DE69314089T2

DE69314089T2 - Elektrisches System für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE69314089T2
Application number: DE69314089T
Authority: DE
Inventors: Kouetsu Fujita; Yoshio Ito; Shigenori Kinoshita; Osamu Motoyoshi; Takao Yanase
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: CA2097787A1; EP0573065A3; JPH0654410A; US5350994A; KR940000305A; EP0573065B1; EP0573065A2; DE69314089D1; KR0133272B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, das eine Hauptbatterie für den Antrieb des Fahrzeugs und eine Hilfsbatterie für Zubehörgeräte aufweist und bei dem die Antriebsleistung über einen Wechselrichter zu einem Wechseistrommotor für den Antrieb der Räder gespeist wird.
Fig. 8 zeigt ein herkömmliches elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, das eine Hauptbatterie als seine Spannungsquelle enthält. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Hauptbatterie, die aus einer Serie von Einheitsbatterien bzw. Batterieeinheiten 100 mit einer gewissen Anzahl besteht. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Hauptschalter; das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Sicherung; das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Wechselrichter für den Antrieb eines Motors, der durch Pulsbreitenmodulation PWM gesteuert wird; das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Wechselstrommotor. In diesem Elektrofahrzeug ist der Wechselstrommotor 5 mit Rädem des Fahrzeugs über Untersetzungszahnräder bzw. ein Untersetzungsgetriebe und so weiter (nicht gezeigt) verbunden. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 6 eine Hilfsbatterie für Zubehörgeräte, und das Bezugszeichen 7 einen Lader bzw. eine Ladeeinrichtung. Der Lader 7 weist eine Ladeschaltung zum Aufladen der Hilfsbatterie 6 und eine anfängliche Ladeschaltung zum Aufladen eines eingangsseitigen Kondensators m dem Wechselrichter 4 auf, der dazu dient, Strom höherer Oberwellen zu absorbieren, wenn der Wechselrichter 4 arbeitet. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Schalter für den Ladevorgang.
Das Bezugszeichen 200 bezeichnet Zubehörgeräte wie etwa Lampen und ein Autoradio und dergleichen, für die die Hilfsbatterie 6 als ihre Spannungsquelle eingesetzt wird. In dem Fall des Ladens der Hilfsbatterie 6 wird der Ladeschalter 8 geschlossen und es arbeitet dann die in der Hilfsbatterie befindliche Ladeschaltung in dem Lader 7.
In dem vorstehend beschriebenen System wird ein drei Phasen aufweisender, mit Transistoren ausgestatteter Wechselrichter als der Wechselrichter 4 eingesetzt, und es wird häufig ein Induktionsmotor als der Motor 5 benutzt.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung, wenn ein drei Phasen aufweisender Wechselrichter als der Wechseirichter 4 benutzt wird, wobei das Bezugszeichen 41 Transistoren bezeichnet, das Bezugszeichen 42 Dioden bezeichnet, von denen jede antiparallel zu jeweils einem der Transistoren 41 geschaltet ist, und 43 einen eingangsseitigen Kondensator bzw. eine Eingangskapazität bezeichnet. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet Wechselspannungsausgangsanschlüsse, die mit dem Motor 5 verbunden sind, und es bezeichnet das Bezugszeichen 45 Gleichspannungseingangsanschlüsse, die mit der Hauptbatterie 1 über die Sicherung 3 und den Hauptschalter 2 verbunden sind.
Fig. 10 zeigt einen Aufbau des in Fig. 8 dargestellten Laders 7. In diesem Beispiel ist der Lader 7 durch einen Gleichspannungslgleichspannungs-Wandler gebildet. In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 70 eine Ladeschaltung für die Hilfsbatterie, und das Bezugszeichen 700 die anfängliche Ladeschaltung für den eingangsseitigen Kondensator 43 in dem Wechselrichter 2. In dieser Ladeschaltung 70 für die Hilfsbatterie bezeichnet das Bezugszeichen 71 einen eingangsseitigen Kondensator; das Bezugszeichen 72 bezeichnet einen Wechselrichter; das Bezugszeichen 73 bezeichnet einen isolierenden Transformator; das Bezugszeichen 74 bezeichnet einen Diodengleichrichter, das Bezugszeichen 75 bezeichnet eine Glättungsschaltung; das Bezugszeichen 76 bezeichnet Ausgangsanschlüsse, die mit der Hilfsbatterie 6 verbunden sind; das Bezugszeichen 77 bezeichnet Eingangsanschlüsse, die mit der Hauptbatterie 1 über den Schalter 8 zum Laden verbunden sind. Hierbei ist der Wechseirichter 72 durch einen eine einzige Phase aufweisenden, transistorisierten Wechselrichter gebildet, der gleichartig ist wie der drei Phasen aufweisende, transistorisierte Wechselrichter 4 in der Hauptschaltung.
Andererseits bezeichnet das Bezugszeichen 701 in der anfänglichen Ladeschaltung 700 einen eingangsseitigen Kondensator; das Bezugszeichen 702 einen Wechselrichter, der den gleichen Aufbau wie der Wechselrichter 72 besitzt; das Bezugszeichen 703 einen isolieren den Transformator, der ein Wicklungsverhältnis zwischen den primären Wicklungen und den sekundären Wicklungen aufweist, das gleich 1 ist; das Bezugszeichen 704 einen Diodengleichrichter, und das Bezugszeichen 706 Ausgangsanschlüsse, die mit dem eingangsseitigen Kondensator 43 in dem Wechseirichter 4 verbunden sind. Der Wechseirichter 702 in der anfänglichen Ladeschaltung 700 wird lediglich dann betrieben, wenn der Wechseirichter 4 gestartet wird und den eingangsseitigen Kondensator 43 lädt. Weiterhin kann eine Schutzsicherung auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite des Laders 7 vorgesehen sein, falls notwendig.
In dem vorstehend erläuterten elektrischen System für ein Elektrofahrzeug ist die Spannung der Hilfsbatterie 6 normalerweise gleich 12 V, so wie dies auch bei Kraftfahrzeugen der Fall ist, die einen mit interner Verbrennung arbeitenden Verbrennungsmotor aufweisen. Dem gegenüber ist die Spannung der Hauptbatterie 1 nicht kleiner als 200 V und kann mehr als 20-fach so groß sein wie die Spannung der Hilfsbatterie 6. In solchen Systemen, bei denen die eingangsseitige Spannung (Spannung der Hauptbatterie), die an die Ladeein richtung 7 für die Hilfsbatterie 6 angelegt wird, über 20 Mal so groß ist wie die Ausgangsspannung (Spannung der Hilfsbatterie), ist eine elektrische Isolation zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen aus Sicherheitsgründen erforderlich. Demgemäß war es bei dem herkömmlichen Lader 7 zwangsweise erforderlich, ein Gleichspannungslgleichspannungs-Wandlersystem gemäß den vorstehenden Erläuterungen zu benutzen, das den Wechseirichter für die Umwandlung der Eingangsgleichspannung in Wechselspannung, den Gleichrichter zum Umwandeln der Wechseispannung in Gleichspannung, und die Glättungsspannung enthielt. Dies führte dazu, daß das herkömmliche Ladesystem nicht nur kompliziert ist und sperrigen Aufbau besitzt, sondern auch teuer ist.
Da der Lader, der eine Ladeschaltung für die Hilfsbatterie, eine anfängliche Ladeschaltung für einen eingangsseitigen Kondensator eines Wechselrichters und so weiter aufweist, an einem Fahrzeug angebracht ist, ist es erforderlich, daß er kleine Größe und geringes Gewicht aufweist, wie es auch bei einer Hauptschaltung zur Steuerung eines Motors erforderlich ist. Gleichzeitig ist ein Ladesystem erwünscht, das sich durch niedrige Kosten und hohe Effizienz auszeichnet.
GB 2 235 836 A offenbart eine Ladeschaltung für eine Hilfsbatterie eines Elektrofahr- Zeugs, bei der der Motor mit einer oder mehreren sekundären Wicklungen versehen ist, in denen eine Spannung durch die Hauptwicklungen des Motors induziert wird. Die sekundären Motorwicklungen sind mit einem Gleichrichter und einer Konstantspannungsschaltung zum Laden der Hilfsbatterie verbunden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches System für ein Elektrofahrzeug zu schaffen, durch das ein kleines, leichtes, kostengünstiges und sehr effizientes Ladesystem bereitgestellt werden kann, indem der Aufbau einer Ladeschaltung für die Hilfsbatterie verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches System in Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 6 geschaffen.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Hilfsbatterie unter Verwendung der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters geladen, wobei die Tatsache berücksichtigt wird, daß eine Wellenform der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters, die zum Antreiben des Wechselstrommotors dient, durch eine Folge von Impulsen, ähnlich wie die Zähne eines Kamms, gebildet ist, die Spitzenwerte aufweisen, die dem Spannungswert der Hauptbatterie entsprechen, und zwar unabhängig von der Größe eines Effektivwerts (RMS = root mean square = Wurzel aus dem Mittel quadrierter Werte) einer Grundwelle, das heißt der Spannung des Wechselstrommotors.
Hierbei zeigen die Fig. 11 und 12 Wellenformen der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters. Fig. 11 zeigt einen Fall, bei dem ein Effektivwert einer Grundwelle der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters annähernd gleich Null ist. Fig. 12 zeigt einen Fall, bei dem ein Effektivwert einer Grundwelle der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters annähernd maximalen Wert besitzt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß die Ausgangswechselspannung des Wechselrichters eine Folge von Impulsen ist, deren Spitzenwerte jeweils gleich groß wie die Batterie VB der Hauptbatterie sind. Darüber hinaus ändert sich die Ausgangswechselspannung des Wechselrichters lediglich hinsichtlich der Breite der Impulse in Abhängigkeit von einem Effektivwert ihrer Grundwelle.
Eine Impulswiederholungrate der vorstehend erläuterten Folge von Impulsen entspricht der Trägerfrequenz für die Pulsbreitenmodulation PWM des Wechselrichters, und es entspricht weiterhin eine Wechselfrequenz der Folge von Impulsen einer Grundfrequenz des Wechselrichters, das heißt einer Frequenz des Wechselstrommotors.
In Übereinstimmung mit einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Gleichspannungsleistung dadurch erhalten, daß die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie, die einen isolierenden Abwärtstransformator, einen Wechselrichter und so weiter enthält, mit der Ausgangswechselspannungsseite des Wechselrichters verbunden wird. Diese Gleichspannungsleistung lädt somit die Hilfsbatterie.
Ferner weist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine anfängliche Ladeschaltung auf, die einen Gleichspannungslgleichspannungs-Wandler enthält, an den von der Hilfsbatterie eine Gleichspannungsleistung gespeist wird. Die anfängliche Ladeschaltung lädt den eingangsseitigen Kondensator in dem Wechselrichter anfänglich dann, wenn der Wechselrichter startet.
In Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 6 wird die Hilfsbatterie unter Verwendung einer Phasenspannung einer Ausgangswechselspannung des Wechselrichters geladen, indem die Tatsache berücksichtigt wird, daß eine Wellenform der Phasenspannung einer Ausgangswechselspannungsphase des Wechselrichters, anders ausgedrückt, eine Wellenform der Spannung zwischen einem Anschluß auf der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters und dem mittleren Anschluß bzw. Mittelanschluß der Hauptbatterie eine Folge von Impulsen ist, ähnlich wie Zähne eines Kamms, wobei die Impulse Spitzenwerte aufweisen, die einer Hälfte des Spannungswerts der Hauptbatterie unabhängig von der Größe eines Effektivwerts einer Grundwelle, das heißt der Spannung des Wechselstrommotors, entsprechen.
Hierbei sind in den Fig. 13 und 14, die den Fig. 11 und 12 jeweils entsprechen, Wellenformen der Phasenspannung der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters gezeigt.
Fig. 13 zeigt einen Fall, bei dem ein Effektivwert einer Grundwelle der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters annähernd bei Null liegt. Fig. 14 zeigt einen Fall, bei dem ein Effektivwert einer Grundwelle der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters annähernd maximalen Wert besitzt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß die Phasenwechselspannung der Ausgangsphasen des Wechselrichters eine Folge von Impulsen ist, deren Spitzenwerte jeweils gleich groß sind wie die Hälfte der Spannung VB der Hauptbatterie.
Darüber hinaus ändert die Phasenspannung der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters lediglich die Breite der Impulse in Abhängigkeit von einem Effektivwert ihrer Grundwelle.
Eine Impulswiederholungrate der vorstehend erläuterten Folge von Impulsen entspricht einer Trägerfrequenz der Pulsbreitenmodulation des Wechselrichters, und es entspricht weiterhin eine alternierende Frequenz der Folge von Impulsen einer Grundwelle des Wechselrichters, das heißt einer Frequenz des Wechselstrommotors, wie vorstehend erläutert.
In Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 6 ist die Primärseite des isolierenden Transformators in der Ladeschaltung für die Hilfsbatterie mit dem einen Anschluß des Wechselrichters an dessen Ausgangswechselspannungseite und dem mittleren Anschluß der Hauptbatterie verbunden, wohingegen die sekundäre Seite des isolierenden Transformators mit der Hilfsbatterie über den Gleichrichter und die Glättungsschaltung verbunden ist, so daß die Hilfsbatterie unter Verwendung der Phasenspannung der Ausgangswechselspannungsphase des Wechselrichters geladen wird.
In Übereinstimmung mit einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine impulsförmige Spannung, die Spitzenwerte entsprechend dem Spannungswert der Hauptbatterie aufweist, auf der Ausgangswechselspannungsseite des Wechselrichters zum Ansteuern des Motors unabhängig von den Lastbedingungen des Wechselrichters erzeugt. Diese impulsförmige Spannung wird durch den Abwärtstransformator auf die Spannung der Hilfsbatterie abgesenkt und durch den Gleichrichter gleichgerichtet, und wird dann zum Laden der Hilfsbatterie benutzt. Daher wird die Hilfsbatterie während des Betriebs des Wechselrichters stets geladen.
Die minimale Ladespannung für die Hilfsbatterie beträgt im der Spannung der Hauptbattene, wenn die Tiefe der Entladung gleich 100 % ist, und es ist die maximale Ladespannung für die Hilfsbatterie gleich im der Spannung der Hauptbatterie, wenn die Tiefe der Entladung gleich 0 % ist, wobei n das Spannungsverhältnis des Abwärtstransformators bezeichnet. Da der Typ der Hilfsbatterie der gleiche ist wie derjenige einer Einheitsbatterie der Hauptbatterie, kann das Spannungsverhältnis des Abwärtstransformators so gewählt werden, daß es gleich groß ist wie die Anzahl von Einheitsbatterien, was dazu führt, daß der Spannungswert der Hilfsbatterie stets zwischen den Spannungswerten der Einheitsbatterie gehalten wird, wenn die Tiefe der Entladung gleich 100 % bzw. 0 % ist.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler, der den eingangsseitigen Kondensator in dem Wechselrichter unter Verwendung der Hilfsbatterie als seine Spannungsquelle lädt, lediglich dann betrieben, wenn der Wechselrichter startet oder erneut startet. Nachdem der Kondensator auf einen vorbestimmten Spannungspegel aufgeladen ist, wird der Betrieb des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandlers beendet.
In Übereinstimmung mit dem Anspruch 6 wird eine impulsförmige Spannung, die Spitzenwerte aufweist, die der Hälfte des Spannungswerts der Hauptbatterie entsprechen, zwischen dem einen Anschluß des Wechselrichters auf dessen Wechselspannungsausgangsseite und dem mittleren Anschluß der Hauptbatterie unabhängig von den Ladebedingungen bzw. Belastungszuständen des Wechselrichters erzeugt. Diese impulsförmige Spannung wird auf die Spannung der Hilfsbatterie durch den Abwärtstransformator abgesenkt und durch den Gleichrichter gleichgerichtet, und wird dann zum Laden der Hilfsbatterie benutzt. Daher wird die Hilfsbatterie während des Betriebs des Wechselrichters stets geladen.
Selbst wenn der Wechselrichter sich in dem nicht arbeitenden Zustand befindet, ist es möglich, die Hilfsbatterie dadurch zu laden, daß lediglich eine Phase des Wechselrichters, mit der die Ladeschaltung verbunden ist, betrieben wird. Anders ausgedrückt, ist es möglich, die Hilfsbatterie auch dann zu laden, wenn sich der Motor nicht dreht und das Fahrzeug anhält. Da die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung lediglich durch den isolierenden Transformator, den Gleichrichter und die Glättungsschaltung gebildet werden kann, kann die Anzahl von Komponenten im Vergleich mit der herkömmlichen Schaltung verringert werden. Da die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie keinen Gleichspannungslgleichspannungs-Wandler aufweist, ist es weiterhin nicht notwendig, Halbleiter-Schaltelemente zu steuern. Aufgrund der unmittelbar vorstehend angegebenen Tatsache kann eine kleine, leichte und kostengünstige Ladeschaltung für die Hilfsbatterie realisiert werden. Hierdurch wird die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie sehr praxisgerecht als Zubehör, das an einem Elektrofahrzeug angebracht werden kann.
In einem herkömmlichen Kraftfahrzeug, das einen mit innerer Verbrennung arbeitenden Verbrennungsmotor enthält, wird eine Batterie während des Betriebs des Motors stets durch einen Generator geladen. Da in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Hilfsbatterie in gleicher Weise stets während des Betriebs des Elektrofahrzeugs geladen wird, das heißt während des Betriebs des Wechselrichters geladen wird, entsteht bei den Fahrern nicht das Gefühl einer Störung.
Ferner ist es in Übereinstimmung mit dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Fall, bei dem ein Wechselrichter drei Phasen aufweist, möglich, die Hilfsbatterie dadurch zu laden, daß lediglich zwei Phasen des Wechselrichters betrieben werden, ohne daß sich der Motor dreht, das heißt ohne daß das Fahrzeug fährt.
Ferner ist es in Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 6 möglich, die Hilfsbatterie dadurch zu laden, daß lediglich eine Phase des drei Phasen aufweisenden Wechselrichters betrieben wird.
Wie vorstehend erläutert, ist das in Übereinstimmung mit Erfindung stehenden elektrische System sehr praxisgerecht, da es für die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie, die in dem Elektrofahrzeug enthalten ist, eine wesentliche Eigenschaft ist, die Hilfsbatterie laden zu können, ohne daß sich der Motor dreht, das heißt ohne daß das Fahrzeug fährt. Dies kann ebenfalls dazu beitragen, die Sicherheit des Systems zu gewährleisten, in dem zum Beispiel die Hauptbatterie und die Hilfsbatterie geladen werden, während das Fahrzeug anhält.
Insbesondere werden in Übereinstimmung mit dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfmdung die folgenden Vorteile erzielt, da der eingangsseitige Kondensator in dem Wechselrichter durch den Gleichspannungslgleichspannungs-Wandler geladen wird, der mit der Hilfsbatterie als seine Spannungsquelle verbunden ist. Es ist nämlich möglich, Halbleiter-Schaltelemente für niedrige Spannung zu benutzen, da der Wechselrichter in dem Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler (anfängliche Ladeschaltung) als Nennwert auf den Spannungspegel der Hilfsbatterie ausgelegt ist. Da ferner der Aufwärtstransformator und der Diodengleichrichter lediglich auf der Wechselspannungsausgangsseite dieses Wechselrichters vorgesehen sind, ist es möglich, die anfängliche Ladeschaltung klein und leicht zu machen. Als Ergebnis weist die anfängliche Schaltung ähnlich wie die Ladeschaltung für die Hilfsbatterie erhebliche präktische Vorteile als Gerät, das an einem Elektrofahrzeug zu montieren ist, auf.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Effekte, Merktnale und Vorteile der vorliegenden Erfmdung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung von deren Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild, in dem eine in Fig. 1 dargestellte Ladeschaltung für die Hilfsbatterie dargestellt ist,
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen den Strömen und den Spannungen dargestellt ist, wenn eine Hauptbatterie und eine Hilfsbatterie geladen bzw. entladen werden,
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 zeigt ein Schaltbild, in dem eine anfängliche Ladeschaltung gemäß Fig. 5 dargestellt ist,
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein herkömmliches Ladesystem dargestellt ist,
Fig. 9 zeigt ein Schaltbild, in dem die Ausgestaltung eines Wechselrichters dargestellt ist, der sowohl bei dem herkömmlichen System als auch bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild, in dem ein in Fig. 8 dargestellter Lader veranschaulicht ist,
Fig. 11 zeigt eine Wellenform einer Ausgangsspannung des in Fig. 8 dargestellten Wechselrichters,
Fig. 12 zeigt eine Wellenform einer Ausgangsspannung des in Fig. 8 dargestellten Wechselrichters,
Fig. 13 zeigt eine Wellenform einer Ausgangsphasenspannung des in Fig. 7 dargestellten Wechselrichters, und
Fig. 14 zeigt eine Wellenform einer Ausgangsphasenspannung des in Fig. 7 gezeigten Wechselrichters,
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Elemente in Fig. 8. In Fig. 1 ist die Ladeschaltung 9 für die Hilfsbatterie mit der Ausgangswechselspannungsseite eines Wechselrichters 4 bzw. mit einer Hilfsbatterie 6 verbunden. Hierbei sind aus Gründen der Klarheit Zubehörkomponenten wie etwa Leuchten und ein Autoradio, die mit der Hilfsbatterie 6 als ihre Spannungsquelle arbeiten, nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen internen Aufbau der Ladeschaltung 9 über die Hilfsbatterie. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 95 Eingangsanschlüsse, die mit der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters 4 verbunden sind; das Bezugszeichen 91 bezeichnet einen isolierenden Abwärtstransformator, dessen primäre Seite mit den Eingangs anschlüssen 95 verbunden ist. Da der Wechselrichter 4 bei diesem Ausführungsbeispiel drei Phasen aufweist, enthalten auch der Abwärtstransformator 91 und ein nachstehend näher beschriebener Gleichrichter 92 drei Phasen.
Der Gleichrichter 92, der mit der Sekundärseite des Abwärtstransformators 91 verbunden ist, kann allgemein ein Diodengleichrichter sein. Eine Glättungsschaltung 93, die mit der Ausgangsgleichspannungsseite des Gleichrichters 92 verbunden ist, besteht aus einer Reaktanz 931 und einer Kapazität 932 zum Glätten eines Ladestroms für die Hilfsbatterie 6. Ausgangsanschlüsse 94 sind mit der Hilfsbatterie 6 verbunden. Auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 9 für die Hilfsbatterie kann je nach Bedarf eine Schutzsicherung (nicht gezeigt) eingefügt sein.
Fig. 3 zeigt die Ausgestaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Elemente wie in den Fig. 1 und 2.
Das erste, in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel lädt die Hilfsbatterie 6 unter Benutzung der drei Phasen der Ausgangsspannung des Wechselrichters 4. Auf der anderen Seite wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Hilfsbatterie 6 unter Einsatz einer einzigen Phase der Ausgangsspannung geladen. Hierbei bezeichnet das Bezugszeichen 90 eine Ladeschaltung für die Hilfsbatterie mit einer einzigen Phase, wobei das Bezugszeichen 901 einen isolierenden Abwärtstransformator mit einer einzigen Phase bezeichnet; das Bezugszeichen 902 einen Gleichrichter mit einer einzigen Phasen bezeichnet; und das Bezugszeichen 903 eine Glättungsschaltung bezeichnet, die aus einer Reaktanz 9031 und einer Kapazität 9032 besteht. In Übereinstimmung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Abwärtstransformator 901, der Gleichrichter 902 und so weiter vereinfacht werden, da die Ladeschaltung 90 für die Hilfsbatterie im Unterschied zu dem ersten Aufbau mit einer Einzelphasenauslegung aufgebaut werden können. Als Ergebnis kann eine kleine Ladeschaltung 90 mit geringem Gewicht und niedrigen Kosten realisiert werden.
Als Verfahren zur Ansteuerung der Ladeschaltung 90 für die Hilfsbatterie ist es ferner vorzuziehen, die Ausgangswechselspannung der einzelnen Phase der Ladeschaltung 90 in einer solchen Weise zu speisen, daß der Wechselrichter 4 mit lediglich zwei Phasen, nicht aber mit allen drei Phasen betrieben wird. Als Ergebnis ist es möglich, die Hilfsbatterie 6 zu laden, ohne daß der Motor 5 gedreht wird, das heißt ohne daß das Elektrofahrzeug fährt.
Da die Spannung der Einheitsbatterie 100 der Hauptbatterie 1 hierbei gleich groß ist wie diejenige der Hilfsbatterie 6 bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel, wird das Wicklungsverhältnis (Spannungsverhältnis) "a" zwischen den Wicklungen der Primärwicklung und den Wicklungen der Sekundärwicklung in dem Abwärtstransformator 21, 901 wie folgt ausgewählt:
a = n&sub1; / n&sub2; = m (1)
Hierbei bezeichnet n&sub1; die Anzahl der Windungen der Primärwicklung, während n&sub2; die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung bezeichnet. Mit m ist die Anzahl von in Reihe geschalteten Einheitsbatterien 100 bezeichnet.
Die Beziehung zwischen der Spannung der Hauptbatterie und der Spannung der Hilfsbattene ist für diesen Fall in Fig. 4 dargestellt. In dieser Figur bezeichnen die Linien [1] und [2] die Beziehung zwischen dem Lade- und Entladestrom IB der Hauptbatterie 1 und der Batteriespannung VB, wenn die Tiefe der Entladung gleich 100 % bzw. 0 % ist. Der Punkt "A" auf der Linie [1] repräsentiert die minimale Spannung VBm min (Entladestrom IB1), und der Punkt "B" auf der Linie [2] repräsentiert die maximale Spannung VBM max (Ladestrom IB2).
Auf der anderen Seite zeigen die Linien [1'] und [2'] die Beziehung zwischen dem Ladeund Entladestrom IB der Hilfsbatterie 6 und der Batteriespannung VB an, wenn die Tiefe der Entladung gleich 100 % bzw. 0 % ist. Da die Hilfsbatterie 6 identisch ist wie die Einheitsbatterie 100, sind die Werte des Lade- und Entladestroms nahezu gleich groß wie diejenigen bei der Hauptbatterie 1. Der Punkt "A'" auf der Linie [1'] repräsentiert die minimale Spannung VBA min (Entladestrom IB1), und der Punkt "B'" auf der Linie [2'] repräsentiert die maximale Spannung VBA max (Ladestrom IB2).
Da das Spannungsverhältnis des Abwärtstransformators 91, 901 hierbei so gewählt ist, wie es in der vorstehend angegebenen Gleichung (1) definiert ist, ergeben sich die minimale Spannung VBa min und die Maximalspannung VBa max der Hilfsbatterie 6 jeweils wie folgt:
VBa min = VBm min / m (2)
VBa max = VBm max / m (3)
Wie vorstehend beschrieben, ist bei diesen Ausführungsbeispielen die Regelung der Spannung der Hilfsbatterie 6 gleich wie diejenige der Hauptbatterie 1.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel im Hinblick auf einen zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel enthält weiterhin eine anfängliche Ladeschaltung 10 zum Laden des eingangsseitigen Kondensators 43 in dem Wechselrichter 4, zusätzlich zu den Komponenten des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen oder entsprechende, in Fig. 1 dargestellte Elemente. Die anfängliche Ladeschaltung 10, die im wesentlichen aus einem Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler besteht, lädt den eingangsseitigen Kondensator 43 unter Ausnutzung der Hilfsbatterie 6 als ihre Spannungsquelle.
Fig. 6 zeigt die Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen anfänglichen Ladeschaltung 10. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 105 Eingangsanschlüsse, die mit der Hilfsbatterie 6 verbunden sind; das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen eingangsseitigen Kondensator für die Glättung; das Bezugszeichen 101 bezeichnet einen Wechselrichter; das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen isolierenden Aufwärtstransformator; das Bezugszeichen 104 bezeichnet einen Gleichrichter; das Bezugszeichen 106 bezeichnet Ausgangsanschlüsse, die mit dem eingangsseitigen Kondensator 43 in dem Wechselrichter 4 verbunden sind. Auch wenn der in Fig. 6 dargestellte Wechselrichter 101 ein Wechselrichter mit einer einzigen Phase ist, kann er auch drei Phasen aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Wechselrichter 101 lediglich dann betrieben, wenn der eingangsseitige Kondensator 43 bei dem Starten des Wechselrichters 4 geladen wird. Ein Schalter oder eine Schutzsicherung (nicht gezeigt) kann je nach Bedarf auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite der anfänglichen Ladeschaltung 10 eingefügt sein.
Auch wenn die Ladeschaltung 9 für die Hilfsbatterie 6 bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel drei Phasen umfaßt, kann sie ferner auch eine einzige Phase aufweisen, wie es auch bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der Erfindung, bei dem die Primärseite des isolierenden Abwärtstransformators 901 in der in Fig. 3 gezeigten Ladeschaltung 90 für die Hilfsbatterie mit einem Anschluß des Wechselrichters 4 auf der Ausgangswechselspannungsseite dieses Wechselrichters und mit dem mittleren Anschluß 1C der Hauptbatterie 1 verbunden ist, an dem die Spannung halb so groß ist wie die Spannung der Hauptbatterie 1. Ein Schalter oder eine Schutzsicherung (nicht gezeigt) kann je nach Bedarf auf der Eingangsseite oder auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 90 für die Hilfsbatterie eingefügt sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Phasenspannung des Wechselrichters 4 an der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters 4 eine Folge von Impulsen, die einen Spitzenwert aufweisen, der halb so groß ist wie der Spannungswert der Hauptbatterie 1, und zwar unabhängig von den Betriebszuständen des Wechselrichters 4, wie es in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Die Hilfsbatterie 6 wird daher unter Ausnutzung der Phasenspannung geladen. Da die Einheitsbatterie der Hauptbatterie 1 und die Hilfsbatterie 6 hierbei vom gleichen Typ sind und die gleiche Spannung aufweisen, ist das Windungsverhältnis (Spannungsverhältnis) "a" zwischen den Windungen der Primärwicklung und den Windungen der Sekundärwicklung in dem Abwärtstransformator 91, 901 in Übereinstimmung mit der nachfolgend angegebenen Gleichung (4) ausgewählt:
a = n&sub1; / n&sub2; = m / 2 (4)
Hierbei bezeichnet n&sub1; die Anzahl von Windungen der Primärwicklung, während n&sub2; die Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung bezeichnet. Mit m ist die Anzahl von in Reihe geschalteten Einheitsbatterien 100 bezeichnet.
Hierbei sind die Beziehungen zwischen der Spannung und dem Strom zwischen der Hauptbatterie 1 und der Hilfsbatterie 6 die gleichen wie diejenigen, die in Fig. 4 dargestellt sind, und es werden daher diese Einzelheiten weggelassen, um eine Redundanz zu vermeiden.
Selbst wenn ein Fahrzeug anhält und der Motor 5 nicht betrieben wird, ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, die Hilfsbatterie 6 zu laden, indem lediglich die eine Phase des Wechselrichters 4, die mit der Ladeschaltung 90 verbunden ist, betrieben wird.
Auch wenn spezielle Ausführungsbeispiele eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfmdung aufgebauten elektrischen Systems für ein Elektrofahrzeug offenbart worden sind, ist nicht beabsichtigt, daß die Erfindung auf die speziellen Konfigurationen oder auf die hier offenbarten Verwendungsmöglichkeiten beschränkt ist.

Claims

1. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, mit

einer Hauptbatterie (1), die für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird und die eine Mehrzahl von Batterieeinheiten (100) aufweist sowie eine erste Spannung erzeugt,

einer Hilfsbatterie (6), die für Zubehör des Fahrzeugs eingesetzt wird und die von der gleichen Art wie eine Batterieeinheit der Hauptbatterie ist, wobei die Hilfsbatterie die gleiche Spannung wie eine Einheitsbatterie der Hauptbatterie aufweist und eine zweite Spannung bereitstellt, und wobei die erste Spannung n-mal so groß ist wie die zweite Spannung, wobei n die Anzahl von Batteneeinheiten der Hauptbatterie (1) bezeichnet, einem Wechselstrommotor (5) für den Antrieb eines oder mehrerer Räder des Fahrzeugs,

einem Wechselrichter (4) zum Umwandeln von Gleichspannungsleistung, die von der Hauptbatterie (1) zugeführt wird, in Wechselspannungsleistung für das Anlegen an den Wechselstrommotor (5), und

einer Ladeeinrichtung (9; 90), die separat von dem Wechselstrommotor aufgebaut ist und zum Laden der Hilfsbatterie (6) unter Heranziehung der von dem Wechselrichter abgegebenen Wechselspannungsleistung dient, wobei die Ladeeinrichtung fur die Hilfsbatterie einen isolierenden Abwärtstransformator (91; 901) zum Verringern der von dem Wechseirichter abgegebenen Ausgangsspannung auf die Ladespannung der Hilfsbatterie, wobei der Abwärtstransformator direkt mit der Wechselspannungs-Ausgangsseite des Wechselrichters verbunden ist und ein Wicklungsverhältnis von n aufweist, einen Gleichrichter (92; 902), der direkt mit der Sekundärseite des Transformators (91; 901) verbunden ist, und eine Glättungschaltung (93; 903) aufweist, die direkt zwischen die Ausgangsseite des Gleichrichters (92; 902) und die Hilfsbatterie (6) geschaltet ist.

2. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Phasen des isolierenden Transformators (91; 901) und des Gleichrichters (92; 902) gleich groß ist wie diejenige des Wechselrichters (4).

3. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Transformator (91; 901) und der Gleichrichter (92; 902) eine einzige Phase aufweisen.

4. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (4) eine Ausgestaltung mit drei Phasen aufweist und lediglich zwei Phasen von diesen drei Phasen zum Laden der Hilfsbatterie (6) angesteuert werden.

5. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch einen Gleichspannungslgleichspannungs- Wandler (10), an den von der Hilfsbatterie (6) Gleichspannungsleistung angelegt wird, und durch einen Eingangskondensator (43) in dem Wechselrichter (4), wobei der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler (10) den Eingangskondensator (43) in dem Wechselrichter (4) anfänglich lädt, wenn der Wechselrichter startet.

6. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug, mit

einer Hauptbatterie (1), die für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird und die eine Mehrzahl von Batteneeinheiten (100) aufweist und eine erste Spannung bereitstellt,

einer Hilfsbatterie (6), die für Zubehör des Fahrzeugs verwendet wird und die von der gleichen Art wie eine Batterieeinheit der Hauptbauerie ist, wobei die Hilfsbatterie die gleiche Spannung wie eine Batterieeinheit der Hauptbatterie aufweist und eine zweite Spannung bereitstellt, wobei die erste Spannung n-mal größer ist als die zweite Spannung, wobei n die Anzahl von Batteneeinheiten der Hauptbatterie (1) bezeichnet,

einem Wechselstrommotor (5) für den Antrieb eines oder mehrerer Räder des Fahrzeugs,

einem Wechseirichter (4) für die Umwandlung der Gleichspannungsleistung, die von der Hauptbatterie (1) zugeführt wird, in Wechselspannungsleistung für das Anlegen an den Wechselstrommotor (5), und

einer Ladeeinrichtung (9; 90), die separat von dem Wechselstrommotor aufgebaut ist und zum Laden der Hilfsbatterie (6) unter Verwendung einer Phasenspannung der von dem Wechseirichter abgegebenen Wechselspannungsleistung dient, wobei die Ladeeinrichtung für die Hilfsbatterie einen isolierenden Abwärtstransformator (91; 901) zum Verringern der Ausgangsspannung des Wechselrichters auf die Ladespannung der Hilfsbatterie, wobei der Abwärtstransformator direkt mit der Wechselspannungs-Ausgangsseite des Wechselrichters verbunden ist und ein Wicklungsverhältnis von n/2 aufweist, einen Gleichrichter (92; 902), der direkt mit der Sekundärseite des Transformators (91; 901) verbunden ist, und eine Glättungsschaltung (93; 903) aufweist, die direkt zwischen die Ausgangsseite des Gleichrichters (92; 902) und die Hilfsbatterie (6) geschaltet ist, wobei die Primärseite des isolierenden Transformators (901) mit einem Anschluß der Wechselspannungs-Seite des Wechselrichters (4) und dem mittleren Anschluß (1C) der Hauptbatterie (1) verbunden ist.

7. Elektrisches System für ein Elektrofahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich eine Phase des Wechselrichters (4), deren Anschluß mit der Ladeeinrichtung (90) verbunden ist, zum Laden der Hilfsbatterie (6) bei einem Zustand, bei dem der Wechselstrommotor nicht arbeitet, betrieben wird.