DE4311230C2 - Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 (siehe nachstehend genannte VDI-Berichte).

Aus der Veröffentlichung "Getriebe in Fahrzeugen heute und morgen" (VDI-Berichte 878, 1991, Seite 611-622) ist ein Antriebssystem für nicht-spurgebundene Fahrzeuge bekannt, die 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. Ein solches Fahrzeug kann zusätzlich auch ausgerüstet sein mit einem Speicher zur Speicherung von Hintriebsenergie, beispielsweise mit einem Kurzzeitspeicher in Form eines mit einem elektrischen Generator gekoppelten Schwungradspeichers oder mit einem Langzeitspeicher in Form eines Akkumulators.

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.

In der Veröffentlichung VDI-Bericht 878 ist bereits erwähnt, daß die Funktion der Lichtmaschine von dem Generator, der den Strom für die elektrischen Antriebsmotoren erzeugt, mit übernommen werden kann. Nähere Angaben hierzu werden jedoch nicht gemacht.

Um das Niederspannungsbordnetz des Fahrzeugs aus dem Generator speisen zu können, muß für den eingespeisten Strom zunächst eine Herabsetzung der vom Generator erzeugten Mittelspannung (über 60 Volt) auf Niederspannung erfolgen. Bei einem Wechselstromgenerator ist diese Transformation ohne Probleme möglich. Dies gilt auch für Generatoren, die einen gepulsten Gleichstrom liefern. Hierfür sind geeignete DC/DC-Wandler auf elektronischer Basis bekannt.

Die künftige Entwicklung nicht-spurgebundener Fahrzeuge steht insbesondere im Hinblick auf die Antriebstechnik unter der Forderung, die spezifischen Verbrauchswerte deutlich zu senken, also eine möglichst effektive Nutzung der im Treibstoff chemisch gebundenen Energie bei der Umwandlung in Antriebsenergie sicherzustellen. Um im Verbrennungsmotor einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und das Fahrzeug möglichst leicht zu machen, ist man bestrebt, den Verbrennungsmotor so klein wie möglich zu bauen. Tendenziell bedeutet dies eine Reduzierung der Verbrennungsmotorleistung. Die maximale Motorleistung wird daher künftig deutlich näher an der durchschnittlich benötigten Antriebsleistung liegen, als dies heute bei konventionellen Fahrzeugen der Fall ist.

Dieser Entwicklung steht eine andere Entwicklung entgegen, die zu einem erhöhten Stromverbrauch im Fahrzeug führt. Die Zahl der elektrischen Nebenverbraucher nimmt ständig zu, da immer mehr Funktionen (z. B. Schiebedach, Sitzverstellung, Spiegelverstellung, Klimaautomatik usw.) elektrisch realisiert werden. Dies hat bereits dazu geführt, daß in herkömmlichen Fahrzeugen eine verstärkte Lichtmaschine oder sogar gleichzeitig zwei Lichtmaschinen betrieben werden. Dabei ist nicht nur der Nachteil des hohen Gewichts dieser Aggregate zu sehen, sondern man hat darüber hinaus auch einen relativ schlechten Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung in Kauf zu nehmen. Um beispielsweise eine elektrische Leistung von 1,5 KW zu erzeugen, wird je nach Drehzahl eine mechanische Antriebsleistung in einer Größenordnung von 3-5 KW benötigt. Bei einem Verbrennungsmotor mit 50 KW Leistung sind dies also bis zu 10% der theoretisch verfügbaren Antriebsleistung. Insbesondere aus Sicherheitsgründen (z. B. Kick-down bei Überholvorgängen) möchte man aber möglichst viel von der maximal möglichen Leistung des Verbrennungsmotors für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung stellen können.

Aus der GB 13 50 963 ist es im Zusammenhang mit der Vergleichmäßigung der Spannungsversorgung für die Erregerwicklung eines an einen Verbrennungsmotor gekoppelten Generators, wobei der Erregerstrom aus dem vom Generator für die Einspeisung in elektrische Fahrmotoren erzeugten Strom ausgekoppelt wird, bekannt, zur Begrenzung von Spannungsspitzen einen Transformator in den Erregerstromkreis einzuschalten, über den bei einem durch eine Diode festgelegten Schwellwert ein Ladestrom in eine Bordbatterie eingespeist wird.

Gemäß der DE-OS 15 63 972 wird bei einem dieselelektrischen Schienenfahrzeug im Zusammenhang mit der Erzeugung des Erregerstromes für den Generator vorgeschlagen, einen Hilfsgenerator vorzusehen und zur Vermeidung von Leistungsstößen zusätzlich elektrische Nebenverbraucher mit Strom zu versorgen.

Diese Schriften geben keinen Hinweis darauf, wie eine zeitweilig erforderliche Erhöhung der elektrischen Leistung der Fahrmotoren über das bei eingeschalteten elektrischen Nebenverbrauchern mögliche Höchstmaß hinaus erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein gattungsgemäßes Fahrzeug mit möglichst geringem Aufwand so zu verändern, daß sein spezifischer Treibstoffverbrauch möglichst gering bleibt und im Bedarfsfall die maximal mögliche Leistung des Verbrennungsmotors für den Fahrzeugantrieb voll zur Verfügung steht, ohne daß Komforteinbußen in bezug auf die Betätigung von Nebenfunktionen auf elektrischem Wege hingenommen werden müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 näher gekennzeichnet.

Die Erfindung ist unabhängig davon anwendbar, welcher Maschinentyp als Generator (z. B. mit Permanent- oder mit Felderregung, mit oder ohne elektronische Kommutierung) oder als elektrischer Antriebsmotor (z. B. Synchron-, Asynchron-, Gleichstrommotor) eingesetzt wird. Sie sieht zunächst vor, daß der im Fahrzeug als Antriebsenergie und für die Nebenverbraucher benötigte elektrische Strom nur von dem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors gekoppelten elektrischen Generator erzeugt wird, also keine separate Lichtmaschine verwendet wird. Dies hat nicht nur den Vorteil einer Gewichtsersparnis, sondern ist auch deswegen günstig, weil der Generator die Stromerzeugung mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad ermöglicht, als dies bisher bei Lichtmaschinen üblich war. Die Anwendung eines sogenannten "Generatorhochtriebs", wie er gelegentlich zur Erzielung ausreichend hoher Drehzahlen an der Lichtmaschine bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors notwendig wird, erübrigt sich hierbei vollständig. Dies trägt alles dazu bei, den spezifischen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs niedrig zu halten. Der Aufwand hierfür ist gering. Im wesentlichen wird lediglich ein Spannungswandler benötigt, der die Umwandlung des für die elektrischen Nebenverbraucher und für das Laden der Fahrzeugbatterie benötigten Stroms von der ursprünglich erzeugten Mittelspannung (vorzugsweise im Bereich von 60-1500 Volt, insbesondere im Bereich bis 650 Volt) auf die Niederspannung des Bordnetzes (z. B. 12 oder 24 Volt) vornimmt.

Ein besonders wichtiges Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die ohnehin vorhandene elektronische Steuerung des Fahrzeugs, die in Abhängigkeit von oder vom Fahrer jeweils angeforderten Antriebsleistung den Betrieb des Verbrennungsmotors, des Generators und der Elektromotoren für den Fahrzeugantrieb beeinflußt, dahingehend erweitert ist, daß in Betriebsphasen mit besonders hohem, also auf oder nahe bei der theoretischen Höchstleistung liegendem Energiebedarf (z. B. Kick-down) eine Schaltung betätigt wird, die den Speisestrom vom Generator in das Niederspannungsbordnetz zeitweilig unterbricht und die Stromversorgung der elektrischen Nebenverbraucher ersatzweise aus der Fahrzeugbatterie sicherstellt. In solchen Phasen, die im Regelfall nur für kurze Zeitspannen andauern, steht dann die gesamte maximal mögliche Leistung des Verbrennungsmotors für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung, ohne daß Komforteinbußen hinzunehmen wären, weil einzelne Nebenverbraucher abgeschaltet werden müßten. Die zusätzlich verfügbare Leistung fällt selbstverständlich um so stärker ins Gewicht, je niedriger die Leistung ist, auf die der Verbrennungsmotor ausgelegt wurde. Die Mobilisierung dieser Leistungsreserven ist weitgehend softwaremäßig, also ohne großen Aufwand möglich. Es wird lediglich eine Schaltung benötigt, die die zeitweilige Trennung des Niederspannungsbordnetzes von der Generatorspeisung vornimmt. Sobald die Phase maximalen Leistungsbedarfs vorüber ist, kann die elektronische Steuerung die Einspeisung vom Generator wieder freigeben, so daß auch die Fahrzeugbatterie wieder geladen werden kann.

Die Einspeisung in das Niederspannungsbordnetz kann unmittelbar (über den Spannungswandler) vom Generator aus erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in der Weise ausführbar, daß der Spannungswandler für die Speisung des Niederspannungsbordnetzes den Strom aus einem Zwischenkreis, insbesondere einem Gleichspannungszwischenkreis entnimmt, der dem Generator nachgeschaltet ist und aus dem auch der Strom für die elektrischen Antriebsmotoren entnommen wird.

Da die für die Durchführung der Erfindung benötigten Bauteile durch elektrische Leitungen mit dem übrigen System in Wirkverbindung stehen, sind im Hinblick auf ihre örtliche Unterbringung im Fahrzeug alle Freiheiten gegeben. Es wird also nicht nur eine Gewichtsersparnis ermöglicht, sondern es können auch Optimierungen im Hinblick auf die Gewichtsverteilung und die Volumenausnutzung erzielt werden.

Anhand der in den Fig. 1 und 2 als Blockschema wiedergegebenen Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Die beiden Blockschemen stellen im wesentlichen jeweils den Antriebsstrang eines nicht-spurgebundenen Fahrzeugs dar.

In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 mit seiner Kurbelwelle an einen Generator 2 gekoppelt, der beispielsweise als permanent erregte Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung ausgebildet ist. Der Generator 2 erzeugt eine Wechselspannung, die nach Gleichrichtung im Gleichrichter 3 in einen Gleichspannungszwischenkreis 4 eingespeist wird. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 wird die Antriebsenergie für den Betrieb der Elektromotoren 8 entnommen, die z. B. jeweils mit einem Rad 9 des nicht dargestellten Fahrzeugs gekoppelt sind. Die Elektromotoren 8 sind wie der Generator 2 vorzugsweise als permanent erregte Gleichstrommaschinen mit elektronischer Kommutierung (Block 7) ausgebildet. Der elektrische Strom wird den Elektromotoren 8 z. B. als Wechselstrom (Block 7) zugeführt. Die elektronische Steuerung, die den Generator 2 steuert, ist mit GST bezeichnet, während die elektronischen Steuerungen der Elektromotoren 8 mit MST bezeichnet sind; allerdings ist exemplarisch nur eine einzige davon dargestellt. Den Steuerungen für die Elektromotoren 8 und den Generator 2 ist eine übergeordnete Fahrsteuerung FST überlagert. Um den Signalfluß vom Leistungsfluß zu unterscheiden, ist ersterer mit gestrichelten Pfeilen dargestellt worden. 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. In Betriebsphasen, in denen eine möglichst hohe Leistung für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung gestellt werden soll, sieht die elektronische Steuerung FST vor, daß die Verbindung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis 4 und dem Spannungswandler 5 durch eine Schalteinrichtung (Unterbrecher 11) zeitweilig unterbrochen wird, so daß der gesamte vom Generator 2 erzeugte Strom den Elektromotoren 8 zugeführt werden kann. Während dieser Phasen wird die Versorgung der Nebenverbraucher 10 ohne Unterbrechung über die Fahrzeugbatterie 6 aufrechterhalten. Sobald der hohe Leistungsbedarf entfallen ist (z. B. Beendigung eines Überholvorgangs) wird die Verbindung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis 4 und dem Spannungswandler 5 von der elektronischen Steuerung wieder hergestellt, so daß die Batterie 6 wieder aufgeladen werden kann und/oder die Nebenverbraucher 10 direkt aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 versorgt werden.

Anstelle einer Stromentnahme aus dem Gleichspannungszwischenkreis 4 ist es selbstverständlich auch möglich, bereits am Generator 2 den Strom für die Nebenverbraucher 10 abzuzweigen, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Um eine Spannungswandlung auf das Niveau des Niederspannungsbordnetzes zu erreichen, ist ein Spannungswandler 12 vorgesehen, der die Wechselspannung des Generators 2 heruntertransformiert und gleichrichtet. Der Spannungswandler 5 aus Fig. 1 entfällt in diesem Fall. Im übrigen entspricht die Funktion der Ausführung gemäß Fig. 2 derjenigen der Fig. 1, so daß hierauf nicht erneut eingegangen werden muß.

Es kann auch vorgesehen sein, daß der Generator 2 für die direkte Einspeisung von Leistung in das Niederspannungsbordnetz mit einer entsprechenden Sondereinrichtung (z. B. spezielle Niederspannungswicklung oder Schaltung) ausgestattet ist, so daß eine Herabsetzung der Spannung (Blöcke 5 bzw. 12) entfällt. Auch hierbei wird für den Fall des erhöhten Antriebsleistungsbedarf eine Unterbrechung der Einspeisung in das Niederspannungsbordnetz von der Fahrsteuerung FST veranlaßt.

Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch ohne weiteres bei Einsatz von Wechselstromgeneratoren und -motoren angewendet werden. Dann hat selbstverständlich vor Einspeisung in das Bordnetz eine Gleichrichtung zu erfolgen. Die Vorteile, ohne Komfortverzicht bei Entfall einer separaten Lichtmaschine jederzeit die Leistung des Verbrennungsmotors in voller Höhe als Antriebsenergie verfügbar machen zu können, bleiben stets erhalten.

Claims (6)

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 (FST, GST, 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 Teils der vom Verbrennungsmotor (1) erzeugten mechanischen Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (FST) einen Teil der vom Generator (2) erzeugten Leistung zur Einspeisung in das Niederspannungsbordnetz bereitstellt und daß das Programm der elektronischen Steuerung (FST) in Betriebsphasen, in denen die volle Leistung des Verbrennungsmotors (1) zum Antrieb benötigt wird, die zeitweilige Unterbrechung (Unterbrecher 11) der Stromeinspeisung vom Generator (2) in das Niederspannungsbordnetz vorsieht und die Stromversorgung der elektrischen Nebenverbraucher (10) dann ersatzweise über die Fahrzeugbatterie (6) erfolgt.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungswandler (5; 12) vorgesehen ist, der den Speisestrom für das Niederspannungsbordnetz vom Mittelspannungsbereich des Generators (2) auf die Spannung des Niederspannungsbordnetzes heruntersetzt.

3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (2) zur Erzeugung von Gleichstrom ein Gleichrichter (3) nachgeschaltet ist, daß hinter dem Gleichrichter (3) ein Gleichspannungszwischenkreis (4) vorgesehen ist, aus dem der oder die Elektromotoren (8) mit Strom für den Antrieb versorgt werden, und daß der Spannungswandler (5) als DC/DC-Wandler ausgebildet und an den Gleichspannungszwischenkreis (4) angeschlossen ist.

4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis (4) auf eine Betriebsspannung von etwa 650 Volt ausgelegt ist.

5. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (12) über den Unterbrecher (11) direkt an den Generator (2) angeschlossen ist.

6. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) mit einer Sondereinrichtung, insbesondere einer separaten Niederspannungswicklung, für die direkte Einspeisung in das Niederspannungsbordnetz ausgestattet ist.