DE19743757A1

DE19743757A1 - Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE19743757A1
Application number: DE19743757A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Albert; Martin Dipl Ing Rauch
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Elek trofahrzeug gemäß Patentanspruch 1; eine derartige Antriebs vorrichtung findet Anwendung sowohl in Fahrzeugen mit allei nigem Elektromotorantrieb als auch in Hybridfahrzeugen mit wechselweisem bzw. parallelem Antrieb durch einen Elektromo tor bzw. durch eine Verbrennungsmaschine.

Bei derartigen Fahrzeugen treten Betriebsbedingungen auf, in denen dem Antrieb durch den Elektromotor keine Leistung ab verlangt wird und somit die Sollwertvorgabe für den Motor strom gleich Null ist; Beispiele für einen derartigen Leer laufbetrieb ist z. B. der sogenannte Schiebebetrieb des Fahr zeuges ohne Nachbildung eines Schleppmomentes oder z. B. das Mitlaufen des Elektromotors beim Parallelantrieb mit der Ver brennungsmaschine in Hybridfahrzeugen, bei dem der Elektromo tor durch seine starre Ankopplung mitangetrieben wird. Es ist üblich, bei derartigen Betriebsbedingungen den Umrichter zu aktivieren und im Sinne von solchen aus der Batterie gespei sten Motorphasenströmen zu regeln, daß der Elektromotor kein Drehmoment abgibt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist eine Reichweitenoptimie rung für ein Elektrofahrzeug mit aus einer Batterie speisba rem Elektromotor durch geringere betriebsmäßige Belastung dieser Batterie. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1; vorteilhafte Aus gestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Un teransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann in vor teilhafter Weise zumindest in Teilbereichen des Leerlaufbe triebes des Elektromotors durch das erfindungsgemäße Sperren der Leistungsschalter aufgrund der Inaktivierung des Umrich ters auf eine Endladebelastung der Batterie zum Zwecke einer Einregelung eines Null-Drehmomentes mit entsprechender Tak tung der Motorphasenströme verzichtet werden.

Die Sperrung der Leistungsschalter bei den vorgenannten Be dingungen ist bei Elektrofahrzeugen mit Elektromotoren mit veränderlichem Feld, d. h. insbesondere bei Asynchronmaschinen bzw. fremderregten Synchronmaschinen, in vorteilhafter Weise über den gesamten Drehzahlbereich möglich.

Beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs mit einer hinsichtlich einfachem Aufbau besonders vorteilhaften Synchronmaschine mit permanenterregtem Rotor kann durch die erfindungsgemäße An triebsvorrichtung darüber hinaus ein unkontrollierter, gege benenfalls zur Schädigung der Batterie führender Stromfluß zu der Batterie für den Fall verhindert werden, daß die vom Per manentmagnet-Läuferfluß induzierte Klemmenspannung der Syn chronmaschine, insbesondere bei Betrieb im Feldschwächebe reich, zu hoch wird und damit die gleichgerichtete Rückspei se-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung am batteriesei tigen Ausgang des Umrichters die parallel liegende Batterie spannung unzulässig übersteigt. Die erfindungsgemäße Vorrich tung erlaubt somit mit schaltungstechnisch besonders geringem Aufwand eine Reichweitenoptimierung bei gleichzeitigem Batte rieschutz im Falle einer Antriebsvorrichtung mit Verwendung einer permanenterregten Synchronmaschine als elektrischem An triebsteil.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dar gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine aus einer Batterie B mit der Batte riespannung U_B und dem Batteriestrom I_B über einen Umrichter U mit parallelem Zwischenkreiskondensator C und mit sechs Leistungsschaltern B1-B6 in üblicher Drehstrombrückenschal tung gespeiste Synchronmaschine M mit permanentmagnetischem Rotor PM. Die permanenterregte Synchronmaschine M ist mit ih rer Ausgangswelle entweder wechselweise bzw. gleichzeitig starr kuppelbar an eine Verbrennungsmaschine V_B bzw. an einen Fahrzeug-Radsatz R1/R2 eines Elektrofahrzeuges.

Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich insbesondere auf den erfindungsgemäß gestalteten Leerlauf-Betrieb der Syn chronmaschine, d. h. auf den Bereich, in dem der Sollwert für den drehmomentbildenden Motorstrom Null beträgt.

Die Leistungsschalter B1-B6 werden aktiviert und damit gere gelt getaktet bzw. inaktiviert damit gesperrt über eine Steu ereinheit CB, die über eine Endstufe T mit den Leistungs schaltern B1-B6 des Umrichters U in Steuer- bzw. Regelabhän gigkeit steht. Der aus einer Wechselspannungsquelle UV ge speisten Steuereinheit CB werden über eine Strommeßvorrich tung MI die Motorströme I₁; I₂; I₃ der Synchronmaschine M, über eine Drehzahlmeßvorrichtung MR die Istwerte der Rotordrehzahl der Synchronmaschine M sowie über eine Spannungsmeßvorrich tung MU die am batterieseitigen Ausgang des Umrichters U an liegende Rückspeise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung U_ZW zugeführt.

Zur selbsttätigen Ermittlung des Betriebspunktes, bei dem in dem erfindungsgemäß betrachteten Leerlaufbetrieb von einer Inaktivierung der Leistungsschalter B1-B6 und damit dem Bat terie-Entladungsschutz der Batterie B auf die Aktivierung der Leistungsschalter B1-B6 und damit den Batterie-Überladeschutz umgeschaltet wird, berechnet die Steuereinheit CB ausgehend von der Rotordrehzahl der Synchronmaschine M und dem bekann ten Flußistwert der Synchronmaschine M die induzierten Motor-Klemmen spannungen U_K12; U_K23; U_K31 zwischen den Wicklungsklemmen der Synchronmaschine M; daraus wird die bei der Inaktivie rung, d. h. Sperrung der Leistungsschalter B1-B6, durch deren Freilaufdioden gleichgerichtete Rückspeise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung U_ZW, gegebenenfalls unter Berück sichtigung der Spannungsabfälle im Umrichter U, bestimmt. Übersteigt diese theoretische Zwischenkreisspannung U_ZW die Batteriespannung U_B, könnte es zu einem unkontrolliertem Stromfluß I_B von der Synchronmaschine M zu der Batterie U_B kommen und Gefahr einer Beschädigung der Batterie B bestehen.

Alternativ zu der Erfassung der Rückspeise-Gleichspannung U_ZW über eine gesonderte Spannungsmeßvorrichtung MU kann deren Wert auch aus einer externen Steuerung gewonnen und über ein Bussystem CAN an die Steuereinheit CB mitgeteilt werden.

Durch die erfindungsgemäß nunmehr sich einstellende Aktivie rung der Leistungsschalter B1-B6 kann der permanenterregten Synchronmaschine M ein Magnetisierungsstrom mit derartiger Steuerung der Stromphasenlage eingeprägt werden, daß die in duzierte Klemmenspannungen U_K12; U_K23; U_K31 und damit die Rück speise-Gleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung U_ZW reduziert werden und ein unerwünschtes Rückladen der Batterie B ver meidbar ist. Trotz ansteigender Drehzahl und dabei ansonsten die Batteriespannung U_B übersteigender Zwischenkreisspannung U_ZW wird durch entsprechende Regelung des Magentisierungstro mes erreicht, daß kein Strom I_B in die Batterie B fließt und diese nicht überladen wird. Die dazu notwendige Erhöhung des Magnetisierungsstromes ist gleichbedeutend mit einer Änderung der Stromphasenlage, d. h. der Phasenlage des Motorstroms ge genüber der induzierten Klemmenspannung der Synchronmaschine M. Die Aktivierung der Leistungsschalter B1-B6 erfolgt dabei gleichzeitig mit Vorgabe eines in Phasenlage und Amplitude definierten Spannungsvektors, derart daß Ausgleichsvorgänge im Antrieb vermieden werden.

Ab dem zuvor definierten Umschaltpunkt zwischen der Inakti vierung der Leistungsschalter einerseits und der Aktivierung der Leistungsschalter andererseits hat der Schutz der Batte rie vor Überlast Vorrang vor deren Schutz vor Entladung; es dürfte ersichtlich sein, daß dadurch ein Optimum zwischen Batterieschutz einerseits und Batterieentladung andererseits durch einen möglichst weit ausgedehnten Bereich der Inakti vierung, d. h. Sperrung der Leistungsschalter, bei hohen Dreh zahlen erreicht wird.

Claims

1. Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug

- mit einer im Motorbetrieb und im Generatorbetrieb sowie im Leerlaufbetrieb betreibbaren permanenterregten Syn chronmaschine (M);
- mit einer im Motorbetrieb die Synchronmaschine (M) spei senden bzw. im Generatorbetrieb aus der Synchronmaschine (M) speisbaren Batterie (B);
- mit einem Umrichter (U) in der Verbindung zwischen der Batterie (B) und der Synchronmaschine (M);
- mit einer Aktivierung der Leistungsschalter (B1-B6) des Umrichters im Leerlaufbetrieb der Synchronmaschine (M) bei einer aufgrund der in den Wicklungen der Synchronma schine induzierten Klemmenspannungen (U_K12; U_K23; U_K31) die Batteriespannung (U_B) unzulässig übersteigenden Rück speise-Gleichspannung (U_ZW);
- mit einer Aktivierung im Sinne einer Anpassung der Rück speise-Gleichspannung (U_ZW) an die Batteriespannung (U_B) durch Einprägung eines entsprechenden Magnetisierungs stromes für die Synchronmaschine;
- mit einer Inaktivierung der Leistungsschalter (B1-B3) des Umrichters (U) im sonstigen Leerlaufbetrieb der Synchron maschine.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer permanenterregten Synchronmaschine (M) als al leinigem Antrieb für das Elektrofahrzeug.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer permanenterregten Synchronmaschine (M) als pa ralleler Antrieb zu einem Verbrennungsmotor (V_B) für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug.

4. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-3,

- mit einer die Leistungsschalter des Umrichters inaktivie renden bzw. aktivierenden Steuereinheit (CB);
- mit einer Steuerabhängigkeit der Steuereinheit (CB) von einer Meßvorrichtung (MR) für die Rotordrehzahl der Syn chronmaschine (M) bzw. von einer Meßvorrichtung (MI) für die Motorströme (I₁; I₂; I₃) der Synchronmaschine (M) sowie von einer Meßvorrichtung (MU) für die Rückspeise-Gleich spannung (U_ZW) am batterieseitigen Ausgang des Um richters (U).

5. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, mit einer Inaktivierung der Leistungsschalter (B1-B6) des Umrichters (U) in Abhängigkeit von einem Null-Sollwert für die drehmomentbildenden Motorströme (I₁; I₂; I₃) des Synchronmotors.

6. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, mit einer Bestimmung der induzierten Klemmenspannungen (U_K12; U_K23; U_K31) aufgrund der jeweiligen Rotordrehzahl sowie des jeweiligen Durchflutungsistwerts der Synchronma schine (M).

7. Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, mit einer Bestimmung der jeweiligen Rückspeise-Gleich spannung (U_ZW) aufgrund der induzierten Klemmenspannungen (U_K12; U_K23; U_K31) sowie der Spannungsabfälle an dem Umrichter (U), insbesondere an den Freilaufdioden der Leistungs schalter (B1-B6).