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Title:
NON-TRACKBOUND VEHICLE WITH AN ELECTRODYNAMIC CONVERTER AND A HAND THROTTLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/007020
Kind Code:
A1
Abstract:
A private car or commercial vehicle contains a unit consisting of an internal combustion engine (4) and a generator (6) which powers electric motors (12, 16) coupled to the driving wheels (14, 18) via a power-distribution power electronics system (8). As additional source of energy, an accumulator (22) is provided that can also be coupled by the power distribution system (8) to the electric motors (12, 16). An electronic control unit (20) receives running signals from a driving pedal (27), in particular a position signal and a speed signal ($g(a), $g(a)). The position signal ($g(a)) of the hand throttle (27) is interpreted as a request for a determined permanent power to be supplied by the internal combustion motor (4). When a higher power is required, for example, the internal combustion motor is speeded up to a new, optimum (i.e. with low fuel consumption) working level, whereas the generator (6) is decoupled totally or partially from the load. In the meantime, the accumulator (22) provides the power required to accelerate the vehicle. The speed signal ($g(a)) determines the amount of acceleration. By means of a selector switch, an operation solely powered by the accumulator may be switched on, at the same time as the internal combustion engine is switched off, if no special sensors are provided for that purpose.

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Inventors:
Adler, Uwe (Baunachweg 4, Schweinfurt, D-8720, DE)
Drexl, Hans-jürgen (Kaltenhöfer Steige 11, Schonungen, D-8724, DE)
Lutz, Dieter (Spessartstr. 12, Schweinfurt, D-97422, DE)
Nagler, Franz (Am Zehntgrafen 12, Ottendorf, D-8729, DE)
Ochs, Martin (Ebersbergstr. 10, Schweinfurt, D-8720, DE)
Schiebold, Stefan (Gymnasiumstr. 4, Schweinfurt, D-8720, DE)
Schmidt-brücken, Hans-joachim (Sonnenstraße 9, Geldersheim, D-8712, DE)
Thieler, Wolfgang (Kastanienweg 1, Haßfurt, D-8728, DE)
Wagner, Michael (Ottostraße 3, Niederwerrn, D-8721, DE)
Westendorf, Holger (Gänseleite 8, Hambach, D-8721, DE)
Wychnanek, Rainer (Erlenbrunnstr. 13, Madenhausen, D-8721, DE)
Application Number:
PCT/DE1992/000834
Publication Date:
April 15, 1993
Filing Date:
September 30, 1992
Export Citation:
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Assignee:
MANNESMANN AKTIENGESELLSCHAFT (Mannesmannufer 2, Düsseldorf 1, D-402130, DE)
Adler, Uwe (Baunachweg 4, Schweinfurt, D-8720, DE)
Drexl, Hans-jürgen (Kaltenhöfer Steige 11, Schonungen, D-8724, DE)
Lutz, Dieter (Spessartstr. 12, Schweinfurt, D-97422, DE)
Nagler, Franz (Am Zehntgrafen 12, Ottendorf, D-8729, DE)
Ochs, Martin (Ebersbergstr. 10, Schweinfurt, D-8720, DE)
Schiebold, Stefan (Gymnasiumstr. 4, Schweinfurt, D-8720, DE)
Schmidt-brücken, Hans-joachim (Sonnenstraße 9, Geldersheim, D-8712, DE)
Thieler, Wolfgang (Kastanienweg 1, Haßfurt, D-8728, DE)
Wagner, Michael (Ottostraße 3, Niederwerrn, D-8721, DE)
Westendorf, Holger (Gänseleite 8, Hambach, D-8721, DE)
Wychnanek, Rainer (Erlenbrunnstr. 13, Madenhausen, D-8721, DE)
International Classes:
B60L50/10; B60K6/46; B60L15/20; B60L50/15; B60L50/30; B60W10/06; B60W10/08; B60W20/00; F02D11/10; F02D31/00; B60K7/00; B60K17/356; B60K26/02; (IPC1-7): B60L11/02
Foreign References:
DE4000678A11991-07-18
DE3112629A11982-10-07
DE2943554A11981-05-07
US4495451A1985-01-22
US3837419A1974-09-24
DE3714151A11987-10-29
DD228589A11985-10-16
Attorney, Agent or Firm:
Meissner P. E. (Hohenzollerndamm 89, Berlin 33, D-1000, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Nichtspurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad C14, 16) für den Antrieb mit einem Elektromotor C12, 16) gekoppelt ist, welcher über einen EnergieverteiLer C8) nach Maßgabe von seitens einer Steuereinheit (20) erzeugten Steuersignalen mit Strom gespeist wird, der von einem an einen Verbrennungsmotor (4) gekoppelten Generator (6) geliefert wird, wobei die Steuereinheit (20) von einem Fahrhebel (27) ein Fahrsignal (oi,c*,t... ) erhält, welches repräsentativ ist für die FahrhebelSteLLung ( ) sowie mindestens für die Geschwindigkeit (Ä) und/oder die Beschleunigung (f) , mit der der Fahrhebel (27) bewegt wird, wobei ferner ein Energiespeicher (22) vorgesehen ist, der über den EnergieverteiLer (8) elektrisch mit dem Elektromotor (12, 16) und mit dem Generator (6) verbunden ist, und die Steuereinheit (20) das FahrsignaL (<*,o<,o£. ) 2u einem Steuersignal für den Verbrennungsmotor (4) verarbeitet, um den Verbrennungsmotor auf die der FahrhebelStellung (00 entsprechende Leistung zu bringen oder auf dieser Leistung zu hatten, und wobei die Steuereinheit (20) ferner aus der Geschwindigkeit (o.) und/oder der Beschleunigung (όό der Fahrhebelbetätigung ein Steuersignal für die Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher (22) erzeugt, um zumindest a) den Verbrnnungsmotor (4) optimal in einen neuen Betriebspunkt (B*) beschleunigen zu Lassen und/oder b) das Fahrzeug maximal zu beschleunigen und/oder c) die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei voller VerbrennungsmotorLeistung noch zu erhöhen.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) unabhängig vom FahrsignaL (X,0C...) Energie aus dem Energiespeicher (22) in den Elektromotor (12, 16) einspeist, um d) zur etwa geschwindigkeitskonstanten Überwindung von Steigungen bei unveränderter VerbrennungsmotorDrehzahl Zusatzenergie zur Verfügung zu stellen und/oder e) in stationären Betriebszuständen einen Teil der VerbrennungsmotorLeistung durch Speicherenergieentnahme zu ersetzen und/oder f) einen Fahrbetrieb bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor (4) zu ermöglichen.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optimale Beschleunigen des Verbrennungsmotors (4) in einen neuen Betriebspunkt unter Berücksichtigung mindestens einer der Vorgaben erfolgt, nämlich möglichst schnell , bei günstigstem spezifischen Kraftstoffverbrauch, bei möglichst geringer Schadstoffemission, möglichst geräuscharm.
4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Vorgaben gleichzeitig und gewichtet berücksichtigt werden.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daS zur optimalen Beschleunigung des Verbrennungsmotors der 6enerator vorübergehend elektrisch ganz oder teilweise von dem Elektromotor (12, 16) entkoppelt wird und der Verbrennungsmotor (4) bei Erreichen des neuen Betriebspunkts (B*) zusammen mit dem Generator (6) allmählich wieder an den Elektromotor (12, 16) gekoppelt wird, und daß wahrend der Entkσpplungsphase Energie derart aus dem Energiespeicher (22) in den Elektromotor (12, 16) eingespeist wird, daβ die Übergänge beim Koppeln ruckfrei erfolgen.
6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrsignal ferner repräsentativ ist für eine Anforderung eines Fahrbetriebs mit ausschließlicher Speisung aus dem Energiespeicher C22), wobei letzterer intermittierend durch Anschalten des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls zusätzlich durch die beim Verzögern oder Bremsen des Fahrzeugs von dem dann generatorisch arbeitenden Elektromotor C12, 16) erzeugte elektrische Leistung aufgeladen wird.
7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daβ zur Erzielung einer maximalen Fahrzeugbeschleunigung Leistung aus dem. Energiespeicher (22) paraLtel zu vom Verbrennungsmotor/6enerator C2) gelieferter Leistung in einem solchen Maβ in den Elektromotor (12, 16) eingespeist wird, daβ die Speicherenergie ausreicht, um die durch eine neue FahrhebelStellung (βo gewähLte Dauerleistung zu erreichen.
8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Letzten Bereich des Fahrhebelweges dem Energiespeicher (22) zeitlich begrenzt Energie zur Erhöhung der durch den Verbrennungsmotor (4) allein erreichbaren Höchstgeschwindigkeit entnommen wird.
9. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Signalisiereinrichtung für den Ladezustand des Energiespeichers (22).
10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierungseinrichtung taktil arbeitet, insbesondere als verstellbare Vorspannfeder, die den Betätigungswiderstand des Fahrhebels (27) erhöht, ausgebildet ist.
11. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein 'Kickdown"5ignaL von der Steuereinheit (20) anhand des gleichzeitigen Vorliegens des Maximalwertes der Fahrpedalstellung (0.) und des Überschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes für die Geschwindigkeit (Qθ oder die Beschleunigung (rt) der . Fahrpedalbetätigung erkannt wird.
Description:
NICHT-SPURGEBUNDENES FAHRZEUG MIT ELEKTRODYNAMISCHEM WANDLER UND FAHRHEBEL

Die Erfindung betrifft ein nic t-spurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad für den Antrieb mit einem Elektromotor gekoppelt ist, welcher über einen Energie¬ verteiler nach Maßgabe von seitens einer Steuereinheit erzeugten Steuersignalen mit Strom gespeist wird, der von einem an einen Verbrennungsmotor gekoppelten Genera¬ tor geliefert wird, wobei die Steuereinheit von einem Fahrhebel ein Fahrsignal erhält, welches mindestens repräsentativ ist für die Fahrhebelstellung.

Nicht-spurgebundene Fahrzeuge sind insbesondere Personen- und Lastkraftwagen. Bislang werden diese Fahrzeuge übli¬ cherweise mit Verbrennungsmotoren betrieben. Verbrennungs¬ motoren besitzen eine charakteristische Drehmoment/Dreh¬ zahl-Kennlinie, die bei einem bestimmten Drehzahlbereich ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Drehmoment-Maxi¬ mum besitzt, an welches bei höheren und insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen Bereiche mit stark verringer¬ tem Drehmoment anschließen.

Die Leistung eines Motors errechnet sich als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Um ein Fahrzeug möglichst rasch zu beschleunigen, muß die maximal verfügbare Leistung auf die Antriebsräder übertragen werden. Arbeitet der Motor des Fahrzeugs in einem niedrigen Drehzahlbereich, so kann auch bei maximal geöffneter Drosselklappe nur eine relativ langsame Beschleunigung stattfinden, weil zu wenig Leistung verfügbar ist. Durch Schalten in einen niedrige¬ ren Gang kann die Leistung zum Beschleunigen erhöht werden,

da in einem niedrigeren Gang eine höhere Drehzahl und mithin ein höheres Leistungsangebot vorhanden ist. Prak¬ tisch sämtliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind mit einem Schalt- oder Automatikgetriebe ausgestattet, um die verfügbare Leistung des Motors ausnutzen zu können.

Bei elektrischen Antrieben, die vornehmlich bei spurge- bundenen Fahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise bei Loks, ergibt sich der Vorteil, daß die Abhängigkeit der Leistung von der Drehzahl wesentlich schw cher aus¬ geprägt ist als bei Verbrennungsmotoren. Deshalb kann bei elektrischen Antrieben ein Getriebe in aller Regel entfallen.

Es ist nun daran gedacht worden, auch nicht-spurgebundene Fahrzeuge, also insbesondere Personenkraftwagen, Last¬ kraftwagen und Busse, mittels eines oder mehrerer Elektro¬ motoren anzutreiben, die direkt an die Räder gekoppelt sind. Gespeist werden die Elektromotoren von einer Ver¬ brennungsmotor-Generator-Einheit über einen als Leistungs- elektronik ausgebildeten Energieverteiler. Ein derartiger Hybridmotor hat eine Reihe von Vorteilen. Neben dem Weg¬ fall eines Schaltgetriebes oder Automatikgetriebes bietet sich beim Antrieb der Räder durch Elektromotoren auch die Möglichkeit, die Elektromotoren bei schiebendem Motor oder beim Bremsvorgang als Generatoren zu betreiben, um die dann entstehende elektrische Leistung z.B. für Heizzwecke oder dergleichen zu nutzen.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei einem Fahr¬ zeug einen Verbrennungsmotor mit einem als Schwungrad ausgebildeten Energiespeicher zu koppeln. Man kann dann nämlich den Verbrennungsmotor stets in einem optimalen Betriebszustand betreiben, z.B. in einem Bereich des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte Generator liefert elek-

ERSATZBLATT

trischε Energie an die Rntriebs-Elektromotoren. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs wird zusätzliche Energie aus dem Schwungrad entnommen. Beim Bremsvorgang wird von den dann als Generatoren arbeitenden ELektromotoren Energie gewonnen, die in dem 5chwungrad als mechanische Energie gespeichert werden kann.

Die bisher gemachten Vorschläge, in einem Fahrzeug einen Verbrennungsmotor mit einem Generator und dazugehörigen Rntriebs-Elektromotoren vorzusehen, sind jedoch nur zum Teil in der Praxis realisiert worden.

Rus der DE 40 00 678 R1 ist ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug bekannt, das einen Verbrennungsmotor, einen von diesem angetriebenen elektrischen Generator, einen elektrisch ladbaren und entladbaren Schwungradspeicher, mindestens einen elektrischen Fahrmotor und einen von einer Steuereinheit geführten, als Leistungselektronik ausgebildeten Energieverteiler aufweist. Der elektrische Fahrmotor wird dabei von dem EnergieverteiLer mit elektrischem Strom aus dem Generator und/oder dem Schwungradspeicher gespeist. Die elektronische Steuereinheit läßt den Verbrennungsmotor je nach Ladezustand des Schwungradspeichers entweder mit einer Leerlaufdrehzahl (bei weitgehend geladenem Speicher) oder mit einer zweiten Drehzahl (bei weitgehend leerem Speicher) laufen, wobei die zweite Drehzahl eine nach Optimierungsgesichtspunkten- (z.B. Kraftstoff erbrauch, Schadstoffemission) ausgewählte GröQe darstellt.

Im Hinblick auf Energieersparnis, Umweltschutz und weitere Erfordernisse ist das oben angesprochene Konzept eines Fahrzeugs mit elektrodynamischem Wandler vielversprechend. Problematisch ist beim Einsatz solcher Fahrzeuge möglicherweise die Umstellung der Fahrer von dem gewohnten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor auf eine Fahrzeug mit quasi elektrischem Rntrieb. Da der Antrieb letztlich mit ELektromotoren

erfolgt, verhält sich das Fahrzeug nämlich sehr ähnlich einem Fahrzeug mit reinem elektrischen Rntrieb.

Der Erfindung liegt die Rufgabe zugrunde, ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug der eingangs geannten Art anzugeben, bei dem der durch Bewegen eines FahrhebeLs, insbesonders Fahrpedals, geäußerte Fahrerwunsch richtig interpretiert wird und Maßnahmen getroffen werden, um den Fahrerwunsch umzusetzen in eine Leistungsbereitstellung, die ein dem Fahrerwunsch entsprechendes Fahrverhalten des Fahrzeugs gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein solches Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, daß ein Energiespeicher vorgesehen ist, der über den EnergieverteiLer elek¬ trisch mit dem Elektromotor und mit dem Generator verbunden ist, daß die Steuereinheit das Fahrsignal zu einem Steuersignal für den Verbrennungsmotor

ERSATZBLATT

verarbeitet, um den Verbrennungsmotor auf die der Fahr- hebelstellung entsprechende Leistung zu bringen oder auf dieser Leistung zu halten, und daß die Steuereinheit ferner ein Steuersignal für die Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher erzeugt, um zumindest a) den-. Verbrennungsmotor optimal in einen neuen Betriebspunkt beschleunigen zu lassen; und/oder b) das Fahrzeug maximal zu beschleunigen und/oder c) die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei voller Verbrennungs otorleistung noch zu erhöhen.

Die Erfindung schlägt mithin vor, dem Fahrsignal, also insbesondere der jeweiligen Winkelstellung des Fahrhebels (Fahrpedals) eine bestimmte Antriebsleistung zuzuordnen, die grundsätzlich von dem Verbrennungsmotor zu erbringen ist. Mit dem Betätigen des Fahrpedals stellt der Fahrer eine gewisse Leiεtungsanforderung. Die Kennlinie zwischen angeforderter Leistung und Stellung des Fahrpedals ist vorzugsweise nicht-linear und verläuft im Anfangsbereich relativ flach, um bei langsamer Fahrt eine leichte Dosie¬ rung der Leistung zu ermöglichen.

Man sollte die durch die Stellung des Fahrpedals gewählte Leistung als Dauerleistung betrachten, die grundsätzlich von dem Verbrennungsmotor bereitzustellen ist. Der erfin¬ dungsgemäße Energiespeicher ist in Verbindung mit der Steuereinheit zu dem Zweck vorgesehen, den Übergang zwi¬ schen einer gegebenen Fahrgeschwindigkeit und einer neuen Fahrgeschwindigkeit zu ermöglichen. Wenn das Fahrzeug bei einer gegebenen Anfangsgeschwindigkeit v fährt, wird von den Antriebsguellen, also der Verbrennungsmotor- Generator-Einheit und dem Energiespeicher, eine hier als Anfangsleistung bezeichnete Leistung P geliefert, die bei konstanter Geschwindigkeit, im Gleichgewicht steht

mit den auf das Fahrzeug einwirkenden Widerständen, ins¬ besondere Luftwiderstand, Rollwiderstand der Reifen und dergleichen. Wird in diesem stationären Zustand des Fahr¬ zeugs das Fahrpedal weiter durchgedrückt, so bedeutet dies eine erhöhte Leistungsanforderung. Bei Bereitstel¬ lung dieser- erhöhten Leistung wird das Fahrzeug beschleu¬ nigt, solange, bis sich eine Endgeschwindigkeit v ein¬ stellt, bei der die erhöhte Leistung Pe im Gleichgewicht steht mit den auf das Fahrzeug einwirkenden Widerständen.

Erfindungsgemäß wird nun der Energiespeicher von der Steuereinheit in sehr spezieller Weise dazu eingesetzt, den Übergang von einer im stationären Fahrbetrieb erbrach¬ ten Ausgangsleistung P zu einer neuen Leistung P zu organisieren.

Gemäß der ersten Variante der Erfindung wird der Ver¬ brennungsmotor "optimal" in einen neuen Betriebspunkt beschleunigt. Ein Verbrennungsmotor besitzt ein Kenn¬ linienfeld, insbesondere läßt sich im Drehzahl/Drehmoment- Kennlinienfeld eine Linie eines günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs angeben. Wenn man nun davon ausgeht, daß der Verbrennungsmotor bei einer relativ niedrigen Drehzahl läuft und eine erhöhte Leistungsanforderung seitens des Fahrers gestellt wird, indem der Fahrer das Fahrpedal weiter durchdrückt, so muß - da hier die neu vorgewählte Leistung als Dauerleistung interpretiert wird, die von dem Verbrennungsmotor aufzubringen ist - der Motor auf eine höhere Drehzahl gebracht werden. Bei vergrößerter Drosselklappenδffnung und ansonsten unveränderter Bela¬ stung des Motors erhöht sich die Drehzahl bekanntlich nur sehr langsam, abhängig von der Last am Motor. Die Erfin¬ dung schafft die Möglichkeit, die Erhöhung der Drehzahl von einem Betriebspunkt, der auf der oben erwähnten Linie des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs liegt, zu einem ebenfalls auf dieser Linie liegenden zweiten

Betriebspunkt derart vorzunehmen, daß sehr wenig Kraft¬ stoff verbraucht wird. Hierzu erfolgt eine kontinuierliche oder schrittweise Erhöhung der Drehzahl bei entsprechen¬ der Einstellung des Drehmoments bzw. der Leistung. Hierzu kann der Generator elektrisch ganz oder teilweise von dem Elektromotor entkoppelt werden, so daß der Generator praktisch vollständig oder teilweise im Leerlauf arbeitet. Damit läßt sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors bei verringerter Last des Generators ziemlich schnell erhöhen, und zwar ist eine Erhöhung in der Nähe der erwähnten Linie des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs möglich.

Alternativ kann man auch den Verbrennungsmotor bei leer¬ laufendem Generator rasch auf den gewünschten Drehzahlwert hochfahren, um dann allmählich den Generator wieder mit dem Elektromotor zu koppeln, und zwar so langsam, daß die Drehzahl nicht wieder absinkt. In der Zwischenzeit erfolgt der Antrieb des Elektromotors mit. Speisung aus dem Energiespeicher. Damit ergibt sich ein ruckfreier Übergang zwischen Speisung aus Verbrennungsmotor/Generator und Speisung aus Energiespeicher.

Neben einer "optimalen" Beschleunigung des Verbrennungs¬ motors kann die Steuerung der Energieentnahme aus dem Energiespeicher auch so erfolgen, daß das Fahrzeug maximal beschleunigt wird. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß die Beschleunigung abgestimmt ist auf die im Energiespei¬ cher insgesamt gespeicherter Ladungsmenge, damit sich der Speicher nicht während des Beschleunigungsvorgangs erschöpft, was zu gefährlichen Situationen im Verkehr führen könnte.

Eine gewisse Ähnlichkeit mit der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs hat die Maßnahme, die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, die an sich durch die maximale Leistung des Verbrennungsmotors gegeben ist, noch weiter zu erhöhen,

indem bei maximaler Verbrennungsmotor— eistung noch zusätz¬ liche Leistung aus dem Energiespeicher entnommen und auf den Elektromotor gegeben wird.

Um gefährliche Situationen zu vermeiden, sind Warneinrich¬ tungen vorgesehen, die den Fahrer informieren, wenn die in dem Energiespeicher vorhandene Energie bis auf einen Restbetrag abgesunken ist.

Die oben angesprochenen Maßnahmen, um den Energiespeicher in gewissen Situationen optimal auszunutzen, stehen in Zusammenhang mit speziellen Fahrsignalen, die weiter unten noch näher erläutert werden. Unabhängig von diesen Fahr¬ signalen kann erfindungsgemäß Energie aus dem Energie¬ speicher in den Elektromotor eingespeist werden, um zur etwa geschwindigkeitskonstanten Überwindung von Steigungen bei unveränderter Verbrennungsmotor-Drehzahl Zusatzenergie zur Verfügung zu stellen und/oder in stationären Betriebs- zuständen einen Teil der Verbrennungsmotor-Leistung durch Speicherenergieentnahme zu ersetzen, und/oder einen Fahrbetrieb bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor zu ermög¬ lichen. Insbesondere die letztgenannte Variante ist für den Stadtverkehr und für den sogenannten "Stop and Go"- Verkehr bei Staus interessant, da bei relativ geringem Kraftstoffverbrauch ein Höchstmaß an SchadstoffVermeidung erzielbar ist. Vorzugsweise ist am Fahrzeug ein Wählschal- ter vorgesehen, bei dessen Betätigung der Verbrennungs¬ motor abgeschaltet wird, vorausgesetzt, es ist in dem Energiespeicher genügend Energie für den reinen Speicher¬ betrieb vorhanden.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann grundsätzlich auch ein mechanischer Speicher, z.B. ein Schwungrad, sein, bevorzugt wird hier jedoch ein Akkumulator zum Speichern elektrischer Energie.

Die oben näher erläuterten Vorgaben, wie beispielsweise möglichst schnelle Beschleunigung des Verbrennungsmotors, geringer Kraftstoffverbrauch, geringe Schadstoffemission und dergleichen, können gleichzeitig berücksichtigt werden, wobei zweckmäßigerweise eine Gewichtung der einzelnen Parameter erfolgt.

Wie oben angedeutet, sieht die Erfindung vor, daß zur opti¬ malen Beschleunigung des Verbrennungsmotors der Generator elektrisch ganz oder teilweise von dem Elektromotor ent¬ koppelt wird und der Verbrennungsmotor bei Erreichen des neuen Betriebspunkts zusammen mit dem Generator allmählich wieder an den Elektromotor gekoppelt wird, und daß während der Entkopplungsphase Energie derart aus dem Energiespei¬ cher in den Elektromotor eingespeist wird, daß die Über¬ gänge beim Koppeln ruckfrei erfolgen.

Wie eingangs erwähnt, spielt das Fahrsignal bei der Art des Einsatzes des Energiespeichers durch die Steuerung eine besondere Rolle.. Im einfachsten Fall gibt ein am Fahrhebel, d.h. insbesondere ein am Fahrpedal befindli¬ cher Stellungssensor, an die Steuereinheit ein Stellungs- signal α. Aus dem zeitlichen Verlauf dieses Stellungs- signals α kann dann die Steuerung durch Differenzieren ein Geschwindigkeitssignal α und ein Beschleunigungs- Signal α für die Fahrpedalbewegung ermitteln. Das Geschwindigkeits- und das Beschleunigungssignal für das Fahrpedal können auch direkt von entsprechenden Sensoren am Fahrpedal geliefert werden.

Zusätzlich zu den oben erwähnten Fahrsignalen, die von der Betätigung des Fahrpedals abhängen, sind erfindungsgemäß noch ein Geber für eine Maximalbeschleunigungs-Anforderung (Kickdown) und gegebenenfalls noch ein Wahlεchalter für den intermittierenden Betrieb (Stadtverkehr) vorhanden.

Der Energiespeicher ist mit einem Ladezustands-Sensor aus¬ gestattet, der an die Speichereinheit ein Signal gibt, welches kennzeichnend ist für die in dem Energiespeicher noch enthaltene Energie. Aus diesen Werten sowie aus wei¬ teren vorab gespeicherten Werten kann die Steuereinheit ermitteln, wieviel Energie pro Zeiteinheit (Leistung) dem Energiespeicher entnommen werden darf, damit die Beschleu¬ nigung zu der gewünschten neuen Fahrzeug-Endgeschwindig¬ keit führt, ohne daß sich beim Beschleunigungsvorgang der Energiespeicher erschöpft und aufgrund der dann nachlassen¬ den Beschleunigung gefährliche Situationen entstehen können.

Eine Zuschaltung von zusätzlicher Leistung aus dem Energie¬ speicher gestattet - bei maximaler Verbrennungsmotor-Lei¬ stung - eine weitere Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit, wie sie durch die maximale Leistung des Verbrennungsmotors gegeben ist. Um diesen zusätzlichen Schub durch zusätz¬ liche Leistung aus dem Energiespeicher zu erhalten, ist erfindungsgemäß der letzte Bereich des Fahrhebel-Weges vorgesehen. Nur wenn das Fahrpedal vollständig durchge¬ drückt wird, werden Verbrennungsmotor und Energiespeicher beide zum Fahrzeugantrieb eingesetzt.

Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, erfolgt eine Energieentnahme aus dem Speicher einerseits ohne bewußtes Zutun des Fahrers lediglich durch entsprechenden Betrieb der Steuereinrichtung, die außer dem Fahrsignal noch Zustandssignale von dem Verbrennungsmotor, dem Generator, dem Speicher und dem Antriebs-Elektromotor enthält, so daß an der Steuereinheit permanent Signale über Drehzahl und Drehmoment des Verbrennungsmotors bzw. des Genera¬ tors, über den Ladezustand des Speichers und über die Drehzahlen der Elektromotoren anstehen. Andererseits kann der Fahrer aber auch aktiv für eine Energieentnahme aus dem Speicher sorgen, indem er z.B. mit Hilfe des oben erwähnten Wählschalters im Stadtverkehr einen Antrieb

auch bei stillstehendem Verbrennungsmotor wählt.

Vorteilhaft kann die Erfindung auch bei einem Fahrzeug angewendet werden, welches mit einer Einrichtung zur auto¬ matischen Geschwindigkeitsregelung ausgestattet ist. Jede Abweichung der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit von der einge¬ stellten Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit um mehr als einen vorbestimmten Wert kann Speicherenergie zur Konstanthal- tung der Geschwindigkeit genutzt werden.

Die oben erwähnte Möglichkeit, im Stadtverkehr mittels Wählschalter auf quasi rein elektrischen Fahrzeugbetrieb umzuschalten, kann auch mit einer durch die Steuereinheit durchgeführten Lernfunktion verknüpft sein. Innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zählt die Steuereinheit dann die Häufigkeit von Brems- und Beschleunigungsvorgänger.. Übersteigt die mittlere Häufigkeit einen Schwellenwert, so wird automatisch auf "Stadtfahrt" umgeschaltet, d.h. auf einen quasi rein elektromotorischen Antrieb, wobei der Speicher abhängig von seinem Ladezustand nur hin und wieder durch Einschalten des Verbrennungsmotors aufge¬ laden wird.

Die naturgemäß begrenzte Kapazität des Energiespeichers birgt eine gewisse Problematik in sich. Soll das Fahrzeug bei Überholvorgängen sehr stark beschleunigt werden, und wird dazu Energie aus dem Energiespeicher abgezogen, so muß gewährleistet sein, daß die Speicherenergie für den gesamten Überholvorgang ausreicht. Der Energiebedarf für einen Überholvorgang hängt ab von der geforderten Beschleu¬ nigung des Fahrzeugs, der Masse des Fahrzeugs, dem Straßen¬ verlauf (Steigung) und weiteren Einflußgrößen. Selbst¬ verständlich gibt es gewisse Leistungsgrenzen, die der Fahrer - wie bei üblichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmo¬ toren auch - berücksichtigen muß, um nicht ein hinsicht-

lieh der Fahrzeugleistung unmögliches Überholmanöver zu beginnen.

Es kann nun allerdings bei den hier in Rede stehenden Fahrzeugen vorkommen, daß der Energiespeicher durch eine gerade erfolgte starke Energieabnahme ziemlich stark ent¬ laden ist. In diesem Fall ist eine maximale Beschleunigung des Fahrzeugs für einen Überholvorgang unter Umständen nicht möglich. Deshalb sieht die Erfindung eine Signali- siervorrichtung für den Ladezustand des Energiespeichers vor. Diese Signalisiervorrichtung kann optisch oder aku¬ stisch ausgebildet sein, vorzugsweise ist sie jedoch taktil ausgebildet, insbesondere als Widerstand im Fahr- pepdal realisiert. Bei einem unzureichenden Ladezustand des Energiespeichers spürt der Fahrer beim Betätigen des Gaspedals einen ungewöhnlich hohen Widerstand. Dies signalisiert ihm, daß nicht genügend Speicherenergie für maximale Fahrzeugbeschleunigung vorhanden ist. Zusätz¬ lich kann der Fahrer durch ein optisches oder akustisches Signal alarmiert werden, dessen Intensität vom Entladungs- zustand des Energiespeichers abhängt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - eine schematische Ansicht wesentlicher

Elemente eines mit einem elektrodynamischen - Wandler und einem Akkumulator als Energie¬ speicher ausgestatteten Personenkraftwagen,

Fig. 2 - ein Kennlinienfeld eines Verbrennungsmotors,

Fig. 3 - eine Leistungs/Fahrpedalstellungs-Kennlinie, und

Fig. 4 - eine Leistungs/Geschwindigkeits-Kennlinie mit der Geschwindigkeit a des Fahrpedals als Parameter.

Fig. 1 zeigt schematisch wesentliche Antriebselemente eines Personenkraftwagens. Eine aus einem Verbrennungsmotor 4 und einem elektrischen Generator 6 bestehende Verbrennungs- motor-Generator-Einheit (im folgenden: VGE) 2 liefert über eine Leitung Ll elektrische Leistung an einen als Leistungs- elektronik ausgebildeten Energieverteiler 8, der über Lei¬ tungen L2 und L3 zwei Elektromotoren 12 und 16 speist, die direkt an die Hinterräder 14 und 18 gekoppelt sind. Dadurch werden die Hinterräder 14 und 18 abhängig von dem vom Ener¬ gieverteiler 8 an die Elektromotoren 12 und 16 gelieferten Strom angetrieben.

Das Fahrzeug 10 kann auch mit einem Allradantrieb ausge¬ stattet sein, wie links unten in Fig. 1 durch gestrichelte Leitungen angedeutet ist, die zu weiteren Elektromotoren führen, die mit den übrigen Rädern des Fahrzeugs gekoppelt sind.

Der den Elektromotoren 12 und 16 über den Energievertei¬ ler 8 zugeführte Strom wird gesteuert von einer Steuer¬ einheit 20, die einen Mikroprozessor und Speichereinrich¬ tungen umfaßt. In der Speichereinrichtung sind Steuerpro¬ gramme, Kennlinien und dergleichen gespeichert.

Neben der VGE 2 ist als weitere Energiequelle ein hier als Akkumulator 22 ausgebildeter Energiespeicher 23 vor¬ gesehen, der über Leitungen L4 und L5 mit dem Energiever¬ teiler 8 gekoppelt ist. Über die Leitungen L4 und L5 wird elektrische Energie in den Akkumulator 22 eingespeichert bzw. elektrische Energie von dem Akkumulator 22 an den Energieverteiler 8 gegeben.

Dem Akkumulator 22 ist ein Sensor 24 zugeordnet, der ein für den Ladezustand des Akkumulators 22 repräsentatives Signal an die Steuereinheit 20 gibt. Die Steuereinheit 20 empfängt außerdem Drehzahl-Signale n von den beiden Elek¬ tromotoren 12 und 16, ferner ein Drehzahl-Signal n und ein Drehmoment-Signal M von der VGE 2; weiterhin Fahr¬ signale von einem Fahrpedal 27.

Das Fahrpedal 27 ist mit einer Sensoranordnung 3 ' 0 ausge- stattet, die an die Steuereinheit 20 ein für die Winkel- stellung α des Fahrpedals 27 repräsentatives Stellungs- signal α, ein Geschwindigkeitssignal , und ein Beschleunigungssignal et an die Steuereinheit 20 gibt. Die Signale , und a. sind jeweils repräsenta¬ tiv für die jeweilige Stellung des Fahrpedals 27, für dessen Betätigungsgeschwindigkeit bzw. für dessen Beschleu¬ nigung.

Außerdem ist mit dem Fahrpedal 27 ein Sensor 28 gekoppelt, der an die Steuereinheit 20 ein "Kickdown"-Signal kd lie¬ fert. Weiterhin kann der Fahrer über einen Wählschalter 26 ein Signal w an die Steuereinheit 20 geben, wodurch der

Steuereinheit 20 der Fahrerwunsch signalisiert wird, daß das Einspeisen des Stroms in die Elektromotoren 12 und 16 ausschließlich vom Akkumulator erfolgen soll (Stadtfahrt) .

Aus den in die Steuereinheit 20 eingegebenen Signalen berechnet die Steuereinheit 20 Steuersignale für die VGE 2 (insbesondere den Verbrennungsmotor) einerseits und den Energieverteiler 8 andererseits. Wenn der Fahrer das Fahr- pedal 27 mit einer bestimmten Geschwindigkeit α aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung herabdrückt, wird dies von der Steuereinheit 20 als Anforderung einer höhe¬ ren Dauerleistung seitens der VGE 2 interpretiert, so daß die Steuereinheit 20 an die VGE 2 Steuersignale liefert, um den Verbrennungsmotor in einen Betriebspunkt hochzu¬ fahren, welcher der angeforderten Dauerleistung entspricht.

Das Verhältnis zwischen Fahrpedalstellung und angeforder¬ ter Leistung ist nicht-linear, wie es z.B. in Fig. 3 dar¬ gestellt ist. Bei kleinen Fahrpedalwegen ändert sich die angeforderte Leistung nur geringfügig. Dies ermöglicht eine leichte Dosierung der Leistungsanforderung bei nie¬ drigen Geschwindigkeiten.

Das oben erwähnte Herabdrücken des Fahrpedals 27 um einen' bestimmten Betrag in eine neue Fahrpedalstellung α mit einer bestimmten Betätigungεgeschwindigkeit ά bestimmt die Art der Fahrzeugbeschleunigung, wie in Fig. 4 im Prinzip dargestellt ist. Der angeforderten erhöhten Lei¬ stung entspricht eine erhöhte neue konstante Geschwindig¬ keit v des Fahrzeugs. Um diese Geschwindigkeit aus¬ gehend von der früheren konstanten- Geschwindigkeit v zu erreichen, wobei dann der Verbrennungsmotor nach Errei ¬ chen der Geschwindigkeit v die gesamte Leistung liefert, wird zunächst sofort seitens des Energiespeichers 22 eine zusätzliche Leistung bereitgestellt, die mindestens so groß ist wie die frühere Leistung des Verbrennungsmotors

ERSATZBLATT

(P ) . Dann wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors hoch- gefahren bis zu einem Wert, der der angestrebten Leistung P entspricht. Das Beschleunigen des Fahrzeugs mit Hilfe der gespeicherten Energie erfolgt nach Maßgabe der Betä- tigungsgeschwindigkeit c. des Fahrpedals 27, wie in Fig. 4 skizziert ist. Je schneller das Fahrpedal 27 betätigt wurde, umso mehr Energie wird zur Fahrzeugbeschleunigung bereit¬ gestellt.

Bei dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt während des Hochfahrens des Verbrennungsmotors auf einen neuen Betriebspunkt eine Entkopplung zwischen dem Genera¬ tor 6 und den Antriebs-Elektromotoren 12 und 16.

Fig. 2 zeigt ein Kennliniendiagramm eines 100-kW-Verbren¬ nungsmotors, über der Drehzahl ist das Drehmoment aufge¬ tragen; es ergibt sich eine gestrichelte Linie b für den günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängig¬ heit der Drehzahl. Bei der Drehzahl von n=2200 etwa ergibt sich ein Punkt b emi.n', mit dem g ^ünstig ^sten Kraftstoff- verbrauch überhaupt. Bei niedrigeren Drehzahlen ist der Kraftstoffverbrauch zwar geringer, aber dafür ist das Drehmoment unverhältnismäßig kleiner . Bei höheren Dreh¬ zahlen ergibt sich ein erhöhter Kraftstoffverbrauch bei nur unterproportionaler Drehmomentzunahme.

Gemäß dem obigen Beispiel sei angenommen, daß bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v , während die Leistung voll- ständig vom Verbrennungsmotor 4 aufgebracht wird, der Verbrennungsmotor 4 bei einer Drehzahl von 3000 ÜpM arbeitet , was in Fig . 2 dem Betriebspunkt R* auf der Linie b entspricht . Drückt der Fahrer das Fahrpedal 27 wei ter durch , was einer angeforderten Dauerleistung von P entspricht , so muß der Verbrennungsmo tor 4 bis zu einem neuen Betriebspunkt B* der Linie b hochgefahren werden .

Dieses Hochfahren des Verbrennungsmotors 4 geschieht vor¬ zugsweise bei entlastetem Generator 6. Hierzu wird der Energieverteiler 8 derart angesteuert, daß die zum Vor- wärtsbewegen des Fahrzeugs gespeisten Elektromotoren 12 und 8 nicht mehr vollständig vom Generator 6, sondern ganz oder teilweise aus dem Energiespeicher 2 gespeist werden. In diesem Zustand wird' der Verbrennungsmotor 4 ent¬ lang der Linie b bis zum neuen Betriebspunkt B* hochge¬ fahren. Dann erfolgt wieder eine allmähliche Anschaltung des Generators 6 an die Elektromotoren 12 und 16. Diese Kopplungsvorgänge werden von der Steuereinheit 20 so gesteuert, daß sie allmählich vonstatten gehen und so der Antrieb ruckfrei fortgesetzt wird.

Bei dem oben anhand der Fig. 2 erläuterten Beispiel erfolgt der Einsatz des Energiespeichers 22 zur Beschleu¬ nigung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung eines günsti¬ gen Kraftstoffverbrauchs. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Parameter berücksichtigt werden, so z.B. die Schadstoffemission, die Geräuschentwicklung, die Aggregat- beanspruchung und dergleichen.

Wenn das Fahrzeug mit einer gewissen konstanten ' Geschwin¬ digkeit fährt und der Fahrer eine maximale Beschleunigung wünscht, tritt er das Fahrpedal 27 vollständig durch. Hierdurch erzeugt der Sensor 28 das "Kickdown"-Signal kd. Demzufolge wird den Elektromotoren 12 und 16 die maximal verfügbare Leistung zugeführt: Zum einen wird der Ver¬ brennungsmotor 4 bis zu seiner Höchstleistung hochgefah¬ ren, zum anderen wird dem Energiespeicher 22 eine gewisse Maximalleistung entnommen. Hierbei kann man - wie oben beschrieben - zunächst dem Energiespeicher 22 eine sehr hohe Leistung entnehmen, die höher ist als die Maximal¬ leistung des Verbrennungsmotors 4. Wenn der Verbrennungs ¬ motor 4 dann in einem Bereich höchster Leistung arbeitet, kann der Anteil der dem Energiespeicher 22 entnommenen

Leistung abgesenkt werden, so daß aber immer noch den Elektromotoren 12 und 16 eine Leistung zugeführt wird, die größer ist als die von dem Verbrennungsmotor 4 er¬ brachte maximale Leistung.

Der oben erläuterte Vorgang dient zur extrem starken Beschleunigung des Fahrzeugs (Kickdown) . Fährt das Fahr¬ zeug bereits mit einer Höchstgeschwindigkeit, welche der Maximalleistung des Verbrennungsmotors 4 entspricht, so kann auch dann noch durch einen "Kickdown" zusätzlicher Schub erreicht werden, indem die Steuereinheit 20 Energie aus dem Energiespeicher 22 entnimmt und den Elektromoto¬ ren 12 und 16 zuführt. Hierdurch erhöht sich die Nenn- Höchstgeschwindigkeit noch um einen gewissen Betrag.

In der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellt sind Mittel, mit denen dem Fahrer der Ladezustand des Akkumu¬ lators 22 signalisiert wird. Dieses Signalisieren des Ladezustands erfolgt nicht in der Mitteilung von Zahlen¬ werten, sondern in Form akustischer, optischer oder tak- tiler Signale. Zu bevorzugen ist eine mit dem Fahrpedal 27 gekoppelte Dämpfungseinrichtung, z.B. eine verstell¬ bare Vorspannfeder, die, wenn ein bestimmter unterer Schwellenwert des Ladezustands des Energiespeichers 22 unterschritten wird, den Betätigungswiderstand des Fahr¬ pedals 27 spürbar erhöht. Hierdurch wird dem Fahrer signali¬ siert, daß der Energiespeicher 22 momentan nur wenig Energie speichert, so daß keine erhöhten Beschleunigungen erreicht werden können.

Im Stadtverkehr kann der Fahrer durch Betätigen des Schal¬ ters 26 ein Signal w erzeugen, welches der Steuereinheit 20 signalisiert, daß der Verbrennungsmotor 4 abgeschaltet wird. Dies erfolgt unter der Voraussetzung, daß genug Energie im Akkumulator 22 gespeichert ist. Dieser Betriebs- zustand ist für einen Stop-and-Go-Verkehr geeignet.

Alternativ zu dem Wählschalter 26 kann die Steuereinheit 20 das Umschalten auf "Stadtfahrt" auch automatisch vornehmen. Hierzu zählt die Steuereinheit 20 in einem Zeitfenster die Häufigkeit von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen (anhand der von den Elektromotoren 12 und 16 gelieferten Drehzahl- εignale n) . Übersteigt die mittlere Häufigkeit der Brems- und Beschleunigungsvorgänge einen Schwellenwert, so schal¬ tet die Steuereinheit 20 automatisch auf einen Betrieb um, bei dem der Verbrennungsmotor 4 nur eingeschaltet wird, um den Akkumulator 22 wieder aufzuladen. Der Antrieb erfolgt im Prinzip auεεchließlich mit Leistung aus dem Akkumulator 22. Dieser wird nicht nur durch den Verbren¬ nungsmotor aufgeladen, sondern auch durch Strom, der beim Bremsen oder bei schiebendem Betrieb des Fahrzeugs von den dann generatorisch arbeitenden Elektromotoren 12 und 16 erzeugt wird.

Das Beschleunigungssignal α * , welches die Beschleunigung des Fahrpedals 27 angibt, kann von der Steuereinheit 20 ebenfalls ausgewertet werden zur Unterscheidung der Art und Weise, in der der Fahrer eine Änderung der Fahrzeuggeschwin¬ digkeit vorzunehmen wünscht. Ebenso wie das Geschwindigkeitε- εignal α kann auch das Beschleunigungsεignal ά * durch Differentiation anhand deε von der Steuereinheit 20 zeitlich erfaßten Signals der Fahrpedalstellung α errechnet werden, wenn hierzu keine speziellen Sensoren vorgesehen εind. In Kαribination mit dem Maximalwert des Fahrpedalwinkels 0>_ kann die Steuereinheit 20 bei überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Fahrpedalbetätigung erkennen, daß ein "Kick-down"-Signal vorliegt. In diesem Fall erübrigt sich die Installation eines speziellen Sensors 28.