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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor
und einer Energiequelle, mit einer elektronischen Motorsteuereinheit
und einem Getriebe mit Schaltstufen zur Kraftübertragung vom Elektromotor
auf Antriebsräder
des Kraftfahrzeuges.
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Neben
Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren finden Kraftfahrzeuge mit
einem oder mehreren Elektromotoren als Antrieb eine größer werdende
Verbreitung. Diese Kraftfahrzeuge sind insbesondere auf Kurzstrecken
und im Stadtverkehr ökonomischer
im Betrieb und gegenüber
Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren belasten sie die Umwelt
nur in sehr viel kleinerem Umfang.
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Die
Elektromotoren, z. B. Gleichstrommotoren oder Asynchronmotoren,
werden von einer Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt,
wobei der von der Energiequelle abgegebene Gleichstrom auch mit geeigneten
Mitteln in Wechsel- oder Drehstrom umgewandelt werden kann. Zur
Steuerung des Elektromotors dient eine elektronische Motorsteuereinheit,
die z. B. die von der Energiequelle an den Elektromotor abgegebene
Stromstärke
in Abhängigkeit
von der Stellung eines Gaspedals, das vom Nutzer des Kraftfahrzeuges
mit Elektromotor gedrückt
wird, regelt. In der Motorsteuereinheit können auch alle anderen Steu er-
und Regelfunktionen, wie sie von herkömmlichen Kraftfahrzeugen mit
Verbrennungsmotoren bekannt sind, zusammengefasst sein.
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Beim
Bergabfahren und/oder beim Bremsen kann ein Elektromotor zur Energierückgewinnung
als Generator verwendet werden, wobei die erzeugte Energie in der
Energiequelle gespeichert wird. Der Betrieb als Generator wird ebenfalls
von der Motorsteuereinheit gesteuert.
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Zur
Kraftübertragung
vom Elektromotor auf die Antriebsräder des Kraftfahrzeuges dient
ein an sich bekanntes mechanisches Getriebe, das entweder von Hand
geschaltet wird oder ein automatisches Getriebe ist. Mit mehreren
Schaltstufen für
Vor- und Rückwärtsfahrt
und Leerlauf bzw. mit einer stufenlosen Kraftübertragung kann die an die
Antriebsräder übertragene
Motorleistung an die Erfordernisse angepasst werden. Mit dem Getriebe
können
bei großer Übersetzung,
z. B. im vierten oder fünften
Gang, hohe Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges bei geringeren
Drehzahlen des Motors erreicht werden oder eine geringere Geschwindigkeit
mit hohem Drehmoment, z. B. zum Anfahren im ersten Gang. Dabei steht
im ersten Gang bei voll gedrücktem
Gaspedal zwar die volle Leistung des Motors des Kraftfahrzeuges
hinsichtlich dessen Drehzahl und Drehmoment zur Verfügung, aufgrund
der Übersetzung
des Getriebes kann das Kraftfahrzeug aber nur z. B. 20% seiner Fahrleistung
bzw. seiner Höchstgeschwindigkeit
erreichen. Im fünften
Gang hingegen kann das Kraftfahrzeug bei voll gedrücktem Gaspedal
seine höchste
Fahrleistung erreichen entsprechend der maximalen Drehzahl und des
maximalen Drehmoments des Motors. Das bedeutet, dass im ersten Gang
der volle Hub des Gaspedals zur Regelung von z. B. nur 20% der Fahrzeuggeschwindigkeit
dient und dementsprechend beim Einparken oder Anfahren die Motorleistung,
d. h. das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment, feinfühlig vom Getriebe
auf die Antriebsräder
des Kraftfahrzeuges übertragen
wird. Im fünften
Gang hingegen kann das Kraftfahrzeug sehr schnell gefahren werden.
Mit den anderen Gängen
sind jeweils entsprechende Bereiche der Motordrehzahl abrufbar bzw.
mit dem Gaspedal regelbar.
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Es
sind Kraftfahrzeuge mit Elektromotor bekannt, z. B. die neuesten
Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb, bei denen auf ein Getriebe
vollständig
verzichtet wird und der oder die Elektromotoren unmittelbar die
Antriebsräder
des Kraftfahrzeuges antreiben, da der Elektromotor alle Betriebsbereiche
des Kraftfahrzeuges abdecken kann. Dies hat aber den Nachteil, dass
mit dem vorhandenen Pedalweg des Gaspedals sowohl das feinfühlige Gasgeben
beim Einparken als auch das volle Gasgeben bei Höchstgeschwindigkeit geleistet werden
muss. Dadurch ist besonders bei langsamer Fahrt die Gefahr gegeben,
dass das Kraftfahrzeug mit Elektromotor durch unbeabsichtigtes Drücken des
Gaspedals zu stark, beispielsweise bis zu seiner Höchstgeschwindigkeit,
beschleunigt und andere Verkehrsteilnehmer gefährdet werden.
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Aus
der
DE 42 43 394 A1 ist
eine Steuerungseinrichtung und ein Steuerungsverfahren für Fahrzeuge mit
einem Elektromotor bekannt. Dabei wird eine Soll-Geschwindigkeit des Fahrzeugs dadurch
eingehalten, dass der Elektromotor von einer Leistungsschaltung
bis auf eine Solldrehzahl gesteuert und eine schaltbare mechanische Übersetzungseinheit
in einem gewünschten Übersetzungsverhältnis betrieben
wird.
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Die
DE 199 32 118 C1 offenbart
einen elektrischen Mehrfachmotorenantrieb für ein Kraftfahrzeug mit zwei
Elektromotoren, die einem zweistufigen mechanischen Getriebe zugeordnet
sind. Mit einer automatischen Steuerung wird die Lastverteilung
zwischen den Motoren und das Getriebe gesteuert, um einen optimalen
Wirkungsgrad zu gewährleisten.
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Als
nachteilig hat sich im Stand der Technik erwiesen, dass die bekannten
mechanischen Getriebe zur Kraftübertragung
vom Elektromotor auf die Antriebsräder des Kraftfahrzeuges stets
eine erhebliche innere Reibung aufweisen, die zu unerwünschten
Energieverlusten führen.
Des Weiteren sind sie teuer und wartungsintensiv, was bei Kraftfahrzeugen
mit Elektromotor ebenfalls nicht gewünscht ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die an sich bekannten
Schaltfunktionen eines Getriebes vorhanden sind und das Getriebe gleichzeitig
aber keine Wartung oder weitere Investitionen notwendig macht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass das Getriebe als virtuelles Getriebe in der elektronischen
Motorsteuereinheit implementiert ist.
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Der
Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass das die Funktion des
bisherigen mechanischen Getriebes in die bereits vorhandene Motorsteuereinheit
integriert ist. Das bedeutet, dass je nach gewählter oder automatisch eingelegter
Schaltstufe eine Kraftübertragung
entsprechend einem bekannten mechanischen Getriebe vom Elektromotor
auf die Antriebsräder
erfolgt. Dabei ist das virtuelle Getriebe nicht wie bisher dem Elektromotor
nachgeschaltet sondern diesem vorgeschaltet. D. h., dass das Getriebe
bereits die über
die Motorsteuereinheit dem Elektromotor von der Energiequelle zugeführte Stromstärke nach
Getriebestufen abgestuft steuert. So wird im ersten Gang z. B. nur
20% der höchstmöglichen
Motordrehzahl, die im Verhältnis zu
der Fahrzeuggeschwindigkeit steht, auf die Antriebsräder übertragen,
obwohl das Gaspedal voll gedrückt ist,
im zweiten Gang 40% und im fünften
Gang 100%. Somit ist im ersten Gang ein feinfühliges Dosieren der vollen
Motorleistung mit dem gesamten Pedalweg des Gaspedals möglich, da
z. B. lediglich 20% der theoretisch möglichen Fahrzeuggeschwindigkeit
mit dem ersten Gang erreichbar sind. Im fünften Gang hingegen wird die
ganze Motorleistung bzw. Motordrehzahl an die Antriebsräder übertragen
und die volle Fahrzeugleistung oder seine maximale Höchstgeschwindigkeit
ist abrufbar.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Kraftfahrzeug mit Elektromotor
ein den heute bekannten Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren
entsprechendes Fahrverhalten aufweist bzw. in gleicher Weise gesteuert
wird. Dementsprechend ist eine Umgewöhnung auf diesen Fahrzeugtyp
nicht notwendig und die Akzeptanz durch den Nutzer erhöht. Das
in der Motorsteuereinheit integrierte virtuelle Getriebe macht die
bisher bekannten mechanischen Getriebe überflüssig. Dementsprechend ist das
Fahrzeuggewicht verringert und das virtuelle Getriebe ist verschleißfrei. Die
Kosten des virtuellen Getriebes gegenüber einem herkömmlichen
Getriebe sind deutlich geringer, da es in der Motorsteuereinheit
integriert ist. Selbstverständlich
ist es auch im Sinne der Erfindung den Gradienten der Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechend zu begrenzen.
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Vorzugsweise
sind die verschiedenen Schaltstufen des Getriebes mit einem Schalthebel
steuerbar. Dies können
fünf Vorwärts-, ein
Rückwärtsgang
und der Leerlauf sein und zwar entsprechend bekannten mechanischen
Schaltgetrieben. Bei der Schaltstufe Leerlauf wird keine Motorleistung
erzeugt bzw. an die Antriebsräder übertragen,
auch wenn das Gaspedal gedrückt
ist. Es versteht sich, dass die an die Antriebsräder übertragene Motordrehzahl bei
der Schaltstufe Rückwartsfahrt
begrenzt ist, um zu verhindern, dass das Kraftfahrzeug zu schnell
rückwärts fährt und
eine verkehrsgefährdende
Situation entsteht. Es ist auch möglich, dass eine Schaltung
wie bei bekannten Automatikgetrieben erfolgt. Somit ist das Fahrverhalten
oder die Art der Steuerung an bekannte Kraftfahrzeuge angenähert und
der Nutzer muss sich nicht umstellen.
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Zweckmäßigerweise
beaufschlagt das Getriebe einen Ist-Wert des Gaspedals mit der gewählten Schaltstufe
des Getriebes, um derart die volle Motordrehzahl geregelt entsprechend
der Schaltstufe an die Antriebsräder
zu übertragen.
Das bedeutet, dass z. B. im dritten Gang und halb durchgedrücktem Gaspedal
die volle theoretische Motordrehzahl mit einem Faktor 0,6 entsprechend
dem dritten Gang multipliziert wird, um die im dritten Gang maximal
zur Verfügung
stehende Motordrehzahl zu erhalten. Dabei wird die Motorsteuereinheit
vom virtuellen Getriebe derart gesteuert, dass bei halb gedrücktem Gaspedal
nur die Hälfte
der in diesem Gang zur Verfügung
stehenden maximalen Motordrehzahl von dem Elektromotor erzeugt und
an die Antriebsräder
als Fahrleistung abgegeben wird, in diesem Fall 30% der maximalen
Motordrehzahl. Dazu wird dem Elektromotor von der Motorsteuerung
nur die entsprechende Leistung der Energiequelle zugeführt. Diese Beaufschlagung
der Motorleistung mit der gewählten
Schaltstufe wird von dem in der Motorsteuereinheit implementierten
Getriebe ausgeführt.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Getriebe durch Hard- und/oder
Software in der elektronischen Motorsteuereinheit implementiert.
Das bedeutet, dass in dem vorhandenen Softwareprogramm ein zusätzlicher
Programmteil enthalten ist, der die gewünschten Funktionen ausführt, also
die Motorleistung regelt. Das Getriebe kann auch als Hardware implementiert
sein, z. B. als fest verdrahtete integrierte Schaltung, die die
gewünschten
Funktionen ausführt.
Beide Lösungen
sind jede für
sich oder beide gemeinsam realisierbar.
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Vorzugsweise
sind verschiedene Parameter des Getriebes veränderbar einstellbar. Somit
kann das Getriebe an die individuellen Bedürfnisse eines Nutzers ohne
Einbau eines neuen mechanischen Getriebes angepasst werden.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Übersetzungsverhältnisse
des Getriebes veränderbar
einstellbar. Somit kann z. B. für
eine Geländefahrt
ein fein abgestuftes Getriebe mit vielen kleinen Übersetzungen
erhalten werden oder die Getriebecharakteristik ist an unterschiedliche
Anhängelasten
an das Kraftfahrzeug anpassbar. Somit kann ein Kraftfahrzeug mit
Elektromotor für
unterschiedliche Anforderungen ausgelegt werden. Die Veränderung
der Parameter kann mit entsprechender Software und Eingaben über einen Bordcomputer
durchgeführt
werden.
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Bevorzugt
sind verschiedene Betriebsarten des Getriebes einstellbar, insbesondere "ökonomisch" und "sportlich". Im ökonomischen Betrieb erfolgt
in bekannter Weise ein frühes
Hochschalten in die nächste
Fahrstufe, um möglichst
energiesparend zu fahren. In der sportlichen Betriebsart hingegen
werden die Gänge
bis zur jeweils maximal zulässigen
Drehzahl ausgefahren, um hohe Beschleunigungen zu ermöglichen.
Auch eine Abstimmung auf winterliche Straßenverhältnisse ist möglich. Somit
ist eine Anpassung des Getriebes an verschiedene Fahrweisen und
Verkehrsverhältnisse
möglich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Energiequelle ein an sich bekannter wideraufladbarer Ak kumulator,
der vorzugsweise am haushaltsüblichen
Stromnetz aufgeladen werden kann. Alternativ oder zusätzlich dient
eine Brennstoffzelle als Energiequelle für den Elektromotor.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern
auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Kraftfahrzeug-Antriebs
und
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2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Antriebs
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Aus
der Darstellung in 1 ist der bekannte Antrieb für ein Kraftfahrzeug
mit einem Elektromotor 4 ersichtlich. Der von einer Energiequelle 3,
z. B. einer Brennstoffzelle und/oder einem Akkumulator, abgegebene
Strom wird in Abhängigkeit
der Stellung eines Gaspedals 1 an den Elektromotor 4 geleitet.
Zur Steuerung der Stromstärke
und weiterer Funktionen dient eine Motorsteuereinheit 2 in
an sich bekannter Weise. Zur Übertragung
der Motorleistung vom Elektromotor 4 an die Antriebsräder 6 des
Kraftfahrzeuges dient ein mechanisches Getriebe 5 mit z.
B. fünf
Vorwärts-,
einem Rückwärtsgang
und einem Leerlauf, das von einem Schalthebel 8 geschaltet
wird. Somit ist die volle Motorleistung entsprechend den Erfordernissen
an die Antriebsräder 6 übertragbar.
Dies kann beispielhaft derart erfolgen, dass im ersten Gang die
volle Motorleistung bei voll gedrücktem Gaspedal vom Getriebe 5 übertragen
wird, damit nur 20% der möglichen
Höchstgeschwindigkeit
an den Antriebsrädern 6 erzielt
werden kann und das Kraftfahrzeug nur 20% seiner möglichen
Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht. Im vierten Gang wird die Motorleistung
derart übertragen,
dass 80% der Höchstgeschwindigkeit
erreicht werden kann. Dies wird mit Zahnrädern unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse
in an sich bekannter Weise durchgeführt.
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Bei
dem Kraftfahrzeug-Antrieb nach 2 ist ein
virtuelles Getriebe 7 in der Motorsteuereinheit 2 implementiert
bzw. hard- und/oder softwaremäßig in diese
integriert. Wird mit einem Schalthebel 8 eine andere Fahrstufe
gewählt,
so wird die Motorsteuereinheit 2 vom Getriebe 7 derart
angesteuert, dass nur noch die einem realen Getriebe in dieser Schaltstufe
entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Elektromotor 4 erzeugt
und an die Antriebsräder 6 übertragen
wird. Das bedeutet, dass das Getriebe 7 dem Elektromotor 4 vorgeschaltet
und nicht wie im Stand der Technik dem Elektromotor 4 nachgeschaltet
ist. Dabei umfasst das Getriebe 7 keine mechanischen Komponenten
sondern regelt im Wesentlichen nur die dem Elektromotor 4 zugeführte Stromstärke, um
derart dessen Leistung entsprechend einem mechanischen Getriebe 5 zu
steuern.
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Die
Ausgestaltung eines Algorithmus zur Steuerung der vom Elektromotor
4 erzeugten
Motorleistung, die an die Antriebsräder
6 übertragen
wird und dementsprechend die jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit darstellt,
kann der nachfolgenden Tabelle entnommen werden.
Dabei
bedeuten die Abkürzungen:
- M
- = Motorleistung (Drehzahl·Drehmoment
des E-Motors 4)
- P
- = Pedalstellung (nicht
gedrückt
bis voll gedrückt)
- F
- = Fahrzustand (Stillstand
bis Höchstgeschwindigkeit)
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Aus
der Tabelle ist ersichtlich, dass bei jedem Gang die theoretisch
vorhandene volle Motorleistung von 100 mit einem voll gedrückten Gaspedal 1 abrufbar
ist. Die theoretische Motordrehzahl wird von dem in der Motorsteuereinheit 2 implementierten
Getriebe 7 mit einem Umrechnungsfaktor entsprechend der
gewählten
Schaltstufe beaufschlagt, so dass vom Elektromotor 4 nur
die gewünschte
Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugt und an die Antriebsräder 6 übertragen
wird. Somit ist z. B. im ersten Gang nur ein fünftel der maximalen Höchstgeschwindigkeit
erreichbar und das Kraftfahrzeug kann vorsichtig eingeparkt werden,
ohne dass ein volles Durchtreten des Gaspedals 1 zu einer übermäßigen Geschwindigkeit
führt.
Im fünften
Gang hingegen ist das Erreichen der Höchstgeschwindigkeit möglich. Im
Leerlauf bewirkt das Getriebe 7, dass der Elektromotor 4 auch
bei gedrücktem
Gaspedal 1 keine Leistung erzeugt. Im Rückwärtsgang steht ebenfalls ein
Fünftel der
maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung.
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Es
versteht sich, dass auch andere Übersetzungsverhältnisse
von der Motorleistung zur Fahrzeuggeschwindigkeit gewählt werden
können,
die auch veränderbar
einstellbar sein können
entsprechend den Anforderungen des Nutzers des Kraftfahrzeuges mit
Elektromotor 4. Die Hinterlegung des Algorithmus in dem
virtuellen Getriebe 7 in der elektronischen Motorsteuereinheit 2 kann
hardware- und/oder
softwaremäßig in an sich
bekannter Weise erfolgen.
-
- 1
- Gaspedal
- 2
- Motorsteuerelektronik
- 3
- Energiequelle
- 4
- Elektromotor
- 5
- mechanisches
Getriebe
- 6
- Antriebsrad
- 7
- virtuelles
Getriebe
- 8
- Schalthebel
