DE69416014T2

DE69416014T2 - Fahrzeug mit elektrischem Antrieb mit einer Vorrichtung zur Rückgewinnung der Energie

Info

Publication number: DE69416014T2
Application number: DE69416014T
Authority: DE
Inventors: Tristan Ch-2000 Neuchatel Chevroulet; Ludwig D-3177 Sassenburg 4 Damminger
Original assignee: Swatch Group Management Services AG
Current assignee: Swatch Group Management Services AG
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1994-02-05
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2014-02-06
Also published as: FR2701435B1; DE69416014D1; CN1094358A; PL302236A1; EP0611675B1; FR2701435A1; ES2128447T3; KR940020658A; JPH06319203A; CN1035423C; RU2116896C1; PL173396B1; EP0611675A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Energierückgewinnungsvorrichtung und insbesondere ein derartiges Fahrzeug, das eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie enthält, die beim elektrischen Bremsen des Fahrzeugs erzeugt wird.
Es sind bereits elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge wie etwa das in dem Dokument DE 40 11 291 beschriebene Fahrzeug bekannt. Dieser Fahrzeugtyp enthält wenigstens ein Antriebsrad, mechanische Bremsmittel für das Rad, wenigstens einen Elektromotor, der mechanisch mit dem Antriebsrad gekoppelt ist, einen wiederaufladbaren Akkumulator für elektrische Energie und Mittel zur Lenkung und Übertragung von Energie, die mit dem Akkumulator und mit dem Elektromotor gekoppelt sind, wobei das Fahrzeug außerdem elektrische Bremsmittel, mit denen der Elektromotor im Generatorbetrieb betrieben werden kann, enthält.
Bestimmte dieser Fahrzeuge enthalten ein gemischtes Bremssystem, in dem die Bremsung einerseits elektrisch, indem der Elektromotor im Generatorbetrieb betrieben wird, was außerdem die Wiederaufladung des Akkumulators erlaubt, und andererseits mechanisch in herkömmlicher Weise, beispielsweise mit Hilfe von Bremsscheiben, verwirklicht wird.
Indessen wird festgestellt, daß die Intensität des vom Elektromotor beim elektrischen Bremsen in dieser Weise erzeugten Stroms ohne weiteres hohe Werte in der Größenordnung von einigen hundert Ampere erreicht, die die Ladeströme, die der Akkumulator absorbieren kann, bei weitem übersteigt, wobei bei den meister Akkumulatoren, die gegenwärtig für diese Anwendungen eingesetzt werden, die Intensität des maximalen Ladestroms im allgemeinen in der Größenordnung von einigen Zehnteln der Intensität liegt, die der Akkumulator während einer Stunde liefern kann.
Folglich führt in dem Fall, in dem der Akkumulator gering geladen ist, die beim elektrischen Bremsen erzeugte elektrische Energie zu einer ungeeigneten Ladung des Kondensators, die diesen letzteren verschlechtern und seine erwartete Lebensdauer stark reduzieren kann.
Wenn andererseits der Akkumulator nahezu maximal geladen ist, überlädt die beim elektrischen Bremsen erzeugte elektrische Energie den Akkumulator, was zu einer Situation, in der die Spannung an den Anschlüssen des Akkumulators im wesentlichen gleich jener wird, die von der Ladeschaltung geliefert wird, mit anderen Worten, zu einer Begrenzung oder sogar Unterdrückung des Stromflusses im Akkumulator und folglich zu einer großen Reduzierung oder sogar Vernichtung der erwünschten Wirkung der elektrischen Bremsung führt.
Eine Lösung besteht darin, eine Schaltung vorzusehen, die die Intensität des Stroms begrenzt, die von dem im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor erzeugt wird. Eine solche Begrenzung verringert jedoch den Wirkungsgrad der elektrischen Bremsung erheblich, so daß dieser Bremstyp einen großen Teil seines Nutzens verliert.
Eine andere Lösung, die in dem Patent US 3 544 873 beschrieben ist, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, besteht darin, in einem Widerstand wenigstens einen Teil der überschüssigen elektrischen Energie, die durch das Bremsen erzeugt wird, in Wärme umzusetzen, wenn der Akkumulator vollständig geladen ist. Diese Energie wird jedoch in die Atmosphäre abgeführt und daher vollständig verschwendet.
In der Veröffentlichung DE-A-27 10 766, die kein Kraftfahrzeug, sondern ein elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug, das keinen Akkumulator verwendet, betrifft, ist vorgesehen, die beim Bremsen erzeugte elektrische Energie in einen Primärwasserkreis abzuführen, der speziell hierzu vorgesehen ist, wobei dieser Kreis einen Kühler zur Abführung der Wärme in die Atmosphäre sowie eine Verzweigung zu einem Sekundärkreis besitzt, der dazu dient, die Fahrgastzelle zu erwärmen. Ein solches System ist kompliziert und erfordert, daß dem Fahrzeug ein vollständiger Kreis hinzugefügt wird, um die Verwendung der vom Widerstand umgesetzten Wärme zu ermöglichen.
Eine weitere Lösung wird gemäß der Veröffentlichung SU-A-1 632 824 angewendet, die ein Baufahrzeug mit Diesel- Elektroantrieb betrifft. In diesem Fall sind die Dissipationswiderstände in einem Kühler angeordnet, durch den die Luftansaugleitung des Dieselmotors verläuft. Die dadurch erwärmte Luft bewegt sich anschließend in einen Turbokompressor und dann in eine Zwischenkühlungskammer ("Intercooler"), bevor sie in den Motor einströmt. Eine solche Lösung ist nicht vorteilhaft, weil, wie wohlbekannt ist, jede Erhöhung der Temperatur der Ansaugluft für den Wirkungsgrad des Motors nachteilig ist. Die zusätzliche Erwärmung durch die Bremswiderstände muß daher durch eine Überdimensionierung der Zwischenkühlungskammer ausgeglichen werden. Die umgesetzte Wärme wird in die Atmosphäre abgegeben und daher nicht verwendet.
Es sind außerdem Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb bekannt, die eine Kombination aus einem elektrischen Antrieb und einem herkömmlichen Brennkraftantrieb umfassen, wie etwa in dem Dokument US 4 306 156 beschrieben ist und für den sich dieselben Arten von Problemen stellen.
Die Erfindung hat daher zum Hauptziel, die Nachteile des obenerwähnten Standes der Technik zu beseitigen, indem sie insbesondere ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug schafft, das ein gemischtes Bremssystem enthält und in dem die beim elektrischen Bremsen erzeugte elektrische Energie zumindest nicht den Akkumulator beschädigt und gegebenenfalls vorteilhaft beispielsweise zum Laden des Akkumulators verwendet werden kann. Die Erfindung hat außerdem zum Ziel, Wärmeumsetzungsmittel zu verwirklichen, indem bei sehr wenig Anpassungen im Fahrzeug bereits vorhandene Elemente verwendet werden.
Hierzu hat die Erfindung ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug zum Gegenstand, wie es im Anspruch 1 definiert ist.
Die Erfindung findet somit eine besonders vorteilhafte Anwendung bei Fahrzeugen mit elektrischem Hybridantrieb und mit einem Verbrennungsmotor, weil es in diesem Fall sehr einfach und wirtschaftlich ist, den bereits vorhandenen Kühlkreis des Verbrennungsmotors bei sehr wenig Anpassungen zu verwenden.
Die nicht genutzte elektrische Energie, die vom Bremsen stammt, wird in sehr einfacher und wirtschaftlicher Weise, d. h. mit Hilfe eines einfachen Widerstandes, der in engem thermischen Kontakt mit einer Kühlkreisleitung ist, ohne teueren Umbau des Fahrzeugs in Wärme überführt. Dieses Fahrzeug weist somit den Vorteil auf, daß es die elektrische Bremse unter optimalen Wirksamkeitsbedingungen einsetzen kann, ohne die Beschädigung des Akkumulators zu riskieren, weil die überschüssige elektrische Energie, die von der elektrischen Bremse stammt, durch den Kühlkreis einfach in Wärme umgesetzt wird.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung enthält der Kühlkreis einen ersten Wärmetauscher in Kontakt mit der äußeren Umgebung des Fahrzeugs, eine erste Pumpe sowie Leitungen, die in einem geschlossenen Kreis den ersten Tauscher, die erste Pumpe und den Verbrennungsmotor verbinden, wobei der Wärmeumsetzungswiderstand in engem thermischen Kontakt mit einem Teil der Leitungen angeordnet ist.
Dadurch ist es selbst unter den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, die dazu führen, daß der Widerstand auf hohen Temperaturen gebracht wird, möglich, die durch den Widerstand erzeugte Wärmeenergie schnell und wirksam abzuführen.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung enthält der Kühlkreis außerdem eine Abzweigungsleitung, die parallel zum ersten Wärmetauscher abgezweigt ist, sowie einen zweiten Wärmetauscher in Kontakt mit dem Innenraum des Fahrzeugs, der im Kreis zwischen dem Wärmeumsetzungswiderstand und der Abzweigungsleitung angeordnet ist.
Daher ermöglicht es diese Ausführungsform, unter Bedingungen des innerstädtischen Verkehrs mit rein elektrischem Antrieb und bei eingeschalteter Heizung der Fahrgastzelle die Reichweite des Fahrzeugs erheblich zu erhöhen, weil der Verbrauch an elektrischer Energie einer Heizvorrichtung leicht Werte in der Nähe jener des Verbrauchs des elektrischen Antriebsmotors erreichen kann.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung enthält der Kühlkreis eine zweite Pumpe, die mechanisch mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist.
Außerdem kann die erste Pumpe, die vom Betrieb des Verbrennungsmotors unabhängig ist, das Kühlungsfluid im Kühlsystem unabhängig vom Lauf des Verbrennungsmotors zirkulieren lassen, was ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten ermög licht, den Verbrennungsmotor vorzuwärmen, wenn das Fahrzeug stillsteht, um den Akkumulator wiederaufzuladen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die lediglich zur Erläuterung und nicht zur Beschränkung gegeben wird, wobei diese Beschreibung in Verbindung mit der Abbildung erfolgt, worin:
- Fig. 1 ein Blockschaltplan eines Teils einer Ausführungsform eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung ist; und
- Fig. 2 ein Blockschaltplan ist, der eine Ausführungsform eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung zeigt, die die Elemente nach Fig. 1 enthält.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Fahrzeug, das darin mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt einen Elektromotor 2, beispielsweise einen Asynchronmotor, dessen (nicht gezeigter) Rotor mechanisch mit einem Antriebsrad 4 des Fahrzeugs verbunden ist. In dieser Figur sind der Motor 2 und das Rad 4 getrennt, wobei ihre mechanische Verbindung durch eine Doppellinie dargestellt ist. Selbstverständlich können dieser Motor und dieses Rad zusammengefügt sein oder über eine Antriebswelle und/oder einen Getriebezug verbunden sein.
Das Fahrzeug enthält außerdem einen wiederaufladbaren Akkumulator 6 für elektrische Energie, der mit dem Stator des Elektromotors 2, der nicht getrennt dargestellt ist, über eine Steuerungs- und Energieübertragungsschaltung 8 verbunden ist, die insbesondere so beschaffen ist, daß sie die für den Betrieb des Motors 2 notwendige Energie in Form einer Spannung und eines Wechselstroms anhand der elektrischen Energie liefert, die sie vom Akkumulator 6 oder von einer später beschriebenen Schaltung empfängt.
Das Fahrzeug enthält außerdem eine Bremssteuerschaltung 10, die als Antwort auf die Betätigung eines Steuerpedals 12 durch den Benutzer einerseits auf die mechanischen Bremsmittel 14, beispielsweise auf eine Scheibenbremsvorrichtung, und andererseits auf elektrische Bremsmittel einwirkt, die es ermöglichen, den Elektromotor 2 über die Steuerungs- und Energieübertragungsschaltung 8 im Generatorbetrieb zu betreiben.
Das Fahrzeug enthält außerdem Wärmeumsetzungsmittel 16 für die während des elektrischen Bremsens erzeugte elektrische Energie, die einen Kühlkreis 34 mit Fluidzirkulation sowie einen Wärmeumsetzungswiderstand 20, der wenigstens indirekt mit dem Kühlkreis zusammenwirkt, umfassen.
Der Kühlkreis 34 enthält einen Wärmetauscher 22 in Kontakt mit der äußeren Umgebung des Fahrzeugs sowie eine Pumpe 24, die miteinander über Leitungen 26 verbunden sind.
In dem beschriebenen Beispiel ist der Wärmeumsetzungswiderstand 20 in thermischem Kontakt mit einem Teil 28 einer der Leitungen 26 des Kühlkreises 34 angeordnet. Vorzugsweise ist der Widerstand 20 um den Teil 28 beispielsweise in einer schraubenlinienförmigen Rille gewickelt, die hierzu an der Außenseite des fraglichen Teils der Leitung ausgespart ist. Um einen wirksamen Wärmeaustausch zwischen dem Widerstand 20 und dem Kühlungsfluid zu erhalten, ist der direkt mit dem Widerstand 20 in Kontakt befindliche Teil 28 aus einem Material hergestellt, das hohe Wärmeleitungseigenschaften besitzt, etwa Aluminium oder dergleichen. Der Widerstand 20 ist beispielsweise ein Widerstand des Typs DIN 17470.
Der Tauscher 22 ist ein herkömmlicher Kühler, der zweckmäßig im vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet ist und mit der Umgebungsluft zusammenwirkt, um die vom Kühlfluid angesam melte Wärme abzuführen. Was die Pumpe 24 betrifft, wird sie als Antwort auf ein Steuersignal betätigt, das von den Steuerungs- und Energieübertragungsmitteln stammt, wobei sie ermöglicht, das Kühlungsfluid in den Leitungen 26 und insbesondere im Tauscher 22 zirkulieren zu lassen, um die Kühlungswirkung des Kreises zu optimieren.
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß die Schaltung 8 insbesondere dem Fachmann bekannte Mittel zum Erzeugen eines Signals, das den Ladezustand des Akkumulators 6 darstellt, sowie Steuermittel enthält, die als Antwort auf das Meßsignal, das angibt, daß der Akkumulator vollständig geladen ist, wenigstens einen Teil des Ladestroms an die Wärmeumsetzungsmittel 20 abzweigen und die Pumpe 24 starten.
In Fig. 2 ist ein Kraftfahrzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der die mit jenen von Fig. 1 übereinstimmenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Es handelt sich in diesem Fall um ein Fahrzeug mit elektrischem Hybridantrieb und Verbrennungsmotor.
Neben den Komponenten, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden sind, enthält dieses Fahrzeug einen Verbrennungsmotor 30, der mechanisch mit dem (nicht gezeigten) Rotor eines Wechselspannungsgenerators 32 gekoppelt ist. Der (nicht gezeigte) Stator des Generators 32 ist mit dem Akkumulator 6 über die Steuerungs- und Energieübertragungsschaltung 8 verbunden, um anhand der vom Generator 32 erzeugten Wechselspannung eine Spannung zu liefern, die im wesentlichen gleich der vom Akkumulator 6 erzeugten Spannung ist.
Der Verbrennungsmotor 30 enthält außerdem eine Kühlungsschaltung 34, die gemäß der Erfindung einen Teil der Wärmeumsetzungsmittel 16 bildet. In dieser Ausführungsform enthält der Kühlkreis 34 einen Wärmetauscher 22 sowie einen weiteren, zweiten Wärmetauscher 36 in Kontakt mit dem Fahrzeuginnenraum, wobei diese Tauscher beide in Serie verbunden sind.
Der Wärmetauscher 22 und der Wärmetauscher 36 sind über die Leitungen 26 zwischen einem Kühlungseingang 38 und einem Kühlungsausgang 40 des Verbrennungsmotors 30 verbunden.
Der Tauscher 22 ist wie in dem vorangehenden Beispiel im vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet, während der Tauscher 36 mit der Fahrgastzelle verbunden ist und mit einem (nicht gezeigten) Ventilator zusammenwirkt, um die vom Kühlungsfluid angesammelte Wärme zurückzugewinnen.
Der Kühlkreis 34 enthält außerdem eine Abzweigungsleitung 42, die parallel zum ersten Wärmetauscher 22 abgezweigt ist, wobei der auf seiten des Kühlungsauslasses 40 befindliche Zweig der Abzweigung mit einem Abzweigventil 44 verbunden ist, das in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlungsfluids und von der Betriebsart des Fahrzeugs die Zirkulation des Kühlungsfluids durch den Tauscher 22 verhindert.
In dieser Ausführungsform ist die Pumpe 24 vorzugsweise vor dem Kühlungseingang 38 angeordnet, wobei der Verbrennungsmotor hinter seinem Kühlungseingang seine eigene Pumpe 46 für Kühlungsfluid enthält, um das Kühlungsfluid vom Kühlungseingang 38 zum Kühlungsausgang 40 durch den Verbrennungsmotor zirkulieren zu lassen, wenn dieser letztere in Betrieb ist. Die Pumpe 46 ist beispielsweise mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 30 verbunden.
Die Funktionsweise eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung ist die folgende.
Wenn das Fahrzeug 1 stillsteht und an eine äußere Stromquelle angeschlossen ist, wird die gesamte von dieser Quelle stammende Energie zum Laden des Akkumulators 6 verwendet.
Wenn die Mittel zum Messen des Ladezustandes angeben, daß der Akkumulator 6 vollständig geladen ist, können die Steuerungs- und Energieübertragungsmittel 8 gemäß einer geeigneten Programmierung entweder einfach das Laden anhalten oder das Laden anhalten und den Ladestrom dazu verwenden, den Wärmeumsetzungswiderstand 20 zu aktivieren und eine gewisse Energiemenge im Kühlungsfluid zu speichern. Gegebenenfalls können die Steuerungsmittel 8 den Ventilator der Heizung der Fahrgastzelle des Fahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform aktivieren oder aber den Verbrennungsmotor vor seinem Anlassen vorwärmen, was nicht nur eine erhebliche Erhöhung seiner Lebensdauer, sondern auch eine starke Verringerung der Emissionen von beim Anlassen erzeugten schädlichen Gasen zuläßt.
Wenn das Fahrzeug fährt und der Akkumulator vollständig geladen oder gegebenenfalls überladen ist, leiten die Steuerungs- und Energieübertragungsmittel 8 die gesamte elektrische Energie, die während des elektrischen Bremsens erzeugt wird, zum Wärmeumsetzungswiderstand 20.
Wenn nun das Fahrzeug fährt und der Akkumulator nicht vollständig geladen ist, verteilen die Steuerungs- und Energieübertragungsmittel die während des elektrischen Bremsens erzeugte elektrische Energie auf den Wärmeumsetzungswiderstand 20 und auf den Akkumulator 6, wobei die Verteilung sowohl vom Ladezustand des Akkumulators 6 als auch von der Menge der beim elektrischen Bremsen erzeugten elektrische Energie abhängt, wobei der Ladezustand zu jedem Zeitpunkt den Steuerungs- und Energieübertragungsmitteln 8 bekannt ist.

Claims

1. Elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug (1), mit wenigstens einem Antriebsrad (4), mechanischen Bremsmitteln (14) für das Rad (4), wenigstens einem Elektromotor (2), der mechanisch mit dem Antriebsrad (4) gekoppelt ist, einem wiederaufladbaren Akkumulator (6) für elektrische Energie und Mitteln (8) zur Lenkung und Übertragung von Energie, die mit dem Akkumulator (6) und mit dem Elektromotor (2) gekoppelt sind, wobei das Fahrzeug außerdem elektrische Bremsmittel, mit denen der Elektromotor (2) im Generatorbetrieb betrieben werden kann, sowie Mittel (16) zum Umsetzen von während des elektrischen Bremsvorgangs erzeugter elektrischer Energie mittels eines Widerstandes in Wärme enthält und dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem einen Verbrennungsmotor (30), der mit einem Kühlkreis (34) mit Fluidzirkulation versehen ist, und einen Generator (32) für elektrische Energie enthält, der wenigstens indirekt mit dem Verbrennungsmotor (30) verbunden ist, um den Akkumulator (6) wieder aufzuladen, und daß die Mittel (16) zur Umsetzung von Energie in Wärme den Kühlkreis (34) und einen Wärmeumsetzungswiderstand (20) enthalten, der in thermischem Kontakt mit einer Fluidleitung (26) des Kühlkreises (34) angeordnet ist, um die Wärme an das Fluid zu übertragen.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis (34) einen ersten Wärmetauscher (22) in Kontakt mit der äußeren Umgebung des Fahrzeugs (1), eine erste Pumpe (24) sowie Leitungen (26), die in einem geschlossenen Kreis den ersten Tauscher, die erste Pumpe und den Verbrennungsmotor verbinden, enthält, wobei der Wärmeum setzungswiderstand in engem thermischen Kontakt mit einem Teil (28) der Leitungen (26) angeordnet ist.

3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand um den Teil (28) gewickelt ist.

4. Fahrzeug nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) zur Lenkung und Übertragung von Energie Mittel zum Erzeugen eines Meßsignals, das den Ladegrad des Akkumulators (6) repräsentiert, sowie Steuermittel enthalten, die als Antwort auf das Meßsignal, das angibt, daß der Akkumulator vollständig geladen ist, wenigstens einen Teil des Ladestroms an die Wärmeumsetzungsmittel (20) ableiten und die erste Pumpe (24) anhalten.

5. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (26) des Kühlkreises (34) zwischen einem Kühlungseingang (38) und einem Kühlungsausgang (40) des Verbrennungsmotors (30) verlaufen und daß der erste Tauscher (22) in dem Kreis (34) zwischen dem Wärmeumsetzungswiderstand (20) und dem Kühlungseingang (38) angeordnet ist.

6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem eine zweite Pumpe (46) enthält, die mechanisch mit dem Verbrennungsmotor (30) verbunden ist.

7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis (34) außerdem eine Abzweigungsleitung (42), die parallel zum ersten Wärmetauscher (22) abgezweigt ist, sowie einen zweiten Wärmetauscher (36) in Kontakt mit dem Innenraum des Fahrzeugs enthält, der im Kreis (34) zwischen dem Wärmeumsetzungswiderstand (20) und der Abzweigungsleitung (42) angeordnet ist.