ELECTRIC BATTERY-POWERED ROAD VEHICLE

Abstract: 1. Battery-electric road vehicle containing a separately excited direct-current motor (6) including armature-current regulators (5) and field-current regulators and an on-board battery charging device consisting of a high-level voltage controller connected in series with a low-level voltage controller and having a common capacitor (33), the high-level voltage controller and the low-level voltage controller comprising in each case at least one transistor (14 resp. 28), a choke coil (13 resp. 26) and a free-wheeling diode (31 resp. 29) and the input of the high-level voltage controller being adapted to be connected via a rectifier bridge circuit (35) to an alternating-current mains (38, 40) and the output of the low-level voltage controller being connected to the high-performance battery (1) of the vehicle, characterised by the following features : - the rectifier bridge circuit (35) can be connected via first switches (21b, 21c) to mains terminals (38, 40), the first switches (21b, 21c) being adapted to be closed as a function of the voltage amplitude (Ud ) at the common capacitor (33) of the high-level voltage controller (13, 14, 31) and the low-level voltage controller (26, 28, 29), - in the path of the positive line between the high-performance battery (1) and the output of the low-level voltage controller, a second switch (21a) is arranged which can be closed as a function of the voltage amplitude (Ud ) at the capacitor (33), - third switches (17a, 17b) are connected to the high-performance battery (1), which switches can be closed as a function of the presence of an alternating voltage at the mains terminals (38, 40), - in the path of the positive line between the third switch (17a) and the capacitor (33), a resistance (18) and a diode (20) are arranged in series, - between the output terminals of the low-level voltage controller of the on-board battery charging device, a push-pull converter (24) is connected which can be switched into circuit in vehicle operation and at the output terminals (25) of which a battery for auxiliary units is connected which has a lower voltage than that of the high-performance battery (1), - in vehicle operation, the high-level voltage controller of the on-board battery charging device is used as low-level voltage controller for the field current, in that the field winding (7) of the direct-current motor (6) is connected via fourth switches (8a, 8b), which can be closed in vehicle operation, to the positive input and output terminals of the high-level voltage controller, and - the high-performance battery (1) is connected to fifth switches (3a, 3b), which can be closed in vehicle operation, these fifth switches (3a, 3b) being connected to the armature current controller (5) with the series-connected armature of the direct-current motor (6) and, via a diode (12), to the capacitor (33).

Description: Elektrospeicher-Strassenfahrzeuq Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrospeicher-Strassenfahrzeug mit einem fremderregten Gleichstrommotor mit Ankerstromsteller und Feldstromsteller und mit einem Bord-Batterieladegerät, bestehend aus der Reihenschaltung eines Hochsetz steller und eines Tiefsetzstellers mit gemeinsamem Kondensator, wobei Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller jeweils mindestens einen Transistor, eine Drosseispule und eine Freilaufdiode aufweisen, der Hochsetzsteller eingangsseitig über eine Gleichrichterbrückenschaltung mit einem Wechselstromnetz verbindbar ist und der Ausgang des Tiefsetzstellers mit der Leistungsbatterie des Fahrzeuges beschaltet ist. Ein Bord-Batterieladegerät für ein derartiges Elektrospei cher-Strassenfahrzeug ist aus der Patentanmeldung P 31 04 965.6 bekannt (siehe insbesondere Fig. 3). Unter den Begriffen "Tiefsetzsteller" und "Hochsetzsteller" werden Gleichstrompuls wandler verstanden, wie sie z.B. aus Heumann/Stumpe, "Thyristoren", 1974, Teubner-Verlag Stuttgart, Seite 147, Bild 147.in und b bekannt sind. Der Hochsetzsteller eignet sich zur sinusförmigen Stromentnahme aus einem Wechselstromnetz. Für Batteriespannungen, die kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung des ladenden Wechselstromnetzes sind, ist ein zweites Stellglied zur Spannungsanpassung, der Tiefsetzsteller notwendig. Das bekannte Bord-Batterieladegerät dient zum Laden einer Batterie mit sinusförmigem Netzstrom unabhängig vom Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung und kann bedingt durch sein geringes Gewicht als zusätzliches Gerät auf dem Fahrzeug mitgeführt werden. Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, die elektronischen Stellglieder für das Elektrospeicher-Stra ssenfahrzeug so zu konzipieren, dass sie ausserhalb des Fahrbetriebes zu einem Bord-Batterieladegerät für die Leistungsbatterie des Fahrzeugs kombiniert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Elektrospeicher-Strassenfahrzeug mit den folgenden Merkmalen gelöst: - die Gleichrichterbrückenschaltung ist über erste Schal ter mit Netzanschlussklemmen verbindbar, wobei die er sten Schalter in Abhängigkeit von der Spannungshöhe am gemeinsamen Kondensator von Hochsetzsteller und Tief setzsteller schliessbar sind, - im Zuge der positiven Leitung zwischen Leistungsbat terie und Ausgang des Tiefsetzstellers ist ein zwei ter in Abhängigkeit von der Spannungshöhe am Konden sator schliessbarer Schalter angeordnet, - an die Leistungsbatterie sind in Abhängigkeit vom Vor liegen einer Wechselspannung an den Netzanschlussklemmen schliessbare dritte Schalter angeschlossen, - im Zuge der positiven Leitung zwischen drittem Schal ter und Kondensator sind ein Widerstand und eine Diode in Reihe angeordnet, - zwischen den Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers des Bord-Batterieladegerätes ist ein im Fahrbetrieb zuschalt barer Gegentaktwandler geschaltet, an dessen Ausgangs klemmen eine Nebenaggregate-Batterie geringerer Spannung als die der Leistungsbatterie liegt, - der Hochsetzsteller des Bord-Batterieladegerätes dient im Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller für den Feldstrom, in dem die Feldwicklung des Gleichstrommotors über im Fahrbetrieb schliessbare vierte Schalter an die positive Eingangs- und Ausgangsklemme des Hochsetzstellers ange schlossen ist, - die Leistungsbatterie ist mit im Fahrbetrieb schliess baren fünften Schaltern verbunden, wobei an diesen fünften Schaltern der Ankerstromsteller mit in Reihe liegendem Anker des Gleichstrommotors sowie über eine Diode der Kondensator angeschlossen sind. Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Bord-Batterieladegerät aus Einzelkomponenten besteht, die auch für den Fahrbetrieb des Elektrospeicher-Strassenfahrzeuges eingesetzt werden. Es sind also weder ein getrenntes Ladegerät noch zusätzliche Stellglieder notwendig, sondern das Bord-Batterieladegerät wird durch Kombination aus dem Feldstromsteller und dem Ladewandler für die Nebenaggregate-Batterie erhalten. Vorteilhaft sind Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller am gleichen Kondensator angeschlossen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung ist das erfindungsgemässe Elektrospeicher-Strassenfahrzeug mit dem Bord-Batterieladegerät dargestellt. Eine Leistungsbatterie 1 des Fahrzeuges ist über ihre positive Anschlussleitung, einen Anschlusspunkt 2, einen Schalter 3a und einen Anschlusspunkt 4 mit einem Ankerstromstel ler 5 verbunden. Der Ankerstromsteller 5 speist den Ankerstromkreis eines Gleichstrommotors 6. Der Ankerstromkreis ist desweiteren über einen Schalter 3b an die negative Anschlussleitung der Batterie 1 angeschlossen, wobei die Schalter 3a, 3b miteinander gekoppelt sind. Die fremderregte Feldwicklung des Motors 6 ist über einen Schalter 8a, einen Anschlusspunkt 9, eine Sicherung 10, einen Anschlusspunkt 11 und eine Diode 12 mit dem Anschlusspunkt 4 verbunden. Der weitere Anschluss der Feldwicklung 7 liegt über einem Schalter 8b, einer Drosselspule 13 und einem Transistor 14 am Anschlusspunkt 15, der über den Schalter 3b und einen weiteren Anschlusspunkt 16 mit der negativen Anschlussleitung der Batterie 1 verbunden ist. Die Schalter 8a und 8b sind miteinander gekoppelt. Mit dem Anschlusspunkt 2 ist ein Schalter 17a verbunden, der über einen Widerstand 18, einen Anschlusspunkt 19 und eine Diode 20 am Anschlusspunkt llSliegt. Ein mit dem Schalter 17a gekoppelter Schalter 17b ist zwischen den Anschlusspunkten 15 und 16 angeordnet. Mit dem Anschlusspunkt 2 ist ferner ein Schalter 21a verbunden, der über eine Sicherung 22 und einem Anschlusspunkt 23 an einem Gegentaktwandler 24 liegt. Der Gegentaktwandler 24 ist ferner mit dem Anschlusspunkt 15 verbunden und besitzt Ausgangsklemmen 25, an die eine Nebenaggregate-Batterie angeschlossen ist. Am Anschlusspunkt 23 liegt ferner eine Drosselspule 26, die andererseits über einen Anschlusspunkt 27 und einen Transistor 28 mit dem Anschlusspunkt 9 verbunden ist. Zwischen den Anschlusspunkten 27 und 15 liegt eine Diode 29. Zwischen den Anschlusspunkten 9 und 15 kann eine Fahrzeugheizung 30 angeschlossen sein. Am Anschlusspunkt 9 liegt eine Diode 31, die über einen Anschlusspunkt 32 mit dem Transistor 14 verbunden ist. Zwischen den Anschlusspunkten 9 und 15 liegt desweiteren ein Kondensator 33. Der Anschlusspunkt 15 liegt am negativen Anschluss einer Gleichrichterbrückenschaltung 35. Der positive Anschluss der Brücke 35 liegt am Verbindungspunkt von Drosselspule 13 und Schalter8n. Der eine Wechselspannungsanschluss der Brücke 35 liegt über einem Schalter 2lb,einem Anschlusspunkt 36 und einem Schalter 37a an einer Netzanschlussklemme 38. Der weitere Wechselspannungsanschluss der Brücke 35 liegt über einem Schalter 21c, einem Anschlusspunkt 29 und einem Schalter 37b an einer weiteren Netzanschlussklemme 40. Die Schalter 21b und 21c sind miteinander und mit dem Schalter 21a gekoppelt. Das die Schalter 21a, 21b, 21c ansteuernde Relais 21d ist zwischen den Anschlusspunkten 15 und 19 angeordnet. Das die Schalter 17a und 17b ansteuernde Relais 17c liegt zwischen den Anschlusspunkten 36 und 39. Die Schalter 37a, 37b sind ebenfalls miteinander gekoppelt. Die Spannung der Leistungsbatterie 1 ist mit UB, die Spannung am Kondensator 33 mit Ud sowie die Spannung zwischen den Netzanschlussklemmen 38 und 40 mit uL (Netzwechselspannung) bezeichnet. Der Feldstromsteller besteht aus den Bauteilen Transistor 14, Diode 31 (Freilaufdiode), Drosselspule 13 und ist an den Kondensator 33 (Stützkondensator) angeschlossen. Der Feldstromsteller hat im Fahrbetrieb die Aufgabe, den Feldstrom des fremderregten Gleichstrommotors 6 zu stellen. Im Fahrbetrieb sind die Schalter 3a, 3b und 8a, 8b geschlossen und sämtliche weitere Schalter geöffnet. Damit ergibt sich ein Stromfluss im Ankerkreis vom positiven Anschluss der Leistungs batterie 1 über den geschlossenen Schalter 3a, den Ankerstromsteller 5 (= Halbleiterstellglied für den Ankerstrom), den Anker des Gleichstrommotors 6 und den geschlossenen Schalter 3b zum negativen Anschluss der Leistungsbatterie 1. Der Kondensator 33 wird über die geschlossenen Schalter 3a, 3b, die Diode 12 und die Sicherung 10 aufgeladen, so dass die Spannung Ud am Kondensator 33 ungefähr der Spannung UB an der Leistungsbatterie 1 beträgt. Der am Kondensator 33 angeschlossene Feldstromsteller arbeitet im Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller (Längssteller) und es ergibt sich ein Feldstromfluss über den geschlossenen Schalter 8a, die Feldwicklung 7, den geschlossenen Schalter 8b, die Drosselspule 13 und den leitenden Transistor 14 bzw. ein Kreisstrom über die geschlossenen Schalter 8a, 8b, die Feldwicklung 7, die Drossel 13 und die Diode 31, wenn der Transistor 14 sperrt. Ein Tiefsetzsteller ist z. B. aus Heumann/Stumpe "Thyristoren", 1974, Seite 147, Bild 147.la bekannt. Das Elektrospeicher-Strassenfahrzeug weist desweiteren einen Ladewandler, bestehend aus einem Tiefsetzsteller (Längssteller) und einem Gegentaktwandler 24 auf. Der Tiefsetzsteller des Ladewandlers besteht aus dem Transistor 28, der Diode 29 (Freilaufdiode) und der Drosselspule 26. Der Ladewandler hat die Aufgabe, die Spannung UB der Leistungsbatterie 1 zum Laden der Nebenaggregate-Batterie (Bordbatterie) herabzusetzen und dabei beide Batterien galvanisch zu trennen. Der Ladewandler wird ebenfalls am Kondensator 33 betrieben. Im Fahrbetrieb, d.h. bei geschlossenen Schaltern 3a, 3b ergibt sich ein Stromfluss über den leitenden Transistor 28, die Drosselspule 26 und den Gegentaktwandler 24 bzw. ein Kreisstrom über die Diode 29 (Freilaufdiode), die Drosselspule 26 und den Gegentaktwandler 24, wenn der Transistor 28 sperrt. Gegentaktwandler 24 und Tiefsetzsteller des Ladewandlers müssen so miteinander synchronisiert werden, dass jeweils der Transistor 28 des Tiefsetzstellers mit einem Transistor des Gegentaktwandlers 24 eingeschaltet wird. Die Schaltverluste der Transistoren sind damit am geringsten. Die Spannungszeitflächen sind für jeden Takt gleich. Beim Ladebetrieb werden zunächst die Schalter 3a, 3b und 8a, 8b geöffnet. Bei Anlegen der Netzwechselspannung uL an die Netzanschlussklemmen 38 und 40 und Schliessen der Schalter 37a und 37b liegt das Relais 17c an Spannung und die Schalter 17a, 17b werden geschlossen. Es ergibt sich ein Stromfluss vom positiven Anschluss der Leistungsbatterie 1 über den geschlossenen Schalter 17a, den Widerstand 18, die Diode 20, die Sicherung 10, den Kondensator 33 und den geschlossenen Schalter 17b zum negativen Anschluss der Leistungsbatterie 1. Durch den Widerstand 18 wird der Ladestrom des Kondensators 33 begrenzt. Durch das Relais 21d werden ab einem festgelegten Spannungswert am Kondensator 33 die Schalter 21a, 21b, 21c geschlossen. Die Netzwechselspannung uL liegt jetzt an der Gleichrichterbrückenschaltung 35. Der Feldstromsteller arbeitet im Ladebetrieb als Hochsetzsteller (Aufwärtssteller). Ein derartiger Hochsetzsteller ist z.B. aus Heumann/Stumpe, "Thyristoren", 1974, Teubner Verlag Stuttgart, Seite 147, Bild 147.lb bekannt. Es ergibt sich ein Stromfluss vom positiven Anschluss der Gleichrichterbrückenschaltung 35 über die Drosselspule 13, die Diode 31 und den Kondensator 33 zum negativen Anschluss der Brücke 35, solange der Transistor sperrt. Bei leitendem Transistor 14 ergibt sich ein Kreisstrom über die Drossel 13, den Transistor 14, und die Brücke 35. Beim Ladebetrieb werden die Transistoren gesperrt, so dass nur noch der Tiefsetzsteller des Ladewandlers im Einsatz ist. Es ergibt sich ein Stromfluss vom Kondensator 33 über den den leitenden Transistor 28, die Drossel 26, die Sicherung 22, den geschlossenen Schalter 21a, die Leistungsbatterie 1 und den geschlossenen Schalter 17b zum Kondensator 33. Bei gesperrtem Transistor 28 ergibt sich ein Kreisstrom über die Diode 29 (Freilaufdiode), die Drossel 26, die Sicherung 22, den Schalter 21a, die Leistungsbatterie 21 und den Schalter 17b. Beim Ladebetrieb hat der Tiefsetzsteller des Ladewandlers die Aufgabe, die hohe Spannung Ud des Zwischenkreises (Kondensatorspannung) auf die Batteriespannung UB herabzusetzen. Die Drossel 26 glättet den Ladestrom der Leistungsbatterie 1. Die Transistoren 14 und 28 können als bipolare Transistoren oder als Leistungsfeldeffekttransistoren ausgeführt werden. Bei der Kombination Ladewandler plus Feldstromsteller zu einem Batterieladegerät (Bordladegerät) sind die Bauteile für die Leistung des Bordladegerätes auszulegen. Im Feldbetrieb sind die Stellglieder (Transistoren) weniger ausgelastet. Dies kann durch den Einsatz einer Zwangsbelüftung beim Ladebetrieb mittels eines getrennten, vom Wechselspannungsnetz zu versorgenden Lüfters berücksichtigt werden. Der beim Ladebetrieb als Hochsetzsteller arbeitende Feldstromsteller wird stromgeregelt. Der Stromsollwert wird proportional der Netzwechselspannung uL gewählt, der Stromistwert wird beispielsweise durch einen nach der Diode 31 angeordneten Messwiderstand (Shunt) ermittelt. Die Spannung Ud am Kondensator 33 stellt sich frei ein. Erreicht die Spannung Ud einen festlegbaren Höchstwert, so wird der Stromsollwert stetig gesenkt, bzw. der Aufwärtssteller wird ganz gesperrt. Für den Tiefsetzsteller des Ladewandlers wird der Stromsollwert fest vorgegeben. Besteht die Leistungsbatterie 1 aus Bleiakkumulatoren, so wird nach Erreichen der Gasungsspannung der Stromistwert bis zu einem zulässigen Nachladestrom reduziert. Der Batteriespannungswert UB wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers gemessen. Unterschreitet die Spannung Ud am Kondensator 33 einen vorgebbaren Mindestwert, so wird der Tiefsetzsteller ganz gesperrt.

Claims: Ansprüche 1. Elektrospeicher-Strassenfahrzeug mit einem fremderregten Gleichstrommotor mit Ankerstromsteller und Feldstromsteller und mit einem Bord-Batterieladegerät, bestehend aus der Reihenschaltung eines Hochsetzstellers und eines Tiefsetzstellers mit gemeinsamen Kondensator, wobei Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller jeweils mindestens einen Transistor, eine Drosselspule und eine Freilaufdiode aufweisen, der Hochsetzsteller eingangsseitig über eine Gleichrichterbrückenschaltung mit einem Wechselstromnetz verbindbar ist und der Ausgang des Tiefsetzstellers mit der Leistungsbatterie des Fahrzeugs beschaltet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: : - die Gleichrichterbrückenschaltung (35) ist über erste Schalter (21b, 21c) mit Netzanschlussklemmen (38, 40) verbindbar, wobei die ersten Schalter (21b, 21c) in Abhängigkeit von der Spannungshöhe (Ud) am gemeinsamen Kondensator (33) von Hochsetzsteller (13, 14, 31) und Tiefsetzsteller (26, 28, 29) schliessbar sind, - im Zuge der positiven Leitung zwischen Leistungsbat terie (1) und Ausgang des Tiefsetzstellers ist ein zweiter in Abhängigkeit von der Spannungshöhe (Ud) am Kondensator (33) schliessbarer Schalter (21a) ange ordnet, - an die Leistungsbatterie (1) sind in Abhängigkeit vom Vorliegen einer Wechselspannung an den Netzanschluss klemmment38, 40) schliessbare dritte Schalter (17a, 17b) angeschlossen, - im Zuge der positiven Leitung zwischen drittem Schal ter (17a) und Kondensator (33) sind ein Widerstand (18) und eine Diode (20) in Reihe angeordnet, - zwischen den Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers des Bord-Batterieladegerätes ist ein im Fahrbetrieb zuschaltbarer Gegentaktwandler (24) geschaltet, an dessen Ausgangsklemmen (25) eine Nebenaggregate-Bat terie geringerer Spannung als die der Leistungsbat terie (1) liegt, - der Hochsetzsteller des Bord-Batterieladegerätes dient im Fahrbetrieb als Tiefsetzsteller für den Feldstrom, indem die Feldwicklung (7) des Gleichstrommotors (6) über im Fahrbetrieb schliessbare vierte Schalter (8a, 8b) an die positive Eingangs- und Ausgangsklemme des Hoch setzstellers angeschlossen ist, - die Leistungsbatterie (1) ist mit im Fahrbetrieb schliessbaren fünften Schaltern (3a, 3b) verbunden, wo bei an diesen fünften Schaltern (3a, 3b) der Anker stromsteller (5) mit in Reihe liegendem Anker des Gleichstrommotors (6) sowie über eine Diode (12) der Kondensator (33) angeschlossen sind. 2. Elektrospeicher-Strassenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (33) und der Leistungsbatterie (1) eine Sicherung (10) angeordnet ist. 3. Elektrospeicher-Strassenfahrzeug nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Tiefsetzstellers des Bord-Batterieladegerätes und der Leistungsbatterie (1) eine Sicherung (22) angeordnet ist. 4. Elektrospeicher-Strassenfahrzeug nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahrzeugheizung (30) parallel zum Kondensator (33) liegt. 5. Elektrospeicher-Strassenfahrzeug nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Schaltern (21b, 21c) und den Netzanschlussklemmen (38, 40) weitere Schalter (37a, 37b) angeordnet sind.

Inventors: KAHLEN, HANS, DR.-ING.
Applicants: BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: B60L11
IPC codes: B60L11