DE19502501A1 - Sicherheitsschaltung für Kfz mit Elektrotraktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Fahrantrieb für ein insbesondere nicht schienengebundenes Fahrzeug.

Es sind, z. B. aus der Zeitschrift "VDI-Berichte Nr. 878, 1991, Seiten 611 bis 622", elektromotorisch angetriebene, nicht schienengebundene Fahrzeuge bekannt, deren Räder durch Elek­ tromotoren angetrieben werden. Bei derartigen Fahrzeugen werden ein oder mehrere Elektromotoren aus einem Bordnetz mit elek­ trischer Betriebsleistung versorgt und das in den Elektromoto­ ren erzeugte Drehmoment wird auf die Antriebsräder des Fahr­ zeugs übertragen. Als Elektromotoren sind hier Drehfeldmotoren beliebiger Bauart mit einer in mehrere Phasenwicklungen unter­ teilten Drehfeldwicklung einsetzbar. Es haben sich dabei Perma­ nentmagnet-Außenläufermotoren als besonders geeignet erwiesen. Die Phasenwicklungen der Elektromotoren werden aus mehreren, den einzelnen Motoren zugeordneten Umrichtern mit phasenver­ schobenen, pulsierenden Treiberströmen gespeist. Bei diesen Umrichtern handelt es sich um elektronische Umrichter, die die Pulsationsrate und die Amplitude der Treiberströme mittels elektronischer Halbleiterventile nach Maßgabe einer Fahrsteue­ rung des Fahrzeugs, beispielsweise über ein Fahrpedal oder dergleichen, steuern. Die Umrichter wiederum werden aus dem Bordnetz gespeist, welches z. B. durch einen von einer Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Generator, aber auch durch eine wiederaufladbare Batterie gestellt werden kann. Zur Übertragung des vom Elektromotor erzeugten Drehmoments auf ein oder mehrere Antriebsräder werden Gelenkwellen, ggf. Differentialgetriebe und auch Untersetzungsgetriebe verwendet.

Ein für einen Fahrzeugantrieb verwendet er Elektromotor muß über einen breiten Drehzahlbereich eine vergleichsweise hohe Lei­ stung erbringen. Die Phasenwicklungen werden dabei mit Treiber­ strömen von bis zu 1000 A bei bis zu 2 kHz aus den Umrichtern gespeist. Bei gegebener Frequenz und Stärke des Treiberstroms ist es des weiteren möglich, durch Ändern der Schaltungskon­ figuration der Drehfeldwicklungen das Drehmoment und die Dreh­ zahl des Elektromotors zu verändern. Wie aus der EP-A-340,686 bekannt, kann hierzu die Zahl der in Serie bzw. in Reihe ge­ schalteten Phasenwicklungen mit Hilfe einer Vielzahl steuer­ barer Schalter verändert werden. Zu diesem Zweck werden übli­ cherweise mechanische Schalter eingesetzt, deren bewegliche Kontaktelemente durch z. B. einen elektromotorischen Stell­ antrieb verstellt werden können. Bei Fahrzeugen der eben be­ schriebenen Art ist es des weiteren üblich, im Bordnetz oder in den Stromzuführungen zu den Phasenwicklungen Schalter vorzuse­ hen, welche die Leistungszufuhr zu den Elektromotoren, z. B. beim Auftreten einer Notsituation, stromlos schalten können.

Die im Fahrbetrieb am Fahrzeug auftretenden, beim Befahren holperigen Untergrunds unter Umständen sehr hohen Beschleuni­ gungen können zu einer nennenswerten Belastung und einer damit einhergehenden frühzeitigen Ermüdung der Fahrzeugstrukturkom­ ponenten und auch der im Antriebsstrang liegenden drehmoment­ übertragenden Komponenten führen. Einer besonderen Gefährdung durch im Fahrbetrieb auftretende Beschleunigung unterliegen mechanische Schalter im elektrischen Betriebsleistungsweg der Elektromotoren: Eine an einem derartigen Schalter angreifende Beschleunigung ist in der Lage, einen an sich geschlossenen Schaltkontakt zu öffnen, indem die aufgrund der Beschleunigung an dem beweglichen Kontaktelement angreifende Trägheitskraft des Kontaktelements oder/und des mit diesem Kontaktelement verbundenen Stellantriebs die Kraftwirkung einer den Kontakt­ schluß der Kontaktelemente sichernden Feder überwindet. Ist der Schalter zu diesem Zeitpunkt stromdurchflossen, entsteht ein Löschfunke, der bei den oben genannten Stromstärken zu einem nennenswerten Abbrand der Kontaktelemente oder auch zu einer Zerstörung des Schalters führen kann. Dem wird üblicherweise dadurch begegnet, daß die Schalter mittels starker Kontaktfe­ dern entsprechend robust ausgelegt werden, was wiederum einen erhöhten Kraftaufwand der die Schalter betätigenden Stellan­ triebe und damit ein erhöhtes Gewicht der gesamten Schaltanord­ nung mit sich bringt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektromotorischen Fahr­ antrieb für ein insbesondere nicht schienengebundenes Fahrzeug anzugeben, welcher im Fahrzeug verwendete Komponenten vor der schädlichen Wirkung von im Fahrbetrieb auftretenden Beschleuni­ gungen schützt.

Die Erfindung geht aus von einem elektromotorischen Fahrantrieb für ein insbesondere nicht schienengebundenes Fahrzeug, um­ fassend:

• - wenigstens einen Elektromotor,
• - eine den Elektromotor mit Betriebsleistung versorgende Lei­ stungsversorgungseinrichtung und
• - eine elektronische Schaltungsanordnung zur Steuerung der dem Elektromotor zugeführten Betriebsleistung.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Fahrantrieb der oben genann­ ten Art vorgesehen, daß an dem Fahrzeug Beschleunigungssensor­ mittel angeordnet sind, die wenigstens eine von der Beschleuni­ gung zumindest eines Bauteils des Fahrzeugs abhängige Größe liefern und daß auf die wenigstens eine beschleunigungsabhän­ gige Größe ansprechende Bewertungsmittel vorgesehen sind, die die elektronische Schaltungsanordnung so steuern, daß zumindest in einem Teil des Wertebereichs der beschleunigungsabhängigen Größe die dem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung ent­ sprechend einer vorbestimmten Charakteristik gemindert wird.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die dem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung zu senken, wenn die an bestimmten Komponenten des Fahrzeugs auftretenden Beschleunigungen einen Wert erreichen, welcher diese Komponenten unmittelbar gefährdet oder deren Lebensdauer reduziert.

Die Erfassung der an Komponenten des Fahrzeugs auftretenden Beschleunigungswerte erfolgt durch ein oder mehrere Beschleuni­ gungssensormittel, welche von Beschleunigungen wenigstens eines Bauteils des Fahrzeugs abhängende Größen liefern. Als Beschleu­ nigungssensormittel kommen hierbei Sensoren in Betracht, welche Beschleunigungen indirekt oder direkt erfassen. Zu ersteren gehören z. B. Sensoren, welche einen Geschwindigkeitswert erfassen und damit durch Differenzenbildung die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit, d. h. die momentane Beschleu­ nigung, zu bestimmen erlauben sowie Sensoren, welche den Ab­ stand zweier Raumpunkte erfassen und damit die Bildung des momentanen Beschleunigungswertes über zweifache Differenzierung nach der Zeit ermöglichen. Die direkte Bestimmung der Beschleu­ nigung erfolgt erfindungsgemäß mittels Beschleunigungssensoren, welche insbesondere wenigstens eine in eine Raumrichtung ge­ richtete, translatorische Beschleunigung erfassen.

Die durch die Beschleunigungssensormittel erfaßte beschleuni­ gungsabhängige Größe wird Bewertungsmitteln zugeführt und dort analysiert. In Abhängigkeit von der erfaßten beschleunigungs­ abhängigen Größe steuern die Bewertungsmittel wiederum die elektronische Schaltanordnung zur Steuerung der dem Elektromo­ tor zugeführten Betriebsleistung derart, daß die dem Elektromo­ tor zugeführte Betriebsleistung entsprechend einer vorbestimm­ ten Charakteristik gemindert wird, wenn der Wert der momentan erfaßten beschleunigungsabhängigen Größe in einem bestimmten Wertbereich liegt. Die Bewertungsmittel sprechen dabei bevor­ zugt auf die Amplitude oder/und die Änderungsrate der von den Beschleunigungssensormitteln gelieferten Größe an.

So ist insbesondere vorgesehen, die Charakteristik so auszu­ gestalten, daß bei gemessenen Größen, welche geringen Beschleu­ nigungswerten entsprechen, der Elektromotor mit einer unver­ minderten, beispielsweise durch die Stellung eines Fahrpedals bestimmten Leistung versorgt wird. Entspricht die beschleuni­ gungsabhängige Größe jedoch einem gemessenen Beschleunigungs­ wert, bei dessen Auftreten Komponenten des Fahrzeugs erwar­ tungsgemäß Schäden davontragen könnten, so veranlaßt die Bewer­ tungsschaltung die elektronische Schaltanordnung, die dem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung zu mindern. Insbeson­ dere ist vorgesehen, die Betriebsleistung vollständig abzu­ schalten, sobald die beschleunigungsabhängige Größe einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.

Des weiteren ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgese­ hen, daß die Bewertungsmittel neben den durch die Beschleuni­ gungssensormittel zur Verfügung gestellten beschleunigungs­ abhängigen Größen ebenfalls Größen berücksichtigen, welche die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs oder/und die momen­ tane Betriebsleistung des Elektromotors repräsentieren. Erstere kann beispielsweise an einem im Fahrzeug vorhandenen Tachometer abgegriffen werden, letztere z. B. durch die elektronische Schaltanordnung zur Steuerung der dem Elektromotor zugeführten Betriebsleistung ausgegeben werden. Diese Größen werden in die durch die Bewertungsmittel durchgeführte Analyse einbezogen, indem insbesondere z. B. die zur Minderung der Betriebsleistung vorgesehene vorbestimmte Charakteristik in Abhängigkeit dieser Größen geändert wird.

Durch Einbeziehung der dem-Elektromotor zugeführten momentanen Betriebsleistung in die vorbestimmte Charakteristik ist es insbesondere möglich, die dem Elektromotor zugeführte Betriebs­ leistung in einem Wertebereich der beschleunigungsabhängigen Größe, welcher mittleren Beschleunigungen entspricht, kontinu­ ierlich mit zunehmenden Beschleunigungen zu senken. So kann beispielsweise die Betriebsleistung bei geringen mittleren Beschleunigungswerten nur geringfügig, bei größeren mittleren Beschleunigungen stärker gemindert werden.

Um den bei höheren Fahrgeschwindigkeiten erfahrungsgemäß zu erwartenden höheren auftretenden Beschleunigungsspitzenwerten vorzubeugen, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglich, durch Einbeziehen der momentanen Fahrge­ schwindigkeit in die Analyse der Bewertungsmittel den Schwel­ lenwert, der zur Minderung, insbesondere Abschaltung der Be­ triebsleistung vorgesehen ist, zu verkleinern.

Neben den eben genannten Größen können weitere, den momentanen Zustand des Fahrzeugs repräsentierende, momentan bestimmte oder vorbestimmte Größen in die Analyse durch die Bewertungsmittel bzw. in die vorbestimmte Charakteristik eingehen.

Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, daß die vorbestimmte Charakteristik in einem oder mehreren Kennlinienspeichern als Kennlinie oder Kennlinienschar repräsentiert ist. Insbesondere kann die Charakteristik in Tabellenform gespeichert sein.

Die Bewertungsmittel werden bevorzugt als elektronische Schal­ tung ausgeführt, welche auf analoger Basis oder auch digital arbeiten kann. Es ist insbesondere auch vorgesehen, daß die Bewertungsmittel mikroprozessorgesteuert arbeiten, in einen eventuell im Fahrzeug angebrachten Bordcomputer integriert sind oder auch in Programmform in diesem Bordcomputer vorliegen. Dabei kann insbesondere der Kennlinienspeicher in den Arbeits­ speicher eines Mikroprozessors integriert sein.

Es ist vorgesehen, in den Betriebsleistungsweg zum Elektromotor des elektromotorischen Fahrantriebs wenigstens einen mechani­ schen Schalter mit wenigstens einem beweglichen Kontaktelement einzufügen. Dieser mechanische Schalter kann insbesondere Bestandteil einer Not-Ausschalteinrichtung sein. Er ist in diesem Fall dazu vorgesehen, bei Auftreten eines Notfalls, z. B. einer Unfallsituation, den Stromfluß im Betriebslei­ stungsweg und damit die dem Elektromotor zugeführte Betriebs­ leistung zu unterbrechen. Dieser mechanische Schalter im Be­ triebsleistungsweg kann zwischen dem Gleichstrombordnetz und dem den Elektromotor mit pulsierenden Treiberströmen versorgen­ den Umrichter eingefügt sein oder es können ein oder mehrere Schalter zwischen dem Umrichter und zwischen den einzelnen Drehfeldwicklungen des Elektromotors angeordnet sein. Dabei unterbricht ein Schalter, ein- oder mehrpolig ausgeführt, jeweils eine oder mehrere stromführende Phasen der Leistungs­ versorgungseinrichtung.

Des weiteren werden mechanische Schalter in einem elektromoto­ rischen Fahrantrieb insbesondere dazu verwendet, die Schal­ tungskonfiguration der Drehfeldwicklungen des Elektromotors, d. h. die Zahl der in Serie bzw. in Reihe geschalteten Wick­ lungen, zu ändern. Dabei sind in einem elektromotorischen Fahrantrieb z. B. Permanentmagnet-Außenläufermotore vorgesehen, welche eine Dreiphasendrehfeldwicklung aufweisen, deren Schal­ tungskonfiguration mittels zwischen dem Umrichter und den einzelnen Phasenwicklungen eingefügter mechanischer Schalter zwischen einer Sternschaltung und einer Dreiecksschaltung änderbar ist. Diese Schalter sind vorteilhafterweise unmittel­ bar an den Anschlüssen der Drehfeldwicklungen des Elektromotors angeordnet.

Die beweglichen Kontaktelemente der mechanischen Schalter werden vorteilhafterweise durch einen mechanischen Stellantrieb von einer Schaltstellung in die andere bewegt. Der mechanische Stellantrieb wiederum wird beispielsweise elektromagnetisch, elektromotorisch oder mittels eines pneumatischen oder hydrau­ lischen Druckmittels bewegt. Der Kontaktschluß zwischen den beweglichen und den feststehenden Kontaktelementen wird durch den Anpreßdruck von Federn, evtl. von bistabilen Federn gewähr­ leistet.

Im Fahrbetrieb auftretende Beschleunigungen des mechanischen Schalters können dazu führen, daß die durch die Federwirkung aneinander gepreßten Kontaktelemente durch die auf die bewegli­ chen Kontaktelemente und/oder die Stellmechanik wirkende Be­ schleunigungskraft entgegen der Wirkung der Federkraft getrennt werden. Ist der mechanische Schalter zu einem solchen Zeitpunkt stromdurchflossen, kann Löschfunkenbrand auftreten und den Schalter beschädigen.

Es ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehen, Beschleunigungen, welche zum Öffnen der Kontaktele­ mente der mechanischen Schalter führen können, in den Beschleu­ nigungssensormitteln zu erfassen und die die Schalter durch­ fließenden Ströme zu mindern, insbesondere vollständig abzu­ schalten, wenn die am Schalter auftretende Beschleunigung Werte erreicht, welche zu einer Öffnung der Kontaktelemente führen können. Insbesondere wird die Charakteristik, die die Minderung der Betriebsleistung bestimmt, und dabei insbesondere der Schwellenwert, bei dessen Überschreiten durch die beschleuni­ gungsabhängige Größe die Betriebsleistung vollständig abge­ schaltet wird, an die mechanischen Gegebenheiten des Schalters und an die Grenzbeschleunigung, bei deren Auftreten ein Kon­ taktschluß der beweglichen Kontaktelemente nicht mehr gewähr­ leistet ist, angepaßt.

Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, Beschleunigungssensor­ mittel in unmittelbarer funktioneller Nähe des mechanischen Schalters anzuordnen und insbesondere diese beiden Elemente zu einer Baueinheit zu vereinigen. Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, die Beschleunigungssensormittel derart auszurichten, daß die Raumrichtung, in der sie auf translato­ rische Beschleunigungen am empfindlichsten sind, mit der Raum­ richtung zusammenfällt in der auftretende Beschleunigungen den Kontaktschluß der beweglichen Kontaktelemente am leichtesten öffnen können. Es versteht sich, daß die Beschleunigungssensor­ mittel aber, wie nachstehend noch erläutert, alternativ auch von dem Schalter gesondert angeordnet werden können, z. B. in Vorwärts-Fahrtrichtung vor dem Schalter, um Stöße oder der­ gleichen frühzeitig erkennen zu können.

Es ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls vorgesehen, mechanische Komponenten, wie zwischen zwischen Elektromotor und wenigstens einem Rad des Fahrzeugs angeordnete Drehmomentübertragungseinrichtungen, insbesondere Getriebe oder/und Gelenkwellen, vor der schädlichen Wirkung harter Beschleunigungen, wie sie z. B. beim Durchfahren von Schlaglöchern auftreten, zu schützen, indem die dem Elektromo­ tor zugeführte Betriebsleistung und damit die Belastung der Drehmomentübertragungseinrichtungen gemindert wird.

Hierzu wird bevorzugterweise die für die Minderung der Be­ triebsleistung durch die Bewertungsmittel maßgebliche Charak­ teristik an die mechanischen Gegebenheiten und Belastungsgren­ zen der Drehmomentübertragungseinrichtungen angepaßt. Es ist insbesondere auch in diesem Fall zweckmäßig, neben der durch die Beschleunigungssensormittel erfaßten beschleunigungsabhän­ gigen Größe auch die dem Elektromotor zugeführte Betriebslei­ stung in den Bewertungsmitteln zu erfassen und die Charakteri­ stik so zu gestalten, daß die Belastungsgrenzen in den Drehmo­ mentübertragungseinrichtungen durch die kombinierte Wirkung der momentanen Beschleunigung und des momentan übertragenen Drehmo­ ments nicht überschritten werden.

Zweckmäßigerweise ist bei einem elektromotorischen Fahrantrieb der oben erläuterten Art zweckmäßigerweise vorgesehen, die Beschleunigungssensormittel in Vorwärtsfahrtrichtung des Fahr­ zeugs im Abstand vor einem durch Minderung der Betriebsleistung des Elektromotors vor Beschleunigungseinwirkung zu schützenden Bauteil anzuordnen. Dies ist insbesondere zweckmäßig für den Fall, daß Drehmomentübertragungseinrichtungen oder/und in den Betriebsleistungsweg eingebaute mechanische Schalter vor Beschleunigungseinwirkungen zu schützen sind.

Weist ein elektromotorischer Fahrantrieb beispielsweise ein vor schädlicher Beschleunigungswirkung zu schützendes Bauteil im Bereich der Hinterachse des Fahrzeugs auf, so ist bevorzugt vorgesehen, die Beschleunigungssensormittel im Bereich der Vorderachse und insbesondere in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen vor der Vorderachse anzuordnen. Zum Schutz der ein Hinterrad eines Fahrzeugs antreibenden Drehmomentübertragungseinrichtun­ gen ist es ebenfalls besonders zweckmäßig, die Beschleunigungs­ sensormittel an einem diesem Hinterrad vorauslaufenden Vor­ derrad anzuordnen.

Sind in einem Fahrzeug zum Erkennen von Unfallsituationen spezialisierte Komponenten, wie eine Airbag-Steuerschaltung oder/und ein Unfalldatenspeicher vorhanden und liegt ein mecha­ nischer Schalter, der Bestandteil einer Not-Ausschaltvorrich­ tung ist, als vor Beschleunigungen zu schützendes Bauteil vor, so ist es besonders zweckmäßig, Meßgrößen der Airbag-Steuer­ schaltung oder/und des Unfalldatenspeichers ebenfalls an die Bewertungsmittel zu liefern, so daß die Bewertungsmittel eben­ falls auf diese Größen ansprechen können, um die dem Elektromo­ tor zugeführte Betriebsleistung zu mindern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Funktionsskizze eines elektromotorischen Fahr­ antriebs für ein Straßenfahrzeug,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs einer zur Minderung der dem Elektromotor zugeführten Betriebs­ leistung vorgesehenen Charakteristik,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Leistungsversorgungseinrichtung eines Elektromotors mit im Betriebsleistungsweg vor­ handenen mechanischen Schaltern, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit elektromotorischem Fahrantrieb.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 11, welches zwei Vorderräder 13 sowie zwei jeweils durch einen Elektromotor 15 über ein Getriebe 17 sowie eine Gelenkwelle 19 angetriebene Hinterräder 20 umfaßt. Die einzelnen Phasenwick­ lungen der Elektromotoren 15 werden aus einer Leistungsver­ sorgungseinrichtung 21 über schematisch dargestellte Betriebs­ leistungswege 23 mit Treiberströmen versorgt. Die Leistungsver­ sorgungseinrichtung 21 umfaßt dabei ein aus einem mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Generator oder aus einer Batte­ rie gespeistes Bordnetz sowie elektronische Umrichter, welche die die einzelnen Phasenwicklungen der Elektromotoren 15 durch­ fließenden Treiberströme steuern.

In Fig. 1 symbolisch angedeutete mechanische Schalter 25 in den Betriebsleistungswegen 23 können Schalter sein, welche die Schaltungskonfiguration der Phasenwicklungen der Elektromotoren ändern, insbesondere eine Dreiphasendrehfeldwicklung zwischen Sternschaltung und Dreiecksschaltung umschalten, und/oder es können Schalter sein, die als Bestandteile einer Not-Ausschalt­ vorrichtung dazu vorgesehen sind, den Betriebsleistungsweg 23 zu den Elektromotoren in Notsituationen, z. B. im Falle einer Unfallsituation, zu unterbrechen.

Die den Elektromotoren 15 aus der Leistungsversorgungseinrich­ tung 21 zugeführte Betriebsleistung wird durch eine elektro­ nische Schaltungsanordnung 27 gesteuert.

Das dargestellte Fahrzeug 11 umfaßt weiterhin einem Bauteil 29 zugeordnete Beschleunigungssensormittel 31 sowie Bewertungs­ mittel 33. Die Beschleunigungssensormittel 31 liefern eine von der Beschleunigung des Bauteils 29 abhängige Größe, welche an die Bewertungsmittel 33 geliefert wird. Die Bewertungsmittel 33 steuern die elektronische Schaltungsanordnung 27 so, daß die den Elektromotoren 15 zugeführte Betriebsleistung entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik gemindert wird, wenn die von den Beschleunigungssensormitteln 31 gelieferte beschleunigungs­ abhängige Größe in einem bestimmten Wertebereich liegt. Die Charakteristik ist dabei so gestaltet, daß die den Elektromoto­ ren zugeführte Betriebsleistung insbesondere dann gemindert wird, wenn die beschleunigungsabhängige Größe verhältnismäßig große Beschleunigungen des Bauteils 29 repräsentiert. Die Charakteristik ist weiterhin so bemessen, daß durch die Minde­ rung der den Elektromotoren 15 zugeführten Betriebsleistung ein durch große Beschleunigungen verursachter Schaden an Komponen­ ten des Fahrzeugs verhindert wird. Hierbei kommen insbesondere in den Betriebsleistungsweg 23 eingefügte mechanische Schalter 25 sowie zwischen Elektromotoren 15 und Antriebsrädern 20 eingefügte Drehmomentübertragungseinrichtungen, wie Getriebe 17 oder Gelenkwellen 19 in Betracht. Werden nämlich die Kontakt­ elemente eines stromdurchflossenen mechanischen Schalters 25 durch die Wirkung von im Fahrbetrieb auftretenden Beschleuni­ gungen geöffnet, so kann ein Löschfunkenbrand entstehen, der die Lebensdauer des Schalters reduziert oder den Schalter zerstört. Derartige Beschleunigungen können vor ihrem Auftreten durch die Beschleunigungssensormittel 31 registriert und durch die Bewertungsmittel 33 erfaßt und bewertet werden, so daß die Bewertungsmittel 33 die elektronische Schaltungsanordnung 27 dazu veranlassen, die den Elektromotoren 15 zugeführte Be­ triebsleistung und damit den den mechanischen Schalter 25 durchfließenden Strom zu mindern, insbesondere abzuschalten. Bei einer anschließend eventuell stattfindenden beschleuni­ gungsbedingten Öffnung der beweglichen Kontaktelemente kann dann an dem Schalter kein Schaden eintreten, da er nicht mehr stromdurchflossen ist. Nach einer bestimmten Zeitspanne bzw. nach Abklingen der Beschleunigung wird den Elektromotoren 15 aus der Leistungsversorgungseinrichtung 21 wieder die unver­ minderte Betriebsleistung zugeführt. Da die zur Öffnung der mechanischen Schalter notwendigen harten Beschleunigungen im Fahrbetrieb nur sehr kurzzeitig auftreten, ist eine entspre­ chende Unterbrechung der Betriebsleistung ebenfalls nur für kurze Zeitintervalle notwendig, so daß das Fahrverhalten durch diese Unterbrechung nicht beeinträchtigt wird.

Die Charakteristik kann ebenfalls so bemessen sein, daß Bela­ stungen der Drehmomentübertragungseinrichtungen wie Getriebe 17 oder Gelenkwellen 19 durch Reduzierung der den Elektromotoren zugeführten Leistung gemindert werden.

Als Beschleunigungssensormittel 33 kommen beliebige Sensoren in Betracht, welche Größen liefern, die in einer bestimmten Weise von einer Beschleunigung abhängen. Insbesondere werden Be­ schleunigungssensoren verwendet, welche in eine bestimmte Raumrichtung 35 gerichtete translatorische Beschleunigungen des Bauteils 29 erfassen. Da die an dem Bauteil 29 auftretenden und von den Beschleunigungssensormitteln 31 gemessenen Beschleuni­ gungswerte eine eventuelle Minderung der Betriebsleistung verursachen, ist es sinnvoll, dieses Bauteil 29 so im Fahrzeug anzuordnen, daß die daran auftretenden Beschleunigungen ähnlich den an dem zu schützenden Bauteil auftretenden Beschleunigungen sind und/oder die Beschleunigungssensormittel 31, die auf die zu schützende Komponente wirkenden Beschleunigungen mit mög­ lichst großer Empfindlichkeit registrieren können. Um auftre­ tende Beschleunigungen möglichst frühzeitig registrieren zu können, ist es sinnvoll, den Beschleunigungssensor im Bereich der Vorderachse und insbesondere, in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen, vor dieser anzuordnen.

Sollen z. B. ein im Betriebsleistungsweg 23 angeordneter mecha­ nischer Schalter 25 vor Beschleunigungswirkungen geschützt werden, so ist es insbesondere sinnvoll, das Bauteil 29 in einer strukturellen Einheit mit dem mechanischen Schalter 25 auszubilden bzw. die Beschleunigungssensormittel 33 direkt an dem Schalter 25 anzubringen.

In die Charakteristik zur Minderung der den Elektromotoren zugeführten Betriebsleistung können neben der momentan auf­ tretenden beschleunigungsabhängigen Größe auch andere Größen über den momentanen Zustand des Fahrzeugs, wie z. B. dessen Geschwindigkeit oder die den Elektromotoren zugeführte Be­ triebsleistung eingehen. Die Charakteristik kann dabei in einem Kennlinienspeicher 37 als Kennlinie oder Kennlinienschar, insbesondere in Tabellenform, gespeichert sein.

Im folgenden werden Varianten der Erfindung erläutert. Einander entsprechende Komponenten sind jeweils mit gleichen Bezugs­ zahlen bezeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit einem Buch­ staben versehen. Zur Erläuterung wird jeweils auf die gesamte vorangehende Beschreibung Bezug genommen.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer aus zwei Kennlinien 39, 41 bestehenden Kennlinienschar 43, welche eine zur Minderung der einem Elektromotor zugeführten Betriebsleistung vorgesehene Charakteristik repräsentiert. Dabei ist in dem Diagramm die einem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung P gegenüber der Amplitude A der durch Beschleunigungssensormittel 31 gemessenen beschleunigungsabhängigen Größe A dargestellt. Es sollen dabei große Werte der beschleunigungsabhängigen Größe A auch große, an dem Bauteil 29 auftretende Beschleunigungen repräsentieren. Bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs sollen die Bewertungsmittel 33 die den Elektromotoren 15 zugeführte Betriebsleistung nach Maßgabe der Kennlinie 39 steuern: In einem Wertebereich zwischen Null und einem ersten Schwellenwert 45 der beschleunigungsabhängigen Größe A wird dem Elektromotor eine beispielsweise vom Fahrer über ein Fahrpedal geforderte Betriebsleistung P1 unvermindert zugeführt. In einem zwischen dem ersten Schwellenwert 45 und einem zweiten Schwellenwert 47 liegenden Wertebereich der beschleunigungsabhängigen Größe A, der mittleren Beschleunigungen des Bauteils 29 entsprechen soll, wird die dem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung kontinuierlich von P1 auf P2 vermindert. In einem Wertebereich der beschleunigungsabhängigen Größe A, der oberhalb des zweiten Schwellenwerts 47 liegt und großen Beschleunigungen des Bau­ teils 29 entsprechen soll, wird die dem Elektromotor zugeführte Betriebsleistung ganz abgeschaltet.

Soll bei einer zweiten, größeren Fahrgeschwindigkeit des Fahr­ zeugs die Minderung der Betriebsleistung unter Berücksichtigung der Erfahrung erfolgen, daß bei größeren Fahrgeschwindigkeiten auch größere Beschleunigungen auftreten, so kann der schädli­ chen Wirkung dieser größeren Beschleunigungen an zu schützenden Komponenten des Fahrzeugs 11 dadurch vorgebeugt werden, daß die die Kennlinie 39 bestimmenden Schwellenwerte 45 und 47 zur Bildung einer bei größerer Fahrgeschwindigkeit maßgebenden Kennlinie 41 zu niedrigeren Schwellenwerten 49 und 51 hin verschoben werden.

Die Fig. 3 zeigt einen Schaltplan einer Leistungsversorgungs­ einrichtung 21b zur Versorgung eines Elektromotors 15, der drei Phasenwicklungen U, V, W mit zugehörigen Anschlüssen U1, U2, V1, V2 bzw. W1, W2 aufweist. Die Schaltungskonfiguration der Phasenwicklungen U, V, W kann mittels eines mechanischen Schal­ ters 25b in bekannter Weise von Sternschaltung in Dreiecks­ schaltung umgeschaltet werden. Hierzu umfaßt der Schalter 25b drei bewegliche Kontaktelemente 53, welche zwischen feststehen­ den Kontaktelementen 55 und 57 umschaltbar sind. Die bewegli­ chen Kontaktelemente 53 sind über einen elektromotorischen Stellantrieb 59 miteinander verbunden, eine bistabile Feder 61 sichert in beiden Schaltpositionen den Anpreßdruck zwischen den beweglichen und feststehenden Kontaktelementen 53 bzw. 55, 57. Die Treiberströme werden den Phasenwicklungen U, V, W über Phasenleitungen L1, L2, L3 aus einem Umrichter 63 zugeführt. Der Umrichter 63 umfaßt bevorzugt Halbleiterventile, welche durch die elektronische Schaltungsanordnung 27b gesteuert, Amplitude und Phasenlage der den einzelnen Wicklungen U, V, W zugeführten Treiberströme regeln. Der Umrichter 63 wiederum bezieht die Betriebsleistung aus einem Gleichstrombordnetz 65, welches durch einen durch eine Brennkraftmaschine getriebenen Generator oder durch eine Batterie gespeist werden kann. Die Stromzuführung zum Umrichter 63 kann durch einen ebenfalls durch einen Stellantrieb 59′ betätigten mechanischen Schalter 25b′, der ebenfalls bewegliche Kontaktelemente 53′ und fest­ stehende Kontaktelemente 55, umfaßt, unterbrochen werden.

An den Schaltern 25b, 25b′ auftretende Beschleunigungen können dazu führen, daß aufgrund der Trägheitswirkung der beweglichen Kontaktelemente 53, 53′ sowie der Stellantriebe 59, 59′ der Kontaktschluß zwischen den beweglichen Kontaktelementen 53, 53′ und den feststehenden Kontaktelementen 55, 55, bzw. 57 nicht gewährleistet ist. Um derartige Beschleunigungen vorzeitig zu erkennen und die die Schalter durchfließenden Strome zu min­ dern, ist an jedem der beiden Schalter 25b, 25b′ ein Beschleu­ nigungssensor 71 bzw. 71′ vorgesehen, welcher eine beschleuni­ gungsabhängige Größe A bzw. A′ an die Bewertungsmittel 33b bzw. 33b′ liefert. Die Bewertungsmittel 33b bzw. 33b′ vermindern je nach Wertebereich der momentanen beschleunigungsabhängigen Größe A bzw. A′ über die elektronische Schaltungsanordnung 27b die Verminderung der den Phasenwicklungen U, V, W durch den Umrichter 63 zugeführten Betriebsleistung und damit die die Schalter durchfließenden Ströme.

Um die an den Schaltern 25b, 25b′ auftretenden Beschleunigungen möglichst exakt zu erfassen, sind die Beschleunigungssensoren 71 und 71′ mit den ihnen zugehörigen Schaltern 25b, 25b′ zu Baueinheiten 72 bzw. 72′ verbunden.

Die Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung eines Fahrzeugs 11c, welches eine durch einen Elektromotor 15c über ein Ge­ triebe 17c sowie eine Gelenkwelle 19c angetriebene Hinterachse 73 eine Vorderachse 74 sowie ein Hinterrad 20c und ein Vor­ derrad 13c aufweist. In den Betriebsleistungsweg des Elektromo­ tors 15c ist ein als Not-Ausschalter wirkender Schalter 25c eingefügt. Das Fahrzeug umfaßt weiterhin ein Fahrpedal 75 zur Steuerung der durch den Fahrer des Fahrzeugs gewünschten Be­ triebsleistung oder der gewünschten Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs sowie einen Airbag 76 und eine Airbag-Steuerschaltung 77 zum Schutz des Fahrers in Unfallsituationen sowie einen Unfalldatenspeicher 79 zur Dokumentation eines Unfallhergangs.

Zudem sind am Fahrzeug Beschleunigungssensoren 71c und 71c′ angebracht. Zum Schutz des Getriebes 17c und der Gelenkwelle 19c sind die Beschleunigungssensoren 71c und 71c′ an Bewer­ tungsmittel 33c angeschlossen, welche die dem Elektromotor 15c zugeführte Betriebsleistung, entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik mindern. Der Beschleunigungssensor 71c ist in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen vor der Vorderachse 74 angeord­ net. Durch die damit erreichte relativ große Distanz vom Fahr­ zeugschwerpunkt weist dieser Beschleunigungssensor 71c eine verhältnismäßig große Empfindlichkeit für auf- und abwärts­ gerichtete Beschleunigungen des Fahrzeugbugs auf. Der Beschleu­ nigungssensor 71c′ ist unmittelbar an der Achse 81 des dem Hinterrad 20c vorauslaufenden Vorderrads 13c angeordnet und ist damit besonders empfindlich für Beschleunigungen, die beim Durchfahren von Schlaglöchern auftreten.

Zum Schutz des mechanischen Schalters 25c vor Beschleunigungen in Unfallsituationen werden die Informationen der Airbag-Steu­ erschaltung 77 bzw. des Unfalldatenspeichers 79 an die Bewer­ tungsmittel 33c geliefert.

Claims (15)

1. Elektromotorischer Fahrantrieb für ein insbesondere nicht schienengebundenes Fahrzeug (11), umfassend

• - wenigstens einen Elektromotor (15),
• - eine den Elektromotor (15) mit Betriebsleistung (P) versorgende Leistungsversorgungseinrichtung (21) und
• - eine elektronische Schaltungsanordnung (27) zur Steuerung der dem Elektromotor (15) zugeführten Betriebsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Fahrzeug (11) Beschleunigungssensormittel (31) angeordnet sind, die wenigstens eine von der Beschleunigung zumindest eines Bauteils (29) des Fahrzeugs (11) abhängige Größe (A) liefern und daß auf die wenigstens eine beschleunigungsabhängige Größe (A) ansprechende Bewertungsmittel (33) vor­ gesehen sind, die die elektronische Schaltungsanord­ nung (27) so steuern, daß zumindest in einem Teil des Wertebereichs der beschleunigungsabhängigen Größe (A) die dem Elektromotor (15) zugeführte Be­ triebsleistung (P) entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik gemindert wird.

2. Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsmittel (33) auf die Amplitude oder/und die Änderungsrate der von den Beschleuni­ gungssensormitteln gelieferten Größe (A) ansprechen.

3. Fahrantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschleunigungssensormittel (31) wenigstens einen translatorische Beschleunigungen erfassenden Beschleunigungssensor (71) aufweisen.

4. Antrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bewertungsmittel (33) über die elek­ tronische Schaltungsanordnung (27) die dem Elektro­ motor (15) zugeführte Betriebsleistung (P) mindern, insbesondere abschalten, wenn die beschleunigungs­ abhängige Größe (A) einen vorgegebenen Schwellenwert (45, 49 bzw. 47, 51) übersteigt.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Charakteristik abhängig von einer die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (11) repräsentierenden Größe oder/und einer die momentane Betriebsleistung repräsentieren­ den Größe änderbar ist.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Charakteristik wenigstens eine insbesondere in Tabellenform in einem Kennlinienspeicher (37) gespeicherte Kennlinie (39, 41) umfaßt.

7. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leistungsversorgungs­ einrichtung (21) im elektrischen Betriebsleistungs­ weg (23) zum Elektromotor (15) wenigstens einen mechanischen Schalter (25) mit wenigstens einem beweglichen Kontaktelement (53) aufweist und daß die Bewertungsmittel (33) die dem Elektromo­ tor (15) über den mechanischen Schalter (25) zuge­ führte Betriebsleistung (P) mindern, insbesondere abschalten, wenn die beschleunigungsabhängige Größe (A) eine Beschleunigung des Schalters (25) repräsen­ tiert, die über einem die Kontaktöffnungsbeschleuni­ gung des Schalters (25) repräsentierenden Schwellen­ wert (45, 49 bzw. 47, 51) liegt.

8. Fahrantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Schalter (25) Bestandteil einer Not-Ausschaltvorrichtung ist.

9. Fahrantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschleunigungssensormittel (31) Bestandteile einer Airbag-Steuerschaltung (77) oder/und eines Unfalldatenspeichers (79) sind.

10. Fahrantrieb nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektromotor (15) eine in mehrere Phasenwicklungen (U, V, W) unterteilte Drehfeldwick­ lung und die Leistungsversorgungseinrichtung (21) eine über mehrere mechanische Schalter (25) an die Phasenwicklungen (U, V, W) angeschlossene elektro­ nische Umrichteranordnung aufweist, wobei mittels der Schalter (25) die Schaltungskonfiguration der Phasenwicklungen (U, V, W) änderbar ist, insbeson­ dere bei einer Dreiphasen-Drehfeldwicklung zwischen Stern- und Dreieckschaltung umschaltbar ist.

11. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der mechanische Schalter (25) einen insbesondere elektromotorischen Stell­ antrieb (59) zur Bestätigung des beweglichen Kon­ taktelements (53) umfaßt.

12. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssensor­ mittel (31) wenigstens einen Beschleunigungssensor (71) umfassen, der zusammen mit dem Schalter (25) an einer gemeinsamen Baueinheit (72) des Fahrzeugs, insbesondere dem Elektromotor (15), gehalten ist.

13. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssensor­ mittel (31) wenigstens einen Beschleunigungssensor (71) umfassen, der in Vorwärtsfahrtrichtung des Fahrzeugs im Abstand vor einem durch Minderung der Betriebsleistung des Elektromotors (15) vor Be­ schleunigungseinwirkung zu schützenden Bauteil, insbesondere im Abstand vor einem im Betriebslei­ stungsweg (23) der Leistungsversorgungseinrichtung (21) angeordneten mechanischen Schalter (25), an dem Fahrzeug (11) angeordnet ist.

14. Fahrantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß das zu schützende Bauteil im Bereich der Hinterachse (73) des Fahrzeugs (11) und der Be­ schleunigungssensor (71) im Bereich der Vorderachse insbesondere in Vorwärtsfahrtrichtung vor dieser angeordnet ist.

15. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (15) mit wenigstens einem Rad (13, 20) des Fahrzeugs (11) über eine Drehmomentübertragungseinrichtung (17, 19), insbesondere ein Getriebe (17) oder/und eine Gelenkwelle (19) verbunden ist und daß die Bewer­ tungsmittel (53) die dem Elektromotor (15) zuge­ führte Betriebsleistung mindern, insbesondere ab­ schalten, wenn die beschleunigungsabhängige Größe (A) einen vorgegebenen Schwellenwert (45, 49 bzw. 47, 51) übersteigt.