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DE19921450C5 - Elektrischer Fahrzeugantrieb - Google Patents

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DE19921450C5 DE19921450A DE19921450A DE19921450C5 DE 19921450 C5 DE19921450 C5 DE 19921450C5 DE 19921450 A DE19921450 A DE 19921450A DE 19921450 A DE19921450 A DE 19921450A DE 19921450 C5 DE19921450 C5 DE 19921450C5
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Abstract

Elektrischer Fahrzeugantrieb mit
– einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine (3) mit einem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b), an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle (6) und einer zweiten Energiequelle (9) anlegbar sind, wobei
– die erste Energiequelle (6) auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und
– die zweite Energiequelle (9) einen Energiespeicher darstellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elektrischen Maschine (3) ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine (3) in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist, wobei
– die erste Energiequelle (6) und die zweite Energiequelle (9) über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
– die zweite Energiequelle (9) mittels des bidirektionalen DC/DC-Wandlers galvanisch getrennt an einen mit dem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b) der elektrischen Maschine verbundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle (6) angekoppelt ist, wobei der bidirektionale DC/DC-Wandler aus zwei gleichartig aufgebauten, getaktet steuerbaren Umrichtern (7,8) in...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Fahrzeugantrieb mit einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine mit einem Gleichspannungsanschluß, an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle und einer zweiten Energiequelle anlegbar ist, wobei die erste Energiequelle auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und die zweite Energiequelle einen Energiespeicher darstellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist.
  • Bei elektrischen Fahrzeugantrieben stellt sich das Problem, daß sie zeitlich stark schwankenden Belastungsprofilen genügen müssen. Üblicherweise eingesetzte Energiequellen bzw. Energiespeicher lassen sich jedoch nur auf ein bestimmtes Belastungsprofil hin optimieren. Beschleunigungsvorgänge erfordern das Bereitstellen kurzfristiger Leistungsspitzen, für längere Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit wird dagegen eine gleichbleibende Grundlast über einen längeren Zeitraum hinweg benötigt. Bislang gibt es keine Energiespeicher bzw. Energiequellen für elektrische Energie, die bei vertretbarem Leistungsgewicht gleichermaßen zur Abgabe größerer Energiemengen in kurzer Zeit als auch einer unveränderlichen Grundlast über einen längeren Zeitraum hinweg geeignet sind.
  • Durch entsprechende Gestaltung der Batterieelektroden ist es möglich, kurzzeitig hohe Leistungen durch eine auf diese Weise darauf abgestimmte Batterie, z.B. eine Blei-Starter-Batterie, bereitzustellen. Eine solche Auslegung führt jedoch zu einer verminderten Energiespeicherfähigkeit der Batterie. Auch Batteriesysteme auf alkalischer Basis, wie etwa Nickel-Metallhydrid-Batterien, ermöglichen kurzzeitig hohe Leistungsabgaben. Sie haben dafür aber ebenfalls nur ein beschränktes Energiespeichervermögen. Kondensatoren sind ebenfalls typische "Leistungsspeicher" mit begrenztem Speichervermögen. Andererseits sind als Systeme mit hohem Energiespeicherungsvermögen beispielsweise Metall/Luft-Batterien bekannt, mit denen sieh gravimetrische Energiedichten von bis zu 200Wh/kg, d.h. mehr als doppelt so hohe Energiedichten wie in den besten üblichen elektrochemischen Energiespeichern erzielen lassen. Solche Batterien lassen sich jedoch nur bei zeitlich weitgehend konstanter Entladung nutzen.
  • In elektrische Energie umgewandelte Bremsenergie kann bei Fahrzeugbremsungen nur in solchen elektrischen Energiespeichern gut gespeichert werden, die sich auch zur Aufnahme hoher Leistungsspitzen eignen. Eine Batterie mit einem hohen Innenwiderstand, die aufgrund ihrer Charakteristik nicht in dem Maße wie beispielsweise Nickel/Metallhydrid-Batterien zur Abgabe hoher Leistungsspitzen für Beschleunigungen in der Lage ist, kann auch nicht die ganze, bei solchen Nutzbremsungen anfallende Energie aufnehmen. Umgekehrt sind bei allerdings begrenztem Speichervermögen Blei-Starter-Batterien sowie Kondensatorbänke und Schwungräder zur Aufnahme von kurzzeitig hohen Leistungen, die beim Umwandeln von Bremsenergie in elektrische Energie auftreten, in der Lage. Anders als Batterien stellen Brennstoffzellen elektrische Energiequellen dar, in denen keine elektrische Ladung gespeichert ist. Wird elektrische Antriebsenergie mittels einer Brennstoffzelle erzeugt, ist ohne einen zusätzlichen Speicher von elektrischer Energie eine Rückspeicherung von Bremsenergie nicht möglich. In diesem Fall kann in elektrische Energie gewandelte Bremsenergie nur ohne Wiederverwendbarkeit für den Fahrzeugantrieb in einem elektrischen Bremswiderstand dissipiert werden.
  • Ein elektrischer Fahrzeugantrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE 41 18 594 C1 bekannt. Dem dortigen Fahrzeugantrieb sind zwei elektrische Energiespeicher mit jeweils unterschiedlichem Belastungsprofil zugeordnet. Mittels einer Entladebetriebssteuer- und -regeleinrichtung wird die Zufuhr von elektrischer Energie wahlweise aus dem einen, dem anderen oder beiden Energiespeichern an den elektrischen Fahrzeugantrieb eingestellt. Dabei ist der erste Energiespeicher eine Hochleistungsbatterie, die eine weitgehend gleichbleibende Grundlastversorgung bereitstellen kann, der zweite Energiespeicher wird durch eine kleinere Batterie gebildet, die bei Vorliegen von Lastspitzen dem ersten Energiespeicher zugeschaltet wird. Beide Energiespeicher werden entweder durch eine Verbindung mit einem elektrischen Versorgungsnetz oder bei einem Brems- oder Schubbetrieb des dem elektrischen Fahrzeugantrieb zugeordneten Kraftfahrzeugs aufgeladen.
  • Aus der DE 195 22 563 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit Traktionsbatterie und Kondensatorspeicher bekannt, bei dem ein Abbremsen über den elektrischen Antriebsmotor vorgesehen ist. Dabei rekuperierte elektrische Energie wird dem Kondensatorspeicher zugeführt und dort zwischengespeichert. Eine lebensdauerverringernde Überschreitung des maximalen Ladestromes der Traktionsbatterie wird dadurch vermieden.
  • Die DE 196 28 877 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine und einer als Großenergiespeicher ausgebildeten Batterie zur Bereitstellung einer konstanten Antriebsleistung. Zusätzlich ist ein weiterer Hochleistungsenergiespeicher vorgesehen, der als Leistungskondensator, Kreiselspeicher, Federspeicher oder Druckspeicher ausgebildet ist. Bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf ebener Fahrbahn wird lediglich dem Großenergiespeicher Energie entnommen. Wird zusätzliche Energie für Beschleunigungsvorgänge und Steigungsfahrten benötigt, so ist deren Entnahme aus dem Hochleistungsenergiespeicher möglich. Es ist vorgesehen, das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine abzubremsen und die dabei freiwerdende Energie wenigstens teilweise wieder den Energiespeichern zuzuführen.
  • Aus der Offenlegungsschrift GB 2 271 228 A ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bekannt, bei welcher eine zu versorgende Last unter Normalbedingungen von einer Hauptstromversorgung gespeist wird, während eine Batterie von der Last und einer Ladeeinheit abgekoppelt ist. Bei einer Unterbrechung der Hauptstromversorgung wird Energie von der Batterie über einen steuerbaren Umrichter und einen Transformator, dessen eine Wicklung im Brückenzweig des Umrichters liegt, der zu speisenden Last zur Verfügung gestellt. Über die Ladeeinheit kann die Batterie bei Vorliegen vorgegebener Bedingungen von der Hauptstromversorgung geladen werden.
  • Die Offenlegungsschrift JP 09-009417 A offenbart einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, der aus zwei Umrichtern und einem zwischenliegenden Transformator besteht und über den sowohl ein mit einem Gleichspannungsanschluss einer elektrischen Maschine verbundener Anschluss einer Hauptbatterie als auch eine zur Speisung einer Hilfsmaschine vorgesehene weitere Batterie versorgt werden.
  • Die nachveröffentlichte Patentschrift DE 198 10 467 C1 offenbart ein Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellenfahrzeuge, das einen DC/DC-Wandler beinhaltet, der zwischen einem Energiespeicher und einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine angeordnet ist. Des weiteren ist an die elektrische Maschine eine Brennstoffzelle angeschlossen, die außer der Speisung der elektrischen Maschine auch das Aufladen des Energiespeichers über den DC/DC-Wandler bewirken kann.
  • Die Veröffentlichung von Angloher, J; Schmid, M.: Die Kombination von Zink/Luft-Batterie und Doppelschichtkondensatoren für elektrische Fahrzeugantriebe, VDI Berichte Nr. 1418, 1998 zeigt eine Kombination von einer Batterie mit Doppelschichtkondensatoren. Dabei ist die Batterie als Hochenergiebatterie zur Grundlastspeisung ausgebildet. Die Superkondensatoren sind für eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung ausgelegt (s. S. 208). Die Kopplung beider Energiequellen erfolgt über einen DC/DC Wandler, der als bidirektionaler Tiefsetzsteller oder als Buck-und Boost Konverter ausgebildet sein kann. In allen Fällen bleibt jedoch der erste und zweite Energiespeicher galvanisch miteinander verbunden, so dass sowohl die Operationsfähigkeit der DC/DC-Wandler als auch die möglichen unterschiedlichen Spannungsniveaus von erster und zweiter Energiequellen jeweils voneinander abhängig bleiben.
  • Galvanische Trennungen von Netzteilen sind bekannt. Es ist auch bekannt, bei galvanisch getrennten Netzteilen entweder primärseitig oder sekundärseitig eine Leistungsstellung vorzusehen. Eine Offenbarung hierfür ist z.B. in dem Lehrbuch U. Tietze; Ch. Schenk: „ Halbleiter-Schaltungstechnik", 11. Auflage, Springer-Verlag enthalten.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist, einen elektrischen Fahrzeugantrieb der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die eine Energiequelle zur Grundlastspeisung und die andere, als Energiespeicher ausgebildete Energiequelle für kurzzeitige Belastungsspitzen ausgelegt sind und Bremsenergie mit gutem Wirkungsgrad rekuperiert und genutzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem elektrischen Fahrzeugantrieb durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Bei dem elektrischen Fahrzeugantrieb ist bevor zugt die zweite, einen Energiespeicher darstellende Energiequelle über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler an einen mit dem Gleichspannungsanschluß der elektrischen Maschine verbundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle angekoppelt. Auf diese Weise kann bei Bremsvorgängen der zweiten, als Energiespeicher ausgebildeten Energiequelle Bremsenergie zugeführt werden, und es ist umgekehrt möglich, bei Vorliegen von Belastungsspitzen die elektrische Maschine mit Energie aus der zweiten Energiequelle zu betreiben. Zudem besteht die Möglichkeit, die zweite Energiequelle über den DC/DC-Wandler mit Energie der ersten Energiequelle aufzuladen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der ersten Energiequelle zur Vermeidung von Rückströmen ein Stromsperrelement zugeordnet. Auf diese Weise kann die erste Energiequelle vor Überspannungen geschützt werden, die beim Rekuperieren von Bremsenergie oder auch bei Vorliegen von Belastungsspitzen auftreten können, bei denen die elektrische Maschine mit Energie aus der zweiten Energiequelle betrieben wird.
  • In bevorzugter Ausführung ist der bidirektionale DC/DC-Wandler aus zwei gleichartigen, getaktet steuerbaren Umrichtern in Ein-Phasen-Brückenschaltung mit je einer Transformatorwicklung im Brückenzweig aufgebaut. Auf diese Weise ist es durch geeignetes Takten der Umrichter möglich, rekupierte Bremsenergie der zweiten, als Energiespeicher ausgebildeten elektrischen Energiequelle zuzuführen bzw. die elektrische Maschine sowohl mit Energie aus der ersten elektrischen Energiequelle als auch der zweiten Energiequelle zu betreiben.
    •
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der einzigen Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm eines elektrischen Fahrzeugantriebs.
  • Der gezeigte elektrische Fahrzeugantrieb 1 weist einen Drei-Phasen-Wechselrichter 2 mit angeschlossener permanenterregter Synchronmaschine 3 auf. Er kann jedoch auch als beliebiger andersartiger, für Gleichstromversorgung geeigneter Antrieb ausgebildet sein. Der Fahrzeugantrieb 1 hat einen Gleichspannungsanschluß 4a, 4b, an den über eine zwischengeschaltete Diode 5 eine erste, als Traktionsbatterie 6 ausgebildete Energiequelle angeschlossen ist. Diese wird mit der Diode 5 vor unter Umständen schädlichen Rückströmen geschützt. Alternativ kann die erste Energiequelle auch beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebildet sein.
  • Zwischen die erste Energiequelle 6 mit der Diode 5 und den Fahrzeugantrieb 1 ist ein erster Umrichter 7 geschaltet. Dieser Umrichter 7 ist an einen zweiten Umrichter 8 über einen Transformator mit Wicklungen 11, 12 induktiv gekoppelt. Der zweite Umrichter 8 ist einem Leistungs-Energiespeicher 9 zugeordnet, der als eine zweite Energiequelle für den Fahrzeugantrieb 1 fungiert. Der Leistungs-Energiespeicher 9 ist beispielhaft durch einen Kondensator gebildet und eignet sich zur Abgabe und Aufnahme kurzer Leistungsspitzen, die beim Beschleunigen und Abbremsen eines Kraftfahrzeugs auftreten, das durch den elektrischen Fahrzeugantrieb angetrieben wird.
  • Die induktiv gekoppelten Umrichter 7 und 8 bilden zusammen einen DC/DC-Wandler und sind jeweils in Ein-Phasen-Brückenschaltung ausgeführt. Sie enthalten als Transistoren ausgebildete Schalt elemente 10, um bei Bedarf einen alternierenden, im entsprechenden Brückenzweig fließenden Strom für die Primär- bzw. Sekundärwicklung 11, 12 des Transformators bereitstellen zu können. Anstelle der gezeigten Bipolar-Transistoren 10 können auch andere geeignete Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise IGBT oder MOS-FET, eingesetzt werden. Die Leistungsübertragung und Übertragungsrichtung des aus den Umrichtern 7 und 8 gebildeten DC/DC-Wandlers wird durch geeignete Ansteuerung der Transistoren 10 bei einer Ansteuerfrequenz bestimmt, die möglichst über der Hörschwelle liegt. Durch Variation des Tastverhältnisses kann die übertragene Leistung eingestellt werden, insbesondere ist durch geeignete Taktung der Schaltelemente 10 das Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen der Traktionsbatterie 6 und dem Leistungs-Energiespeicher 9 festlegbar. Dabei ist das Windungszahlverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung 11, 12 des Transformators so gewählt, daß es einer Spannungsübersetzung entspricht, die ein im Hinblick auf Schaltverlustleistungen der Transistoren 10 günstiges Tastverhältnis ermöglicht.
  • Um zum Beschleunigen des durch den elektrischen Fahrzeugantrieb angetriebenen Fahrzeugs rasch eine erhöhte Leistung durch den Leistungs-Energiespeicher 9 bereitzustellen, werden die Transistoren 10 im Umrichter 8 getaktet so angesteuert, daß von der Sekundärwicklung 12 im Umrichter 8 auf die Primärwicklung 11 im Umrichter 7 ein Wechselspannungssignal übertragen wird, das dort von Dioden 13 gleichgerichtet wird. Ist der Beschleunigungsvorgang abgeschlossen, wird die normale durchschnittliche Fahrleistung wieder über die Traktionsbatterie 6 bereitgestellt, wobei soweit erforderlich der von den Umrichtern 7 und 8 gebildete DC/DC-Wandler eine Nachladung des Leistungs-Energiespeichers 9 durchführt. Die Nachladung wird dabei möglichst nur bis zu einem Wert ausgeführt, der um den Energiebetrag einer typischen Nutzbremsung unterhalb des Volladezustands liegt, um so in jedem Fall eine Rekuperation von Bremsenergie bei einem Bremsvorgang zu ermöglichen.
  • Die Schaltungsanordnung für die Halbleiterschaltelemente in den Umrichtern 7 und 8 ist vorteilhafterweise als vergossenes oder gekapseltes Bauteil ausgeführt. Der als Kondensator ausgebildete Leistungs-Energiespeicher 9 kann alternativ auch als elektrochemische Batterie oder als Schwungradspeicher mit angeschlossenem mechanisch-elektrischem Wandler ausgeführt sein. Die physikalischen Eigenschaften eines solchen Schwungradspeichers sind weitgehend mit den Eigenschaften eines Leistungs-Energiespeichers auf Kondensatorbasis vergleichbar. Während jedoch bei Leistungs-Energiespeichern auf Kondensatorbasis das Energiespeichervermögen dem Quadrat der Spannung proportional ist, hängt bei Schwungradenergiespeichern die gespeicherte Energie vom Quadrat. der Drehzahl ab. Für den Fall, daß dem Schwungrad ein Wandler mit konstanter Erregung zugeordnet ist, ist die Drehzahl des Schwungrades der Klemmenspannung in etwa proportional, so daß die vom Schwungrad gespeicherte elektrische Energie dem Quadrat der Klemmenspannung des Schwungradspeichers proportional ist.

Claims (2)

  1. Elektrischer Fahrzeugantrieb mit – einer wahlweise als Motor oder Generator betreibbaren elektrischen Maschine (3) mit einem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b), an den die Versorgungsspannung einer ersten Energiequelle (6) und einer zweiten Energiequelle (9) anlegbar sind, wobei – die erste Energiequelle (6) auf eine Grundlastspeisung der elektrischen Maschine ausgelegt ist und – die zweite Energiequelle (9) einen Energiespeicher darstellt, der auf eine kurzzeitige Spitzenlastspeisung der elektrischen Maschine (3) ausgelegt ist und in den Fahrzeugbremsenergie über die elektrische Maschine (3) in deren Generatorbetriebsmodus einspeicherbar ist, wobei – die erste Energiequelle (6) und die zweite Energiequelle (9) über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß – die zweite Energiequelle (9) mittels des bidirektionalen DC/DC-Wandlers galvanisch getrennt an einen mit dem Gleichspannungsanschluß (4a, 4b) der elektrischen Maschine verbundenen Versorgungsanschluß der ersten Energiequelle (6) angekoppelt ist, wobei der bidirektionale DC/DC-Wandler aus zwei gleichartig aufgebauten, getaktet steuerbaren Umrichtern (7,8) in Ein-Phasen-Brückenschaltung mit je einer Transformatorwicklung (11, 12) im Brückenzweig aufgebaut ist.
  2. Elektrischer Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Energiequelle (6) zur Vermeidung von Rückströmen ein Stromsperrelement (5) zugeordnet ist.
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