspricht.
  • Gelöst wird das obenerwähnte technische Problem durch Mittel zum Umschalten der Statorwicklungen des elektrischen Motors des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellenden elektrischen Antriebssystems, mit Hilfe derer eben diese Wicklungen, je nach Bedarf, nicht nur ihre Motor-/Generator-Hauptfunktion, sondern auch die Lade- und/oder Umformer-Hilfsfunktionen ausüben können.
  • Das Patent EP-A-0 138 000 beschreibt einen elektrischen Mehrphasenmotor mit Statorwicklungen, von denen jede mit einem elektronischen Zerhacker verbunden ist.
  • Das Patent GB-A-2 235 836 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Mehrphasenmotor mit Statorwicklungen, welche mit elektronischen Zerhackern verbunden sind, sowie mit Mitteln zum Nachladen einer Hilfsbatterie aus der Stromversorgungsbatterie, wobei diese Mittel zusätzliche Statorwicklungen enthalten.
  • In der Zusammenfassung der japanischen Patentschrift JP 59- 61402 ist ein Antriebssystem für ein elektrisches Fahrzeug beschrieben, bei dem der Motor im Betrieb mit einem Wellenformer mit elektronischen Zerhackern verbunden ist, der vom Motor getrennte Wellenformer dient zum Nachladen der Stromversorgungsbatterie.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein elektrisches Antriebssystem vor, wie es im Patentanspruch 1 beschrieben ist.
  • Genauer gesagt liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Omnibus, einen Motorroller oder ein Zweirad zugrunde, mit:
  • - wenigstens einem elektrischen Generator, insbesondere elektromechanischer Art - und in diesem Fall durch einen Antriebsverbrennungsmotor eines Generators, insbesondere Wechselstromgenerators, gebildet ist, - und/oder elektrochemischer Art, der durch wenigstens einen Akkumulator und/oder eine Brennstoffzelle gebildet ist;
  • - wenigstens einer elektrischen Maschine, die reversibel, - nämlich in der Lage ist, als Motor und Bremsgenerator zu arbeiten und folglich vor allem den elektrischen Antrieb im Motorbetrieb sicherzustellen -, und die vom Autosynchron-Typ ist und enthält:
  • einen Stator, der mit wenigstens einer eine vorgegebene Anzahl von Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;; e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4;) - die den unterschiedlichen Phasen entsprechen und räumlich versetzt sind - enthaltenden Mehrphasenwicklung sowie mit einer Einrichtung zur sequentiellen Kommutierung von Phase zu Phase ausgestattet ist, die es ermöglicht, zwischen den Strömen, die durch die verschiedenen Statorwicklungen fließen sollen, eine zeitliche Verschiebung zu erzeugen, die zur Erzeugung eines magnetischen Statordrehfeldes erforderlich ist, und
  • einen gewickelten Rotor, d.h. der wenigstens eine Rotorwicklung (E&sub5;, E&sub6;) aufweist, durch die ein Gleichstrom fließen soll, der einen das Rotorfeld definierenden Magnetfluß erzeugt;
  • - wenigstens einer an Bord befindlichen Ladeeinrichtung, die dazu bestimmt ist, wenigstens eine Haupt- oder Hilfs- Stromversorgungsbatterie (Vp) nachzuladen;
  • - wenigstens einem Umformer zur Umformung des Gleichstromes mit der der Haupt- oder Hilfsbatterie (Vp) entsprechenden hohen Spannung in einen Gleichstrom niedriger Spannung zur Stromversorgung und Nachladung einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie (Vs), deren Spannung insbesondere 6 oder 12 V beträgt,
  • wobei dieses elektrische Antriebssystem dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittel zum Umschalten der Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) sowie der wesentlichen Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik zur Steuerung der Autosynchronmaschine, - wobei diese Wicklungen und Bauelemente für deren Motor- und Generatorbremshaupt- oder -grundbetrieb erforderlich sind -, die Umkonfiguration der Wicklungen und der Bauelemente in wenigstens eine Hilfsbetriebsart, welche insbesondere dem Ladebetrieb und/oder dem Umformerbetrieb entspricht, sicherstellen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, die Anzahl der für die Realisierung des Hilfsbetriebes erforderlichen Wicklungen und Halbleiterelemente zu vermindern.
  • Nach einem ersten vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems:
  • - enthält der Stator eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte im Stern geschaltete Wicklung (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;), die räumlich um 90/p mechanische Grad versetzt sind, - wobei 2p die Anzahl der Magnetpole der Autosynchronmaschine ist -, und die paarweise derart verbunden sind, daß sie eine erste und eine zweite Gruppe von Wicklungen (E&sub1;, E&sub3;; E&sub2;, E&sub4;) definieren, von denen die erste Gruppe die erste und die dritte Statorwicklung (E&sub1;, E&sub3;) enthält, während die zweite Gruppe die zweite und die vierte Wicklung (E&sub2;, E&sub4;) aufweist, so daß die Wicklungen (E&sub1;, E&sub3;) der ersten Gruppe sowie die Wicklungen (E&sub2;, E&sub4;) der zweiten Gruppe untereinander um 180 elektrische Grad versetzt sind, während die erste und die zweite Wicklung (E&sub1;, E&sub2;) sowie die dritte und die vierte Wicklung (E&sub3;, E&sub4;) untereinander um 90 elektrische Grad versetzt sind;
  • - enthalten die vorgenannten Umschaltmittel einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zerhacker (a, A, b, B), die mit der ersten, der zweiten, der dritten bzw. der vierten Statorwicklung (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) in Serie geschaltet sind und paarweise (a, A; b, A; b, B; a, B) sequentiell umschaltgesteuert werden, - d.h. durch Steuern der Umschaltung des ersten und des zweiten Zerhackers (a, A), anschließend durch Steuerung des dritten und des zweiten Zerhackers (b, A) sowie des dritten und des vierten Zerhackers (b, B), gefolgt von der Umschaltung des ersten und des vierten Zerhackers (a, B) - damit die Möglichkeit gegeben ist, den Statorstrom (Ist) sequentiell auf die paarweise angeordneten Statorwicklungen, - d.h. auf die erste und die zweite Wicklung (E&sub1;, E&sub2;), die dritte und die zweite Wicklung (E&sub3;, E&sub2;), die dritte und die vierte Wicklung (E&sub3;, E&sub4;) bzw. auf die erste und die vierte Wicklung (E&sub1;, E&sub4;) - zu verteilen, wobei der zweite und der vierte Zerhacker (A, B) ebenfalls modulationsgesteuert sind, um den Wert des Statorstromes zu kontrollieren.
  • Gemäß einer bevorzugten Anordnung dieses Ausführungsbeispiels, sind der erste und der dritte Zerhacker (a, b) mechanische Zweirichtungs-Umschaltmittel, die mittels eines Ringes (B&sub1;) sowie eines ersten und eines zweiten Halbringes (B&sub2;, B&sub3;) gebildet sind, von denen der erste Halbring (B&sub2;) elektrisch mit dem Ring (B&sub1;) verbunden ist, während der zweite Halbring (B&sub3;) elektrisch von dem Ring (B&sub1;) sowie von dem ersten Halbring (B&sub2;) isoliert ist.
  • Gemäß einem vorteilhaften Merkmal dieser Anordnung sind der Ring (B&sub1;) und die Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) auf der Rotorachse (x-x) der Autosynchronmaschine montiert und gleiten auf einer ersten, einer zweiten bzw. einer dritten feststehenden Bürste (b&sub1;, b&sub2;, b&sub3;).
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante dieses Merkmals, sind der Ring (B&sub1;) und die Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) feststehend und kommen in Gleitkontakt mit einer Doppelbürste (bt), die sich im Inneren des Rings (B&sub1;) und der Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) um die Rotorachse dreht.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante der Anordnung sind der erste und der zweite Zerhacker (a, b) in beide Richtungen wirksame Halbleiterumschaltmittel und werden durch das Erfassen der Winkelstellung des Rotors gegenüber dem Stator gesteuert.
  • Gemäß einer zweiten Anordnung ist jeder der zweiten und vierten Zerhacker (A, B) im Motor- und Generatorbremsbetrieb ein in beide Richtungen wirksames Halbleiterumschaltmittel.
  • Gemäß einem vorteilhaften Merkmal dieser zweiten Anordnung, verwendet jeder der zweiten und vierten Zerhacker (A, B) im Motorbetrieb eine Diode (d), wobei die Kontrolle des Statorstromes (Ist) in diesem Fall durch eine Kontrolle des Rotorstromes (Iro) erfolgt.
  • Nach weiteren vorteilhaften Anordnungen gemäß der Erfindung,
  • - sind im Motorbetrieb der zweite und der vierte Zerhacker (A, B) durch eine erste bzw. durch eine zweite sogenannte Freilauf-Diode (d&sub1;, d&sub2;) geschützt, die jeweils zu der ersten und der zweiten Wicklung (E&sub1;, E&sub2;) bzw. zu der dritten und der vierten Wicklung (E&sub3;, E&sub4;) parallel geschaltet sind;
  • - wird im Generatorbetrieb die Umkehr der Stromflußrichtung in den Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) gegenüber der Stromflußrichtung im Motorbetrieb durch eine dritte bzw. eine vierte Diode (d&sub3;, d&sub4;) kontrolliert, die jeweils in Serie mit der zweiten Wicklung (E&sub2;) bzw. der vierten Statorwicklung (E&sub4;) geschaltet sind;
  • - wird der Rotorstrom (Iro) in der Rotorwicklung (E&sub5;) durch einen fünften, in einer Richtung wirksamen Zerhacker (C) kontrolliert, der durch eine fünfte Diode (d&sub5;) geschützt ist.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems,
  • - enthalten die Mittel zum Umschalten vom Motor-/Generatorbremsbetrieb in den Ladebetrieb:
  • einen ersten Kontakt (c&sub1;), der im Motorbetrieb geschlossen und im Ladebetrieb offen ist und der in Serie mit dem ersten Zerhacker (a) liegt;
  • einen zweiten Kontakt (c&sub2;), der ebenfalls im Motorbetrieb geschlossen und im Ladebetrieb offen ist und der in Serie mit dem dritten Zerhacker (b) liegt;
  • einen dritten Kontakt (c&sub3;), der über den Stempunkt der Sternschaltung der Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) geschaltet ist und der im Motorbetrieb geschlossen und somit im Ladebetrieb offen ist;
  • einen vierten und einen fünften Kontakt (c&sub4;, c&sub5;), die im Motorbetrieb offen bzw. geschlossen und somit im Ladebetrieb geschlossen bzw. offen sind und die die Kathode der vierten Diode (d&sub4;) mit dem Eingang bzw. Ausgang der ersten bzw. der vierten Statorwicklung (E&sub1;, E&sub4;) verbinden;
  • - ermöglichen die Kontakte (c&sub1; bis c&sub5;) die Änderung der Verbindungen zwischen den Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) und den entsprechenden elektronischen Schaltungsbestandteilen in der Weise, daß dann, wenn die Kontakte in dem dem Ladebetrieb entsprechenden Sinn arbeiten, sie durch Öffnen des ersten, des zweiten und des dritten Kontaktes (c&sub1;, c&sub2;, c&sub3;) ermöglichen einerseits, die dritte und die vierte Statorwicklung (E&sub3;, E&sub4;) miteinander in Serie zu schalten, um die Primärwicklung eines Transformators zu bilden, und andererseits die erste und die zweite Wicklung (E&sub1;, E&sub2;) gleichfalls miteinander in Serie zu schalten, um die Sekundärwicklung des Transformators zu bilden, während durch Schließen und Öffnen des vierten bzw. des fünften Kontaktes (c&sub4;, c&sub5;) die erste, die zweite, die dritte und die vierte Diode (d&sub1;, d&sub2;, d&sub3;, d&sub4;) derart miteinander verbunden werden, daß sie die Elemente einer Gleichrichterbrücke bilden, die mit der Sekundärwicklung (E&sub1; + E&sub2;) des Transformators verbunden und dazu bestimmt ist, die Haupt- oder Hilfsbatterie nachzuladen, wenn die elektromotorische Kraft größer als die Versorgungsspannung ist;
  • - wird der Ladestrom dieser Batterie in der Primärwicklung (E&sub3; + E&sub4;) des Transformators durch einen sechsten und einen siebten Zerhacker (D, E) kontrolliert; und
  • - isoliert ein sechster Kontakt (c&sub6;), der im Motorbetrieb geschlossen und somit im Ladebetrieb offen ist, zusammen mit dem zweiten, dem dritten und dem fünften Kontakt (c&sub2;, c&sub3;, c&sub5;) die Primärwicklung von der Sekundärwicklung des Transformators und somit das Stromnetz von der Batterie (Vp).
  • Gemäß einer vorteilhaften Anordnung dieses weiteren Ausführungsbeispiels ist wenigstens einer der fünften und sechsten Zerhacker (D, E) im Ladebetrieb durch einen der zweiten und vierten Zerhacker (A, B) gebildet, die im Motor- oder Generatorbremsbetrieb verwendet werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Anordnung dieses weiteren Ausführungsbeispiels enthält der Stator der Autosynchronmaschine eine fünfte, eine sechste, eine siebte und eine achte zusätzliche Statorwicklung (e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4;), die miteinander in Serie geschaltet und mit der ersten, der zweiten, der dritten bzw. der vierten Hauptstatorwicklung (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) derart gekoppelt sind, daß unabhängig von der Arbeitsbedingung der Kontakte (c&sub1; bis c&sub6;), d.h. unabhängig davon, ob der Ausgangsbetrieb der Motor-/Generatorbremsbetrieb oder der Ladebetrieb ist, die zusätzlichen Statorwicklungen (e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4;) die Sekundärwicklung eines Transformators bilden, der es ermöglicht - nach Gleichrichtung durch eine sechste und siebte Diode (d&sub6;, d&sub7;) und Kontrolle durch einen Lastregler (Rch) -, den Gleichstrom mit der hohen Spannung der Haupt- oder Hilfsbatterie (Vp) in einen Gleichstrom niedriger Spannung umzuformen, der zur Stromversorgung und zum Nachladen einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie (Vs) bestimmt ist.
  • Nach einer noch weiteren erfindungsgemäßen Anordnung weist der Rotor eine zusätzliche Rotorwicklung (E&sub6;) auf, die zwischen dem Ring (B&sub1;) und dem ersten Halbring (B&sub2;) angeschlossen ist und das Vorhandensein des Statorstroms (Ist) im Rotor ausnutzt, um die Amperewindungen der Hauptrotorwicklung (E&sub5;) zu verstärken, wobei der Schutz des zweiten und des vierten Zerhackers durch eine sechste Diode (d&sub6;) erfolgt, die als Freilaufdiode parallel zu der zusätzlichen Statorwicklung (E&sub6;) geschaltet ist.
  • In der nun folgenden Beschreibung werden der Motor- und Generatorbrems-Grundbetrieb sowie die Lade- und Umformer- Hilfsbetriebe unter Berücksichtigung der der Laufrichtung, der Kontrolle der Geschwindigkeit und des Drehmoments sowie den Zerhackern eigenen Bedingungen eingehend erläutert; darüber hinaus ist auch eine interessante Version der Kompoundierung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, beschrieben. In dieser Beschreibung wurde als Beispiel der Fall einer Autosynchronmaschine mit elektrischem Antrieb mit vier Statorwicklungen und zwei Polen, mit gewickeltem Rotor angenommen.
    • I - BESCHREIBUNG DES MOTORBETRIEBB
  • Die vier Statorwicklungen E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4; des Schaltbildes der Figur 1 sind im Stern geschaltet. E&sub1; und E&sub3;, E&sub2; und E&sub4; sind untereinander um 180 elektrische Grad versetzt, während die Wicklungen E&sub1; und E&sub2; - und folglich E&sub3; und E&sub4; - untereinander um 90 elektrische Grad versetzt sind (siehe Figur 1bis).
  • Die beiden Zerhackerpaare a, b und A, B ermöglichen, den Statorstrom Ist nacheinander auf die Wicklungen E&sub1; + E&sub2;, E&sub3; + E&sub2;, E&sub3; + E&sub4;, E&sub1; + E&sub4; zu verteilen, wodurch ein Drehfeld erzeugt wird.
  • Die Zerhacker A und B stellen zusätzlich zu der Verteilung des für die Erzeugung des Statordrehfeldes erforderlichen Statorstromes eine Kontrolle seines Wertes (durch eine geeignete Modulation, wie sie im folgenden eingehender erläutert wird) sicher.
  • Die sogenannten Freilaufdioden d&sub1; und d&sub2; gewährleisten den Schutz der Zerhacker A und B durch Aufrechterhalten des Stromdurchflusses durch die Statorwicklungen bis dieser Strom in diesen Wicklungen auf natürliche Weise versiegt.
  • Der Strom Iro der Rotorwicklung E&sub5;, der durch den Zerhacker C kontrolliert und durch die Freilaufdiode d&sub5; geschützt wird, stellt die Erzeugung des Rotorfeldes sicher.
  • Die elektronische Kontrolle dieser Felder ist derart, daß diese aufgrund von Sensoren zur Erfassung der Winkelstellung des Rotors um 90º phasenverschoben gehalten werden, wodurch ein maximales Drehmoment gegeben ist,
  • Die Wicklungen E&sub1; + E&sub2;, E&sub2; + E&sub3;, E&sub3; + E&sub4;, E&sub4; + E&sub1; sind der Sitz von gegenelektromotorischen Wechselkräften, deren Amplitude - im Falle des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellenden Motorbetriebs - kleiner als die Versorgungsspannung der Batterie Vp ist.
    • II - BESCHREIBUNG DES GENERATORBRENSBETRIEBS
  • Selbstverständlich wird im Falle dieser Betriebsart (Figur 1ter) angenommen, daß die Maschine läuft.
  • Eine Erhöhung des Rotorstromes Iro (selbstverständlich im ungesättigten Betriebsbereich der Maschine), die durch den Zerhakker C gesteuert wird, kommt durch eine Erhöhung der gegenelektromotorischen Kräfte in den Wicklungen E&sub1; + E&sub2;, E&sub2; + E&sub3;, E&sub3; + E&sub4;, E&sub4; + E&sub1; zum Ausdruck, die - da sie größer als die Versorgungsspannung der Batterie Vp werden - aufgrund der Dioden d&sub3; und d&sub4; den Durchfluß eines Statorstromes Ist ermöglichen, dessen Richtung der des Motorbetriebes entgegengerichtet ist. In dieser Richtung wird also Strom erzeugt und die Batterie Vp nachgeladen.
  • Die Kontrolle dieses Ladestromes erfolgt, wie oben angegeben, durch die Kontrolle des Rotorstromes Iro.
  • Die übereinanderlagerung der Schaltbilder 1 und 1ter gewährleistet den Motor- und Generator-Doppelbetrieb.
    • III - BESCHREIBUNG DES LADEBETRIEBS
  • Im dem in Figur 2 dargestellten Schaltbild wird vorausgesetzt, daß die Verbindungen der verschiedenen Bestandteile umkonfiguriert wurden und daß die Rotorwicklung (die nicht dargestellt wurde) abgeschaltet wurde. Das Prinzipschaltbild der Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Umschaltung für den Übergang vom Motor- oder Generatorbremsbetrieb in den Ladebetrieb. In dieser Figur 2a entsprechen die dargestellten Kontakte c&sub1; bis c&sub6; ihrer Position im Motorbetrieb, wobei die Steckdose des (rechts in der Figur befindlichen) Stromnetzes nicht angeschlossen ist, während diese Kontakte in der umgekehrten Position der Ladefunktion entsprechen (wobei die Steckdose des Stromnetzes in diesem Fall angeschlossen ist).
  • Man findet die Wicklungen E&sub1; + E&sub2; sowie E&sub3; + E&sub4; wieder, die die Primär- bzw. Sekundärwicklung eines Transformators bilden.
  • Die Dioden d&sub1;, d&sub2;, d&sub3;, d&sub4; bilden die Elemente einer Gleichrichterbrücke, die an die Sekundärwicklung E&sub1; + E&sub2; angeschlossen und in der Lage ist, die Batterie Vp auf zuladen, wenn die elektromotorische Kraft größer als die Versorgungsspannung ist.
  • Der Ladestrom wird in der Primärwicklung E&sub3; + E&sub4; durch die beiden Zerhacker D und E kontrolliert, die durch die Zerhacker A und B der Figur 1 gebildet werden können oder auch nicht, wobei die Wiederverwendung dieser Zerhacker im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird.
    • IV - BESCHREIBUNG DES UMFORMERBETRIEBS
  • Wenn in dem Schaltbild des Motor-/Generatorbetriebes vier mit den Wicklungen E&sub1;, E&sub2;, E&sub3; bzw. E&sub4; gekoppelte Wicklungen e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4; angeordnet werden, wie sie in dem in Figur 3 gezeigten Schaltbild dargestellt sind, so bilden diese Wicklungen die Sekundärwicklung mit Mittelpunkt eines Transformators, die, wenn sie unter Anwendung der dem Fachmann bekannten Regeln des Standes der Technik gut bemessen sind, nach Gleichrichtung durch die Dioden d&sub6;, d&sub7; und Kontrolle durch einen Lastregler Rch den Niederspannungsumformer bilden können, der mit der herkömmlichen Fahrzeugbatterie Vs (normalerweise mit 6 oder 12 V) parallel geschaltet ist. Das Prinzipschaltbild der Figur 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Umschaltung für den Übergang vom Motor-/Generatorbrems- oder Ladebetrieb in den Umformerbetrieb. In dieser Figur 3a sind die Kontakte c&sub1; bis c&sub6; in der Position dargestellt, die dem Motor-Generatorbremsbetrieb (wie in Figur 2a) entspricht. Es leuchtet jedoch ein, daß der Umformerbetrieb auch ausgehend von denselben Kontakten c&sub1; bis c&sub6; in der dem Ladebetrieb entsprechenden Position erhalten werden kann. Das heißt mit anderen Worten, daß der Umformerbetrieb entweder mit der in Betrieb befindlichen Autosynchronmaschine oder mit dieser Maschine, wenn sie sich im Stillstand befindet, erhalten werden kann,
    • V - KONTROLLE DER LÄUFRICHTUNG
  • Um die Laufrichtung des Motors umzukehren, muß lediglich die Phase der Zerhacker A und B umgekehrt werden.
  • Im Falle der Figur 4 werden nacheinander die Wicklungen E&sub1; + E&sub2;, E&sub3; + E&sub2;, E&sub3; + E&sub4;, E&sub1; + E&sub4; erregt. Die Umkehrung der Zerhackerphasen B und A würde zu folgender Folge führen: E&sub1; + E&sub4;, E&sub3; + E&sub4;, E&sub3; + E&sub2;, E&sub1; + E&sub2;, wodurch die Umkehr der Drehrichtung gezeigt wird.
    • VI - KONTROLLE DER GESCHWINDIGKEIT UND DES DREHMOMENTS
  • Die Kontrolle der Geschwindigkeit und des Drehmoments erfolgt mittels einer zweifachen Einwirkung auf die Stator- und Rotorströme.
  • Diese zweifache Einwirkung ermöglicht, wenn sie vollständig beherrscht wird (Digitalkontrolle mittels Prozessor in Echtzeit), und dies mit einem maximalen Wirkungsgrad, den gesamten Drehmoment-Geschwindigkeits-Betriebsbereich des Antriebsmotors bei seinen verschiedenen Belastungen abzudecken.
    • VII - WIRKUNGSWEISE DER ZERHACKER
  • Die Zerhacker a und b sind im Motor- und Generatorbetrieb in beide Richtungen wirksame Schalter (Figur 5a). Diese (offenen oder geschlossenen) Schalter können elektronischer (bipolarer MOSFET-IGBT-Transistor - Thyristor etc.) oder mechanischer Art sein. Sie werden durch das Erfassen der Winkelstellung des Rotors automatisch gesteuert (Sensoren bzw. mechanische Struktur).
  • Die Zerhacker A und B sind im Motor- und Generatorbetrieb ebenfalls in beide Richtungen wirksame Schalter (Figur 5b).
  • Diese Schalter sind elektronischer Art und stellen neben der Verteilung des Statorstromes auf die Wicklungen E&sub2; und E&sub4; die Kontrolle des Wertes dieses Stromes in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sowie in Abhängigkeit von dem gewünschten Drehmoment sicher (diese Kontrolle kann mittels aller möglichen Modulationstypen, einschließlich PWM-Modulation erfolgen). Genauer gesagt wird diese Stellung - da die Steuerung der Statorströme von der Winkelstellung des Rotors abhängt - mit Hilfe von Winkelstellungssensoren derart erfaßt, daß nach Verarbeitung in einem Prozessor die Umschalt- und Modulationssteuerung der Zerhacker möglich ist, um die Wirkungsweise und den Wirkungsgrad des Motors sowie des Bremsgenerators zu optimieren.
  • Eine Variante (Figur 5c) verwendet für den Generator- Zerhackerbetrieb eine Diode, wobei die Kontrolle des Statorstromes in diesem Fall durch eine Kontrolle des Rotorstromes erfolgt.
    • VIII - MECHANISCHE ZERHACKER a, b
  • Die Verteilung des Statorstromes kann mit Hilfe von Ringen und Bürsten erfolgen. Die Figuren 6 geben zwei Ausführungsbeispiele:
    • Figur 6a.
  • In Figur 6a fließt der Statorstrom von der feststehenden Bürste b&sub1; durch Gleitkontakt in einen drehbaren Ring B&sub1;, der mit einem Halbring B&sub2; verbunden ist (Verbindung c), welcher, wie B&sub1;, fest mit dem Rotor verbunden ist; anschließend speist der Statorstrom durch die feststehende Bürste b&sub2; die Wicklung E&sub1;, (der Halbring B&sub3; ist von dem Halbring B&sub2; und dem Ring B&sub1; isoliert).
  • Nach einer halben Umdrehung speist der Halbring B&sub2; durch die feststehende Bürste b&sub3; die Wicklung E&sub3;.
  • Die elektronische Kontrolle des Stromes durch die Zerhacker A und B kann derart sein, daß die durch die Bürsten unterbrochenen Ströme gering, ja sogar null sind, um deren Verschleiß zu begrenzen.
    • Variante Figur 6b
  • Im Falle dieser Variante stellt eine drehbare Doppelbürste bt, während ihrer Drehung, das aufeinanderfolgende Kurzschließen des feststehenden Ringes B&sub1; und des feststehenden Halbringes B&sub2; sicher, wodurch die Wicklung E&sub1; gespeist wird, und anschließend, eine halbe Drehung später, schließt er den feststehenden Ring B&sub1; und den feststehenden Halbring B&sub3; kurz, wodurch die Wicklung E&sub3; gespeist wird.
    • IX - KOMPOUNDIERUNG
  • In Figur 7 ist eine mögliche Version der Kompoundierung dargestellt.
  • Das Vorhandensein des Statorstromes im Rotor ermöglicht dessen Verwendung in einer ergänzenden Erregerwicklung E&sub6;, die die Amperewindungen der Erregerwicklung der Wicklung E&sub5; verstärkt. Diese Möglichkeit verleiht der Maschine günstige Drehmoment- Geschwindigkeit- und Wirkungsgradmerkmale, was die Flexibilität und die Energieersparnis anbelangt.
  • Die Freilaufdiode d&sub8; stellt den Schutz der Zerhacker A und B sicher und erleichtert den Generatorbetrieb.

Claims (10)

1. Elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Omnibus, einen Motorroller oder ein Zweirad, mit:
- wenigstens einem Generator, insbesondere elektromechanischer und/oder elektrochemischer Art, der im zuletzt genannten Fall durch wenigstens einen Akkumulator und/oder eine Brennstoffzelle gebildet ist;
- wenigstens einer elektrischen Maschine, die reversibel und vom Autosynchron-Typ ist und enthält:
* einen Stator, der mit wenigstens einer Gruppe von im Stern geschalteten Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) und einer Einrichtung zur sequentiellen Kommutierung von Phase zu Phase ausgestattet ist, die es ermöglicht, zwischen den Strömen, die durch die verschiedenen Statorwicklungen fließen, eine zeitliche Verschiebung zu erzeugen, die zur Erzeugung eines magnetischen Statordrehfeldes erforderlich ist, und
* einen gewickelten Rotor, der wenigstens eine Rotorwicklung (E&sub5;, E&sub6;) aufweist, durch die ein Gleichstrom fließen soll, der einen das Rotorfeld definierenden Magnetfluß erzeugt;
- wenigstens einer an Bord befindlichen Ladeeinrichtung, die dazu bestimmt ist, wenigstens eine Haupt- oder Hilfs-Stromversorgungsbatterie (Vp) nachzuladen;
- wenigstens einem Umformer zur Umformung des Gleichstroms mit der der Haupt- oder Hilfsbatterie (Vp) entsprechenden hohen Spannung in einen Gleichstrom niedriger Spannung zur Stromversorgung und Nachladung einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie (Vs), deren Spannung insbesondere 6 oder 12 V beträgt,
wobei dieses elektrische Antriebssystem dadurch gekennzeichnet ist, daß es Mittel zur Umkonfiguration des Stators in wenigstens eine Hilfsbetriebsart enthält, die insbesondere dem Ladebetrieb und/oder dem Umformerbetrieb entspricht,
und daß die Statorwicklungsgruppe vier Wicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) enthält, wobei die Einrichtung zur sequentiellen Kommutierung von Phase zu Phase ein Paar elektronische Zerhacker (A, B) enthält, von denen der eine mit der zweiten Wicklung (E&sub2;) und der andere mit der vierten Wicklung (E4) verbunden ist, sowie mechanische Zweirichtungs-Umschaltmittel (a, b), die zwischen dem elektrischen Generator und den beiden anderen Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub3;) angeschlossen sind, um den vom Generator gelieferten Strom auf die Statorwicklungen zu verteilen, wobei die mechanischen Umschaltmittel mit Hilfe eines Rings (B1) und zweier Halbringe (B2, B3) gebildet sind, von denen der erste Halbring (B2) elektrisch mit dem Ring (B1) verbunden ist und der zweite Halbring (B3) elektrisch von dem Ring (B1) und von dem ersten Halbring (B2) isoliert ist.
2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (B&sub1;) und die Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) auf der Rotorachse (x-x) der Autosynchronmaschine montiert sind und auf einer ersten, einer zweiten bzw. einer dritten feststehenden Bürste (b&sub1;, b&sub2;, b&sub3;) gleiten.
3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (B&sub1;) und die Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) feststehend sind und in Gleitkontakt mit einer Doppelbürste (bt) kommen, die sich im Inneren des Rings (B&sub1;) und der Halbringe (B&sub2;, B&sub3;) um die Rotorachse dreht.
4. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Zerhacker (A, B) des Paares im Motorbetrieb und im Generatorbremsbetrieb in beiden Richtungen wirksam sind.
5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Zerhacker (A, B) des Paares im Motorbetrieb parallel zu einer Diode geschaltet sind, wobei die Kontrolle des Statorstroms (Ist) in diesem Fall durch eine Kontrolle des Rotorstroms (Iro) erfolgt.
6. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß:
- im Motorbetrieb die elektronischen Zerhacker (A, B) des Paares durch eine erste bzw. durch eine zweite sogenannte Freilauf-Diode (d&sub1;, d&sub2;) geschützt sind, die zu den ersten und zweiten Wicklungen (E&sub1;, E&sub2;) und den mechanischen Umschaltmitteln bzw. zu den dritten und vierten Wicklungen (E&sub3;, E&sub4;) und den mechanischen Umschaltmitteln parallel geschaltet sind;
- im Generatorbetrieb die Umkehr der Stromflußrichtung in den Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) gegenüber der Stromflußrichtung im Motorbetrieb durch eine dritte bzw. eine vierte Diode (d&sub3;, d&sub4;) kontrolliert wird, die jeweils in Serie mit der zweiten Wicklung (E&sub2;) bzw. der vierten Wicklung (E&sub4;) geschaltet sind;
- der Rotorstrom (Iro) in der Rotorwicklung (E&sub5;) durch einen dritten, in einer Richtung wirksamen Zerhacker (C) kontrolliert wird, der durch eine fünfte Diode (d&sub5;) geschützt ist.
7. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Mittel zur Umkonfiguration des Stators vom Motor-/Generatorbremsbetrieb zum Ladebetrieb enthalten:
* einen ersten Kontakt (c&sub1;), der im Motorbetrieb geschlossen und im Ladebetrieb offen ist und der in Serie mit den mechanischen Umschaltmitteln liegt;
* einen zweiten Kontakt (c&sub2;), der ebenfalls im Motorbetrieb geschlossen und im Ladebetrieb offen ist und der in Serie mit den mechanischen Umschaltmitteln liegt;
* einen dritten Kontakt (c&sub3;), der über den Sternpunkt der Sternschaltung der Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) geschaltet ist und der im Motorbetrieb geschlossen und somit im Ladebetrieb offen ist;
* einen vierten und einen fünften Kontakt (c4, c5), die im Motorbetrieb offen bzw. geschlossen und somit im Ladebetrieb geschlossen bzw. offen sind und die die Kathode der vierten Diode (d&sub4;) mit der ersten bzw. mit der vierten Statorwicklung (E&sub1;, E&sub4;) verbinden;
- daß die Kontakte (c&sub1; bis c&sub5;) die Änderung der Verbindungen zwischen den Statorwicklungen (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E4) und den entsprechenden elektronischen Schaltungsbestandteilen in der Weise ermöglichen, daß dann, wenn die Kontakte in den dem Ladebetrieb entsprechenden Sinn arbeiten, sie durch Öffnen des ersten, des zweiten und des dritten Kontaktes (c&sub1;, c&sub2;, c&sub3;) ermöglichen, die dritte und die vierte Statorwicklung (E&sub3;, E&sub4;) miteinander in Serie zu schalten, um die Primärwicklung eines Transformators zu bilden, die zur Verbindung mit dem Stromnetz bestimmt ist, und andererseits die erste und die zweite Wicklung (E&sub1;, E&sub2;) gleichfalls miteinander in Serie zu schalten, um die Sekundärwicklung des Transformators zu bilden, während durch Schließen und Öffnen des vierten bzw. des fünften Kontakts (c&sub4;, c&sub5;) die erste, die zweite, die dritte und die vierte Diode (d&sub1;, d&sub2;, d&sub3;, d&sub4;) derart miteinander verbunden werden, daß sie die Elemente einer Gleichrichterbrücke bilden, die mit der Sekundärwicklung (E&sub1; + E&sub2;) des Transformators verbunden ist und dazu bestimmt ist, die Haupt- oder Hilfsbatterie nachzuladen, wenn die elektromotorische Kraft größer als die Versorgungsspannung ist;
- daß der Ladestrom der Batterie in der Primärwicklung (E&sub3; + E&sub4;) des Transformators durch einen vierten und einen fünften Zerhacker (D, E) kontrolliert wird; und
- daß ein sechster Kontakt (c&sub6;), der im Motorbetrieb geschlossen und somit im Ladebetrieb offen ist, zusammen mit dem zweiten, dem dritten und dem fünften Kontakt (c&sub2;, c&sub3;, c&sub5;) die Primärwicklung von der Sekundärwicklung des Transformators und somit das Stromnetz von der Batterie (Vp) isoliert.
8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der vierten und fünften Zerhacker (D, E) im Ladebetrieb durch einen der Zerhacker (A, B) des im Motor- oder Generatorbremsbetrieb verwendeten Paares gebildet ist.
9. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator der Autosynchronmaschine vier zusätzliche Statorwicklungen (e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4;) enthält, die miteinander in Serie geschaltet und mit der ersten, der zweiten, der dritten bzw. der vierten Statorwicklung (E&sub1;, E&sub2;, E&sub3;, E&sub4;) derart gekoppelt sind, daß die zusätzlichen Statorwicklungen (e&sub1;, e&sub2;, e&sub3;, e&sub4;) die Sekundärwicklung eines Transformators bilden, der es ermöglicht, den Gleichstrom mit der hohen Spannung der Haupt- oder Hilfsbatterie (Vp) in einen Gleichstrom niedriger Spannung umzuformen, der zur Stromversorgung und zum Nachladen einer herkömmlichen Fahrzeugbattene (Vs) bestimmt ist.
10. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine zusätzliche Wicklung (E&sub6;) aufweist, die zwischen dem Ring (B&sub1;) und dem ersten Halbring (B&sub2;) angeschlossen ist und das Vorhandensein des Statorstroms (Ist) im Rotor ausnutzt, um die Amperewindungen der Hauptrotorwicklung (E&sub5;) zu verstärken, wobei der Schutz der Zerhacker des Paares durch eine sechste Diode (d&sub6;) erfolgt, die als Freilaufdiode parallel zu der zweiten Statorwicklung (E&sub6;) geschaltet ist.
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