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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für gezogene Fahrzeuge, insbesondere für Anhänger eines Landkraftfahrzeuges, insbesondere für Anhänger eines als Zugmaschine ausgebildetes Lastkraftfahrzeug, ein gezogenes Fahrzeug mit einer solchen Antriebsvorrichtung und ein Zuggespann mit einem solchen gezogenen Fahrzeug
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Ein Landfahrzeug bewegt sich statistisch genauso oft in Bergfahrt wie in Talfahrt. Die mittlere Höhendifferenz ist demnach statisch gesehen gleich Null Meter. Bei einem Zuggespann aus Zugmaschine und Anhänger wird zumindest bei dem Anhänger bei Talfahrten die Gravitations- beziehungsweise Bewegungsenergie in Form von negativer Beschleunigungs- beziehungsweise Bremsenergie in Retardern, Motor- oder Reibungsbremsen ungenutzt in thermische umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Für den Fahrbetrieb muss hingegen Beschleunigungsenergie aufgewendet werden; insbesondere bei Steigungen ist die Gravitationsbeschleunigung zusätzlich zu überwinden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung für gezogene Fahrzeuge, ein gezogenes Fahrzeug und ein Zuggespann zur Verfügung zu stellen, mit dem ein ökologisch und ökonomisch sinnvolles Betreiben des gezogenen Fahrzeuges beziehungsweise des Zuggespanns aus Zugmaschine und gezogenem Fahrzeug möglich ist.
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Hinsichtlich der Antriebsvorrichtung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Hinsichtlich des gezogenen Fahrzeugs wird diese Aufgabe gelöst durch ein gezogenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und hinsichtlich des Zuggespanns durch ein Zuggespann mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für gezogene Fahrzeuge, insbesondere für Anhänger eines Landkraftfahrzeuges, insbesondere für Anhänger eines als Zugmaschine ausgebildetes Lastkraftfahrzeug, mit wenigstens einem Elektromotor, mit wenigstens einer mit dem Elektromotor elektrisch und/oder elektronisch verbundenen Batterie, mit wenigstens einem Antriebsstrang zum Antreiben wenigstens einer Achse eines gezogenen Fahrzeugs, wobei der wenigstens eine Elektromotor als Motor Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler ausgebildet ist, durch den die Batterie mit elektrischer Energie gespeist werden kann, wenn der Motor-Generator-Umrichter im Generatorbetrieb arbeitet, ist eine ökonomisch und ökologisch höchst effizientes Antriebsvorrichtung für gezogene Fahrzeuge gegeben. Befindet sich ein mit einer erfindungsgemäßen ausgestattetes gezogenes Fahrzeug auf Talfahrt, muss es, um nicht andauernd durch die Gravitationsbeschleunigung weiter beschleunigt zu werden, von Zeit zu Zeit abgebremst werden, um die Talfahrt sicher und mit angemessener Geschwindigkeit zu beenden. Während bei herkömmlichen gezogenen Fahrzeugen die Gravitations- beziehungsweise Bewegungsenergie bei Talfahrten in Form von negativer Beschleunigungs- beziehungsweise Bremsenergie in Retardern, Motor- oder Reibungsbremsen ungenutzt in thermische Energie umgewandelt und an die Umgebung abgegeben wird, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eine Umwandlung dieser Energie in elektrische Energie, die in der Batterie gespeichert werden kann. Erreicht wird dies dadurch, dass man den Elektromotor als Generator betreibt. Durch die mechanische Leistungsaufnahme wird dabei der Bremseffekt erzielt. Im Gegensatz zur reinen Widerstandsbremse geht die aus der Bewegungsenergie beziehungsweise Lageenergie der bewegten Masse des gezogenen Fahrzeugs zurück gewonnene elektrische Energie hier nicht vollständig ungenutzt verloren.
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Die bei den Talfahrten gewonnene und in der wenigstens einen Batterie gespeicherte Energie kann zudem bei Bergfahrten genutzt werden, um das gezogene Fahrzeug mit Hilfe des erfindungsgemäßem Antriebes zusätzlich zum Antrieb durch die Zugmaschine anzutreiben. Der Antrieb der Zugmaschine wird dadurch entlastet und die Zugmaschine hat dadurch einen deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch, wodurch auch die Schadstoffemission reduziert und eine deutlich bessere Umweltbilanz erreicht wird.
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Dabei ist zwischen dem wenigstens einen Motor-Generator-Umrichter und der wenigstens einen Batterie ein Stromrichter angeordnet. Durch diesen Stromrichter kann der bei Talfahrten durch den als Generator arbeitenden Motor-Generator-Umrichter erzeugte Wechselstrom gleichgerichtet und als Gleichstrom in der Batterie gespeichert werden. In der anderen Richtung kann der Gleichstrom der Batterie durch den Stromrichter in Wechselstrom gewandelt werden, so dass der Motor-Generator-Umrichter als mit Wechselstrom arbeitender Elektromotor betrieben und somit die wenigstens eine Achse des gezogenen Fahrzeuges über den Antriebsstrang angetrieben werden kann.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass für jede Halbachse der wenigstens einen Achse des gezogenen Fahrzeugs ein separater Stromrichter vorgesehen ist. Dadurch können die einzelnen Halbachsen separat und unabhängig voneinander abgebremst und angetrieben werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn wenigstens ein Drehratensensor vorgesehen ist, wobei dieser vorzugsweise als Gierratensensor und/oder als Nickratensensor und/oder als Rollratensensor ausgebildet ist. Solche Drehratensensoren messen die Winkelgeschwindigkeit eines Körpers, im vorliegenden Fall des gezogenen Fahrzeuges. Durch Integration lässt sich daraus ableiten, um welchen Winkel sich der Körper innerhalb einer bestimmten Zeit gedreht hat. Die Drehraten um die drei Raumachsen bezeichnet man meist als Gierrate, Drehung um Hochachse, Nickrate, Drehung um Querachse und Rollrate, Drehung um Längsachse. In selbst angetriebenen Fahrzeugen werden für Fahrstabilitätssysteme die Gierrate oder für Roll-Over-Detektion die Drehraten aller Drehachsen üblicherweise mit Drehratensensoren gemessen. Wird ein solcher Drehratensensor in einem gezogenen Fahrzeug ohne eine erfindungsgemäßen Antriebvorrichtung eingesetzt, können mittels der Steuerelektronik der Zugmaschine einzelne Räder beziehungsweise Halbachsen des gezogenen Fahrzeuges separat abgebremst werden. Damit wird eine Fahrdynamikregelung des gezogenen Fahrzeuges realisiert, welche durch gezieltes Bremsen einzelner Räder versucht, ein Schleudern beziehungsweise Schlingern und ein Kippen des gezogenen Fahrzeugs im Grenzbereich zu verhindern und dem Fahrer der Zugmaschine so die Kontrolle über das gezogene Fahrzeug und die Zugmaschine zu sichern. Allerdings sind solche Fahrdynamikregelungen immer von der Steuerung der Zugmaschine abhängig. Mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und dem wenigstens einen Drehratensensor kann nun eine von der Steuerung der Zugmaschine unabhängige Fahrdynamikregelung für das gezogene Fahrzeug realisiert werden. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn Drehratensensoren für die Quer-, Längs- und Hochachse vorgesehen sind, da dann Bewegungen des gezogenen Fahrzeuges um dies drei Achsen festgestellt werden können und somit mittels einer Steuerung einzelne Räder beziehungsweise Halbachsen des gezogenen Fahrzeuges unabhängig von einer Steuerung der Zugmaschine abgebremst werden können. Mittels der Erfindung ist es allerdings nicht nur möglich, einzelne Räder beziehungsweise Halbachsen unabhängig von anderen Rädern beziehungsweise Halbachsen abzubremsen. Vielmehr ist durch den Elektromotor auch ein separates Antreiben einzelner Räder oder Halbachsen des gezogenen Fahrzeuges möglich. Insofern ist durch die Erfindung auch eine nochmals verbesserte Fahrdynamikregelung geschaffen, da im Gefahrenfall nicht nur ein Abbremsen sondern auch ein Antreiben beziehungsweise Beschleunigen der einzelnen Räder beziehungsweise Halbachsen des gezogen Fahrzeuges möglich ist. Dadurch ist die Gefahr eines Schleudern beziehungsweise Schlingern und des Kippens des gezogenen Fahrzeuges nochmals reduziert, da eine Korrektur sowohl durch Abbremsen als auch Beschleunigen einzelner Räder erfolgen kann.
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Dabei hat es sich bewährt, eine Steuereinheit mit wenigstens einem Mikroprozessor vorzusehen. Durch eine solche Steuereinheit wird es nicht nur ermöglicht, die Fahrdynamikregelung für das gezogene Fahrzeug zu steuern. Vielmehr können dadurch auch eine Vielzahl anderer Funktionen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gesteuert werden, wie beispielsweise ein Batteriemanagementsystem für die Batterie, der Elektromotor beziehungsweise der Motor-Generator-Umrichter, eine Kühlereinheit, gegebenenfalls über Schnittstellen Vorrichtungen von Fremdsystemen, wie beispielsweise Sperrdifferentiale der Achsen des gezogenen Fahrzeugs oder dergleichen.
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Nach einem anderen Gedanken der Erfindung ist wenigstens ein Beschleunigungssensor und optional wenigstens ein Gewichtssensor vorgesehen. Mit Hilfe des Gewichtssensors und/oder des Beschleunigungssensors kann die Steuereinheit beispielsweise anhand eines in einem Speicher abgelegten Programms berechnen, zu welchem Zeitpunkt es ökologisch und/oder ökonomisch sinnvoll den Elektromotor zum Antreiben beziehungsweise Beschleunigen der Räder des gezogenen Fahrzeuges zusätzlich zum Antrieb der Zugmaschine zu zuschalten.
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Um dies allerdings noch effizienter und vorausschauender durchführen zu können, ist ein GPS-Empfänger vorgesehen, der Positionsdaten an einen Navigationsrechner weitergibt. Damit kann in vorausschauender Weise im Zusammenspiel mit dem Batteriemanagementsystem und einer geplanten Route das Zuschalten des Elektroantriebs für das gezogene Fahrzeug noch effizienter gestaltet werden.
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Zur Temperierung des Gesamtsystems kann zum einen eine Kühlereinheit und zum anderen eine Heizeinheit vorgesehen sein.
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Die Antriebsvorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, in Form eines Plug and Play Betriebs an- und ausgeschaltet werden. Somit kann eine Zugmaschine das mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ausgestattete gezogene Fahrzeug mit und ohne aktivierter erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ziehen.
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Das erfindungsgemäße gezogene Fahrzeug, insbesondere für Anhänger eines Landkraftfahrzeuges, insbesondere für Anhänger eines als Zugmaschine ausgebildeten Lastkraftfahrzeug, weist eine zuvor beschriebene Antriebsvorrichtung auf.
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Das erfindungsgemäße Zuggespann besteht aus einem gezogenen mit einer zuvor beschriebenen Antriebsvorrichtung und einem als Zugmaschine ausgebildeten Lastkraftfahrzeug.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im Bereich einer Achse eines gezogenen Fahrzeugs,
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2: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im Bereich einer Achse eines gezogenen Fahrzeugs und
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3: ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im Bereich einer Achse 1 eines gezogenen Fahrzeugs schematisch dargestellt. Die Antriebsvorrichtung weist einen als Motor-Generator-Umrichter 6 ausgebildeten Elektromotor 2 auf, der mit einem Antriebsstrang 4 der Achse 1 verbunden ist und ist dazu ausgebildet Räder 15 der Achse 1 anzutreiben. Der Elektromotor 2 wird von einer Batterie 3 mit elektrischer Energie gespeist.
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Die Batterie 3 weist ein hier nicht dargestelltes Batteriemanagementsystem auf, mit Hilfe dessen der Betriebszustand der Batterie 3 überwacht und die Energieabgabe und -aufnahme gemanagt werden kann. Zwischen Batterie 3 und Motor-Generator-Umrichter 6 ist ein Stromrichter 7 angeordnet, mit dessen Hilfe der Gleichstrom der Batterie 3 in Wechselstrom für den Elektromotor 2 umgewandelt werden kann.
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Zur Steuerung der Antriebsvorrichtung ist eine Steuereinheit 14 vorgesehen, welche über Schnittstellen 16 mit allen wesentlichen Komponenten der Antriebsvorrichtung kommunikativ und/oder elektronisch verbunden ist. Die Steuereinheit 14 weist wenigstens einen Mikroprozessor 15 auf, mit dessen Hilfe Signale von verschiedenen Sensoren 8, 9, 10, 11 verarbeitet werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Drehratensensor 8 vorgesehen, der vorzugsweise als Gierratensensor ausgebildet ist, um eine Drehung des gezogenen Fahrzeugs um seine Hochachse festzustellen. Mit Hilfe dieses Gierratensensors 8 lässt sich die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des gezogenen Fahrzeugs um seine Hochachse und damit ein Schlingern des gezogenen Fahrzeuges feststellen. Ferner sind noch ein Beschleunigungssensor 9, eine Gewichtsensor 10 und ein GPS-Empfänger 11, der seine Signale an einen Navigationsrechner 12 weitergibt, in diesem Ausführungsbeispiel als Sensoren vorgesehen.
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Befindet sich das gezogene Fahrzeug auf einer Bergfahrt, kann mit Hilfe der Antriebsvorrichtung wenigstens eine Achse 1 des gezogenen Fahrzeuges angetrieben werden und somit der Antrieb der Zugmaschine entlastet werden. Mittels des Elektroantriebes 2 wird die in der Batterie 3 gespeicherte elektrische Energie in mechanische Energie und über den Antriebsstrang 4 in eine Drehbewegung der Räder 15 der Achse 1 umgewandelt.
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Befindet sich das gezogene Fahrzeug auf einer Talfahrt, können mit Hilfe der Antriebsvorrichtung durch verwenden des Motor-Generator-Umrichters 6 die Räder 15 der Achse 1 abgebremst werden, in dem der Motor-Generator-Umrichter 6 nunmehr als Generator betrieben wird und über den Antriebsstrang 4 mechanische Energie der Bewegung der Räder 15 in elektrische Energie umgewandelt wird. Durch die Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie werden die Räder 15 abgebremst und somit wird die Geschwindigkeit des gezogenen Fahrzeugs und damit des Zuggespanns beschränkt. Dadurch erfolgt auch eine Entlastung der Bremsanlage der Zugmaschine. Bevor die durch den nunmehr als Generator arbeitenden Motor-Generator-Umrichter 6 in Form von Wechselstrom erzeugte elektrische Energie in der Batterie gespeichert werden kann, wird sie durch den Stromrichter 7 in Gleichstrom gerichtet, so dass die Batterie 3 nunmehr diesen Gleichstrom speichern kann. Diese in der Batterie 3 während der Talfahrt gespeicherte elektrische Energie kann bei der nächsten Bergfahrt des Zuggespanns genutzt werden, um das gezogene Fahrzeug zusätzlich wie zuvor beschrieben anzutreiben und den Antrieb der Zugmaschine zu entlasten.
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In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im Bereich einer Achse 1 eines gezogenen Fahrzeugs schematisch dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Räder 15 jeder Halbachse 1', 1'' einen separaten Elektromotor 2 beziehungsweise Motor-Generator-Umrichter 6 sowie einen separaten Antriebsstrang 4 für die Räder aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine einzige Batterie 3 für beide Elektromotoren 2 beziehungsweise Motor-Generator-Umrichter 6 vorgesehen. Dabei ist aber jedem Elektromotoren 2 beziehungsweise Motor-Generator-Umrichter 6 ein eigener Stromrichter 7 zugeordnet, der je nach Betriebsart des Motor-Generator-Umrichters 6 als Elektromotor 2 oder Generator entweder Gleich- in Wechselstrom oder Wechsel- in Gleichstrom wandelt.
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Die Steuerung der Antriebsvorrichtung erfolgt auch hierbei über eine Steuereinheit 14, die identisch oder ähnlich zu der des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels ausgestaltet sein kann.
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Vorteilhafterweise werden hierbei aber wenigstens ein Gierratensensor und ein Rollratensensor als Drehsensoren 8 verwendet. Mit dem Gierratensensor lassen sich Schlinger- und Schleuderbewegungen um die Hochachse und mit Hilfe des Rollratensensors Kippbewegungen um die Längsachse des gezogenen Fahrzeuges feststellen.
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Durch diese Ausgestaltung mit zwei separaten Elektromotoren 2 beziehungsweise Motor-Generator-Umrichter 6 ist nicht nur eine energieeffizientes Fortbewegen des gezogen Fahrzeuges und das Feststellen eines Schleuderns beziehungsweise Schlingerns und Kippen des gezogen Fahrzeuges möglich. Vielmehr kann mit der Antriebsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels einem Schleudern beziehungsweise Schlingern und einem Kippen des gezogenen Fahrzeuges aktiv entgegengewirkt werden, ohne auf eine der Zugmaschine zugeordnete Steuerung zurückgreifen zu müssen.
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Wird durch die Steuereinheit 14 mit Hilfe des Gierratensensors eine Schlinger- beziehungsweise Schleuderbewegung und/oder mit Hilfe des Rollratensensors eine Kippbewegung des gezogenen Fahrzeuges festgestellt, kann dem nun durch die Steuereinheit 14 aktiv und autark ohne Eingreifen einer Steuerung der Zugmaschine selbsttätig und automatisch entgegengewirkt werden. Dazu werden die Räder 15 der Halbachsen 1', 1'' entsprechend den Vorgaben eines in einem Speicher der Steuereinheit 14 abgelegten Programms entweder abgebremst, indem der Motor-Generator-Umrichter 6 als Generator arbeitet, oder beschleunigt, indem der Motor-Generator-Umrichter 6 als Elektromotor 2 arbeitet. Dadurch kann den Schlinger- beziehungsweise Schleuderbewegungen und den Kippbewegungen des gezogenen Fahrzeuges entgegengewirkt werden und dafür Sorge getragen werden, dass das gezogene Fahrzeug die entsprechende Stabilität einhält.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist zur Steuerung der Antriebsvorrichtung die Steuereinheit 14 über Schnittstellen 16 mit allen wesentlichen Komponenten der Antriebsvorrichtung kommunikativ und/oder elektronisch verbunden.
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In 3 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes 15 für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung dargestellt. Sie unterteilt sich im Wesentlichen in drei verschiedene Einheiten 20, 21, 22. Die Einheit 20 ist für die Signalaufbereitung zuständig, während die Einheit 21 im Wesentlichen wenigstens einen Mikroprozessor 13 aufweist, der die Aufgabe der Signalverarbeitung übernimmt, und die Einheit 22 Endstufen 23 zur Ansteuerung verschiedenster Komponenten der Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise die Elektromotoren 2 beziehungsweise die Motor-Generator-Umrichter 6, das Batteriemanagementsystem, die Stromrichter 7 oder dergleichen, über Schnittstellen 16 aufweist.
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Die Einheit 20 weist dabei Signalaufbereitungsvorrichtungen 25, 26, 27 auf, mit Hilfe deren digitale, analoge und pulsförmige Signale 35, 36, 37 in für den Mikroprozessor 13 verarbeitbare Signale umgewandelt werden. Dazu ist für die analoge Signalaufbereitungsvorrichtung 26 ein Analog-Digital-Wandler 28 vorgesehen, damit der Mikroprozessor 12 auch analoge Signale bearbeiten kann.
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Der Mikroprozessor 2 weist ferner noch Schnittstellen 18 zum Anschluss an Fremdsysteme, wie beispielsweise eine in der Zugmaschine angeordnete Steuereinheit auf, so dass auch eine Kommunikation der Steuereinheit 15 des gezogenen Fahrzeuges mit der Steuereinheit der Zugmaschine möglich ist.
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Der Mikroprozessor weist neben einem Arbeitsspeicher 33 wenigstens zwei nicht flüchtige Speicher 31, 32 auf, die in Form von EPROMs und EEPROMs ausgebildet sein können, in denen beispielsweise Programme zur Ansteuerung der Elektromotoren 2 beziehungsweise der Motor-Generator-Umrichter 6 oder auch zur Abtastung der Sensoren 8, 9, 10 und 11 abgelegt sein können.
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Zu Diagnosezwecken und Fehlererkennungs- und Behebungszwecken ist zudem eine Diagnoseschnittstelle 30 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achse
- 1'
- Halbachse
- 1''
- Halbachse
- 2
- Elektromotor
- 3
- Batterie
- 4
- Antriebsstrang
- 6
- Motor-Generator-Umrichter
- 7
- Stromrichter
- 8
- Drehratensensor
- 9
- Beschleunigungssensor
- 10
- Gewichtssensor
- 11
- GPS-Empfänger
- 12
- Navigationsrechner
- 13
- Mikroprozessor
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Rad
- 16
- Schnittstelle
- 18
- Schnittstelle zu Fremdsystemen
- 20
- Signalaufbereitungseinheit
- 21
- Signalverarbeitungseinheit
- 22
- Ansteuerungseinheit
- 23
- Endstufen
- 25
- Signalaufbereitungsvorrichtung für digitale Signale
- 26
- Signalaufbereitungsvorrichtung für analoge Signale
- 27
- Signalaufbereitungsvorrichtung für pulsförmige Signale
- 28
- Analog-Digital-Wandler
- 30
- Diagnoseschnittstelle
- 35
- digitale Signale
- 36
- analoge Signale
- 37
- pulsförmige Signale