СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ АВТОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
METHOD OF OPERATING ELECTRIC VEHICLE AND ELECTRIC MOTOR VEHICLE

Изобретение касается способа эксплуатации электрического автотранспортного средства, т.е. автомобиля, имеющего по меньшей мере одну электрическую машину, но не имеющего двигателя внутреннего сгорания в качестве тягового двигателя, и имеющего элемент управления для выбора функции движения по инерции, при этом, когда водителем выбрана функция движения по инерции, при заданных условиях автоматически происходит переход в режим движения по инерции за счет того, что на колеса транспортного средства не передается ни момент привода, ни момент сопротивления. Кроме того, изобретение касается электрического автотранспортного средства, предназначенного для выполнения этого способа.
Такой способ известен из DE 10 2007 035 424 A1. Он касается, в частности, гибридных транспортных средств, которые дополнительно к двигателю внутреннего сгорания включают в себя по меньшей мере одну электрическую машину в качестве тягового двигателя, однако эта электрическая машина должна также иметь возможность предусматриваться в качестве единственного привода.
У таких транспортных средств обычно выполняется рекуперация, когда водитель отпускает педаль акселератора, при этом электрическая машина эксплуатируется в качестве генератора для зарядки аккумулятора электрической энергии, такого как, напр., тяговая батарея.
Однако у гибридного транспортного средства энергия движения транспортного средства должна рекуперироваться, т.е. накапливаться в аккумуляторе энергии, не во всех состояниях движения с отпущенной педалью акселератора. Более того, иногда предпочтительно предусматривать наиболее долгое возможное качение, рабочее состояние, в котором тяговый двигатель отсоединен от трансмиссии или, соответственно, выключен. Такое рабочее состояние, в котором колеса транспортного средства свободно катятся, называется движением по инерции.
При вышеуказанном известном способе водитель получает возможность намеренно выбирать функцию движения по инерции посредством специального элемента управления, напр., на рычаге переключения передач или посредством педали акселератора с точкой приложения давления. В одной из альтернатив функция движения по инерции предусмотрена для отпущенного педального механизма. Если водитель активировал функцию движения по инерции, переход в режим движения по инерции всегда происходит автоматически тогда, когда это не влияет на динамику движения. Из соображений энергоэффективности при движении по инерции сцепление размыкается, и двигатель внутреннего сгорания отключается, и/или электрические машины эксплуатируются в состоянии наибольшей экономии энергии.
Электрическими машинами для электрических автотранспортных средств служат обычно непосредственно соединенные синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов. Если к такой синхронной машине во время движения не подводится энергия, противоэлектродвижущая сила создает момент сопротивления в синхронной машине и вместе с тем повышенное сопротивление качению транспортного средства, что ведет к более высокому расходу энергии и уменьшенной ориентировочной дальности хода. Тогда наиболее энергоэкономичным режимом является подвод синхронной машине подводится ровно такого количества энергии, чтобы она не передавала на колеса ни положительный, ни отрицательный вращающий момент. Однако и в этом состоянии расходуется некоторое количество энергии.
В основе изобретения лежит задача, предложить способ эксплуатации электрического автотранспортного средства, который позволяет получить особенно экономичный и эргономичный режим движения по инерции.
Эта задача решается с помощью способа и с помощью устройства с признаками независимых пунктов формулы изобретения.
Предпочтительные усовершенствования изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением заданные условия включают в себя, во-первых, что педаль акселератора находится в нейтральном положении, т.е. в положении, в котором водитель не передает вращающий момент на педаль акселератора, и во-вторых, что текущая скорость транспортного средства имеет предварительно установленное значение или превышает его.
В основе этого лежит тот обнаруженный факт, что у электрических автотранспортных средств часто оказывалось экономически невыгодным выполнение режима движения по инерции при более низких скоростях движения, и что водители в таких случаях также скорее не ожидают или не желают режима движения по инерции. Более того, оказалось, что водителям, когда они используют изобретение, менее часто приходится активировать функцию движения по инерции и снова деактивировать ее, и поэтому они в целом могут и хотят дольше использовать функцию движения по инерции.
Кроме того, при изобретении осуществляется автоматический переход в режим движения по инерции за счет того, что трансмиссию транспортного средства приводят в состояние, в котором указанная по меньшей мере одна электрическая машина не расходует электрическую энергию.
Последнее в одном из вариантов осуществления изобретения достигается за счет того, что электрическая машина представляет собой асинхронную машину, и что переход в режим движения по инерции происходит за счет того, что сначала осуществляют переключение с управления вращающим моментом на управление частотой вращения электрической машины, а затем отключают подачу тока к электрической машине.
Вышеупомянутая экономия энергии в другом варианте осуществления изобретения достигается за счет того, что электрическая машина представляет собой синхронную машину с посторонним возбуждением с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения, и что переход в режим движения по инерции происходит за счет того, что сначала осуществляют переключение с управления вращающим моментом на управление частотой вращения электрической машины, после чего отключают ток возбуждения к обмотке возбуждения, затем частоту вращения двигателя доводят до нуля, и затем отключают подачу тока к электрической машине.
Альтернативно упомянутая выше экономия энергии может достигаться за счет того, что электрическая машина представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, и что в трансмиссии предусмотрено подключенное к электрической машине электроприводное сцепление, такое как, собственно, известно из DE 10 2009 054 872 A1, или муфта свободного хода. В этом случае переход в режим движения по инерции происходит за счет того, что сначала осуществляют переключение с управления вращающим моментом на управление частотой вращения электрической машины, затем при необходимости отпускают сцепление, после чего частоту вращения двигателя доводят до нуля, и затем отключают подачу тока к электрической машине.
Предварительно установленное значение минимальной скорости транспортного средства, при котором может происходить переход в режим движения по инерции, составляет по меньшей мере приблизительно 50 или 60 км/ч, что является характерным для больших городских или магистральных дорог, более предпочтительно приблизительно 80 км/ч и еще более предпочтительно приблизительно 100 км/ч, т.е., что характерно для проселочных дорог и автострад.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается электрическое автотранспортное средство, имеющее по меньшей мере одну электрическую машину в качестве тягового двигателя, при этом транспортное средство предназначено для выполнения вышеописанного способа.
В одном из вариантов выполнения изобретения указанная по меньшей мере одна электрическая машина представляет собой асинхронную машину.
В другом варианте выполнения изобретения указанная по меньшей мере одна электрическая машина представляет собой синхронную машину с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения.
В следующем варианте выполнения изобретения указанная по меньшей мере одна электрическая машина представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, при этом в трансмиссии предусмотрено подключенное к электрической машине электроприводное сцепление или муфта свободного хода.
Ниже следует описание примеров осуществления с помощью чертежей. На них показано:
фиг.1: график зависимости скорости от времени электромобиля на дороге с небольшим уклоном;
фиг.2: принципиальный эскиз трансмиссии электромобиля, имеющего функцию движения по инерции;
фиг.3: одна из альтернативных конструкций трансмиссии с фиг.2; и
фиг.4: блок-схема для пояснения способа эксплуатации электромобиля.
Фиг.1 наглядно поясняет режим движения электрического автотранспортного средства, то есть электромобиля, в течение периода времени 100 с по дороге, которая в течение этого периода времени снижается приблизительно на 120 метров высоты, как показано нижней линией в сочетании с правой ординатой.
Электромобиль в начале участка уклона имеет начальную скорость 100 км/ч, которую он должен в этом наглядно поясненном случае сохранять, как показано сплошной кривой, когда педаль акселератора находится в нейтральном положении. В этом случае сила, которая пытается ускорить транспортное средство за счет его собственного веса, равна сопротивлению качению.
У традиционного электромобиля, который имеет синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов в качестве тягового двигателя, и у которого выполняется рекуперация, когда водитель отпускает педаль акселератора, сопротивление качению, однако, повышается на обусловленный рекуперацией момент сопротивления двигателя, и транспортное средство со временем стало бы двигаться медленнее, как показано штриховой линией на фиг.1. И даже если в этом случае не выполнялась бы рекуперация, сохранялся бы остаточный момент сопротивления двигателя вследствие индуцированной в электрической машине противоэлектродвижущей силы, которая замедляет транспортное средство.
Чтобы снова прийти к номинальной скорости, водитель должен рано или поздно немного нажать на педаль акселератора, и транспортное средство будет двигаться, напр., с фактической скоростью, обозначенной на чертеже фиг.1.
В этом случае, однако, общий баланс энергии не оптимален, так как энергия движения преобразуется в электрическую энергию, накапливается и снова преобразуется обратно в энергию тяги, что связано с потерями на преобразование.
Хотя можно было бы в какой-то степени заставить синхронную машину вращаться синхронно путем соответствующей подачи тока, чтобы все время удерживать транспортное средство на номинальной скорости, однако в этом случае также растрачивалась бы электрическая энергия.
На фиг.2 схематично показана трансмиссия электромобиля, имеющего функцию движения по инерции, которая позволяет получить режим движения по инерции, не растрачивая энергию. Электромобиль содержит электрический аккумулятор 1 в виде тяговой батареи (высоковольтной батареи), топливного элемента и т.д., электрическую машину 2 в качестве тягового двигателя, которая здесь представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов (СМПМ), которая снабжается энергией через преобразователь 3 от электрического аккумулятора 1, сцепление 4, имеющее электроприводной исполнительный элемент 5 сцепления, который находится в трансмиссии между электрической машиной 2 и дифференциалом 6 передних колес, а также сенсоры 7 частоты вращения передних колес.
Сцепление 4 позволяет отключать подачу тока к электрической машине 2 без торможения транспортного средства с помощью электрические машины 2, и в режиме движения по инерции номинальная скорость может поддерживаться без растраты электрической энергии.
То же самое возможно, когда вместо сцепления 4 в трансмиссии имеется муфта свободного хода.
На фиг.3 показана одна из альтернативных трансмиссий электромобиля, имеющего функцию движения по инерции, который позволяет осуществлять режим движения по инерции, не растрачивая энергию. Этот пример осуществления отличается от примера осуществления фиг.2 только тем, что трансмиссия обходится без сцепления и исполнительного элемента сцепления, и что электрическая машина 2 либо представляет собой асинхронную машину, также называемую индукционной машиной (ИМ), либо синхронную машину с посторонним возбуждением с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения (синхронная машина с возбуждением током, СМВТ).
За исключением внутреннего трения, такие электрические машины 2 не создают момента сопротивления двигателя, когда подача тока совсем отключена, и режим движения по инерции может выполняться без растраты электрической энергии.
Теперь способ эксплуатации для описанных выше электромобилей поясняется с помощью фиг.4. На ней наглядно поясняется системная программа, которая циклически выполняется в управлении трансмиссии, например, каждые 100 мс, при этом левая половина блок-схемы показывает, при каких условиях и каким образом начинается режим движения по инерции, в то время как правая половина блок-схемы показывает, каким образом происходит выход из режима движения по инерции, если одно из условий больше не выполняется.
Программа начинается с подготовки к эксплуатации транспортного средства, напр., путем вращения ключа зажигания или тому подобного. В шаге S1 запрашивается, задействован ли элемент управления для выбора функции движения по инерции. Этот элемент управления может представлять собой специальный элемент управления, напр., определенное, обозначенное «PRND C» положение рычага переключения передач или выключатель на панели приборов или в пространстве для ног. Альтернативно функция движения по инерции может, напр., инициироваться с помощью определенной комбинации или, соответственно, последовательности положений или, соответственно, движений педального механизма.
Если элемент управления для выбора функции движения по инерции задействован, в шаге S2 запрашивается, находится ли педаль акселератора в своем нормальном положении, которое обычно соответствует 0% отклонения от ее исходного положения. Если да, то в шаге S3 запрашивается, превышает ли текущая скорость транспортного средства предварительно установленное пороговое значение x1, равное, напр., 100 км/ч. Если да, в шаге S4 запрашивается, превышает ли состояние заряда батареи предварительно установленное пороговое значение x2.
Если на один из запросов в шагах S1-S4 дается ответ «нет», то в шаге S5 запрашивается, находится ли (еще) транспортное средство в режиме движения по инерции. Если нет, происходит возврат к шагу S1.
Если в шаге S4 дается ответ «да», в шаге S6 выполняется процедура для начала режима движения по инерции. Для этого сначала происходит переключение с управления вращающим моментом на управление частотой вращения электрической машины 2.
У трансмиссии, как на фиг.2, имеющей в качестве электрической машины 2 синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов (СМПМ) теперь с помощью исполнительного элемента 5 сцепления размыкается сцепление 4.
У трансмиссии, как на фиг.3, имеющей в качестве электрической машины 2 синхронную машину с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения (СМВТ), ток возбуждения отключается.
Затем в обоих вышеназванных случаях частота вращения тягового двигателя 2 доводится до нуля, или ей позволяют стать равной нулю. Затем вся подача тока к электрической машине 2 доводится до нуля Ампер, как и в том случае, когда электрическая машина 2 представляет собой асинхронную машину (ИМ).
После шага S6 программа возвращается к шагу S1. Если в следующем цикле на один из запросов в шагах S1-S4 дается ответ «да», напр., потому что водитель деактивировал функцию движения по инерции, и если запрос в шаге S5 дает, что транспортное средство (еще) находится в режиме движения по инерции, выполняется процедура по выходу из режима движения по инерции.
Для этого сначала в шаге S7 измеряется частота вращения колес. В случае если электрическая машина 2 представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, отсюда вычисляется частота вращения сцепления 4 на выходе. В случае если электрическая машина 2 представляет собой синхронную машину с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения или асинхронную машину, находится или вычисляется ее частота вращения ротора.
После этого в шаге S8 в случае синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов ее частота вращения ротора доводится до частоты вращения сцепления, а в случае синхронной машины с отдельной или, соответственно, внешней обмоткой возбуждения включается ее ток возбуждения.
В случае синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов в шаге S9 запрашивается также, достигла ли стягивания ротора частоты вращения сцепления, и если нет, повторно выполняются шаги S8 и S9, пока частота вращения ротора не будет равна частоте вращения сцепления.
После шагов S8 и S9 в шаге S10 сцепление 4 смыкается, в случае если электрическая машина 2 представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, и во всех случаях происходит обратное переключение с управления частотой вращения на управление вращающим моментом электрической машины 2, чтобы закончить режим движения по инерции, и программа возвращается к шагу S1.