DE4133013C2

DE4133013C2 - Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit elektrodynamischem Wandler

Info

Publication number: DE4133013C2
Application number: DE4133013A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Adler; Hans-Juergen Dr Ing Drexl; Dieter Dr Ing Lutz; Franz Dipl Ing Nagler; Martin Dr Ing Ochs; Stefan Dr Ing Schiebold; Hans-Joachim Schmidt-Bruecken; Wolfgang Dipl Ing Thieler; Michael Dr Ing Wagner; Holger Dr Ing Westendorf; Rainer Wychnanek
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2011-10-05
Also published as: US5515937A; ES2086768T3; CN1077687A; EP0606354B1; EP0606354A1; MX9205692A; WO1993007018A1; RU94021358A; DE4133013A1; DE59206195D1

Description

Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 37 25 620 A1).

Damit betrifft die Erfindung vornehmlich Personen- und Lastkraftwagen für den Straßenverkehr. Generell werden solche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ausgestattet. Der Anteil von mittels Elektromotor angetriebenen Fahrzeugen ist verschwindend gering.

Bei einem Verbrennungsmotor macht der für den Motor spezifische Drehmomentverlauf in Abhängkeit der Drehzahl die Verwendung eines Schalt- oder Automa tikbetriebes erforderlich, um abhängig von der Belastung und dem gewünschten Fahrverhalten das jeweils erforderliche Drehmoment bzw. die erforder liche Leistung an den Antriebsrädern zur Verfügung zu stellen.

Bei Fahrzeugen mit elektromotorischem Antrieb be steht grundsätzlich nicht das Erfordernis eines Getriebes im Antriebsstrang des Fahrzeugs, da Elektromotoren über einen breiten Drehzahlbereich ein relativ hohes Drehmoment erzeugen, so daß ein Umschalten entfällt.

Es wurde bereits ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug der obengenannten Art vorgeschlagen, bei dem von einer Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (VGE) Strom erzeugt wird, der dann über eine Energiever teiler-Leistungselektronik an die mit den Rädern des Fahrzeugs gekoppelten Elektromotoren gegeben wird. Dabei erfolgt die Einspeisung des Stroms in die Elektromotoren in Abhängigkeit eines als Sollsignal dienenden Fahrsignals unter Berücksich tigung des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmo tors.

Bei einem solchen Antrieb ergeben sich mehrere Vorteile, die bei einem Antrieb mit üblichem Ver brennungsmotor nicht oder zumindest nur mit erhe blichem Aufwand erzielbar sind. Beispielsweise kann ohne großen Aufwand eine Schlupfsteuerung der Räder erfolgen. Bei einem Bremsvorgang können die mit den Rädern gekoppelten Elektromotoren als Generatoren arbeiten. Die gewonnene elektrische Energie kann z. B. zu Heizzwecken oder dergleichen verwendet werden.

Wird ein solches Fahrzeug mit an einen Verbren nungsmotor gekoppeltem Generator und über Elektro motoren angetriebenen Rädern beispielsweise im Stadtverkehr eingesetzt, so muß der Betrieb des Verbrennungsmotors den jeweiligen Leistungsanforde rungen entsprechen, d. h. die Drehzahl des Verbren nungsmotors wird so variiert, daß dem jeweils er forderlichen Leistungsbedarf entsprochen wird. Bei häufigem Drehzahlwechsel des Verbrennungsmotors ergibt sich jedoch eine Beeinträchtigung des Wir kungsgrades des Verbrennungsmotors; denn mit dem häufigen Drehzahlwechsel geht naturgemäß ein häufi ger Betrieb in einem Bereich des Kennlinienfeldes des Motors einher, in welchem Parameter wie minima ler Kraftstoffverbrauch bei gegebener Leistung, ge ringste Abgasemission, geringste Geräuschentwick lung und dergleichen einen nicht-optimalen Wert haben.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb einen beispielsweise als Schwungrad ausgebildeten Energiespeicher zu verwen den, aus dem im Fall eines plötzlich erhöhten Leistungsbedarfs rasch Energie abgezogen werden kann, um das Fahrzeug relativ rasch zu beschleuni gen, ohne dabei jedoch sofort die Drehzahl des mit dem Schwungrad gekoppelten Verbrennungsmotors rasch erhöhen zu müssen.

Für Beschleunigungsvorgänge des Fahrzeugs wird dann die zum Beschleunigen erforderliche Energie aus dem Energiespeicher entnommen, während der Verbren nungsmotor weiterhin mit in Grenzen konstanter Drehzahl arbeitet und Energie in den Energiespei cher lädt.

Derartige Hybridfahrzeuge mit Schwungrad-Energie speicher oder dergleichen sind bislang jedoch nur für sehr spezielle Anwendungszwecke vorgeschlagen worden, so z. B. für Fahrzeuge, die praktisch aus schließlich zu Stadtfahrten eingesetzt werden (z. B. Busse), da das häufige Beschleunigen und Verzögern des Fahrzeugs den Einsatz eines Schwungrad-Energie speichers attraktiv erscheinen läßt.

Allerdings erscheinen die bislang entwickelten Konzepte für Fahrzeuge der oben angesprochenen Art noch verbesserungsfähig.

Ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug der eingangs genannten Art ist aus der DE 37 25 620 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Fahrzeug ist der Verbrennungsmotor als Schwingkolbenmotor ausgebildet. Der von dem Generator erzeugte Strom wird über den elektronischen Energieverteiler einzelnen elektrischen Fahrinotoren zugeführt, von denen jeweils einer mit einem Antriebsrad gekoppelt ist. Der Energiespeicher ist als Schwungradspeicher ausgebildet.

Beim Abbremsen des Fahrzeugs können die Fahrmotoren im Generatorbetrieb arbeiten, um zumindest einen Teil der Bremsenergie in elektrische Energie umzusetzen, die ihrerseits wieder über einen Motor in den Schwungradspeicher eingeleitet wird. Aus diesem kann bei Bedarf Energie entnommen werden, die über den elektronischen Energieverteiler den Fahrmotoren zugeführt wird.

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit des Betriebs eines derartigen Fahrzeugs ist naturgemäß die Art der Energieverteilung. Bei dem bekannten Fahrzeug wird der Schwingkolbenmotor mit konstanter Drehzahl betrieben, da der fest mit ihm gekoppelte Generator stets einen Wechselstrom gleicher Frequenz erzeugen soll. Die Drehzahl der Räder wird über eine Frequenzwandlung durch die Steuereinheit auf den gewünschten Wert eingestellt, so daß ein quasi stufenloses (elektrisches) Getriebe zwischen dem Schwingkolbenmotor und den Antriebsrädern liegt.

Aus der DE 37 437 25 620 A1 läßt sich entnehmen, die Frequenzeinstellung von Fahrmotoren abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der Gashebelstellung durch einen "kennfeldprogrammierten" Mikroprozessor vorzunehmen. Hierzu wird in Abhängigkeit von der Gashebelstellung und dem Ladezustand des Schwungradspeichers durch die Steuereinheit nach einem vorgegebenen Kennfeld die Aufteilung der Bremskraft in einen von den Radbremsen und einen vom Schwungradspeicher aufzubringenden Anteil vorgenommen.

Aus der DE-OS 20 12 384 ist ein Fahrzeug bekannt, bei dem ein in den Antriebsstrang geschaltetes Planetengetriebe eine Aufteilung der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Leistung in der Weise gestattet, daß ein regelbarer Anteil auf die Antriebswelle gegeben und der übrige Teil der Energie zum Antreiben eines elektrischen Generators genutzt wird. Die von dem Generator erzeugte Energie kann in einer Batterie gespeichert oder auch unmittelbar wieder als Antriebsenergie in einen elektromotorischen Zusatzantrieb eingespeist werden, der mit den Antriebsrädern gekoppelt ist. Dieser Zusatzantrieb kann bei Bedarf auch aus der Batterie mit Strom versorgt werden.

Dieses Antriebssystem weist zwei Betriebsarten auf: In einer ersten Betriebsart läuft der Primärantrieb mit konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment. Veränderungen im Antriebsleistungsbedarf der Antriebsräder werden über den elektromotorischen Zusatzantrieb ausgeglichen, der aus der Batterie gespeist wird, im Fall von Leistungsüberschuß arbeitet er als Generator, und es wird Energie in die Batterie eingespeichert. In einer zweiten Betriebsart wird die gesamte Primärantriebsleistung an die Antriebswelle gegeben; dabei ist eine ständige Anpassung der Leistung des Primärantriebs (Verbrennungsmotors) an den jeweiligen Leistungsbedarf vorgesehen. Es ist ein Leistungsregler vorgesehen, der mit einem Sensor verbunden ist, der die von dem Verbrennungsmotor verursachte Luftverschmutzung erfaßt. Bei dem bekannten Fahrzeug ist die Möglichkeit gegeben, abhängig von beispielsweise der Randbedingung "Kraftstoffverbrauch" unter Berücksichtigung des Leistungsbedarfs und des Ladezustands des Energiespeichers Drehzahl und Drehmoment des Verbrennungsmotors entsprechend einzustellen. Dabei ist es denkbar, zur Optimierung weiterer Parameter andere Betriebspunkte bzw. Teilbereiche für den Betrieb festzulegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein nicht-spurgebun denes Fahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei Verwendung eines Energie speichers als zusätzliche Energiequelle neben der durch den Verbrennungsmotor und den Generator ge bildeten Einheit die Nutzungsmöglichkeiten des Fahrzeugs erweitert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem nicht-spurge bundenen Fahrzeug der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Bei dem Energiespeicher handelt es sich um einen solchen Speicher, der relativ rasch Energie zur Verfügung stellen kann. Es kann sich grundsätzlich um einen mechanischen Speicher, beispielsweise ein Schwungrad, handeln, bevorzugt wird jedoch ein Akkumulator zum Speichern elektrischer Energie.

Wie eingangs erwähnt, erfolgt bei dem nicht-spurge bundenen Fahrzeug das Einspeisen von Strom in den Elektromotor oder in die Elektromotoren, welche mit den Rädern gekoppelt sind, in Abhängigkeit von einem Fahrsignal. Dieses Fahrsignal wird z. B. von einem "Gashebel" am Fahrzeug erzeugt, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug.

Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist nun so aus gelegt, daß das Einspeisen von Strom in die Elek tromotoren unter Berücksichtigung des durch das Fahrsignal repräsentierten Fahrerwunsches entweder direkt seitens der Verbrennungsmotor-Generator- Einheit, direkt seitens des Energiespeichers oder aber aus beiden Energiequellen erfolgt. Wichtig dabei ist, daß die Steuerung die voreingestellten Randbedingungen berücksichtigt.

Die Randbedingungen betreffen die Optimierung eines oder mehrerer der folgenden Parameter:

(a) Kraftstoffverbrauch;
(b) Abgasmenge- und Zusammensetzung;
(c) Geräuschemission; und
(d) Aggregatbeanspruchung.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich vornehm lich auf den Parameter "Kraftstoffverbrauch", wenngleich die Erfindung gleichermaßen die übrigen Parameter betrifft. Insbesondere kann man mehrere Parameter berücksichtigen, wobei dann entsprechende Kennlinienfelder des Verbrennungsmotors überlagert oder zusammengefaßt werden. Dabei kann man die einzelnen Parameter gleichstark oder unterschied lich stark wichten. Berücksichtigt man bei der Vorgabe der Randbedingungen insbesondere die Abgas menge und Abgaszusammensetzung, so lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Konzept auch in hohem Maße restriktive Umwelt-Auflagen bezüglich der Schad stoffemission erfüllen.

Ein wesentlicher Parameter beim Betrieb eines der artigen Fahrzeugs ist naturgemäß der Kraftstoffver brauch, so daß auf diesen Parameter im folgenden besonders eingegangen werden soll. Für jeden Ver brennungsmotor gibt es ein Kennlinienfeld, welches z. B. den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit der Drehzahl darstellt. Es gibt einen Bereich, in dem der sogenannte spezifische Kraftstoffverbrauch am niedrigsten ist. Bezogen auf eine bestimmte Lei stung des Motors ergibt sich jeweils bei einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Drehmoment des Motors ein optimal niedriger Kraftstoffver brauch. Darüberhinaus gibt es einen Punkt, in dem der spezifische Verbrauch absolut am niedrigsten ist, also der Motor seinen günstigsten Wirkungsgrad besitzt. Bei gegenüber diesem Betriebspunkt nied rigerer Drehzahl ist zwar der Verbrauch noch niedri ger, jedoch fällt die Leistung übermäßig stark ab. Bei einer Drehzahl oberhalb des genannten Punkts nimmt die Leistung zwar zu, aber im Vergleich zur Zunahme des Kraftstoffverbrauchs relativ gering. Deshalb sollte - wenn möglich - der Verbrennungsmo tor stets in einem Bereich arbeiten, der in der Nähe des Punkts des absolut niedrigsten spezifi schen Verbrauchs liegt. Dieses Ziel läßt sich in relativ weiten Grenzen durch die Erfindung reali sieren. Abhängig vom Fahrerwunsch (der durch das Fahrsignal repräsentiert wird) sieht die erfin dungsgemäße Steuerung vor, entweder die Verbren nungsmotor-Generator-Einheit allein, den Energie speicher allein oder die beiden Energiequellen kombiniert für den Antrieb einzusetzen. Dabei er folgt die Stromeinspeisung in die Elektromotoren über die Energieverteiler-Leistungselektronik.

Erfindungsgemäß werden die Randbedingungen defi niert durch Teilbereiche eines Kennlinienfeldes für den Betrieb des Verbrennungsmotors, wobei dem Energiespeicher ein Zustandssensor zugeordnet ist, der den Ladezustand des Energiespeichers erfaßt. Die Steuereinheit ermittelt anhand des Fahrsignals den Leistungsbedarf des Elektromotors bzw. der Elektromotoren. In Abhängigkeit von dem Leistungs bedarf und dem Ladezustand des Energiespeichers wird der Betrieb des Verbrennungsmotors dann auf einen günstigen Teilbereich des Kennlinienfeldes eingestellt.

Wie oben angedeutet, umfaßt ein erster Teilbereich einen bezüglich mindestens eines Parameters optima len Betriebszustand, z. B. minimalen Kraftstoffver brauch bei gegebener Motorleistung. Der Betrieb des Verbrennungsmotors wird dann innerhalb des Teilbereichs gehalten, solange die Leistungsanfor derung seitens des Elektromotors in vorgegebenen Grenzen bleibt. Der Elektromotor wird von dem Ge nerator gespeist. Gegebenenfalls wird überschüssige Energie in den Energiespeicher geladen. In diesem Betriebszustand ist der Wirkungsgrad des Antriebs am höchsten, der Motor arbeitet bei geringstem spezifischem Kraftstoffverbrauch.

Die obere und untere Leistungs- bzw. Drehmoment grenze für den ersten Teilbereich kann variiert werden, und zwar in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers.

Erhöht sich der Leistungsbedarf so, daß der Lei stungsbedarf größer ist als die Leistung, die von der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit abgegeben wird, solange diese im Bereich des günstigsten Kraftstoffverbrauchs arbeitet, so sind verschiedene Optionen möglich:

Der Verbrennungsmotor arbeitet weiter im Bereich des günstigsten Kraftstoffverbrauchs. Die zusätz liche Leistung wird aus dem Energiespeicher entnom men. Ist die Leistungsanforderung nur kurzfristig, so bleibt der Verbrennungsmotor in dem Betriebszu stand, in dem er den günstigsten Kraftstoffver brauch aufweist.

Bei längerem erhöhten Leistungsbedarf, insbesondere dann, wenn ein erhöhter Leistungsbedarf für einen längeren Zeitraum abzusehen ist, wird zunächst zusätzliche Energie aus dem Energiespeicher entnom men, und dann wird die Drehzahl des Verbrennungsmo tors erhöht, bis dieser unter Umständen seine maxi male Leistung abgibt. In dem Maße, in dem der Verbrennungsmotor die Leistung erhöht, verringert sich die aus dem Energiespeicher entnommene Lei stung.

Wenn der Verbrennungsmotor im Bereich sehr hoher Leistung arbeitet und ein zusätzlicher Leistungsbe darf vorhanden ist, z. B. bei einem "Kick-down", arbeitet der Verbrennungsmotor im Bereich höchster Leistung, und zusätzlich wird dem Energiespeicher Energie entzogen, um das Fahrzeug noch stärker zu beschleunigen. Hierbei ist darauf zu achten, daß die aus dem Energiespeicher entnommene zusätzliche Leistung nur zeitlich beschränkt zur Verfügung steht. Durch geeignete Beschränkung der Leistungs entnahme aus dem Energiespeicher läßt sich errei chen, daß z. B. ein Überholvorgang sicher innerhalb einer bestimmten Zeitspanne mit sehr hoher Lei stung, d. h. Beschleunigung, durchgeführt werden kann.

Theoretisch ist noch der Betriebszustand möglich, daß die gesamte in den Elektromotor eingespeiste Leistung aus dem Energiespeicher entnommen wird.

Wenn der Leistungsbedarf des Fahrzeugs geringer ist als die Leistung, die der Verbrennungsmotor im Bereich günstigsten Kraftstoffverbrauchs liefert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Verbren nungsmotor intermittierend betrieben wird, d. h. abwechselnd eingeschaltet wird, um im Bereich des günstigsten Kraftstoffverbrauchs zu arbeiten, und zwischenzeitlich abgeschaltet wird. Diese Fahr weise ist insbesondere bei Stadtfahrten günstig, da nicht nur ein sehr günstiger Kraftstoffverbrauch erreicht wird, sondern gleichzeitig auch eine ver ringerte Schadstoffemission erzielbar ist. Die jeweils erforderliche Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs wird aus dem Speicher entnommen und ein den Ladezustand des Energiespeichers überwachender Sensor signalisiert, wann der Verbrennungsmotor zum Aufladen des Energiespeichers gestartet werden muß.

Der oben angesprochene Fall, daß der Verbrennungs motor hochgefahren wird und bis zum Erreichen der Maximalleistung der zusätzliche Leistungsbedarf aus dem Energiespeicher abgedeckt wird, wird in Verbin dung mit beispielsweise einem Zeitglied realisiert. Wenn der erhöhte Leistungsbedarf länger als eine vorbestimmte Zeitspanne anhält, wird, nachdem zu nächst die zusätzliche Leistung aus dem Energie speicher entnommen worden ist, der Motor hochgefah ren. Der Zeitpunkt des Hochfahrens des Verbren nungsmotors hängt auch ab vom Speicherzustand. Man kann außerdem in der Steuereinheit ein Lernprogramm vorsehen, welches beispielsweise die Häufigkeit speichert, mit der durchschnittlich über eine re lativ lange Zeitspanne ein erhöhter Leistungsbedarf vorhanden ist. Ist diese Häufigkeit sehr groß, so kann der Verbrennungsmotor schon nach Ablauf je weils einer sehr kurzen Zeitspanne hochgefahren werden, weil dann abzusehen ist, daß mit hoher Wahrscheinlichkeit ein länger anhaltender höherer Leistungsbedarf gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet auch das Nutzen von Bremsenergie über den Energieverteiler. Beim Bremsen arbeiten die Elektromotoren als Generatoren und Speisen über die Energieverteiler- Leistungselektronik elektrische Energie in den Energiespeicher zurück. Gleichzeitig oder alterna tiv kann man die Bremsenergie auch mit einem Heiz widerstand zum Heizen verwenden.

Die Auswahl einer der oben angesprochenen Varianten hängt zum Teil sehr stark vom Ladezustand und auch von der Kapazität des Energiespeichers ab. Um ge fährliche Situationen, insbesondere bei Überholvorgängen, zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Ener gieentnahme aus dem Speicher zu überwachen und anzuzeigen, so daß der Fahrer rechtzeitig darüber informiert wird, daß der Speicher zum größten Teil erschöpft ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugs mit elektrodynamischem Wandler und als Akkumulator ausgebildetem Energiespeicher;

Fig. 2 ein Kennlinienfeld eines 100-kW-Verbren nungsmotors; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung möglicher Betriebszustände des Fahrzeugantriebs.

Fig. 1 zeigt schematisch die hier wesentlichen Teile eines Personenkraftwagens.

Eine im folgenden mit "VGE" abgekürzte Verbren nungsmotor-Generator-Einheit 2 enthält einen Verbrennungsmotor 4 und einen mit dessen Ausgangs welle starr gekoppelten Generator 6. Die von dem Generator 6 erzeugte elektrische Leistung wird über eine Leitung L1 auf eine als Energieverteiler 8 fungierende Leistungselektronik-Einheit gegeben, die über Leitungen L2 und L3 elektrischen Strom in zwei Elektromotoren 12 bzw. 16 einspeist, die mit jeweils einem Hinterrad 14 bzw. 18 des Fahrzeugs gekoppelt sind.

In Fig. 1 ist links unten angedeutet, daß auch die beiden anderen Fahrzeugräder über Elektromotoren angetrieben werden können.

Das Einspeisen von Strom in die Elektromotoren 12 und 16 seitens des Energieverteilers 8 wird von einer Steuereinheit 20 gesteuert, die von der VGE 2 Signale bezüglich Drehzahl und Drehmoment empfängt, die von den Elektromotoren 12 und 16 Signale bezüg lich der Drehzahlen dieser beiden Motoren empfängt und die außerdem Sensorsignale S von hier nicht mehr dargestellten Sensoren empfängt. Ein derarti ges Sensorsignal ist z. B. ein Fahrhebel-Stellungs- Signal, welches kennzeichnend ist für die jeweilige Winkelstellung des Fahrpedals ("Gashebel"). Ein weiteres von der Steuereinheit 20 empfangenes Sen sorsignal ist z. B. ein Geschwindigkeitssignal, welches von einer Tachowelle des Fahrzeugs gelie fert wird. Weiterhin kommen als Sensorsignale ein Bremssignal, ein Beschleunigungssignal, ein Kalt lauf/Warmlauf-Signal und dergleichen in Betracht.

Die Steuereinheit 20 enthält einen Mikroprozessor und eine Speichereinheit, die Steuerprogramme und Datenwerte von Kennlinienfeldern und dergleichen speichert.

Wenn der Fahrer des Fahrzeugs das Fahrpedal betä tigt, wird das Stellungssignal als Sensorsignal S an die Steuereinheit 20 geliefert. Die Steuerein heit 20 kann daraus durch Differenzenbildung ein Geschwindigkeitssignal für die Fahrhebelbetätigung ermitteln. Außerdem kann ein Beschleunigungssignal für den Fahrhebel ermittelt werden. Anhand dieser Daten läßt sich auf den jeweiligen Fahrerwunsch rückschließen. Bei hoher Fahrhebel-Geschwindigkeit ist z. B. eine hohe Beschleunigung erwünscht, und zwar, falls der Fahrhebel vollständig oder fast vollständig durchgedrückt ist, bis zu einer relativ hohen Endgeschwindigkeit.

Die Steuereinheit 20 setzt diese Signale mittels Steuerprogrammen um in Steuersignale, die auf den Energieverteiler 8 gegeben werden. In Fig. 1 sind Energieübertragungsleitungen ausgezogen, Signal übertragungsleitungen gestrichelt dargestellt. Abhängig von den Steuersignalen liefert dann der Energieverteiler an die beiden Elektromotoren 12 und 16 einen Strom, so daß der Antrieb in der vom Fahrer gewünschten Weise erfolgt.

Als besonderes Merkmal besitzt das Fahrzeug einen Energiespeicher, der hier als Akkumulator 22 zum Speichern elektrischer Energie ausgelegt ist. Der Akkumulator ist über zwei elektrische Leitungen L4 und L5 mit dem Energieverteiler 8 verbunden, so daß über die Leitung L4 Energie in den Akkumulator eingespeichert und über die Leitung L5 Energie aus dem Akkumulator entnommen wird.

Der Energieverteiler 8 ist in für den Fachmann prinzipiell bekannter Weise derart ausgestaltet, daß die Energie, die den Elektromotoren 12 und 16 zugeführt wird, wahlweise über die Leitung L1, also von der VGE, und/oder über die Leitung L5, also von dem Energiespeicher 22, geliefert wird.

Ein Sensor 24 signalisiert der Steuereinheit 20 den jeweiligen Ladezustand des Energiespeichers 22.

Fig. 2 zeigt ein typisches Kennlinienfeld eines 100-kW-Ottomotors. Auf der Ordinate sind Drehmo mentwerte, auf der Abszisse Drehzahlen aufgetragen. Eine dickgestichelte Linie b_v kennzeichnet den jeweils für bestimmte Drehzahlen günstigsten Ver brauch bei unterschiedlichen Leistungsanforderun gen. Diese Linie b_v ist in drei, in Fig. 2 schraf fiert dargestellte Bereiche unterteilt, nämlich in einen mittleren Bereich A, einen oberen Bereich B und einen unteren Bereich C.

Der mittlere Bereich A liegt in einem durch eine "Höhenlinie" umschlossenen Bereich, in welchem ein bestimmter spezifischer Verbrauch des Motors gege ben ist. Dieser Bereich (Muschel) ist derjenige Bereich, in welchem der Motor möglichst arbeiten sollte, um insgesamt einen hohen Wirkungsgrad, also einen geringen spezifischen Verbrauch des Motors zu erzielen.

Der obere Bereich B ist gekennzeichnet durch höhere Drehzahlen und höheres Drehmoment (und mithin höhere Leistung, da sich die Leistung aus dem Produkt von Drehzahl und Drehmoment ergibt). Der untere Bereich C ist gekennzeichnet durch eine sehr niedrige Drehzahl bei niedrigem Drehmoment bzw. niedriger Leistung.

Innerhalb der Speichereinheit sind z. B. in Tabel lenform die Kennwerte des Verbrennungsmotors ge speichert. Die in Fig. 2 dargestellten Bereiche A, B, C bilden Randbedingungen für den Betrieb der gesamten Antriebseinheit des Fahrzeugs. Im vorlie genden Ausführungsbeispiel wird ein möglichst ge ringer Kraftstoffverbrauch, also insgesamt ein möglichst geringer Energiebedarf angestrebt, wobei jedoch dem jeweiligen Fahrerwunsch weitestgehend Rechnung getragen werden soll. Das heißt: Falls der Fahrer eine sehr hohe Beschleunigung des Fahrzeugs wünscht, wird diesem Wunsch nachgekommen, wobei jedoch die Einspeisung des Stroms in die Elektro motoren 12 und 16 unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen wahlweise seitens der VGE 2 und/oder des Energiespeichers 22 erfolgt.

Bezugnehmend auf Fig. 2 bedeutet ein möglichst geringer Energieaufwand, daß der Motor möglichst im Bereich A, und zwar am Punkt b_emin betrieben wird, d. h. am Punkt des absolut niedrigsten spezifischen Verbrauchs. In Fig. 2 erstreckt sich der Bereich A in Richtung der Ordinate über einen gewissen Dreh momentbereich. Dies deutet an, daß die Linie b_v des günstigsten Verbrauchs für unterschiedliche Leistungsanforderungen auch in gewissen Grenzen verlassen werden kann. Voraussetzung dafür ist es, daß der Wirkungsgrad der VGE immer noch größer ist als der Speicherwirkungsgrad. Würde man, um den Motor möglichst nahe beim Punkt b_emin zu betreiben, bei jeder erhöhten Leistungsanforderung die zusätz liche Leistung aus dem Speicher entnehmen, so wäre der durch das Umspeichern unvermeidliche Energie verlust möglicherweise höher als die Differenz zwischen dem optimalen Wirkungsgrad und dem durch Verlassen der Linie b_v definierten verschlechterten Wirkungsgrad.

Grundsätzlich wird im Bereich A der Leistungsbedarf der Elektromotoren 12 und 16 direkt von der VGE gedeckt, solange deren Wirkungsgrad höher ist als der Speicherwirkungsgrad. Der Speicherwirkungsgrad ist das Verhältnis der vom Speicher an die Elektro motoren abgegebene Energie E_aus, bezogen auf die zur Speicherung aufzubringende Energie E_ein:

Die zur Speicherung einer Energiemenge aufzubrin gende Energie E_ein umfaßt die geladene Energie, die für den Speichervorgang aufzubringende Energie und die zum Entladen des Speichers auszubringende Energie.

Der Wirkungsgrad der VGE stellt sich dar als das Produkt aus dem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und dem Wirkungsgrad des Generators:

ηVGE = ηVerb.-Mot · ηGen (2)

Die direkte Deckung des Leistungsbedarfs seitens der VGE erfolgt also unter der Bedingung:

hVGE ηAkku (3)

Wie weit die Grenzen des Bereichs A gezogen werden, hängt ab vom Ladungszustand des Energiespeichers 22. Bei vollem Speicher können die Grenzen relativ weit gesteckt werden. In der Steuereinheit werden beispielsweise Grenzwerte für den Bereich A gespeichert, und diese Grenzwerte können mit einem Faktor multipliziert werden, der von dem Ladungs zustand des Energiespeichers 22 abhängt. Dieser Ladungszustand wird über den Sensor 24 der Steuereinheit 20 mitgeteilt.

Wenn der Antrieb im Bereich A arbeitet und die Elektromotoren 12, 16 etwas weniger Energie anfor dern als der Verbrennungsmotor im günstigsten Betriebszustand abgibt, wird die überschüssige Ladung über den Energieverteiler 8 in den Energie speicher 22 eingespeichert.

Wenn nun der Leistungsbedarf der Elektromotoren 12, 16 steigt, z. B. dadurch, daß sich das Fahrzeug an einer Steigung befindet oder der Fahrer das Fahr zeug beschleunigen möchte, so ergibt sich die in Fig. 3a dargestellte Möglichkeit, daß die VGE bei im wesentlichen konstanter Drehzahl in der Nähe des verbrauchsgünstigen Punkts b_emin arbeitet, während der zusätzliche Leistungsbedarf aus dem Energie speicher 22 gedeckt wird. In Fig. 3a ist dies dadurch angedeutet, daß sowohl die VGE 2 als auch der Energiespeicher (Akku) 22 über die Leitungen L1 bzw. L5 an den Energieverteiler 8 aktiv ange schlossen sind. Rechts in Fig. 3a ist der von der Zeit abhängige Leistungsbedarf dargestellt. Der obere Bereich ist schraffiert dargestellt und kenn zeichnet die von dem Energiespeicher 22 gelieferte Energie pro Zeiteinheit. Diese Energie ergänzt die von der VGE 2 gelieferte Energie, so daß der Soll wert P_soll erreicht wird.

Der in Fig. 3a dargestellte Zustand ist sinnvoll, wenn kurzzeitige erhöhte Leistungsanforderungen seitens der Elektromotoren 12, 16 bestehen.

Fig. 3b zeigt ein Betriebsverhalten, welches zunächst dem Zustand nach Fig. 3a entspricht, d. h. zunächst wird die von der im optimalen Betriebs zustand laufenden VGE 2 gelieferte Energie bis auf den Wert P_soll durch Energie aus dem Energie speicher 22 ergänzt. Von einem Zeitpunkt tx an wird jedoch die Drehzahl des Verbrennungsmotors erhöht. In dem Maße, in dem mehr Energie direkt von der VGE 2 an die Elektromotoren 12, 16 geliefert wird, ver ringert sich der aus dem Energiespeicher 22 zusätz lich aufgebrachte Anteil.

Der Zeitpunkt tx kann beispielsweise durch ein Zeitglied festgelegt werden. Wenn eine erhöhte Leistungsanforderung entsteht, wird ein Zeitglied innerhalb der Steuereinheit 20 gestartet. Besteht die Leistungsanforderung noch, wenn die durch das Zeitglied festgelegte Zeitspanne abgelaufen ist, so wird dann die VGE 2 hochgefahren. Diese Maßnahme ist deshalb zweckmäßig, weil die aus dem Energie speicher 22 entnommene Energie sich erschöpft und verhindert werden muß, daß sich der Energiespeicher 22 übermäßig stark entlädt.

Die Zeitspanne bis zum Hochfahren der VGE 2 kann abhängig vom Ladungszustand des Energiespeichers 22 variiert werden. Das Hochfahren der VGE 2 kann auch davon abhängig gemacht werden, mit welcher Häufig keit relativ lange anhaltende zusätzliche Leistungsanforderungen auftreten. Hierzu kann die Steuereinheit 20 die Situationen zählen, die dem in Fig. 3b dargestellten Betriebsverhalten ent sprechen. Treten innerhalb einer Zeitspanne von beispielsweise 10 Minuten oder 30 Minuten mehrmals relativ längere erhöhte Leistungsanforderungen auf, so kann der Zeitpunkt tx in Fig. 3b mehr nach links verschoben werden, da die Steuerung "weiß", daß mit hoher Wahrscheinlichkeit eine längere erhöhte Leistungsanforderung anstehen wird.

Fig. 3c zeigt den Zustand, daß die VGE 2 maximale Leistung abgibt, das Fahrpedal also fast voll ständig durchgedrückt ist. Wenn nun z. B. ein "Kick down" im Zeitpunkt t1 erfolgt, wird zusätzlich der Energiespeicher angezapft, so daß vom Zeitpunkt t1 an über die Leitung L5 ebenfalls Energie geliefert wird. Wenn die VGE 2 praktisch Höchstleistung ab gibt, läßt sich durch die Maßnahme also noch ein zusätzlicher Schub erreichen. Ein solcher zusätzli cher Schub kann dann sinnvoll sein, wenn z. B. ein Überholvorgang stattfindet, insbesondere ein Überholvorgang an einer Steigung.

Allerdings muß beachtet werden, daß der in Fig. 3c dargestellte Zustand ab dem Zeitpunkt t1 nur beschränkt möglich ist, da sich der Energiespeicher 22 fortwährend entlädt. Mittels einer Warnanzeige kann dem Fahrer signalisiert werden, wie lange der Zustand besonders großer Beschleunigung noch auf rechterhalten werden kann. Der Fahrer kann sich dann entsprechend verhalten.

Die in den Fig. 3a, 3b und 3c dargestellten Situationen entsprechen einem Betrieb des Bereichs B, also einem Zustand erhöhter Leistungsanforde rung. Gemäß Fig. 3a lohnt es sich nicht, den Betrieb der VGE 2 hochzufahren, so daß ein kurzer zusätzlicher Leistungsbedarf aus dem Energie speicher 22 gedeckt wird.

Gemäß Fig. 3b würde sich bei länger anhaltendem Speicherbetrieb der Speicher zu schnell entladen.

Gemäß Fig. 3c erfolgt eine zusätzliche "Leistungs spritze", um z. B. eine erhöhte Beschleunigung zu erzielen.

Gemäß Fig. 3d ist mit dem Energieverteiler 8 ledig lich der Energiespeicher 22 über die Leitung L5 verbunden. Dieser Zustand kann sowohl dem Bereich B als auch dem Bereich C entsprechen. Bei sehr hoher Leistungsanforderung kann die gesamte Leistung aus dem Akkumulator entnommen werden. Dieser Zustand ist jedoch in der Praxis kaum interessant. Interes sant hingegen ist der Betrieb im Bereich C, d. h. in einem Bereich, in dem im optimalen Betriebszustand laufende Verbrennungsmotor wesentlich mehr Energie an den Generator liefern würde, als die Elektro motoren 12, 16 benötigen. In diesem Fall wird die VGE 2 vollständig abgeschaltet, und es erfolgt ein Antrieb ausschließlich durch Speisung aus dem Energiespeicher 22. Diese Fahrweise ist insbesonde re im dichten Stadtverkehr, bei Staus und derglei chen günstig. Wenn sich der Energiespeicher 22 bis zu einem gewissen Grad entladen hat, kann der Motor wieder eingeschaltet werden.

Die in Fig. 3e dargestellte Situation entspricht dem Bereich A des Kennlinienfeldes. Die gesamte Leistung wird direkt von der VGE 2 zur Verfügung gestellt. Mögliche überschüssige Energie wird von der VGE 2 über den Energieverteiler 8 in den Energiespeicher 22 eingespeist.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich speziell auf den Parameter "Kraftstoffver brauch". Die Steuerung der Stromeinspeisung in die Elektromotoren 12 und 16 aus der VGE 2 und/oder dem Energiespeicher 22 erfolgt nach Maßgabe eines möglichst geringen Energieverbrauchs. Alternativ dazu oder zusätzlich können auch andere Betriebs parameter maßgeblich für die Steuerung sein. Insbe sondere sind hier die Abgasmenge und die Abgaszu sammensetzung zu erwähnen, da durch eine solche Steuerung mit relativ einfachen Mitteln die Schad stoffemission durchschnittlich auf einem sehr geringen Wert gehalten werden kann.

Darüber hinaus kann als Betriebsparameter auch die Geräuschemission und/oder die Aggregatbeanspruchung zugrundegelegt werden. Die Aggregatbeanspruchung ist dann besonders hoch, wenn eine "sportliche" Fahrweise bevorzugt ist. Aufgrund häufiger hoher Drehzahlen und häufiger Lastwechsel werden die mechanisch bewegten Teile besonders beansprucht. Man kann die Steuerung so auslegen, daß zu häufige und starke Lastwechsel vermieden werden. Die verschiedenen Betriebsparameter können auch gemein sam, jeweils mit einem bestimmten Gewicht behaftet, in die Steuerung eingehen.

Die Realisierung der verschiedenen Steuerungsmög lichkeiten erfordert keinen nennenswerten Aufwand. Insbesondere ist weder ein zusätzlicher Bauraum für voluminöse zusätzliche Teile des Antriebs erforder lich, noch muß eine Gewichtszunahme in Kauf genom men werden. Im Stadtverkehr sowie im sogenannten "Stop-and-go"-Verkehr ist eine umweltschonende Fahrweise möglich, wobei auf langen Strecken den noch ein Fahrverhalten erzielt werden kann, welches demjenigen herkömmlicher Fahrzeuge mit Verbren nungsmotor nicht nachsteht.

Claims

1. Nicht-spurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad (14, 18) für den Antrieb mit einem Elektromotor (12, 16) gekoppelt ist, welcher über einen elektronischen Energieverteiler (8) nach Maßgabe von seitens einer Steuereinheit (20) erzeugten und von einem Fahrsignal abhängigen Steuersignalen mit Strom gespeist wird, der von einem an einen Verbrennungsmotor (4) gekoppelten Generator (6) geliefert wird, wobei ein Energiespeicher (22) vorgesehen ist, in den und aus dem über den Energieverteiler (8) Energie einspeicherbar bzw. abrufbar ist, wobei ferner dem Energiespeicher (22) ein Zustandssensor (24) zugeordnet ist, der den Ladezustand des Energiespeichers (22) erfaßt, und die Steuereinheit (20) anhand des Fahrsignals den Leistungsbedarf des Elektromotors (12, 16) ermittelt, und wobei die gesamte Antriebsenergie in elektrischer Form zur Verfügung gestellt wird, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- Für das Einspeisen von Strom in den Elektromotor (12, 16) über den Energieverteiler (8) steuert die Steuereinheit (20) die Entnahme von Energie aus dem Generator (6) und/oder dem Energiespeicher (22) nach Maßgabe vorbestimmter, den Verbrennungsmotor betreffender Randbedingungen;
- die Randbedingungen sind definiert durch Teilbereiche (A, B, C) eines Kennlinienfeldes für den Betrieb des Verbrennungsmotors (4);
- die Steuereinheit (20) stellt abhängig von dem Leistungsbedarf des Elektromotors (12, 16) und dem Ladezustand des Energiespeichers (22) den Betrieb der aus Verbrennungsmotor (4) und Generator (6) bestehenden Einheit (2) auf einen der Teilbereiche ein;
- ein mittlerer Teilbereich (A) umfaßt einen bezüglich mindestens eines Parameters optimalen Betriebszustand (be_min), insbesondere einen minimalen Kraftstoffverbrauch bei gegebener Motorleistung, und der Betrieb der aus Verbrennungsmotor (4) und Generator (6) bestehenden Einheit (2) wird innerhalb des mittleren Teilbereichs (A) gehalten, solange die Leistungsanforderung seitens des Elektromotors (12, 16) in vorgegebenen Grenzen bleibt, während der Elektromotor (12, 16) von dem Generator (6) gespeist wird und gegebenenfalls überschüssige Energie in den Energiespeicher (22) geleitet wird; und
- die vorgegebenen Grenzen sind in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers (22) variierbar.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als Akkumulator (22) ausgebildet ist.

3. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Randbedingungen gleichzeitig und mit definierten Gewichtungen berücksichtigt sind.

4. Fahrzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen oberen, vom mittleren Teilbereich (A) verschiedenen Teilbereich (B) des Kennlinienfeldes, welcher einem Leistungsbedarf des Elektromotors (12, 16) entspricht, der höher ist als die im optimalen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (4) erzeugte Leistung, wobei eine der folgenden Varianten für die Steuerung der Stromeinspeisung in den Elektromotor (12, 16) ausgewählt wird:

- Bei optimalem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (4) wird die Differenz zwischen der Leistung des Verbrennungsmotors (4) und dem aktuellen Leistungsbedarf konstant aus dem Energiespeicher (22) gedeckt;
- die Drehzahl des Verbrennungsmotors (4) wird erhöht, bis der Verbrennungsmotor (4) den aktuellen Leistungsbedarf deckt, und in der Zwischenzeit erfolgt eine Leistungsergänzung seitens des Energiespeichers (22);
- bei maximalem Leistungsbedarf erfolgt bei maximaler Leistung des Verbrennungsmotors (4) eine zusätzliche Energieentnahme aus dem Energiespeicher (22); oder
- die gesamte Energie wird aus dem Energiespeicher (22) entnommen.

5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Leistungsbedarf des Elektromotors (12, 16) im Mittel niedriger ist als die von dem Verbrennungsmotor (4) bei optimalem Betriebszustand abgegebene Leistung, der Energiespeicher (22) aufgeladen wird, oder falls ein vorgegebener Ladezustand überschritten ist, der Verbrennungsmotor (4) vorübergehend abgeschaltet wird, so daß er intermittierend im optimalen Betriebszustand arbeitet.

6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom dann direkt von dem Generator (6) über den Energieveneiler (8) an den Elektromotor (12, 16) geliefert wird, wenn der Wirkungsgrad der aus Verbrennungsmotor (4) und Generator (6) bestehenden Einheit (2) größer ist als der Speicherwirkungsgrad.

7. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erweitern der vorgegebenen Grenzen für die Leistungsanforderung des Elektromotors (12, 16) nur unter der Bedingung erfolgt, daß der Wirkungsgrad (ηVGE) der Verbrennungsmotorgenerator-Einheit (VGE) größer ist als der Speicherwirkungsgrad (ηAkku): ηVGE ηAkkumit
ηAkku = E_aus/E_ein
ηVGE = ηVerbr.-Mot. · ηGen;
E_aus = vom Speicher an den Elektromotor abgegebene Energie;
E_ein = in den Speicher geladene Energie + für den Speichervorgang aufzubringende Energie + zum Entladen des Speichers auszubringende Energie.

8. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer Teilbereich (C) unterhalb des mittleren Teilbereichs (A) vorgesehen ist, wobei beim Betrieb in diesem unteren Teilbereich (C) der Elektromotor ausschließlich aus dem Energiespeicher (22) gespeichert wird, soweit im Energiespeicher (22) ausreichend Energie verfügbar ist.