DE4311229C1 - Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit Elektromotor - Google Patents

Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit Elektromotor

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DE4311229C1
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internal combustion
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voltage
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Dieter Dr Ing Lutz
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Description

Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Veröffentlichung "Getriebe in Fahrzeugen heute und morgen" (VDI-Berichte 878, 1991, Seite 611-622) ist ein gattungsgemäßes nicht-spurgebundenes Fahrzeug bekannt, das mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet sind, dessen Abtriebswelle mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Die Antriebsräder des Fahrzeugs sind mit elektrischen Fahrmotoren verbunden, die ihre Antriebsenergie aus dem Generator beziehen. Wegen der vergleichsweise hohen Leistung für den Fahrzeugantrieb arbeitet der Generator im Mittelspannungsbereich (z. B. bei 650 Volt). Für die im Fahrzeug vorhandenen elektrischen Nebenverbraucher wie Innen- und Außenbeleuchtung, Lüftermotoren, Scheibenheizung, Sitzheizung, elektrischer Fensterheber usw.) ist üblicherweise (auch aus Sicherheitsgründen) eine Niederspannungsversorgung (z. B. 12 oder 24 Volt) vorgesehen, die durch ein entsprechendes Bordnetz mit einer Fahrzeugbatterie realisiert ist.
In herkömmlichen Fahrzeugen wird die Versorgung der elektrischen Nebenverbraucher regelmäßig durch einen auch als Lichtmaschine bezeichneten kleinen elektrischen Generator sichergestellt, der vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die Lichtmaschine liefert auch den erforderlichen Strom zum Laden der Fahrzeugbatterie. Letztere steht dann zur Stromversorgung der elektrischen Nebenverbraucher zur Verfügung, wenn die Lichtmaschine keinen (Stillstand des Verbrennungsmotors) oder nicht genügend Strom (niedrige Drehzahl, viele Verbraucher eingeschaltet) liefert. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird ein Elektromotor (Anlasser) benutzt, der aus der Fahrzeugbatterie gespeist wird und über eine starke Übersetzung (z. B. 1 : 15) ins Langsame den Verbrennungsmotor antreibt.
Bei einem elektrischen Fahrmotor, z. B. einer Lokomotive, ist es bekannt, diesen aus einem mit Kondensatoren bestückten Gleichspannungszwischenkreis zu speisen. Der Generator kann dabei in das die Fahrleitung speisende Unterwerk verlegt sein (WO 91/03863).
In der Veröffentlichung VDI-Berichte 878 ist bereits erwähnt, daß die Funktion der Lichtmaschine und des Anlassers von dem Generator, der den Strom für die elektrischen Antriebsmotoren erzeugt, mit übernommen werden kann. Nähere Angaben hierzu werden jedoch nicht gemacht.
Der Anlasser eines Verbrennungsmotors ist ein spezieller Elektromotor, der auf relativ niedrige Drehzahlen und hohes Drehmoment ausgelegt ist. Er muß in der Lage sein, die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors über den oberen Totpunkt in den einzelnen Zylindern hinaus zu drehen. Der Start des Verbrennungsmotors findet üblicherweise bei Drehzahlen im Bereich 100-300 min-1 statt. Der Anlasser ist nur für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt und ist im Hinblick auf seine Stromversorgung auf den Anschluß an eine normale Fahrzeugbatterie von üblicherweise 12 oder 24 Volt zugeschnitten.
Der mit der Kurbelwelle gekoppelte Generator eines gattungsgemäßen Fahrzeugs mit vollelektrischer Leistungsübertragung im Antriebsstrang ist demgegenüber völlig anders ausgelegt. Er muß für den Dauereinsatz geeignet sein und arbeitet im Regelfall bei deutlich höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors (z. B. 750-5500 min-1). Auch sein Spannungsniveau liegt deutlich höher als bei einem Anlassermotor und beträgt je nach Drehzahl des Verbrennungsmotors beispielsweise 80-650 Volt, liegt also im Mittelspannungsbereich. Im Grundsatz kann der Generator als Elektromotor betrieben und somit als Anlasser eingesetzt werden. Zu beachten ist dabei aber das relativ hohe Drehmoment, welches für den Startvorgang auf die Kurbelwelle einwirken muß. Der Generator liefert ein solches Moment im Motorbetrieb wegen seiner andersartigen Auslegung nur bei Beaufschlagung mit einer ausreichend hohen Spannung. Dies ist kein Problem, wenn ein elektrischer Energiespeicher zur Verfügung steht zur Speicherung von Nutzenergie beim Abbremsen des Fahrzeugs (DE 29 43 554 A1). Ein solcher Energiespeicher stellt den Strom mit einer der normalen Generatorspannung entsprechenden hohen Spannung zur Verfügung (Mittelspannungsspeicher). Probleme treten aber dann auf, wenn ein solcher Mittelspannungsspeicher nicht vorgesehen ist und zum Starten lediglich die Fahrzeugbatterie des Niederspannungsbordnetzes, das die Versorgung der elektrischen Nebenverbraucher bewerkstelligt, eingesetzt werden kann. Zu beachten ist hierbei nämlich nicht nur, daß die angelegte Spannung nicht allein die EMK (elektromotorische Kraft) des Generators bei der Startdrehzahl (z. B. 10 Volt bei 100 min-1), sondern auch die Ansprechspannung der Elemente der dem Generator zugeordneten Leistungselektronik (elektrische Ventile) überwinden muß. Eine 12-Volt-Batterie ist unter diesen Bedingungen regelmäßig zu schwach. Auch eine 24-Volt-Batterie ist in vielen Fällen, insbesondere bei kaltem Motor, unzureichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Fahrzeug mit möglichst wenig Aufwand dahingehend zu verbessern, daß ein Starten des Verbrennungsmotors auch im kalten Zustand unter Benutzung des Generators als Anlassermotor möglich ist, wenn lediglich die normale Fahrzeugbatterie (Niederspannung unter 60 Volt) als Energiequelle zur Verfügung steht.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 näher gekennzeichnet.
Die Erfindung sieht vor, daß die zum Anlassen des Verbrennungsmotors erforderliche elektrische Leistung, die dem Generator für den Motorbetrieb zugeführt werden muß, aus einem elektrischen Zwischenspeicher entnommen wird, der seinerseits von der Fahrzeugbatterie gespeist wird. Als Zwischenspeicher in diesem Sinne wird ein mit Kondensatoren bestückter Gleichspannungszwischenkreis benutzt, der dem Generator nachgeschaltet ist und aus dem die Leistungselektroniken der elektrischen Antriebsmotoren des Fahrzeugs nach Maßgabe der elektronischen Steuerung die Antriebsenergie für den Fahrbetrieb entnehmen. Die Spannung dieses Gleichspannungszwischenkreises liegt im normalen Fahrbetrieb vorzugsweise im Mittelspannungsbereich bis etwa 650 Volt. In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, auch über diesen Wert noch hinauszugehen. Um die Kondensatoren zu laden, wird von der elektronischen Steuerung eine Leitungsverbindung von der Fahrzeugbatterie zum Gleichspannungszwischenkreis geschaltet. Die Kondensatoren sind in der Lage, relativ große Ströme und somit entsprechend hohe elektrische Leistungen zur Verfügung zu stellen. Bei etwa einem Drittel des maximalen Stroms wird normalerweise schon ein für einen sicheren Start genügendes Drehmoment erzeugt. Daher kann eine 24-Volt-Batterie unter diesen Umständen schon ausreichen. Vorteilhafter ist es, das Fahrzeug mit einem Spannungswandler (z. B. elektronischer DC/DC-Wandler) auszustatten, der die Niederspannung der Fahrzeugbatterie auf ein höheres Niveau bringt und somit eine höhere Ladung der Kondensatoren ermöglicht. Für extreme Fälle, wie etwa für den Start bei sehr tiefen Temperaturen, die im Verbrennungsmotor zu großen mechanischen Widerständen führen (zähes Motoröl "Festfrieren" des Motors), sieht die Erfindung darüber hinaus eine Möglichkeit vor, die auch bei ungewöhnlich hohen erforderlichen Drehmomenten noch ein sicheres Starten erlaubt. Diese besteht darin, daß die Kurbelwelle zunächst nicht kontinuierlich durch den als Motor betriebenen Generator gedreht wird, sondern in Pendelbewegungen versetzt wird. Die elektronische Steuerung sorgt dann dafür, daß der hin- und herschwingenden Kurbelwelle durch den antreibenden Generator im richtigen Zeitpunkt sukzessiv immer mehr Rotationsenergie zugeführt wird, um auf diese Weise in einer sich aufschaukelnden Schwingung bis über den oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors hinwegzukommen (Pendelanlassen). Dadurch kann letztlich ein höheres Anlaßmoment erzielt werden, als es an sich vom Generator unter den gegebenen Bedingungen der Stromeinspeisung möglich ist. Dieses Pendelanlassen ist von der Steuerung leicht ausführbar, weil sie auch im Rahmen des normalen Betriebes des Generators, der als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ausgebildet ist, fortlaufend über hochgenaue Informationen der Winkelstellung des Rotors gegenüber dem Stator verfügt und der Rotor mit der Kurbelwelle mechanisch starr gekoppelt ist.
Durch die Erfindung wird es vermieden, nur für den Motorstart eine gesonderte Batterie mit höherer Spannung vorsehen zu müssen, die nicht nur zusätzliches Gewicht verursacht, sondern darüber hinaus auch erhebliches Volumen beansprucht. Wie bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit üblichem Anlassermotor reicht eine normale Fahrzeugbatterie als elektrischer Energiespeicher aus. Ein wenig Bauaufwand erfordernder Spannungswandler ermöglicht auch unter erschwerten Bedingungen ein sicheres Starten.
Anhand des in der einzigen Figur als Blockschema dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Das Blockschema stellt im wesentlichen den Antriebsstrang eines nicht-spurgebundenen Fahrzeugs dar.
Ein Verbrennungsmotor 1 ist mit seiner Kurbelwelle an einen Generator 2 gekoppelt, der als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ausgebildet ist. Der Generator 2 erzeugt eine Wechselspannung, die nach Gleichrichtung in einem Gleichrichter 3 in einen Gleichspannungszwischenkreis 4 eingespeist wird. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 wird die Antriebsenergie für den Betrieb der Elektromotoren 8 entnommen, die jeweils mit einem Rad 3 des nicht dargestellten Fahrzeugs gekoppelt sind. Die Elektromotoren 8 sind wie der Generator 2 vorzugsweise als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschinen mit elektronischer Kommutierung (Block 7) ausgebildet. Der elektrische Strom wird den Elektromotoren 8 als gepulster Gleichstrom (Block 7) zugeführt. Die elektronische Steuerung, die den Generator 2 und die Elektromotoren 8 steuert, ist in den Blöcken GST, FST und MST dargestellt. Die übergeordnete Fahrsteuerung FST ist dabei den Motorsteuerungen MST, von denen exemplarisch nur eine einzige dargestellt ist, und der Generatorsteuerung GST überlagert. Im Unterschied zum Leistungsfluß ist der Signalfluß durch gestrichelte Pfeile angedeutet. Die Betriebsspannung im Gleichspannungszwischenkreis 4 liegt im Mittelspannungsbereich, vorzugsweise bei etwa 650 Volt. Außer den Elektromotoren 8 müssen in dem Fahrzeug noch elektrische Nebenverbraucher 10 (z. B. Ventilatoren, Scheibenheizungen usw.) mit Strom versorgt werden. Hierzu ist ein Niederspannungsbordnetz von beispielsweise 12 oder 24 Volt Spannung vorgesehen, das eine Fahrzeugbatterie 6 beinhaltet. Um die Batterie 6 zu laden und/oder im normalen Fahrbetrieb die Nebenverbraucher 10 zu speisen, wird der erforderliche Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 entnommen. Da das Spannungsniveau des Gleichspannungszwischenkreises 4 wesentlich zu hoch ist, wird die Spannung in einem elektronischen Wandler 5 bis in den Bereich der Bordnetzspannung herabgesetzt. Um den Verbrennungsmotor 1 zu starten, wird der Generator 2, der ohne Zwischenübersetzung mit dem Verbrennungsmotor 1 gekoppelt ist, als Anlassermotor betrieben. Die elektronische Steuerung GST, FST, MST veranlaßt hierzu, daß die erforderliche elektrische Leistung, die in der Wicklung des Generators 2 einen so hohen Strom zuläßt, daß der Generator 2 ein für das Drehen des Verbrennungsmotors 1 hinreichendes Anlaßmoment abgibt, aus den Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 entnommen wird. Die 12-Volt-Fahrzeugbatterie 6 könnte diesen Strom nicht unmittelbar zur Verfügung stellen, da ihre Spannung zu niedrig ist. Sofern die Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 nicht ohnehin noch eine ausreichende Ladung aus einer vorhergehenden Fahrbetriebsphase aufweisen, führt die elektronische Steuerung GST, FST, MST zunächst eine Ladung der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises 4 durch. Dies kann mit vergleichsweise geringer Leistung durch die 12-Volt-Batterie 6 erfolgen. Um eine höhere Ladung der Kondensatoren zu erreichen und somit eine höhere Leistung für den Startvorgang verfügbar zu machen, ist vorteilhaft die Einrichtung zur Spannungswandlung 5 vorgesehen, die zu diesem Zweck eine Umsetzung des Batteriestromes auf ein wesentlich höheres Spannungsniveau (z. B. 200 oder 300 Volt) bewirkt, also nicht nur die bereits erwähnte Spannungsverminderung während des normalen Generatorbetriebs zur Stromeinspeisung in das Niederspannungsbordnetz vornimmt. Für beide Aufgaben könnten auch separate DC/DC-Wandler vorgesehen sein. Sobald eine ausreichende Kondensatorladung vorliegt, kann die elektronische Steuerung den eigentlichen Anlaßvorgang einleiten. Die zwischengespeicherte elektrische Energie kann mit vergleichsweise hoher Leistung aus den Kondensatoren abfließen und erzeugt im Generator 2 ein ausreichend hohes Anlaßmoment für den Verbrennungsmotor 1.
Besonders zweckmäßig ist es, als Generator 2 eine mit einer Vielzahl von Permanentmagneten aus einer FeNdB-Legierung bestückte elektronisch kommutierte elektrische Maschine zu verwenden. Gerade bei niedrigen Temperaturen weisen derartige Permanentmagnete einen besonders hohen magnetischen Fluß auf. Dies führt bei z. B. -25°C zu einem gegenüber Raumtemperatur etwa 3mal so hohen Drehmoment. Auch unter schwierigen Bedingungen ist dabei ein Pendelanlassen in der Regel nicht erforderlich. Da ein Anlaßvorgang nur wenige Sekunden dauert, wird die Leistungselektronik trotz der unter Umständen sehr hohen Ströme nicht beschädigt.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mit äußerst geringem Zusatzaufwand unter Ausnutzung der ohnehin für ein gattungsgemäßes Fahrzeug vorgesehenen Aggregate ein sicheres Starten des Verbrennungsmotors möglich ist, wobei ein konventioneller Anlaßmotor ebenso wie eine konventionelle Lichtmaschine ersatzlos entfallen können. Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung erzielt, die sich letztlich auch in einer Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs positiv bemerkbar macht.

Claims (5)

1. Nicht-spurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad (9) für den Antrieb mit einem Elektromotor (8) gekoppelt ist, der über eine von einer elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) beeinflußte Leistungselektronik (3, 4, 7) entsprechend einer vom Fahrer über ein Fahrpedal eingegebenen Leistungsanforderung mit elektrischem Strom gespeist wird, wobei der Strom von einem Generator (2) erzeugt wird, der mit einem Verbrennungsmotor (1) antriebstechnisch gekoppelt ist, wobei ferner der Strom für den Antrieb vom Generator (2) mit einer Betriebsspannung im Mittelspannungsbereich (insbesondere im Bereich über 100 Volt bis 1500 Volt) bereitgestellt wird und wobei ein Bordnetz im Niederspannungsbereich (insbesondere unter 60 Volt) vorhanden ist, das die Versorgung elektrischer Nebenverbraucher (10) sicherstellt, eine Fahrzeugbatterie (6) aufweist und mit Strom gespeist wird, der durch Umwandlung eines Teile der vom Verbrennungsmotor (1) erzeugten mechanischen Energie gewonnen wird, und wobei der Generator (2) zum Anlassen des Verbrennungsmotors (1) als Elektromotor betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß dem Generator (2) ein mit Kondensatoren bestückter Gleichspannungszwischenkreis (4) nachgeschaltet ist, aus dem die Elektromotoren (8) gespeist werden
  • - daß das Programm der elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) vor dem Anlassen des Verbrennungsmotors (1) eine Aufladung der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises (4) aus der Fahrzeugbatterie (6) vorsieht und
  • - daß der Strom für den Motorbetrieb (Anlasserbetrieb) des Generators (2) aus dem Gleichspannungszwischenkreis (4) entnommen wird.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungswandler (5) vorgesehen ist, der die Niederspannung des aus der Fahrzeugbatterie (6) zum Anlassen entnommenen Stroms auf eine Mittelspannung oberhalb 100 Volt transformiert.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (5) auch zur Herabsetzung der Mittelspannung auf die Niederspannung zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (6) eingerichtet ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) eine vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ist und das Programm der elektronischen Steuerung (GST, FST, MST) für den Fall, daß die im Gleichspannungszwischenkreis (4) gespeicherte und von der Fahrzeugbatterie (6) nachlieferbare Energie für ein direktes Drehen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (1) bis über den oberen Totpunkt hinaus nicht ausreicht, ein Pendelanlassen vorsieht.
5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als vielpolige permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ausgebildete Generator (2) Permanentmagnete aus einer FeNdB-Legierung aufweist.
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