DE3318909A1

DE3318909A1 - Schutzschaltung fuer elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE3318909A1
Application number: DE19833318909
Authority: DE
Inventors: Jean B. Charlottesville Va. Clark; Robert Carl Clark; Charles Edward N.E. Roanoke Va. Konrad
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-05-25
Publication date: 1983-12-08
Also published as: JPH0219681B2; US4449080A; GB8311850D0; GB2122040B; DE3318909C2; JPS592502A; GB2122040A

Description

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91O2-21IY-O2442

GENERAL· ELECTRIC COMPANY

Beschreibung Schutzschaltung für Elektrofahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf Leistungsregelungssysteme für
durch einen elektrischen Traktionsmotor angetriebene Fahrzeuge und insbesondere- auf eine Sicherheits- und Schutzschaltung für eine Verwendung in derartigen Systemen.

In vielen elektrischen Fahrzeugen werden elektronische Leistungsregler verwendet, um das Drehmoment oder die Drehzahl zu regeln, die durch die elektrischen Traktionsmo^j:ore, die das
Fahrzeug antreiben, entwickelt werden, üblicherweise weist der Regler eine Zeitverhältnis-Steuerung oder eine Zerhackerschaltung auf, die die durch die Motoren entwickelte Leistung variieren, indem die prozentuale Zeit gesteuert wird, während der
die Motoren mit einer Leistungsquelle verbunden sind. Die Zerhacker schaltung kann entweder eine Transistor- oder eine Thyristors chaltung sein. In jeder Fall ist ein mechanischer Nebenschlußschalter im allgemeinen parallel zur Zerhackerschaltung
geschaltet. Der Nebenschlußschalter wird für ein hohes Leitfähigkeitsverhältnis (hoher Strom) der Zerhackerschaltung geschlossen, um die thermische Beanspruchung auf die Festkörperkomponenten auf ein Minimum zv. senken.

Das Fahrzeugsystem enthält auch ein Reihenschü-z, das durch
einen Schloßschalter betätigt werden kann, um den Regler und
den Motor mit der Leistungsquelle zu verbinden.

Es ist bekannt, daß die Kontal·,tspitzen des Nebenschlußschützes in einem geschlossenen Zustand versagen können, beispielsweise weil die Spitzen durch einen plötzlichen Stromstoß beim Schlies·

sen miteinander verschweißt were en können. Es ist auch bekannt, daß die Zerhackerschaltung in einem Kurzschlußzustand versagen kann. Wenn ein Versuch gemacht wird, ein Fahrzeug zu starten, bei dem dieser fehler besteht, werden große Ströme in den Motoren beim Schließen des Reihenschützes entwickelt. Obwohl ein Gleichstrom-Reihensch.-ußmotor durch die relativ hohe Impedanz der Feldwicklung einigermaßen geschützt ist, ist der Anker eines fremderregten Motors nicht so geschützt. Tatsächlich kann bei einem 84 Volt-S%stern der Ankerstrom schnell auf über 3000 A springen, wodurch eine schwere Beschädigung des Ankers hervorgerufen wird.

Noch wichtiger ist jedoch die Möglichkeit, daß das Hauptschütz im Schließzustand verschweißt wird, aufgrund eines Fehlers des Nebenschlußschalcers oder der Zerhaokerschaltung. Ein derartiger FehlerzustanI könnte dazu führen, daß das Fahrzeug durchgeht.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schutzsystem für eine Leistungsre ge .einrichtung in einem elektrischen Gleichstrommotor zu schcffi-n. Dieses Schutzsystem soll einen Fehlerzustand eines Leisturgsieglers oder eines Nebenschlußschützes feststellen und eine Betätigung der Regeleinrichtung hemmen bzw. verhindern.

Erfindungsgemäß vird eine Fehlerabtast- und Hemmschaltung für ein Festkörper-Leistungsregelungssystem für einen elektrischen' Gleichstrommotor geschaffen. Das Leistungsregelungssysten enthält einen schaltenden Regler zum Regeln der dem Motor zugeführten Leistung, ein Nebenschlußschätz, das dem Regler parallel geschaltet ist_f und ein Hauptschütz zum Verbinden des Reglers und des Motors mit einer Leistung:quelle. Die Fehlerabtastschaltung enthält einei Spannungsteiler, der an die Leistungsquelle angeschlossen ist,wobei ein Zwischenpunkt mit dem Knotenpunkt zwischen den Haupr- und Nebenschlußschützen verbunden ist. Vor dem Erregen bzw. Speisen der Schütze oder des Reglers wirα ein Fehler durch das Potential an dem Zw-schenpunkt des Spannongs-

teilers angezeigt, das entweder auf einen hohen oder einen niedrigen Wert geht. Die Hemm- bzw. Sperrschaltung spricht auf die Spannung am Zwischenpunkt an und verhindert die Leistungszufuhr zum System, indem die Betätigung der Steuer- bzw. Treiberschaltung des Hauptschützes gesperrt wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein vereinfachtes, schematisches Schaltbild von dem Stromkreis eines elektrischen Gleichstrommotors,

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild von der erfindungsgemäßen Sicherheits- und Schutzschaltung für den Stromkreis gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes, schematisches Schaltbild von einer Leistungsregelung oder einer Reglerschaltung für einen fremderregten Gleichstrommotor gezeigt. Der Gleichstrommotor weist einen Anker 10 und eine Feldwicklung 12 auf- Die Gleichstromquelle, die hier als eine Batterie 14 gezeigt ist, liefert Gleichstrom an das Motorfeld und den Anker. Ein relativ positiver Pol der Batterie 14 ist mit einer Gleichstrom-Sammelleitung 16 durch ein Hauptschütz 18 verbunden. Die· Motorfeldwicklung 12 ist in einer Brückenar.ordnung geschaltet durch mehrere Vorwärts- und Rückwärtskontakte, die mit V bzw. R bezeichnet sind. Durch öffnen der V-Kontakte und Schließer, der R-Kontakte kann die Richtung der Drehung des Ankers 10 umgekehrt werden. Die Feldwicklung 12 ist zwischen die Stromsammelleitung 16 und einen relativ negativen Pol der Batterie 14 durch eine Stromreglerschaltung 20 geschaltet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Stromreglerscialtung 20 eine transistorisierte Zerhackerschaltung, die den durchschnittlichen Strom durch die Feldwicklung 12 steuert, indem zwischen den leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet wird. Eine Freilaufdiode 22, die der Feldwicklung 12.parallel geschaltet ist, bildet einen

Feldstrompfad für induktive Str ime während der nicht-leitenden Zeitintervalle der Zerhacker schaltung 20. Ein Stroiashunt 24, der mit der Feldwicklung 12 in :^eihe geschaltet ist, liefert . ein Ausgangssicnal, das den mit-.leren Feldstroin anzeigt, wobei dieses Signal curch eine nicht-^ezeigte Regelungsanordnung verwendet wird zuir Regeln der Leit'ähigkeits-Zeitintervalle der Zerhacker schaltung 20, um einen gewünschten Wert des Feildstroms zu erhalten.

Der Anker 10 ist in ähnlicher Weise mit der Stromsammelleitung 16 durch eine Zerhacker schaltun«.' 26 verbunden. Ein Stromshunt 28 ist zwischen den Anker und die Stromquelle 14 geschaltet. -⁴^ Eine Freilauf diode 30 ist dem Ai.ker 10 parallel geschaltet, um einen Strompfac für den Ankerst: om während der nicht-leitenden Zeit der Zerhackerschaltung 26 ;u bilden. Ein Nebenschlußschütz 32 ist der Zerhackerschaltung 2f parallel geschaltet. Eas Nebenschlußschütz 32 ist geschlossen, wenn das Leitfähigkeits-Zeitverhältnis der Zerhackerschaltuig 26 sich eins nähert, um die thermische Beanspruchung auf die Zerhackerschaltung bei hohem Leitfähigkeitswerten auf ein Mir irnum zu senken.

Im Betrieb der Leistungsschalturg gemäß Fig. 1 liefert eine nicht-gezeigte Regelungsanordnurg zunächst ein Erreguncs- bzw. Speisesignal, u.ti das Hauptschüti 18 zu schließen und danach liefert sie Steaersignale an die Zerhackerschaltung 20 und die Zerhackerschaltong 26, um den Strom in dem Anker 10 und der Feldwicklung 12 zu steuern, um einen gewünschten Wert des Ausgangsdrehmoments zu erhalten. Dje Regelungsanordnung kann in verschiedener Waise aufgebaut sein, beispielsweise wie es in der US-PS 3 843 912 beschrieben ist. Eine Regelungsanordnung, die speziell für einen fremderregten Motor angepaßt ist, ist in einer anderen Akte der Anmelcerin P ... (Anwaltszeichen: 9101-21IY-02411) angegeben. Wenr sich der Motoranker 10 zu drehen beginnt, baut sich seine gegen-elektromotorische Kraft auf, und die Leitfähigkeitspericde für die Zerhackerschaltung 26 wächst an , am den erwünschten Stromwert für die gewlnschte

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Größe des Drehmomentes zu erzwingen.Wenn sich das Leitfähigkeits-Zeitverhältnis der Zerhackerschaltung 26 100 % nähert, wird das Nebenschlußschütz 32 geschlossen, um dadurch den Anker 10 direkt an die Batterie 14 zu legen. Wenn das Schütz 32 verschweißen sollte, sind anschließende Versuche der Steuerschaltung, das Ausgangsdrehmoment des Mctofs zu verändern, ohne Erfolg, da die Zerlackerschaltung 26, obwohl sie auf die Steuerschaltung anspricht, nicht in der Lage ist, den Strom des Ankers 10 zu modulieren bzw. zu verändern. In derartigen Fällen überwacht eine Fehlerdetektorschaltung (nicht gezeigt;) normalerweise die Zusammenschaltung von Zerhackerschaltung 26 und Schütz 32 unl öffnet das Hauptschütz 18, wenn eine Fehlfunktion in der Zerh jckerschaltung 26 oder dem Schütz 32 festgestellt wird. Eine darartige Fehlerdetektorschaltung ist in der US-PS 3 914 675 beschrieben.

Wenn die Steuerschaltung wegen einer Fehlerfeststellung abgeschaltet hat, wird die Bedien·mgsperson bzw. der Fahrer gelegentlich versuchen, das Fahrzeug zu einer Reparatürstation zu bewegen, indem das Hauptschüt.: 18 wiederholt geöffnet und geschlossen wird. Wie vorstehen;! bereits ausgeführt wurde, kann dabei ε>ίη Strom von mehr als iOOO A durch den Motoranker flies sen. Weiterhin können solch hohe Ströme die Kontaktstücke des Schützes 18 verschweißen, wodurch der Anker direkt und ohne jeden Schutz an die Batterie ungelegt wird.

Neben der Möglichkeit des Versagens des Schützes 32 kann auch die Zerhackerschaltung 20 in t-inem kurzgeschlossenen Zustand versagen. Obwohl der letztgenannte Fehler nicht so ernsthaft wie das Versagen der Zerhackerschaltung 26 ist, so verhindert er doch die Steuerung des Motors, da er einen vollen Feldstrom zur Folge hat, der die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit auf weniger als die halbe Geschwii.digkeit begrenzt, und er kann auch übermäßige Feldtemperatuj en innerhalb von 30 Minuten zur Folge haben. Es ist auch mögl;ch, daß das Haupzschütz 18 in einem geschlossenen Zustand verschweißt, obwohl, die Regler-

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schaltungen 20 and 26 und das Schütz 32 weiterhin betriebsfähig sind. Sei ostverständlich würde es nicht ratsam sein, das System unter derartigen Bedingungen zu betreiben, da jeder anschließende Fehler von entweder den Regelschaltungen 20 oder 2 6 oder dem Nebenschlußschütz 32 einen Durchgeh-Zustand mit der damit verbundenen Beschädigung der Elektronik und des Motors in dem System zur Folge haben könnte.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Fehlerabtast- und Hemmschaltung gezeigt. Ein erster Spannungsteiler, der in Reihe geschaltete Widerstände 34 und 36 aufweist; ist an die Batterie 14 angeschlossen. In einem bevorzugten Ausfüh- ·***"· rungsbeispiel haben die Widerstände 3 4 und 36 den gleichen Widerstandswert, so daß ein Knotenpunkt 38 zwischen der' zwei Widerstanden auf etwa der halben Batteriespannung liegt. Der __ Knotenpunkt 38 ist mit einem Punkt auf der Sammelleitur g 16 zwischen dem Schütz 18 und dem Schütz 32 verbunden. Infolgedessen ist der Widerstand 34 dem Schütz 18 parallel geschaltet und der Widerstand 36 ist dem Motoranker 10 und der. Schütz 32 parallel geschaltet. Wenn also das Schütz 18 im geschlossenen Zustand verschweiß^ist, steigt die Spannung am Knotenpunkt 38 auf die Batteriespannung an. Wenn dagegen das Schütz 32 im geschlossenen Zustand verschweißt ist, ist die Spannung am Knotenpunkt 38 im wesentlichen auf dem negativen oder ersten Potential der Eatterie. Der Knotenpunkt 38 ist auch auf oder nahe dem Erdpctential, wenn der Regler 20 oder der.Reeler in einem fehlerhaften Kurzschlußzustand ist.

Weiterhin ist ein zweiter Spannungsteiler der Batterie 14 parallel gescheltet, der die Reihenschaltung aus Widerständen 40, 42 und 44 aufweist. Ein Knotenpunkt zwischen den Viderständen 40 und 42 ist mit einem invertierenden Eingang eines Spannungskomparators 46 verbunden. Ein Knotenpunkt zwischen den Widerständen 42 und 44 ist mit einem nicht-invertierenden Eingang eines Comparators 48 verbunden. Ein nicht-invertierender Eingang des Komparators 46 i_st mit dem Knotenpunkt 38 verbunden, genauso wie der invertierende Eingang des Komparators 48. Der Ausganc des Komparators 46 ist mit einem ersten Eingang

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eines Dioden-OR-Gatters 50 νei bunden. Ein zwei-er Eingang des OR-Gatters 50 ist mit dem Ausgang des !Comparators 48 verbunden. Em Ausgang des OR-Gatters 50 ist mit ein ton SET-Eingang eines verriegelnden Flipflops 52 verbunden. Ein Hochziehwiderstand 54 verbindet den Ausgang des OR-Gatters 50 mit einer positiven Spannungsguelle₍ und ein Belastungswiderstand 56 verbindet diesen Ausgang mit einem gemeinsamen oder Erdanschluß.

Ein Ausgangsanschluß des Flipflops 52 ist mit einem ersten Eingang eines AND-Gatters 60 \erbunden. Der Ausgang des AND-Gatters 60 ist über einen Widerstand 62 mit der Basis eines Transistor-Stromtreibers 64 verbunden. Eine Benätigungsspule 66 für das Hauptschütz (mC) 1 £ ist zwischen den Kollektor des Trans is tor treibe rs- 64 und den positiven Pol der Batterie 14 geschaltet. Der Emitter des Transistortreibers 64 ist mit dem negativen Pol der Batterie 14 verbunden.

Ein Eir.gangsanschluß 68 ist se verbunden, daß ^r von der nichtgezeigten Steuerschaltung des Fahrzeugs einen Ansprechbefehl empfängt. Wie bereits ausgeführt wurde, kann d-;r Ansprechbefehl einfach das Drehen eines Schlüsselschalter sein. Der Ansprechbefehl fließt durch eine Differenzierschaltung, die einen Kondensator 7o und einer, damit in Reihe geschalteten Widerstand 72 aufweist, wobei der eine Anschluß des Widerstands 72 mit dem negativen Pol der Eatterie verbünde:! ist. Der Knotenpunkt zwischen dem Kondensator 70 und dem Widerstand 72 ist mit einem Auslöse-EingangsanschluE (CLEAR bzw. CLR des verriegelnden Flipflops 52 verbunden. Der Ansprechbefehl am Anschluß 68 wird auch in eine Integrierschaltung eingegeben,die eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 74 und einem Kondensator 7 6 aufweist, wobei der eine Anschluß des Kondensators 76 mit dein ■gemeinsamen Anschluß der Batterie verbunden is~. Der Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 74 und dem Kondensator 76 ist mit einem zweiten Eingang des AND-Gatters 60 verbunden.

Wenn irr. Betrieb die Spannung em Knotenpunkt 38 auf dem Mittelwert der Batteriespannung ist, wodurch angezeigt wird, daß weder

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das Schütz 18 roch das Schütz 3;^ und auch keine der Zerhackerreglerschaltuncen 20 oder 26 fehlerhaft sind, werden die Komparatoren in einem Zustand geha.ten, in dem ihre beiden Ausgangs spannunger, eine logische e..ns darstellen. Demzufolge ist die Ausgangsgröße des OR-Gatten- 50 auf einer logischen eins und diese logische eins wird a:. den SET-Eingang des Flipflops 52 angelegt. Wenn anschließend t-in Ansprechbefehl an den Anschluß 68 angelegt wird, erscheint ein Auslösesignal unverzüglich an dem Auslöse-Anschluß der Flipflops 52, wodurch dessen Ausgangssignal eine logische eins wird. Nach einer kurzen Zeitverzögerung, die durch die rela-.iven Werte des Widerstandes 74 und des Kondensators 76 bestimm-: ist, erscheint der Auslösebefehl als eine logische eins am zweiten Eingang des AND-Gatters 60. Wenn nun beide Eingänge ein«.? logische eins erhalten, wird ein Signal vom AND-Gatter 60 an die Basis des Transistcrtreibers 64 geliefert, vodurch dieser durchschaltet und dadurch gestattet daß das Hauptschütz anspricht. Die Differenzierschaltung sorgt dafür, daß das Auslöse-Signal nur für ein kurzes Zeitintervall, beispielsweise 100 Millisekunden, vorhanden ist. Die Integrier-, schaltung liefert etwa nach dem gleichen Zeitintervall eine ι Verriegelungsfiinktion, um das H.;uptschütz erregt zu ha] ten. ·

Falls entweder das Hauptschütz oder das Nebenschlußschütz oder die Zerhackerschaltung 20 oder die Zerhackerschaltung 26 in einen fehlerhaften Zustand komm':, steigt die Spannung am Knotens punkt 38 entweder über ihren Mi~telpunktswert oder sie fällt unter ihren Mittelpunktswert. In jedem Fall tastet einer der Komparatoren 46 oder 48 die Abweichung von der Mittelpunktspannung ab und erzeugt an seinem entsprechenden Ausgang ein Ausgangssignal entsprechend einer logischen null. Dieses eine logische null darstellende Signal fließt durch das OR-Gatter 50 und legt eine logische null an den SET-Eingang des Flip flops 52 Wenn das Auslösesignal anschließend an den Anschluß 68 angelegt wird, wird das von dem Flipflop 52 entwickelte Ausgangssignal eine logische null. Dieses Signal hemmt bzw. sperrt soir.it das AND-Gatter 60, wodurch verhindert wird, daß der Transistortreib

BAD ORi&INAL

64 dxir ^hschaltet und daß das Hauptschütz 18 erregt wird. Die Werte der Widerstände 40,- 4 2 und 44 sind so gewählt, daß sie für eiaen entsprechenden Bereich von Spannungen um den Mittelpunkt der Batterie herum sorgen, um unbeabsichtigte Hemm- bzw. Sperrfunktionen zu verhindern. Werte von 22 k-TL für die Widerstände 40 und 44 und ein Wert von 10 kSL für den Widerstand 42 bilden einen Bereich von 40 - 60 % der Batteriaspannung.

Wenn während normaler Betriebsbedingungen entweder die Zerhackerschaltang oder das Nebenschlußschütz 32 versagen bzw. fehlerhaft werden sollten, liefert die vorstehend beschriebene Fehlerabtastschaltung ein Ausgangssignal, damit das Hauptschütz 18 zwangsweise abfällt. Dieses Ausgangssignal wird an cen Auslöse-Eingang des Flipflops 52 angelegt, wodurch dessen Ausgangsgröße sofort auf eine logische null umschaltet. Die logische null tritt am Ausgang des Flipflops 52~auf, da während des Eetriebes bei geschlossenem Schütz 18 das Ausgangssigna-1, das durch den Komparator 46 oder den Komparator 48 entwickelt wird, eine logische null ist, wodurch eine logische null an den SET-Eingang des Flipflops 52 angsiegt wird.

Danach wird die Sicherheitsschaltung abtasten, daß entweder die Schütze im geschlossenen Zustand verschweißt sind oder daß die Reglerschaltungen in einem KurzSchlußzustand sind, und sie wird jede weitere Betätigung des Hauptschützes 18 hemmen bzw. sperren.

Claims

P a tentans prü ehe-

1. Fehlerabtast-- und Sperrschaltur.g für eine Leistungsregeleinheit in einem durch einer, elektrischen Traktionsmotor angetriebenen Fahrzeug, wobei die Regeleinheit eine Zerhackerschal- ung zum Fegein der dem Motor zugeführten Leistung und e: η Nebenschlußschatz zum Shunten der Zernackerschaltung, wenn die prozentuale Durchschaltzeit der Zerhackerschal·- ung einer, vorbestimmten Wert überschreitet, und ein Hauptscl· ütz aufweist zurr Verbinden des Motors, der Zerhackerschaltung und einer Leistungsquelle in einer Reihenschaltung, gekennzeichnet durch

a) einen ersten Spannungsteiler (34, 36), der der Leistungsquelle (Ί4) parallel gescialtet ist,

b) Mittel zvjTi Verbinden eines Zwis-henpunktes des ersten Spannungsteilers irit einen Punk" (38) zwischen dem Hauptschütz (18) und dem Nebenschluß schütz (32),

c) Mittel (.'6, 48) zum Vergl?ichen der Spannung an dem Zwischenpunkt (38) des ersten Spannungsteilers (34, 36) mit einer, vorbestimmten Bereich von Spannungswerten und

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d) Kittel (50, 52, 60) zum Sperren des Betrzebs des Hauptschützes (18), wenn die Spannung am Zwischenpunkt (38) außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Spannungswerten ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch ge-kennzeichnet, daß der Motcr ein fremderregter Motor ist und die Zerhackerschaltung (26) mit dem Anker (10) des Motors in Reihe geschaltet ist und die Leistungssteuereinheit ein an Stromregler (20) aufweist, der mit der Feldwicklung (12) des Motors zwischen dem Punkt (38) zwischen dem Hauptschütz (18) unc den Nebenschlußschütz (32) und einem Pol der Leis-ungsquelle (14) in Reihe geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmittel aufweisen:

a) einen zweiten Spannungsteiler (40, 42, 44), der der Leistungsquelle (14) parallel geschaltet ist,

b) einen ersten Spannungskomparato.- (46) , vcn dem ein erster Eingang mit einem auf einer relativ hohen Spannung liegenden oberen Punkt des zweiten Spannungsteilers verbunden und von dem ein zweiter Eingang mit dem Zwischenpunkt

(38) des ersten Spannungsteilers verbunden ist, und daß der erste Spannungskonparator (46) ein SET-Eignal liefert, wenn die Spannung am r.wischenpunkt (38) die Spannung an dem ersten Eingang überschreitet,

c) einen zweiten Spannungskomparator (48), von dem ein erster Eingang mit eimern auf einer relativ niedrigen Spannung liegenden oberen Punkt des zweiten Spannungsteilers verbunden ist und von dem ein zweiter Eingang mit dem Zwischenpunkt (38) des ersten Spannungsteilers verbunden ist, und da£ der zweite Spannungskomparator (48) e.n SET-Signal liefert, wenn die Spannung des Zwischenpunkts (38) kleiner ist als die Spannung am ersten Eingang, und

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d) Mittel zi~m Zuführen des SET-Signales von den ersten und zweiten iamparatoren zu den Sperrmitteln.