DE19857645B4

DE19857645B4 - Elektrisches System für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE19857645B4
Application number: DE19857645.5A
Authority: DE
Inventors: Shigenori Kinoshita; Koetsu Fujita; Junichi Ito
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: JP3219039B2; US6066928A; DE19857645A1; JPH11178114A

Abstract

Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, umfassend.
eine Gleichstromeingangsschaltung (100; 102),
einen Spannungs-Wechselrichter (101), der mit der Gleichstromeingangsschaltung verbunden ist, an den von der Gleichstromeingangsschaltung eine Eingangsspannung angelegt wird und der eine variable Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, und
einen Wechselstrommotor (103) mit mehreren Wicklungen (104), deren jeweiliges eines Ende mit einem Wechselstromausgangsanschluß des Wechselrichters (101) verbunden ist, während die anderen Enden der Wicklungen (104) zu einem Nullpunkt (103a) der Motorwicklungen zusammengeschlossen sind,
gekennzeichnet durch
ein Energiespeicherelement (105) variabler Spannung, das zwischen den Nullpunkt (103a) und einen Anschlußpunkt in der Gleichstromeingangsschaltung geschaltet ist, und
eine Gleichstromversorgung (106), die entweder zu dem Energiespeicherelement (105) oder zu der Gleichstromeingangsschaltung (100; 102) parallel geschaltet ist,
wobei der Wechselrichter (101) in einem durch einen Nullspannungszeiger repräsentierten Schaltzustand als Gleichstromsteller betreibbar ist derart, daß Energie zwischen dem Energiespeicherelement (105) und der Gleichstromeingangsschaltung (100; 102) übertragen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches System für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (Elektrofahrzeug) zum Betrieb des Elektromotors des Fahrzeugs mittels eines Spannungs-Wechselrichters.
16 zeigt ein bekanntes elektrisches System für Elektrofahrzeuge, bei welchem eine Batterie als Stromquelle eingesetzt ist.
Das System von 16 enthält: eine Hauptbatterie 1 als Gleichstromquelle, für die typischerweise eine chemische Batterie als eine Batterie eingesetzt wird, die eine große Energiemenge speichern kann, einen Wechselstrommotor 2 zum Antrieb des Fahrzeugs, einen Spannungs-Wechselrichter 3 variabler Spannung und variabler Frequenz zum Betrieb des Motors, ein Untersetzungsgetriebe 4, ein Differential 5 und Räder 6. Das System enthält ferner elektrische Hilfsmotoren 7 (von denen in 16 nur einer gezeigt ist) zum Antrieb von Zubehöreinrichtungen, wie etwa einer Klimaanlage, einer Servosteuerung und verschiedener Pumpen, sowie einen Wechselrichter 8 zum Betrieb dieser Hilfsmotoren 7.
Das System enthält weiterhin einen Kondensator 9 als Batterie oder Speicher hoher Leistung, für den ein elektrischer Doppelschichtkondensator als physikalischer Kondensator verwendet wird, sowie einen Gleichstromsteller 10, der zwischen den Kondensator 9 und die Hauptbatterie 1 geschaltet ist.
Generell gibt die Batterie hoher Leistung beim Beschleunigen des Fahrzeugs elektrische Energie ab und nimmt beim Bremsen des Fahrzeugs Bremsenergie auf. Folglich nimmt die Spannung des Kondensators 9 durch Energieabgabe ab, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird. Wird das Fahrzeug dagegen abgebremst, nimmt die Spannung des Kondensators wegen der Energieaufnahme in den Kondensator 9 zu. Der Gleichstromsteller 10 befindet sich zwischen dem Kondensator 9, dessen Spannung stark variiert, und der Hauptbatterie 1, deren Spannung nahezu konstant ist, so daß Leistung bzw. Energie zwischen dem Kondensator 9 und der Batterie 1 übertragen werden kann.
17 zeigt ein elektrisches System eines Reihenhybrid-Elektrofahrzeugs, wobei zur Bezeichnung gleicher Komponenten die gleichen Bezugszahlen wie in 16 verwendet werden. Das System von 17 enthält eine Kraftmaschine 11, etwa einen Verbrennungsmotor, einen Generator 12, einen Umsetzer 13 und eine Batterie 14, die dazu vorgesehen ist, die Differenz zwischen der von dem Generator 12 erzeugten und der von dem Elektromotor 2 verbrauchten Energie aufzunehmen.
Bei dem Reihenhybrid-Elektrofahrzeug wird elektrische Leistung zum Betrieb des Fahrzeugs von der Kraftmaschine 11, dem Generator 12 und dem Umsetzer 13 erzeugt. Die so erzeugte Leistung wird über den Wechselrichter 3 dazu verwendet, den Motor 2 anzutreiben.
Obwohl verschiedenste Arten von Reihenhybridsystemen verfügbar sind, ist bei dem in 17 gezeigten System eine chemische Batterie 14 als Batterie zur Aufnahme überschüssiger Energie eingesetzt. Da es sich bei der Batterie 14 nicht um eine solche hoher Leistung handelt, ist der Kondensator 9 als Batterie hoher Leistung unter Zwischenschaltung des Gleichstromstellers 10 parallel zur Batterie 14 geschaltet.
Generell entspricht die Ausgangsleistung des Generators nicht der zum Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs erforderlichen maximalen Leistung, sondern ist vielmehr für den Leistungsbedarf ausgelegt, der besteht, wenn das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Die vom Generator erzeugte Leistung ist also kleiner als die maximale Leistung. Während der Beschleunigung oder des Abbremsens des Fahrzeugs, wofür hohe Leistung erforderlich ist, wird daher über den Gleichstromsteller elektrische Leistung vom Kondensator 9 oder an ihn geliefert. Die chemische Batterie 14 nimmt Leistung entsprechend der Differenz zwischen der von dem Generator 12 erzeugten Leistung und der von dem Motor 2 und den nicht dargestellten Zubehörteilen verbrauchten Leistung auf.
Wenn die Kraftmaschine 11 gestoppt wird und das Fahrzeug lediglich mit der chemischen Batterie 14 laufen soll, muß diese eine ausreichend hohe Energie speichern.
18 zeigt ein elektrisches System für ein Parallelhybrid-Elektrofahrzeug, wobei zur Bezeichnung gleicher Komponenten die gleichen Bezugszahlen wie in den 16 und 17 verwendet werden. Das System von 18 enthält eine Kraftmaschine 15, z. B. einen Verbrennungsmotor, für das Parallelsystem, einen Generator 16, eine Transmission 17, eine chemische Batterie 18, einen Umsetzer (Wechselrichter) 19, einen elektrischen Doppelschichtkondensator 20 als Batterie hoher Leistung und einen Gleichstromsteller 21. Das Parallelhybrid-Elektrofahrzeug kann je nach den Umständen wahlweise entweder lediglich von der über die Transmission 17 auf die Räder übertragenen Leistung der Kraftmaschine 15, der über den Umsetzer (Wechselrichter) 19 und den Generator 16 übertragenen elektrischen Leistung der chemischen Batterie 18 oder mit der Leistung sowohl der Kraftmaschine 15 als auch der Batterie 18 betrieben werden. Auch dieses Parallelhybrid-Fahrzeug erfordert eine Batterie hoher Leistung zur Aufnahme wieder zurückgewonnener Energie beim Bremsen des Fahrzeugs, weshalb der elektrische Doppelschichtkondensator 20 über den Gleichstromsteller 21 mit der Batterie 18 parallel geschaltet ist.
Wie anhand der bekannten Beispiele voranstehend gezeigt, benötigt man für ein Elektrofahrzeug sowohl eine Batterie großer Energie als auch eine Batterie hoher Leistung als Stromversorgung. Die Batterie großer Energie bestimmt die Lauf- oder Streckenleistung des Fahrzeugs pro Ladung und die Batterie hoher Leistung bestimmt das Beschleunigungsverhalten sowie das Bremsrückgewinnungsverhalten. Wenn die Bremsenergie bei jedem Bremsen des Fahrzeugs in ausreichendem Maß in die Batterie zurückgespeist werden kann, zeigt das Elektrofahrzeug einen nennenswerten Energieeinspareffekt.
Die Vorgänge zum Fahren eines Elektrofahrzeugs sind die gleichen wie die zum Fahren der heute üblichen treibstoffbetriebenen Fahrzeuge, und die Anzahl von Bremsvorgängen reicht bis zu mehreren Zehntausenden. Zur Erzielung eines noch stärkeren Energiespareffekts, muß das Elektrofahrzeug Beschleunigungs- und Bremsvorgänge aushalten, die bis zu mehreren zehntausend Malen ausgeführt werden. Anders ausgedrückt, die in dem Elektrofahrzeug eingesetzte Batterie sollte imstande sein, etlichen zehntausend Lade- und Entladevorgängen großer Leistung standzuhalten. Für die gegenwärtig eingesetzten Batterien, typischerweise chemische Batterien, ist es jedoch schwierig, mehrere zehntausend Lade- und Entladevorgänge großer Leistung auszuführen. Vielmehr sind solche Batterien auf höchstens mehrere tausend Lade- und Entladevorgänge beschränkt. Bei den gegenwärtigen Elektrofahrzeugen muß daher die chemische Batterie in regelmäßigen geeigneten Abständen ersetzt werden, oder es muß eine Batterie hoher Leistung, etwa ein elektrischer Doppelschichtkondensator zusätzlich zur chemischen Batterie eingesetzt werden.
19 zeigt unter (a) die Fahrzeuggeschwindigkeit, unter (b) die Eingangsleistung Pi des Wechselrichters, unter (c) die Spannung Vc am elektrischen Doppelschichtkondensator sowie die Eingangsspannung Vi des Wechselrichters und unter (d) die Ausgangsleistung Ps der Gleichstromquelle (chemische Batterie) für die einzelnen Betriebsarten (Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit und Abbremsen) des Elektrofahrzeugs.
20 zeigt ein Beispiel eines bei den Systemen der 16 bis 18 eingesetzten Gleichstromsteller, wobei der Gleichstromsteller 10 von 16 als Beispiel genommen ist. Der Gleichstromsteller 10 enthält Schalteranordnungen 10b und 10c, jeweils umfassend einen Transistor 10b1 bzw. 10c1, dem eine Diode 10b2 bzw. 10c3 antiparallel geschaltet ist, d. h. die negative Seite des jeweiligen Transistors 10b1, 10c1 ist mit der positiven Seite der zugehörigen Diode 10b2 bzw. 10c3 verbunden. Der Gleichstromsteller 10 enthält ferner eine Stromglättungsdrosselspule 10a und einen Spannungsglättungskondensator 10d.
Elektrofahrzeuge, die zu demselben Zweck wie herkömmliche treibstoffbetriebene Fahrzeuge verwendet werden, sollen die gleichen Anforderungen wie treibstoffbetriebene Fahrzeuge erfüllen, beispielsweise eine große Laufleistung oder Laufstrecke pro Ladung, ein hohes Beschleunigungs- und Bremsvermögen, einen hohen Brennstoffwirkungsgrad, eine geringe Größe und ein geringes Gewicht seiner Komponenten sowie geringe Kosten. Von diesen Anforderungen wurden die Laufleistung und der Brennstoffwirkungsgrad unter Verwendung einer Batterie hoher Leistung, wie etwa eines elektrischen Doppelschichtkondensators oder unter Ausnutzung von zwei oder mehr Arten von Leistungsquellen zur Schaffung eines Hybridsystems verbessert.
Selbst mit der verbesserten Leistungsfähigkeit des Elektrofahrzeugs, besteht immer noch ein großes Problem in dem die Batterie hoher Leistung umfassenden Teil, insbesondere im Gleichstromstellerteil, der in 20 gezeigt ist. Da der Gleichstromsteller hohe Leistung besitzen muß und nahezu die gleiche Kapazität wie der Wechselrichter zum Antrieb des Motors aufweisen muß, besteht ein Bedarf, Größe und Gewicht sowie Kosten für den Gleichstromsteller zu verringern.
Ein Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 41 07 391 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik handelt es sich bei der Gleichstromeingangsschaltung um eine wiederaufladbare Batterie, zu deren Aufladung das Fahrzeug über eine geeignete Ankoppeleinrichtung mit einem stationären Gleichstromnetz verbunden werden kann. Der Wechselrichter dient dabei als Gleichstromsteller. Der Wechselstrommotor muß sich beim Ladevorgang im Stillstand befinden. Eine Aufladung im Fahrbetrieb ist somit ausgeschlossen.
Aus der DE 41 18 684 C1 ist ein Elektrofahrzeug mit an eine Batterie angeschlossener, als Generator oder Motor betreibbarer Elektromaschine bekannt, bei dem eine Kombination einer Hochleistungsbatterie mit relativ hohem spezifischen Energiegehalt, z. B. Nickel/Cadmium- oder Natrium/Schwefel- oder Zink/Brom-Batterie, als Grossenergiespeicher mit einer kleineren Batterie vorzugsweise gleicher Spannung mit kleinerem spezifischen Energiegehalt, aber relativ hoher Leistung in bezug auf ihr Gewicht und deutlich niedrigerem Preis-/Leistungs-Verhältnis, z. B. Blei-Gel bzw. Bleisäure-Batterie, und einer entsprechenden Lade- und Entladebetriebssteuer- und -regeleinrichtung vorgesehen sind.
Die EP 0 834 977 A2 zeigt eine Einrichtung zum Laden eines Akkumulators eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, die einen Akkumulator, einen Drehstrommotor sowie einen durch eine Steuereinheit steuerbaren Pulswechselrichter, der zwischen dem Akkumulator und dem Drehstrommotor geschaltet ist, umfasst. Der Drehstrommotor hat in Stern geschaltete Wicklungen. Eine der Ausgangsklemmen eines Brückengleichrichters ist an den Sternpunkt des Drehstrommotors angeschlossen. Der andere Ausgangspunkt des Brückengleichrichters ist an einen der Pole des Akkumulators angeschlossen. Die Steuereinheit ist zur Regelung des Ladestromes für den Akkumulator ausgeführt und geschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug zu schaffen, bei dem ein Batterieteil hoher Leistung, insbesondere ein Gleichstromstellerteil, einen verbesserten Aufbau aufweist, der zu einer Verringerung von Größe, Gewicht und Kosten von Systemelementen führt, wobei ferner der Betriebswirkungsgrad des Systems verbessert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrisches System für ein Elektrofahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Betriebs- oder Schaltzustände eines Mehrphasen-Wechselrichters werden häufig mit Hilfe sogenannter Schaltzustandszeiger beschrieben. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird auf den in 21 gezeigten Wechselrichter 3 Bezug genommen. Der dort beispielhaft gezeigte Dreiphasen-Wechselrichter besteht aus drei Halbbrücken, je eine für jede Phase. Jede Halbbrücke besteht aus einem oberen oder positiven Brückenzweig und einem unteren oder negativen Brückenzweig. Jeder Brückenzweig enthält ein Ventil, im dargestellten Fall beispielhaft ein Halbleiterventil bestehend aus der Antiparallelschaltung eines Transistors und einer Diode. Die Schaltzustandszeiger solch eines Mehrphasen-Wechselrichters repräsentieren die verschiedenen Kombinationen von ein- und ausgeschalteten Ventilen in den einzelnen Brückenzweigen und umfassen sogenannte Nullzustands- oder Nullspannungszeiger. Ein Nullspannungszeiger repräsentiert den Zustand, bei dem die Ventile in allen oberen oder positiven Brückenzweigen 31a, 31b und 31c gleichzeitig eingeschaltet, d. h. leitend sind. Ein anderer Nullspannungszeiger repräsentiert den Zustand, bei dem die Ventile In allen unteren oder negativen Brückenzweigen 32a, 32b und 32c gleichzeitig eingeschaltet sind. Wenn sich der Wechselrichter in solch einem Schaltzustand befindet, spricht man davon, daß der Wechselrichter einen ”Nullspannungszeiger erzeugt”. Wenn dies der Fall ist, werden alle Anschlußspannungen (zwischen den Leitungen) eines an den Wechselrichter 3 angeschlossenen Mehrphasenmotors 2 gleichzeitig null. Durch Ausnützen der durch Nullspannungszeiger repräsentierten Schaltzustände (nachfolgend auch als ”Nullspannungszustände” bezeichnet) des Wechselrichters und durch Anschließen einer Gleichstromquelle zwischen dem Mittel- oder Sternpunkt des Mehrphasen-Wechselstrommotors und der Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters, wird während der Dauer eines Nullspannungszustands Nullsystem-Leistung zwischen der Gleichstromquelle und der Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters übertragen.
22 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines hierauf beruhenden Systems, das eine erste Gleichstromquelle 1a, einen Dreiphasen-Elektromotor 2a, einen Spannungs-Wechselrichter 3a und einen an den Eingang des Wechselrichters 3a angeschlossenen Eingangskondensator 33 aufweist. Ein Ende einer Wicklung 2a1 jeder Phase des Motors 2a ist an den Wechselrichter 3a angeschlossen, während die anderen Enden aller Wicklungen unter Bildung eines Stern- oder Nullpunkts 2a2 miteinander verbunden sind. Eine zweite Gleichstromquelle 1b ist zwischen den Nullpunkt 2a2 und einen Anschluß (dem negativen in 22) der Gleichstromeingänge des Wechselrichters 3a geschaltet.
Wenn der Wechselrichter 3a bei dieser Anordnung einen Nullspannungszeiger erzeugt, wird die Spannung der Gleichstromquelle 1b von den einzelnen Eingangsanschlüssen des Motors 2a aus gesehen zu einer Nullsystem-Spannung. Die Ersatzschaltung dieser Schaltungsanordnung für die Mitsystem-Komponente arbeitet in bekannter Weise, indem der Motor 2a von einem herkömmlichen Dreiphasen-Wechselrichter betrieben wird. In der Ersatzschaltung für die Nullsystem-Komponente werden die drei Arme bzw. Brückenzweige des Wechselrichters 3a als ein Arm betrachtet, der einen Schaltbetrieb im Verhältnis des Nullspannungszeigers ausführt und arbeiten somit als Zweiquadranten-Gleichstromsteller. Der Wechselrichter 3a steuert die Nullsystem-Spannung so daß der Betrieb des Zweiquadranten-Gleichstromstellers realisiert wird. Bei der Schaltung von 22 kann Gleichstromleistung zwischen der Gleichstromquelle 1b und dem Kondensator 33 übertragen werden, wenn der Wechselrichter 3a in einem Nullspannungszustand ist. Dabei wirken die Wicklungen 2a1 als Drosselspulen für den Gleichstromsteller.
Da bei dem oben beschriebenen System die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters 3a variabel gemacht werden kann, kann die Leistungsfähigkeit des Wechselrichterantriebssystems verbessert werden, und die Größe, das Gewicht und die Kosten des Systems können in vorteilhafter Weise verringert werden.
Gemäß einem auf dem oben beschriebenen Prinzip beruhenden Aspekt der Erfindung, wird ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug geschaffen, welches gemäß Darstellung in 23 aufweist: eine Gleichstromeingangsschaltung 100, einen Spannungs-Wechselrichter 101, der an die Gleichstromeingangsschaltung 100 angeschlossen ist, an den von der Gleichstromeingangsschaltung 100 eine Eingangsgleichspannung angelegt wird und der eine variable Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, einen Wechselstrommotor 103 mit mehreren Wicklungen, deren jede mit einem Ende an einen Wechselstromausgangsanschluß des Wechselrichters 101 angeschlossen ist, während die anderen Enden der Wicklungen unter Bildung eines Nullpunkts der Motorwicklungen zusammengeschlossen sind, ein Energiespeicherelement 105 variabler Spannung, das zwischen den Nullpunkt und einen Anschlußpunkt in der Gleichstromeingangsschaltung 100 geschaltet ist, und eine Gleichstromquelle 106, die mit den entgegengesetzten Enden des Energiespeicherelements 105 verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist die Verdrahtungsinduktivität zwischen der Gleichstromeingangsschaltung 100 und dem Wechselrichter 101 ausreichend klein gemacht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug geschaffen, das gemäß Darstellung in 24 aufweist: eine Gleichstromeingangsschaltung 100 mit Eingangsanschlüssen, einen Spannungs-Wechselrichter 101, der mit der Gleichstromeingangsschaltung 100 verbunden ist, an den von der Gleichstromeingangsschaltung 100 eine Eingangsgleichspannung angelegt wird und der eine variable Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, einen Wechselstrommotor 103 mit mehreren Wicklungen, deren jede ein mit einem Wechselstromausgangsanschluß des Wechselrichters 101 verbundenes Ende aufweist, während die anderen Enden der Wicklungen unter Bildung eines Stern- oder Nullpunkts der Motorwicklungen zusammengeschlossen sind, ein Energiespeicherelement 105 variabler Spannung, das zwischen den Nullpunkt und einen Anschlußpunkt in der Gleichstromeingangsschaltung 100 geschaltet ist, und eine Gleichstromquelle 106, die an die Eingangsanschlüsse der Gleichstromeingangsschaltung 100 angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung ist die Verdrahtungsinduktivität zwischen der Gleichstromeingangsschaltung 100 und dem Wechselrichter 101 auf einen ausreichend kleinen Wert gebracht.
Wenn der Wechselrichter im Nullspannungszustand ist, arbeiten die Halbleiterschalter des Wechselrichters als Schalter eines Gleichstromstellers, wobei die Motorwicklungen als Drosselspulen dienen. Somit ergibt sich eine Schaltung äquivalent einem Gleichstromsteller zwischen dem Eingangskondensator und dem Wechselrichter.
Bei dieser Anordnung ist ein Gleichstromstellerteil, der in einem herkömmlichen Batterieteil hoher Leistung nötig war, nicht mehr erforderlich, wodurch Größe, Gewicht und Kosten des Systems verringert werden.
Die Leistung oder Kraft zum Antrieb des Elektrofahrzeugs wird durch Antrieb eines Elektromotors mit elektrischer Leistung erzeugt, die über den Wechselrichter von der auf dem Fahrzeug befindlichen Gleichstromquelle, etwa einer chemischen Batterie, einer Motor-Generator-Kombination oder einer Brennstoffbatterie, geliefert wird, und die elektrische Leistung zum Betrieb von Hilfsmotoren wird von dem Energiespeicherelement variabler Spannung oder dem Eingangskondensator des Wechselrichters geliefert.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems für ein Elektrofahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Aufwärts-Gleichstromstellers bei dem System von 1,
3 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Abwärts-Gleichstromstellers bei dem System von 1,
4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Systems von 1 in den einzelnen Betriebszuständen des Elektrofahrzeugs,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrischen Systems für ein Elektrofahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Gleichstromstellers bei dem System von 5,
7 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Gleichstromstellers bei dem System von 7,
9 bis 15 ein viertes, fünftes, sechstes, siebtes, achtes, neuntes bzw. zehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
16 ein bekanntes elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, das eine Batterie als Leistungsquelle verwendet,
17 ein elektrisches System eines Reihenhybrid-Elektrofahrzeugs,
18 ein elektrisches System eines Parallelhybrid-Elektrofahrzeugs,
19 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Systeme der 16 bis 18 in den einzelnen Betriebszuständen des Elektrofahrzeugs,
20 eine Darstellung des Aufbaus des Gleichstromstellers bei dem System von 16,
21 den Aufbau einer Hauptschaltung eines Dreiphasen-Wechselrichters,
22 eine Schaltung zum Antrieb eines Elektromotors gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung,
23 ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, und
24 ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein elektrisches (Antriebs)System für ein Elektrofahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das System enthält einen Dreiphasen-Spannungs-Wechselrichter 101, der dem Wechselrichter 3 von 16 entspricht, einen Eingangskondensator 102 des Wechselrichters 101 und einen Dreiphasen-Wechselstrommotor 103 zum Antrieb des Fahrzeugs. Jede der drei Wicklungen 104 des Motors 103 ist an einem Ende mit dem Wechselrichter 101 verbunden, während die anderen Eden aller Wicklungen 104 unter Bildung eines Stern- oder Nullpunkts 103a miteinander verbunden sind.
In 1 bezeichnet 105 ein Energiespeicherelement variabler Spannung, dessen eines Ende mit dem Nullpunkt 103a der Motorwicklungen verbunden ist, während sein anderes Ende mit dem N-seitigen (negativen) der Eingangsanschlüsse des Wechselrichters 101 verbunden ist. Die Bezugszahl 106 bezeichnet eine Haupt-Gleichstromquelle oder -Gleichstromversorgung, die mit den beiden Enden des Energiespeicherelements 105 verbunden ist. Während bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ein Ende des Energiespeicherelements 105 mit dem N-seitigen Eingangsanschluß des Wechselrichters 101 verbunden ist, könnte es statt dessen mit dem P-seitigen (positiven) Eingangsanschluß verbunden werden.
Als Gleichstromquelle 106 kann eine chemische Batterie, eine Brennstoffbatterie, eine Motor-Generator-Kombination (eine Gleichstromquelle bestehend aus einer Kraftmaschine, etwa einem Verbrennungsmotor, einem Generator und einem Gleichrichter) oder anderes verwendet werden. Die Gleichstromquelle 106 ist vorzugsweise eine solche variabler Spannung. Als Energiespeicherelement variabler Spannung kann ein elektrischer Doppelschichtkondensator oder ein elektrochemischer Kondensator verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 2 soll die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Der besseren Übersichtlickeit halber zeigt 2 von dem Wechselrichter 101 nur dessen der a-Phase entsprechende Halbbrücke 101a. Es versteht sich, daß die nachstehende Beschreibung für die anderen Phasen in gleicher Weise gilt. In 2 werden dieselben Bezugszahlen wie in 1 zur Bezeichnung entsprechender Komponenten verwendet. Der Wechselrichter 101 ist hier wiederum als beispielhaft als Transistor-Wechselrichter dargestellt.
In 2 bezeichnet 104a1 die Wicklung der a-Phase des Motors 103, und 104a2 repräsentiert die elektromotorische Gegenkraft der Wicklung 104a mit der Größe Vm. Die Halbbrücke 101a des Wechselrichters 101 für die a-Phase enthält Transistoren 101a1, 101a2 sowie Dioden 101a3 und 101a4, die zu den Transistoren 101a1 und 101a2 jeweils antiparallel geschaltet sind.
In 2 stellt Vc die Spannung des Energiespeicherelements 105 dar, während Vi die Eingangsspannung des Wechselrichters 101 ist. Die Polaritäten dieser Spannungen Vc, Vi sind so, wie in 2 dargestellt.
Die Arbeitsweise des elektrischen Systems zum Antrieb des Motors 103 soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden.
Wenn der Transistor 101a2 unter der Voraussetzung eingeschaltet wird, daß Vc < Vm und Vi > Vc, fließt der Drosselspulenstrom I_l (der Strom durch die Wicklung 104a1) in der Richtung der mit Pfeilen versehenen gestrichelten Linie in 2. Dieser Strom nimmt langsam zu. Beim Abschalten des Transistors 101a2 fließt der Drosselspulenstrom I_l durch die Diode 101a3 in der Richtung der mit einem Pfeil versehenen strichpunktierten Linie in 2, wodurch der Kondensator 102 aufgeladen wird und der Strom allmählich abnimmt. Auf diese Weise wird die in dem Energiespeicherelement 105 gespeicherte Energie zu dem Eingangskondensator 102 der Wechselrichtereingangsschaltung übertragen. Die zum Eingangskondensator 102 übertragene Energie dient zum Antrieb des Motors 103 beim normalen Wechselrichterbetrieb des Wechselrichters 101. In 2 arbeiten die Transistoren 101a1, 101a2 sowie die Drosselspule (Wicklung 104a1) als Aufwärts-Gleichstromsteller.
Wenn die von der Gleichstromquelle 106 gelieferte Leistung kleiner ist als die vom Wechselrichter 101 zum Antrieb des Motors (d. h. während das Elektrofahrzeug beschleunigt wird) benötigte Leistung, wird der obige Betrieb so ausgeführt, daß die Leistung dem Energiespeicherelement 105 entnommen und dem Wechselrichter 101 zugeführt wird. Die Gleichstromsteller-Steuerung wird somit so ausgeführt, daß die Wechselrichtereingangsspannung auf einen bestimmten Wert gebracht wird, und die Leistung wird von dem Energiespeicherelement 105 zur Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters 101 übertragen.
Da es die oben beschriebene Steuerung ermöglicht, während der Beschleunigung des Fahrzeugs eine ausreichend große Leistung von dem Energiespeicherelement 105 an den Wechselrichter 101 zu liefern, braucht die Gleichstromquelle 106 lediglich eine mittlere Leistung für den normalen Fahrzeuglauf zu liefern, die kleiner ist als die zum Beschleunigen des Fahrzeugs erforderliche Leistung.
Die Arbeitsweise des elektrischen Systems beim Bremsen des Motors 103 soll nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben werden, die 2 entspricht. In 3 sind dieselben Bezugszahlen wie in 2 zur Bezeichnung gleicher Komponenten verwendet.
Wenn der Transistor 101a1 eingeschaltet wird und Vi > (Vc + Vm), fließt der Drosselspulenstrom I_l in der Richtung der in 3 gezeigten gestrichelten Linie und nimmt zu. Nach Abschalten des Transistors 101a1 fließt der Drosselspulenstrom I_l durch die Diode 101a4 in der Richtung der strichpunktierten Linie in 3. Da Vc kleiner als Vm ist, nimmt der Strom I_l allmählich ab. In 3 arbeiten die Transistoren 101a1, 101a2 und die Drosselspule (Wicklung 104a1) gemeinsam als Abwärts-Gleichstromsteller. Somit wird die Leistung des Eingangskondensators 102 auf das Energiespeicherelement 105 übertragen, um dieses aufzuladen.
Wenn das Elektrofahrzeug gebremst wird, wird die Bremsleistung bzw. Bremsenergie in dem Eingangskondensator 102 gespeichert, und diese rückgewonnene Leistung bzw. Energie wird durch den oben beschriebenen Abwärts-Gleichstromstellerbetrieb auf das Energiespeicherelement 105 übertragen. Wenn das System in gleicher Weise gesteuert wird wie beim Beschleunigen, so daß ein großer Teil der rückgewonnenen Energie im Energiespeicherelement 105 gespeichert wird, kann die rückgewonnene Energie, die in die Gleichstromquelle 106 eingespeist wird, verringert werden. Anders ausgedrückt, die rückgewonnene Energie, die in der Gleichstromquelle 106 gespeichert wird, kann auf nahezu Null reduziert oder erheblich verringert werden, indem der größte Teil der rückgewonnenen Energie des Elektrofahrzeugs in dem Energiespeicherelement 105 gespeichert wird.
Zur Durchführung des Aufwärts- und des Abwärts-Gleichstromstellerbetriebs in oben beschriebener Weise wird der Wechselrichter 101 in den Nullspannungszustand gebracht. In diesem Zustand kann die Halbbrücke jeder Phase des Wechselrichters 101, die in den 2 und 3 gezeigt ist, als ein einzelner Schalterarm oder Brückenzweig betrachtet werden. Infolge dieses Aufwärts- und Abwärtsbetriebs des Gleichstromstellers bestehend aus dem Brückenzweig und der Drosselspule, wird Leistung bzw. Energie zwischen dem Energiespeicherelement 105 und dem Eingangskondensator 102 während der Antriebs- und der Bremsphasen des Motors 103 übertragen, weshalb die Verantwortlichkeit der Gleichstromquelle 106 zum Laden und Entladen deutlich verringert werden kann.
4, die 19 ähnlich ist, zeigt unter (a) die Fahrzeuggeschwindigkeit V, unter (b) die Eingangsleistung Pi des Wechselrichters, unter (c) die Spannung Vc des Energiespeicherelements 105 sowie die Eingangsspannung Vi des Wechselrichters und unter (d) die Ausgangsleistung der Gleichstromquelle 106 entsprechend den einzelnen Betriebszuständen (Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit und Abbremsung) des Elektrofahrzeugs, wenn die anhand der 2 und 3 erläuterten Vorgänge ausgeführt werden. Wie man sieht, ist 4 der 19 sehr ähnlich, was heißt, daß die Schaltungsanordnung von 1, bei der der Wechselrichter 101 als Gleichstromsteller arbeitet, dieselben Wirkungen erzielt, wie sie von den Systemen der 16 bis 18 erzielt werden.
Während die Spannung Vc des Energiespeicherelements 105 variabel ist, wie in 4 gezeigt, kann das elektrische System der vorliegenden Erfindung auch mit einer konstanten Spannung arbeiten. Während die Eingangsspannung Vi des Wechselrichters beim Beispiel von 4 konstant ist, kann diese Spannung auch variabel sein.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieselben Bezugszahlen wie in 1 zur Bezeichnung entsprechender Elemente verwendet sind. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorhergehenden dadurch, daß der Eingangskondensator 102 des Wechselrichters 101 zweigeteilt ist in Kondensatoren 102a und 102b und das eine Ende des Energiespeicherelements 105 mit dem Mittelpunkt dieser Kondensatoren 102a und 102b, d. h. dem Mittelpunkt der Gleichstromeingangsspannung des Wechselrichters verbunden ist.
6, die den 2 und 3 entspricht, zeigt die Arbeitsweise eines Gleichstromstellers bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Da ein Ende des Energiespeicherelements 105 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Mittelpunkt der Eingangskondensatoren 102a und 102b verbunden ist, arbeitet die Schaltung von 6 in gleicher Weise wie die Schaltungen der 2 und 3, wenn man in den Beschreibungen der 2 und 3 Vi durch Vi/2 ersetzt. Eine weitergehende Erläuterung zu 6 erscheint damit entbehrlich.
7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem wiederum die gleichen Bezugszahlen wie in den 1 und 5 zur Bezeichnung entsprechender Elemente verwendet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Halbbrücke 107 in der Eingangsschaltung des Wechselrichters 101 parallel zum Eingangskondensator 102 vorgesehen. Die Halbbrücke 107 (Halbleiterschalterarm) enthält zwei Transistoren 107b, 107c, die in Reihe geschaltet sind, sowie Dioden 107d und 107e, von denen je eine antiparallel zu einem der Transistoren 107b und 107c geschaltet ist. Ein Ende des Energiespeicherelements 105 variabler Spannung ist mit dem Mittelpunkt 107a zwischen den Transistoren 107b und 107c verbunden. Die Arbeitsweise der Schaltung von 7 soll unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden. Wie 2 zeigt 8 lediglich den einer Phase (a-Phase) entsprechenden Teil der Schaltung von 7.
Wenn der Transistor 107b im Zustand Vm < Vc und Vc < (Vi + Vm) eingeschaltet wird, fließt der Drosselspulenstrom I_l in der Richtung der gestrichelten Linie in 8, wobei dieser Strom mit der Zeit zunimmt. Beim Abschalten des Transistors 107b ändert der Drosselspulenstrom I_l seinen Weg und fließt in der Richtung der strichpunktierten Linie in 8. Da Vc < (Vi + Vm) nimmt der Drosselspulenstrom I_l mit der Zeit ab.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die Halbbrücke 107 und die Wicklung 104a der a-Phase des Motors 103 einen Gleichstromsteller, und Energie wird zwischen dem Energiespeicherelement 105 und dem Eingangskondensator 102 dadurch ausgetauscht, daß die Halbbrücke 107 geschaltet wird, während sich der Wechselrichter 101 im Nullspannungszustand befindet. Die Leistung bzw. Energie wird unter dem Energiespeicherelement 105, dem Wechselrichter 101 und der Gleichstromquelle 106 in gleicher Weise wie bei den Schaltungen der 2 und 3 übertragen, was daher nicht noch einmal genauer beschrieben zu werden braucht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Spannungsvoraussetzungen, die den Gleichstromstellerbetrieb erlauben, bei der Schaltung der 8 und derjenigen von 1 verschieden sind.
9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich um eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels von 1 handelt. Während beim ersten Ausführungsbeispiel die Gleichstromquelle 106 mit den entgegengesetzten Enden des Energiespeicherelements 105 verbunden ist, ist die Gleichstromquelle 106 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters 101 verbunden. Die Gleichstromstellerbetriebsabläufe des Wechselrichters 101 sind die gleichen wie die in den 2 und 3 dargestellten.
Die mittlere Leistung wird von der Gleichstromquelle 106 an den Wechselrichter 101 geliefert. Die Leistung bzw. Energie wird zwischen dem Energiespeicherelement 105 und dem Eingangskondensator 102 in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel übertragen, weshalb dies hier nicht noch einmal beschrieben werden soll.
Um das System so zu steuern, daß keine Energie vom Energiespeicherelement aufgenommen oder von ihm abgegeben wird, kann der Gleichstromstellerbetrieb des Wechselrichters 101 gestoppt werden, d. h. die Ausgabe des Nullspannungszeigers vom Wechselrichter 101 kann gestoppt werden. Wenn der Gleichstromstellerbetrieb gestoppt wird, wird der Strom Ic durch das Energiespeicherelement 105 null, und es wird keine Energie zwischen dem Energiespeicherelement 105 und dem Eingangskondensator 102 übertragen.
Wenn die vom Energiespeicherelement 105 abgegebene Leistung kleiner wird als die erforderliche Eingangsleistung des Wechselrichters 101, wird die fehlende Leistung von der Gleichstromquelle 106 geliefert.
10 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels von 5 darstellt. Während bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Gleichstromquelle 106 mit den Enden des Energiespeicherelements 105 verbunden ist, ist sie bei diesem fünften Ausführungsbeispiel mit der Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters 101 verbunden. Der Gleichstromstellerbetrieb des Wechselrichters 101 und die Energiezufuhr von der Gleichstromquelle 106 sind die gleichen wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel von 5.
11 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich um eine Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels von 7 handelt. Während die Gleichstromquelle 106 beim dritten Ausführungsbeispiel mit den beiden Enden des Energiespeicherelements 105 verbunden ist, ist sie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit den entgegengesetzten Enden der Halbbrücke 107 verbunden. Der Gleichstromstellerbetrieb der Halbbrücke 107, die Energiezufuhr von der Gleichstromquelle 106 und andere Vorgänge erfolgen in gleicher Weise wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel von 7.
12 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszahlen wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zur Bezeichnung entsprechender Elemente verwendet werden.
Generell weist das Energiespeicherelement variabler Spannung eine ungenügende Fähigkeit zur Stromabsorption bzw. zur Energieaufnahme bei einer so hohen Frequenz wie der Schaltfrequenz des Wechselrichters auf. Wenn ein Energiespeicherelement, dessen Impedanz bei hoher Frequenz groß ist, bei der Schaltfrequenz des Wechselrichters verwendet wird, nimmt die Klemmenspannung des Energiespeicherelements zu, was zu erhöhten Verlusten führt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher gemäß Darstellung in 12 ein Kondensator 105a zur Aufnahme eines hochfrequenten Stroms parallel zu dem Energiespeicherelement 105 geschaltet.
13 zeigt ein elektrisches System gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Hauptteil dieses Systems ist mit dem des Ausführungsbeispiels von 1 identisch. Das System dieses achten Ausführungsbeispiels enthält zusätzlich eine Hilfsstromquelle oder Hilfsstromversorgung für ein Kraftfahrzeug, welches elektrische Hilfsmotoren zum Antrieb von Zusatzaggregaten wie etwa einer Klimaanlage mit Energie speist. Die Hilfsstromquelle 108a ist an die beiden Enden des Energiespeicherelements 105 angeschlossen. Diese Anordnung kann gleichermaßen bei den Ausführungsbeispielen der 5, 7 und 9 bis 12 vorgesehen werden.
14 zeigt ein elektrisches System gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Hauptteil dieses Systems ist mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels von 1 identisch. Das System diese neunten Ausführungsbeispiels enthält ähnlich wie das achte Ausführungsbeispiel eine hier mit 108b bezeichnete Hilfsstromquelle oder Hilfsstromversorgung, die in diesem Fall jedoch mit den beiden Enden des Eingangskondensators 102 verbunden ist. Auch diese Anordnung kann bei den Ausführungsbeispielen der 5, 7 und 9 bis 12 eingesetzt werden.
15 zeigt ein elektrisches System gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Hauptteil dieses Systems ist ebenfalls identisch mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels von 1. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine hier mit 108c bezeichnete Hilfsstromversorgung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, die mit der Gleichstromquelle 106 verbunden ist. Auch diese Anordnung kann bei den Ausführungsbeispielen der 5, 7 und 9 bis 12 eingesetzt werden.
Als nächstes sollen die Zusammenhänge zwischen der Spannung Vc des Energiespeicherelements 105, der Eingangsspannung Vi des Wechselrichters 101 und der Anschlußspannung (zwischen den Leitungen, Effektivwert) des Motors 103 erläutert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 sind diese Spannungen so festgelegt, daß die folgenden Beziehungen erfüllt sind und der Wechselrichter 101 eine normale PWM-Steuerung (PWM = Pulsweitenmodulation) ausführt: Vi ≥ Vc + Vm/√3 Vi – Vm/√3 ≥ Vc ≥ Vm/√3
Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 sind diese Spannungen so festgelegt, daß die nachstehenden Beziehungen erfüllt sind und der Wechselrichter 101 eine normale PWM-Steuerung ausführt. Vi/2 – Vm/√3 ≥ Vc ≥ Vm/√3 – Vi/2 Vi ≥ 2(Vc + Vm/√3)
Beim Ausführungsbeispiel von 7 sind diese Spannungen so festgelegt, daß sie die folgenden Beziehungen erfüllen und der Wechselrichter 101 eine normale PWM-Steuerung ausführt: Vi ≥ Vc + Vm/√3 0 ≤ Vc ≤ Vi – Vm/√3
Bei dem Ausführungsbeispiel von 7 können die obigen Spannungen auch so festgelegt werden, daß sie die nachstehenden Beziehungen erfüllen. In diesem Fall führt der Wechselrichter 101 eine normale PAM-Steuerung aus (PAM = Pulsamplitudenmodulation): Vi ≥ Vc + Vm/√3 0 ≤ Vc ≤ Vi/3
Wie voranstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Energiespeicherelement variabler Spannung, etwa ein Kondensator, zwischen den Nullpunkt oder Sternpunkt der Wicklungen des Wechselstrommotors und die Gleichstromeingangsseite des Wechselrichters geschaltet. Der Wechselrichter oder Halbleiterschalterarm kann als Gleichstromsteller arbeiten, indem die Wicklungen des Motors als Drosselspulen eingesetzt werden und der einem Nullspannungszeiger entsprechende Schaltzustand des Wechselrichters genutzt wird.
Infolge des oben beschriebenen Gleichstromstellerbetriebs wird beim Beschleunigen (Antreiben) des Elektrofahrzeugs Energie vom Energiespeicherelement entnommen und beim Verzögern (Bremsen) des Fahrzeugs kinetische Energie des Fahrzeugkörpers in dem Energiespeicherelement aufgenommen. Hieraus ergeben sich die nachstehenden Effekte:

1) Gleichstromsteller und Drosselspulen für die Gleichstromsteller, de bei herkömmlichen Systemen erforderlich waren, können entfalle,
2) die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters kann variabel gemacht werden,
3) die Größe und das Gewicht einer dieses System implementierenden Anordnung können deutlich verringert werden, und zwar unter Verringerung der Kosten, und
4) das System arbeitet mit besserem Wirkungsgrad, da der Wechselrichter mit optimalem Spannungswert betrieben werden kann.

Diese Vorteile des elektrischen Systems der vorliegenden Erfindung tragen wesentlich zur Entwicklung und zum allgemeinen Einsatz von Elektrofahrzeugen in Zukunft bei.

Claims

Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, umfassend. eine Gleichstromeingangsschaltung (100; 102), einen Spannungs-Wechselrichter (101), der mit der Gleichstromeingangsschaltung verbunden ist, an den von der Gleichstromeingangsschaltung eine Eingangsspannung angelegt wird und der eine variable Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, und einen Wechselstrommotor (103) mit mehreren Wicklungen (104), deren jeweiliges eines Ende mit einem Wechselstromausgangsanschluß des Wechselrichters (101) verbunden ist, während die anderen Enden der Wicklungen (104) zu einem Nullpunkt (103a) der Motorwicklungen zusammengeschlossen sind, gekennzeichnet durch ein Energiespeicherelement (105) variabler Spannung, das zwischen den Nullpunkt (103a) und einen Anschlußpunkt in der Gleichstromeingangsschaltung geschaltet ist, und eine Gleichstromversorgung (106), die entweder zu dem Energiespeicherelement (105) oder zu der Gleichstromeingangsschaltung (100; 102) parallel geschaltet ist, wobei der Wechselrichter (101) in einem durch einen Nullspannungszeiger repräsentierten Schaltzustand als Gleichstromsteller betreibbar ist derart, daß Energie zwischen dem Energiespeicherelement (105) und der Gleichstromeingangsschaltung (100; 102) übertragen wird.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußpunkt der Gleichstromeingangsschaltung (102), an den das Energiespeicherelement (105) angeschlossen ist, ein Ausgangsanschluß der Gleichstromeingangsschaltung ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußpunkt der Gleichstromeingangsschaltung (102), an den das Energiespeicherelement (105) angeschlossen ist, ein Mittelpunkt von Ausgangsanschlüssen der Gleichstromeingangsschaltung ist.
Elektrisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Ausgangsanschlüsse der Gleichstromeingangsschaltung (102) von einem Verbindungspunkt mehrerer in Reihe geschalteter Eingangskondensatoren (102a, 102b) gebildet wird.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromeingangsschaltung einen Halbleiterschalterarm (107) mit einer Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter-Bauelemente (107b, 107c), zu denen jeweils eine Diode (107d, 107e) antiparallel geschaltet ist, umfaßt, und daß der Anschlußpunkt der Gleichstromeingangsschaltung, an den das Energiespeicherelement (105) angeschlossen ist, der Mittelpunkt des Halbleiterschalterarms (107) ist.
Elektrisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalterarm (107) zur Ausführung eines Gleichstromstellerbetriebs ein- und ausschaltbar ist, während der Wechselrichter (101) in einem durch einen Nullspannungszeiger repräsentierten Schaltzustand ist, so daß Energie zwischen dem Energiespeicherelement (105) und der Gleichstromeingangsschaltung (102) übertragen wird.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiespeicherelement (105) einen elektrischen Doppelschichtkondensator oder einen elektrochemischen Kondensator umfaßt.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Energiespeicherelement (105) ein Kondensator (105a) zur Aufnahme eines hochfrequenten Stroms parallel geschaltet ist.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Energiespeicherelements (105) oder die an den Wechselrichter (101) angelegte Gleichspannung abhängig von den Betriebszuständen des Wechselstrommotors so steuerbar ist, daß sie konstant oder variabel ist.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (103) ein Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs ist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (103) ein Elektromotor zum Antrieb von Zusatzeinrichtungen des Fahrzeugs ist.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromversorgung (106) eine chemische Batterie umfaßt.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromversorgung (106) eine Motor-Generator-Kombination umfaßt.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromversorgung (106) eine Brennstoffbatterie umfaßt.
Elektrisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wechselrichter (101) angelegte Gleichspannung Vi, die Spannung Vc des Energiespeicherelements (105) und die Anschlußspannung (zwischen den Leitungen) Vm des Wechselstrommotors folgende Beziehungen erfüllen: V ≥ Vc + Vm/√3 und Vi – Vm/√3 ≥ Vc ≥ Vm/√3.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wechselrichter (101) angelegte Gleichspannung Vi, die Spannung Vc des Energiespeicherelements (105) und die Anschlußspannung (zwischen den Leitungen) Vm des Wechselstrommotors (103) die folgenden Bedingungen erfüllen: Vi/2 – Vm/√3 ≥ Vc ≥ Vm/√3 – Vi/2 und Vi ≥ 2(Vc + Vm/√3).
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wechselrichter (101) angelegte Gleichspannung Vi, die Spannung Vc des Energiespeicherelements (105) und die Anschlußspannung (zwischen den Leitungen) Vm des Wechselstrommotors (103) die folgenden Bedingungen erfüllen: Vi ≥ Vc + Vm/√3 und 0 ≤ Vc ≤ Vi – Vm/√3.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wechselrichter (101) angelegte Gleichspannung Vi, die Spannung Vc des Energiespeicherelements (105) und die Anschlußspannung (zwischen den Leitungen) Vm des Wechselstrommotors (103) die folgenden Bedingungen erfüllen: Vi ≥ Vc + Vm/√3 und 0 ≤ Vc ≤ Vi/3.
Elektrisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromeingangsschaltung (102) einen Kondensator (102) umfaßt, der zwischen die Ausgangsanschlüsse der Gleichstromeingangsschaltung als Eingangskondensator des Wechselrichters (101) geschaltet ist.