DE10129254A1 - Zusatzenergieumformung für eine Elektrofahrzeug unter Verwendung einer Hochfrequenzinjektion in einen PMW-Wechelrichter - Google Patents

Abstract

Ein elektrisches Energiesystem für ein Elektrofahrzeug umfaßt einen elektrischen Antriebsmotor, eine Hochspannungssammelschiene zur Lieferung von Betriebsenergie, um den Antriebsmotor zu erregen, und einen Wechselrichter mit Energieschaltvorrichtungen und einem Wechselrichterausgang. Der Wechselrichter ist zwischen die Hochspannungssammelschiene und den elektrischen Antriebsmotor geschaltet, und eine Steuerung ist mit dem Wechselrichter gekoppelt und liefert Motorsteuersignale und hochfrequente Injektionssignale an den Wechselrichter. Eine Zusatzenergieeinheit ist mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt und weist einen DC-Ausgang zur Lieferung einer DC-Betriebsenergie auf. Die Zusatzenergieeinheit liefert DC-Energie in Ansprechen auf die hochfrequenten Injektionssignale. Der elektrische Antriebsmotor arbeitet in Ansprechen auf die Motorsteuersignale und bleibt durch die hochfrequenten Injektionssignale im wesentlichen unbeeinflußt.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Energieversorgungssysteme für Zusatz­ systeme für niedrigere Spannung an einem Elektrofahrzeug, die Energie verwenden, die von einer Hochspannungssammelschiene abgenommen wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrofahrzeuge, einschließlich Batterie-, Hybrid- und Brennstoffzellen­ elektrofahrzeugen verwenden typischerweise einen Wechselrichter (Inverter) in der Form einer Schaltmodusenergieversorgung, um eine Drei­ phasenbetriebsenergie für den Elektroantriebsmotor des Fahrzeugs vorzu­ sehen. Die Wechselrichterkonstruktion, die am meisten verwendet wird, ist ein pulsbreitenmodulierter (PWM)-Spannungsquellenwechselrichter, der Leistungstransistoren verwendet, die die hohen Ströme liefern können, die erforderlich sind, um die Drehmomentanforderungen zu erfüllen, die von dem Fahrzeugantriebsmotor gefordert werden. Der Wechselrichter schaltet Energie an die Motorwicklungen von einer Hochspannungssam­ melschiene mit etwa 350-400 Vdc.

Zusätzlich zu dem Antriebsmotor, der dazu verwendet wird, die Fahrzeug­ räder anzutreiben, umfaßt ein Elektrofahrzeug normalerweise verschiede­ ne Zusatzantriebsmotoren, um eine Vielzahl verschiedener Fahrzeugsy­ steme zu betreiben. Einige dieser Zusatzantriebsmotoren umfassen Pum­ pen für flüssiges Kühlmittel, Traktionssteuermotoren, Kompressormotoren für Klimaanlagen, elektronische Servopumpen, wie auch andere Gebläse und Lüfter. Obwohl geeignete DC-Motoren kommerziell erhältlich sind, die direkt an der Sammelschiene mit 350-400 Volt betrieben werden kön­ nen, wird dieser Hochspannungsbetrieb aus verschiedenen Gründen, die beispielsweise eine verringerte Motorlebensdauer infolge einer Lichtbogen­ bildung und andere Kommutierungsprobleme umfassen, allgemein als unerwünscht angesehen. Demgemäß werden manchmal Motoren mit niedrigerer Spannung verwendet, welche an einer Stromschiene mit einer Zwischenspannung betrieben werden können, die beispielsweise bei fi­ xierten 42-48 Vdc arbeitet. Diese Zwischenspannungsversorgung kann unter Verwendung eines DC-DC-Umformers (DC-DC-Wandlers) gebildet werden, der Betriebsenergie von der Hochspannungssammelschiene ab­ zieht und die fixierte DC-Spannung unter Verwendung herkömmlicher DC-DC-Umformtechniken entwickelt.

Zusätzlich zu der Zwischenspannungsversorgung erfordern einige der Zu­ satzenergiesysteme (Zubehörenergiesysteme), die in einem Elektrofahrzeug verwendet werden, eine Standardspannungsversorgung für das Fahrzeug von 12 Vdc. Diese Sammelschiene mit niedrigerer Spannung wird typi­ scherweise durch einen separaten DC-DC-Umformer erzeugt, der auch seine Betriebsenergie von der Hochspannungssammelschiene abzieht. Während ein erwünschterer Niederspannungsbetrieb der verschiedenen Zusatzenergiesysteme für ein Fahrzeug vorgesehen wird, bringen diese zweckgebundenen DC-DC-Umformer für 12 und 42 Volt genauso eine An­ zahl inhärenter Nachteile mit sich. Insbesondere umfaßt jeder der DC-DC- Umformer, die typischerweise verwendet werden, seinen eigenen Ein­ gangsfilter, seine eigene Steuerschaltung sowie Leistungstransistoren, wo­ bei die letztgenannten ihr eigenes Wärmemanagement erfordern - ge­ wöhnlich durch Verbinden des Umformers mit dem Kühlmittelsystem, das zum Kühlen der Leistungstransistoren des Wechselrichters verwendet wird. Folglich nehmen die DC-DC-Umformer nicht nur einen wesentlichen Raum in dem Fahrzeugenergieelektronikchassis ein, sondern tragen auch erheblich zu den Gesamtkosten des Fahrzeugenergiesystems bei.

Abgesehen von der Verwendung von DC-DC-Umformern, die an der Hoch­ spannungssammelschiene arbeiten, werden manchmal Drehumformer, die von dem Antriebsmotor betrieben werden, verwendet, um die Versorgung für dazwischenliegende und niedrigere Spannungen zu erzeugen, die von dem Fahrzeug benötigt werden. Jedoch sind diese Umformer (Wandler) allgemein sperrig, schwer und unwirtschaftlich. Überdies arbeitet bei Drehumformern in der Form einer "Lichtmaschine", die an der Fahrzeug­ wärmekraftmaschine arbeitet, der Umformer nicht, wenn der Motor ge­ stoppt ist. Wenn der Drehumformer an der Welle eines Elektromotors läuft, ist allgemein eine Anpassungsanordnung erforderlich, da die mei­ sten Kraftfahrzeuglichtmaschinen nicht bei den hohen Drehzahlen (8.000-15.000 U/min) eines Antriebsmotors arbeiten können.

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, ein Energiesystem für ein Elektrofahrzeug vorzusehen, daß den Bedarf für zweckgebundene DC-DC-Umformer beseitigt, um die Zwischen- und/oder Niederspan­ nungsversorgungen zu erzeugen, die für die Zusatzenergiesysteme des Fahrzeugs verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Energiesystem vor­ gesehen, das die oben erwähnten Nachteile bekannter Systeme bewältigt, die zweckgebundene DC-DC-Umformer verwenden, um eine Zusatzener­ gieumformung zu schaffen. Das elektrische Energiesystem der Erfindung umfaßt eine Hochspannungssammelschiene, einen Elektroantriebsmotor, eine Zusatzenergieschaltung und einen Wechselrichter, der Betriebsener­ gie von der Hochspannungssammelschiene abnimmt. Der Wechselrichter umfaßt eine Steuerung und Energieschaltvorrichtungen, die mit der Steuerung gekoppelt sind, wobei die Energieschaltvorrichtungen so ge­ schaltet sind, um Energie von der Hochspannungssammelschiene über einen Ausgang des Wechselrichters an den Antriebsmotor zu schalten. Die Zusatzenergieschaltung umfaßt einen Eingang, der mit dem Wechselrich­ terausgang gekoppelt ist, und einen Gleichrichter mit einem DC-Ausgang zur Lieferung einer DC-Betriebsenergie an eines oder mehrere Zusatzfahr­ zeugsysteme. Die Steuerung betreibt die Energieschaltvorrichtungen bei höheren und niedrigeren Frequenzen, um eine Antriebsenergie mit niedri­ gerer Frequenz an den Antriebsmotor und eine Betriebsenergie mit höhe­ rer Frequenz an die Zusatzenergieschaltung zu liefern. Der Antriebsmotor dient dazu, eine Drehung in Ansprechen auf die Antriebsenergie mit nied­ rigerer Frequenz vorzusehen, und die Zusatzenergieschaltung dient dazu, die Betriebsenergie mit höherer Frequenz in eine DC-Spannung umzu­ wandeln, die an den DC-Ausgang geliefert wird.

Diese Anordnung beseitigt den Bedarf nach einem oder mehreren zweck­ gebundenen DC-DC-Umformern durch Verwendung der Steuerung, um ein Hochfrequenzantriebssignal in die Energieschaltvorrichtungen des Wechselrichters zu injizieren, wobei die Zusatzenergieschaltung anschlie­ ßend die ausgegebene Hochfrequenzspannung gleichrichtet, um dadurch die gewünschten Nieder- und/oder Zwischen-DC-Spannungen zu bilden. Die Hochfrequenz ist so ausgewählt, daß sie einen geeignet hohen Wert aufweist, so daß sie den Betrieb des Motors nicht wesentlich beeinflußt, und die Zusatzenergieschaltung umfaßt vorzugsweise einen Hochpaßfilter, um die Antriebssignale mit niedrigerer Frequenz zu blockieren, die dazu verwendet werden, den Motor anzutreiben.

Bei einer Ausführungsform ist die Zusatzenergieschaltung direkt mit dem Wechselrichterausgang verbunden, wobei ein Leistungstransformator da­ zu verwendet wird, eine galvanische Isolierung für die Zusatzenergie­ schaltung und eine Spannungsverringerung der Hochspannungsenergie auf die geeignete Spitzenspannung zur nachfolgenden Gleichrichtung in die erwünschte DC-Spannung zu schaffen. Der Transformator kann in dem Falle mehrere Wicklungen aufweisen, um verschiedene DC- Spannungen zu erzeugen, wenn mehr als eine Sammelschiene für niedri­ gere DC-Spannung erforderlich oder gewünscht ist. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Antriebsmotor mit Doppelwicklung verwendet, wobei die Zusatzenergieschaltung mit der Sekundärwicklung des An­ triebsmotors verbunden ist. Dies kann den Bedarf nach einem separaten Leistungstransformator in der Zusatzenergieschaltung beseitigen.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen be­ schrieben, wobei gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Energiesystems der vorliegenden Erfindung ist; und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines elektrischen Energiesystems der vorliegenden Erfindung ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein elektrisches Energiesystem 10, wie es in einem Elektro­ fahrzeug verwendet werden könnte, um Energie für einen AC-An­ triebsmotor 12 zu liefern, der mit den Fahrzeugrädern durch ein her­ kömmliches Getriebe (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Der AC-Motor 12 wird unter Verwendung eines Wechselrichters 14 erregt, der eine Anzahl von Leistungstransistoren 16 umfaßt, die durch eine Steuerung 18 auf eine pulsbreitenmodulierte Art und Weise betrieben werden. Die Lei­ stungstransistoren 16 sind zwischen Motor 12 und eine Hochspannungs­ sammelschiene 20 unter Verwendung einer herkömmlichen Antriebsto­ pologie 22 geschaltet, die eine selektive Erregung jeder der Wicklungen des Motors 12 zuläßt. Das elektrische Energiesystem 10 umfaßt auch eine Zusatzenergieschaltung 24, die Betriebsenergie, die durch Wechselrichter 14 vorgesehen wird, in eine oder mehrere DC-Spannungen umformt, die durch die verschiedenen Zusatzfahrzeugsysteme verwendet werden, die eine Betriebsenergie mit niedrigerer Spannung erfordern. Wie nachste­ hend detaillierter beschrieben ist, wird die Betriebsenergie, die von der Zusatzenergieschaltung 24 verwendet wird, durch Injektion 23 eines Hochfrequenzsignals 19 in Leistungstransistoren 16 erzeugt, wobei die Zusatzenergieschaltung dazu dient, den Hochfrequenzausgang der Lei­ stungstransistoren 16 in die erwünschten DC-Spannungen gleichzurich­ ten.

Die Hochspannungssammelschiene 20 umfaßt Knoten (Abgriffspunkte) 28 und 30 mit positiven bzw. negativen Spannungen, wobei der positive Knoten 28 auf eine Spannung von etwa 350-400 Vdc aufgeladen wird, wie es üblich ist. Er wird durch eine DC-Versorgung 32 über ein Lei­ stungsrelais oder eine andere Kontakteinrichtung 34 geladen, die durch das Fahrzeugzündsystem auf eine herkömmliche Art und Weise gesteuert werden kann. Die DC-Versorgung 32 kann beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle sein. Ein Kondensator 36 oder eine Anordnung von Kondensatoren kann zum Zwecke der Filterung oder Ladungsspeiche­ rung über eine Hochspannungssammelschiene 20 geschaltet sein. Es sei als selbstverständlich angemerkt, daß sich die Hochspannungssammel­ schiene 20 nicht auf dem Niveau von 350-400 Vdc befinden muß, son­ dern sie kann innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung eine beliebige Energieversorgungssammelschiene mit einer Spannung sein, die über der DC-Ausgangsspannung liegt, die durch die Zusatzener­ gieschaltung 24 erzeugt wird.

Wie gezeigt ist, ist der Motor 12 ein dreiphasiger AC-Motor, der auf eine herkömmliche Art und Weise unter Verwendung einer Raumvektormetho­ de betrieben werden kann, wobei der Wechselrichter 14 in der Form eines dreiphasigen Spannungsquellenwechselrichters vorliegt, der den Motor 12 bei einer Grundfrequenz betreibt, die gemäß der gewünschten Motordreh­ zahl variiert wird. Zu diesem Zweck sieht die Steuerung 18 eine geeignete PWM-Steuerung 21 des Motors 12 unter Verwendung von Referenz- und Rückkopplungswerten vor, die beispielsweise die angewiesene Drehzahl, die tatsächliche Drehzahl und andere derartige Eingänge angeben können, wie Fachleuten bekannt ist. Den PWM-Steuersignalen 17, die Transistoren 16 antreiben, ist ein Satz von hochfrequenten Antriebssignalen 19 überla­ gert, die dazu verwendet werden, Energie über den Ausgang 38 des Wech­ selrichters an die Zusatzenergieschaltung 24 zu übertragen. Folglich sieht der Wechselrichter 14 sowohl eine Betriebsenergie mit niedrigerer Fre­ quenz zum Betrieb des Motors 12 als auch eine Betriebsenergie mit höhe­ rer Frequenz zur Umformung durch die Zusatzenergieschaltung 24 in die erwünschten DC-Ausgänge mit niedrigerer Spannung vor. Die hochfre­ quenten Antriebssignale, die durch die Steuerung 18 erzeugt werden, be­ finden sich bei einer Frequenz, die hoch genug gewählt ist, daß ein Betrieb des Motors 12 im wesentlichen unbeeinflußt bleibt, was bedeutet, daß jegliche Wirkung, die die hochfrequente Betriebsenergie auf den Betrieb des Motors hat, für die bestimmte Anwendung akzeptabel ist, bei der der Antriebsmotor 12 verwendet wird.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist die Zusatzenergie­ schaltung 24 einen Eingang 26 auf, der direkt mit dem Ausgang 38 des Wechselrichters 14 verbunden ist. Dieser dient dazu, um die dreiphasige Betriebsenergie mit höherer Frequenz, die an Ausgang 38 vorgesehen wird, sowohl in Versorgungen für 12 Vdc und 48 Vdc umzuwandeln, die anschließend dazu verwendet werden, verschiedene Zusatzantriebsmoto­ ren und Energiesysteme des Fahrzeugs zu betreiben. Zu diesem Zweck umfaßt eine Zusatzenergieschaltung 24 einen Hochpaßfilter 40, einen Lei­ stungstransformator 42 und einen Gleichrichter 44, wobei jeder derselben eine Dreiphasenschaltung ist, um den dreiphasigen Wechselsrichteraus­ gang anzupassen. Der Hochpaßfilter 40 blockiert die Betriebsenergie mit niedrigerer Frequenz, die dazu verwendet wird, den Motor 12 anzutreiben, und ist daher mit einer Grenzfrequenz ausgebildet, die über der höchsten Grundbetriebsfrequenz des Motors 12 aber unter der Frequenz liegt, die dazu verwendet wird, die Betriebsenergie mit höherer Frequenz zu erzeu­ gen. Somit betreibt die Steuerung 18 die Antriebstransistoren 16 bei nied­ rigeren Frequenzen, die unterhalb dieser Grenzfrequenz liegen, und be­ treibt auch die Antriebstransistoren bei einer oder mehreren höheren Fre­ quenzen, die oberhalb dieser Grenzfrequenz liegen. Es sei angemerkt, daß, da der Motorbetrieb durch die Betriebsenergie mit höherer Frequenz im wesentlichen unbeeinflußt bleibt, diese Anordnung zur Folge hat, daß die Betriebsenergie mit niedrigerer Frequenz nur durch den Antriebsmotor verwendet wird, um eine Drehung des Motors zu erzeugen, und die Be­ triebsenergie mit höherer Frequenz nur durch die Zusatzenergieschaltung 24 verwendet wird, um die Ausgänge für 12 und 48 Vdc zu erzeugen.

Der Leistungstransformator 42 wird als eine Spannungsanpaßeinrichtung und als ein Isolierungstransformator verwendet, der für jeden der ver­ schiedenen DC-Spannungsausgänge, die durch Zusatzenergieschaltungen 24 erzeugt werden, eine separate Dreiphasensekundärwicklung umfaßt. Selbstverständlich sei angemerkt, daß andere geeignete Wicklungsanord­ nungen verwendet werden könnten, um die gewünschten Transformator­ ausgänge zu erhalten. Der Transformator 42 ist mit einem Windungsver­ hältnis gewickelt, das zur Erzeugung der Spitzenspannungen der Sekun­ därseite geeignet ist, die erwünscht sind, um die Ausgänge mit 12 und 48 Vdc zu erzeugen. Jede der Sekundärwicklungen des Transformators 42 ist mit einem Gleichrichter 44 verbunden, die als Mehrfach-Gleichrichter für drei Phasen ausgeführt sein können - jeder mit einer herkömmlichen Kon­ struktion, die dazu verwendet wird, die Spannung gleichzurichten, die an einer separaten der Transformatorsekundärwicklungen erzeugt wird. Die gleichgerichtete Betriebsenergie mit 12 und 48 Vdc wird an ein Paar DC- Ausgänge 46 bzw. 48 zur Verwendung durch die verschiedenen Fahrzeug­ systeme geliefert, die dazu ausgebildet sind, mit diesen Spannungen zu arbeiten.

Die Steuerung 18 kann eine auf einem Mikroprozessor basierende Steue­ rung sein, die mit einem Steuerprogramm arbeitet, um die verschiedenen Eingänge und Rückkopplungswerte zu verarbeiten, die durch die Steue­ rung empfangen werden, und um die geeigneten Antriebssignale zu erzeu­ gen, die an die Transistoren 16 ausgegeben werden. Wie oben erwähnt ist, können diese Referenz- und Rückkopplungswerte sowohl Sollmotordreh­ zahl als auch tatsächliche Motordrehzahl sowie eine Anzahl anderer Va­ riablen und Parameter umfassen, die auf eine gut bekannte Art und Weise dazu verwendet werden können, eine Regelung für die Drehzahl und das Drehmoment des Motors 12 zu bilden. Die Steuerung 18 sieht auch eine Regelung der Ausgänge des Gleichrichters 44 mit 12 und 48 Vdc vor. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Signal, das eine der Ausgangs­ spannungen angibt, an die Steuerung 18 zurückgeführt wird und dann gegebenenfalls die Betriebsenergie mit höherer Frequenz eingestellt wird, wenn die überwachte DC-Spannung von dem Soll-Einstellpunkt variiert.

Eine Einstellung der ausgegebenen DC-Spannungen durch die Steuerung 18 kann durch Einstellen der Spannungsamplitude der Betriebsenergie mit höherer Frequenz erreicht werden, die durch den Wechselrichter 14 erzeugt wird.

Während eines Betriebs des Motors 12 mit niedrigerer Drehzahl kann die höhere Frequenz, die durch die Steuerung 18 verwendet wird, um Energie an die Zusatzenergieschaltung 24 zu übertragen, unabhängig von der niedrigeren Frequenz gewählt werden, die dazu verwendet wird, den Motor 12 anzutreiben. Jedoch wird, wenn sich die Motordrehzahl zu einem Punkt in der Nähe oder über die Basisdrehzahl des Elektromotorantriebs­ systems hinaus erhöht, die Spannung, die für die Zusatzenergieschaltung verfügbar ist, verringert. In diesem Fall kann die Steuerung 18 die Hoch­ frequenzinjektion mit dem Niederfrequenzantrieb des Motors beispielswei­ se unter Verwendung einer fünften oder siebten Harmonischen des An­ triebssignales mit niedrigerer Frequenz synchronisieren. Somit kann sie, wenn der Wechselrichter dazu dient, den Antriebsmotor 12 innerhalb ver­ schiedener Drehzahlbereiche anzutreiben, so programmiert sein, daß, wenn der Wechselrichter den Motor in einem Drehzahlbereich betreibt, der die Basisdrehzahl umfaßt, die Leistungstransistoren 16 mit einer ersten Frequenz betrieben werden, um die Antriebsenergie mit niedrigerer Fre­ quenz für den Motor zu erzeugen, und auch mit einer zweiten Frequenz betrieben werden (um die Betriebsenergie mit höherer Frequenz zu erzeu­ gen), die eine Harmonische der ersten Frequenz ist.

In Fig. 2 ist nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das elektrische Energiesystem 10' von Fig. 2 ist gleich dem von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß der Leistungstransformator 42 durch Gebrauch eines Motors 12' mit Doppelwicklung beseitigt ist, der eine Antriebswicklung wie bei dem Motor 12 von Fig. 1, aber auch eine Sekundärwicklung umfaßt, die durch wechselseitige Induktion mit der Antriebswicklung gekoppelt ist. Diese Sekundärwicklung an dem Motor 12' sieht die erforderliche Span­ nungsverringerung vor, so daß der Hochpaßfilter 40 direkt mit dem Gleichrichter 44' verbunden sein kann. Diese Schaltung kann auch den Vorteil aufweisen, daß der Hochpaßfilter 40 nicht mit Hochspannungs­ komponenten für Nennwert ausgerüstet sein muß, da die Spannungsver­ ringerung vor dem Filter 40 erfolgt. Obwohl der Gleichrichter 44' dieser Ausführungsform nur einen einzelnen Ausgang für 12 Vdc aufweist, sei angemerkt, daß der Motor 12' zusätzliche Sekundärwicklungen für andere Spannungsausgänge aufweisen kann. Alle anderen Merkmale des elektri­ schen Energiesystems 10' von Fig. 2 können gleich denen desselben von Fig. 1 sein, und es sei angemerkt, daß die obige Beschreibung dieser Merkmale in Verbindung mit Fig. 1 gleichermaßen auf Fig. 2 anwendbar ist.

Es ist nun offensichtlich, daß die Schaltungsanordnungen von Fig. 1 und 2 den Bedarf für separate DC-DC-Umformer, die direkt an der Hochspan­ nungssammelschiene arbeiten, durch Gebrauch der Steuerung 18 beseiti­ gen, um ein hochfrequentes Antriebssignal in die Leistungstransistoren des Wechselrichters zu injizieren, wobei die Zusatzenergieschaltung an­ schließend die ausgegebene Hochfrequenzspannung gleichrichtet, um da­ durch die erwünschten niedrigen und/oder dazwischenliegenden DC- Spannungen zu bilden. Dies sieht eine ökonomische Lösung für das Pro­ blem zur Erzeugung einer Zusatzenergie in Elektrofahrzeugen zum Ge­ brauch durch elektrische Motoren zur Steuerung der Traktion, Kompres­ sormotoren für Klimaanlagen, Pumpen für flüssiges Kühlmittel, elektri­ sche Servopumpen und andere derartige Zusatzantriebsmotoren vor.

Ferner ist, obwohl eine gewisse Vergrößerung der Leistungstransistoren 16 erforderlich werden kann, um den zusätzlichen Strom handzuhaben, der für die Zusatzenergieschaltung erforderlich ist, die Größe einer derar­ tigen Vergrößerung nicht erheblich. Beispielsweise kann die Stromhand­ habungsfähigkeit der Leistungstransistoren berechnet werden gemäß der Gleichung

wobei I_sw die Größe des Stromes ist, den die Leistungstransistoren 16 schalten müssen, I_lf der Strom mit niedrigerer Frequenz ist, der von dem Motor 12 erforderlich ist, und I_hf der Strom mit höherer Frequenz ist, der von der Zusatzenergieschaltung erforderlich ist. Für einen niederfrequen­ ten Strom von I_lf = 300 Arms und einen hochfrequenten Strom von I_hf = 100 Arms ist der Gesamtschaltstrom, den die Transistoren handhaben müssen, I_sw = 316 Arms, was nur 5,33% höher ist, als der niederfre­ quente Strom ohne die Injektion des Signals mit höherer Frequenz.

Demgemäß sei angemerkt, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Energiesystem für ein Elektrofahrzeug vorgesehen worden ist, das die hier dargelegten Ziele und Vorteile erreicht. Es sei zu verstehen, daß die vorhergehende Beschreibung lediglich beispielhafte Ausführungs­ formen zeigt und daß die Erfindung nicht auf die spezifisch gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Für Fachleute sind verschiedene Än­ derungen und Modifikationen offensichtlich. Beispielsweise sei, obwohl die hier gezeigten Konstruktionen der Zusatzenergieschaltung eine fixierte DC-Ausgangsspannung liefern, angemerkt, daß sie ihre eigene PWM-Stufe oder eine andere geeignete Schaltung umfassen könnten, um variable Ausgangsspannungen zu erzeugen, insbesondere, wenn ihr Gebrauch auf ein einzelnes Zusatzfahrzeugsystem oder einen einzelnen Zubehöran­ triebsmotor zweckgebunden ist. Alle derartigen Änderungen und Modifi­ kationen liegen innerhalb des Schutzumfanges der angefügten Ansprüche.

Es ist ein elektrisches Engergiesystem 10 für ein Elektrofahrzeug vorgese­ hen, das niedrige und dazwischenliegende DC-Versorgungsspannungen zur Verwendung durch verschiedene Fahrzeugzusatzenergiesysteme ohne den Gebrauch eines zweckgebundenen DC-DC-Umformers vorsieht, der an der Hochspannungssammelschiene des Fahrzeugs arbeitet. Das Ener­ giesystem 10 umfaßt eine Hochspannungssammelschiene 20, einen elek­ trischen Antriebsmotor 12, eine Zusatzenergieschaltung 24 und einen Wechselrichter 14, der Betriebsenergie von der Hochspannungsschiene zieht. Der Wechselrichter 14 umfaßt eine Steuerung 18 und Lei­ stungstransistoren 16, die mit der Steuerung gekoppelt sind, wobei die Leistungstransistoren so geschaltet sind, um Energie von der Hochspan­ nungssammelschiene 20 an den Motor 12 zu schalten. Die Steuerung 18 betreibt die Transistoren 16 bei oberen und unteren Frequenzen, wobei der Motor 12 durch die Energie mit niedrigerer Frequenz betrieben wird, und die Zubehörenergieschaltung 24 dazu dient, die Energie mit höherer Frequenz in die Versorgungen für die niedrige und dazwischenliegende DC-Spannung umzuformen. Bei einer Ausführungsform umfaßt die Zube­ hörenergieschaltung 24 einen Hochpaßfilter 40, um die niederfrequente Energie zu blockieren, einen Leistungstransformator 42, um die Hoch­ spannung zu verringern, und einen Gleichrichter 44, um den Ausgang der Sekundärwicklung des Transformators gleichzurichten. Der Transformator 42 kann mehrere Wicklungen aufweisen, um verschiedene DC- Spannungen in dem Falle zu erzeugen, wenn mehr als eine Sammelschie­ ne für niedrigere DC-Spannung erforderlich oder gewünscht ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Leistungstransformator durch Verwen­ dung eines Antriebsmotors 12' mit Doppelwicklung beseitigt, wobei die Zubehörenergieschaltung 24' mit der Sekundärwicklung des Antriebsmo­ tors verbunden ist.

Zusammengefaßt umfaßt ein elektrisches Energiesystem für ein Elektro­ fahrzeug einen elektrischen Antriebsmotor, eine Hochspannungssammel­ schiene zur Lieferung von Betriebsenergie, um den Antriebsmotor zu erre­ gen, und einen Wechselrichter mit Energieschaltvorrichtungen und einem Wechselrichterausgang. Der Wechselrichter ist zwischen die Hochspan­ nungssammelschiene und den elektrischen Antriebsmotor geschaltet, und eine Steuerung ist mit dem Wechselrichter gekoppelt und liefert Motor­ steuersignale und hochfrequente Injektionssignale an den Wechselrichter. Eine Zusatzenergieeinheit ist mit dem Wechselrichterausgang gekoppelt und weist einen DC-Ausgang zur Lieferung einer DC-Betriebsenergie auf. Die Zusatzenergieeinheit liefert DC-Energie in Ansprechen auf die hoch­ frequenten Injektionssignale. Der elektrische Antriebsmotor arbeitet in Ansprechen auf die Motorsteuersignale und bleibt durch die hochfre­ quenten Injektionssignale im wesentlichen unbeeinflußt.

Claims (2)

1. Elektrisches Energiesystem für ein Elektrofahrzeug mit:
einem elektrischen Antriebsmotor;
einer Hochspannungssammelschiene zur Lieferung von Betriebse­ nergie, um den Antriebsmotor zu erregen;
einem Wechselrichter mit Energieschaltvorrichtungen und einem Wechselrichterausgang, wobei der Wechselrichter zwischen die Hochspannungssammelschiene und den elektrischen Antriebsmotor geschaltet ist;
eine Steuerung, die mit dem Wechselrichter gekoppelt ist und Mo­ torsteuersignale und hochfrequente Injektionssignale an den Wech­ selrichter liefert;
eine Zusatzenergieeinheit, die mit dem Wechselrichterausgang ge­ koppelt ist und einen DC-Ausgang zur Lieferung einer DC- Betriebsenergie aufweist, wobei die Zusatzenergieeinheit die DC- Betriebsenergie in Ansprechen auf die hochfrequenten Injektions­ signale liefert;
wobei der elektrische Antriebsmotor in Ansprechen auf die Motor­ steuersignale arbeitet und durch die hochfrequenten Injektions­ signale im wesentlichen unbeeinflußt bleibt.

2. Elektrisches Energiesystem für ein Elektrofahrzeug, mit:
einem elektrischen Antriebsmotor;
einer Hochspannungssammelschiene zur Lieferung von Betriebse­ nergie, um den Antriebsmotor zu erregen;
einem Wechselrichter mit Energieschaltvorrichtungen und einem Wechselrichterausgang, wobei der Wechselrichter zwischen die Hochspannungssammelschiene und den elektrischen Antriebsmotor geschaltet ist;
eine Steuerung, die mit dem Wechselrichter gekoppelt ist und Mo­ torsteuersignale und hochfrequente Injektionssignale an den Wech­ selrichter liefert;
eine Zusatzenergieeinheit, die mit dem Wechselrichterausgang ge­ koppelt ist und einen DC-Ausgang zur Lieferung einer DC- Betriebsenergie aufweist, wobei die Zusatzenergieeinheit die DC- Betriebsenergie in Ansprechen auf die hochfrequenten Injektions­ signale liefert;
wobei der elektrische Antriebsmotor in Ansprechen auf die Motor­ steuersignale arbeitet und durch die hochfrequenten Injektions­ signale im wesentlichen unbeeinflußt bleibt,
wobei sich der elektrische Antriebsmotor die Zusatzenergieeinheit mit dem Wechselrichterausgang koppelt.