DE19700893C1

DE19700893C1 - Serieller Elektro-Hybrid-Antrieb mit kinetischem Speicher für umweltschonenden Betrieb von Kraftfahrzeugen, insbesondere Bussen, zugehöriges Betriebsverfahren und Anwendung des letzteren

Info

Publication number: DE19700893C1
Application number: DE19700893A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Gleissner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2017-01-15

Description

A) Stand der Technik

Insbesondere nach der Ölkrise entstand eine Vielzahl interessanter Ideen und Vorschläge mit dem Ziel, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Dieser Gesichtspunkt ist auch heute noch ein großes Anliegen, um die natürlichen Resourcen zu schonen. Daneben rückt das Thema Um weltschutz verstärkt in den Vordergrund sowie die Notwendigkeit, insbesondere in Ballungs räumen den Schadstoffausstoß zu minimieren. Es soll hier nicht näher auf den Pkw- Individualverkehr eingegangen werden, wenngleich auch auf diesen die Erfindung griundsätz lich anwendbar ist. Es seien zunächst und bevorzugt die sog. Massen-Verkehrsmittel im Stadt verkehr und in dessen Einzugsgebiet betrachtet.

Das ideale Verkehrsmittel aus umweltpolitischer Sicht stellen hier sicherlich elektrisch betriebe ne Fahrzeuge dar (U-Bahn, S-Bahn, O-Bus oder die immer wieder totgesagte Straßenbahn). Diese Verkehrsmittel erfordern einen hohen Investitionsaufwand und können daher nicht flä chendeckend eingesetzt werden, sondern müssen in Kombination mit dem sog. Regionalverkehr mittels Bus betrachtet werden. Zunächst würde sich hierzu der Elektrobus anbieten. Wegen der teueren und voluminösen Batterien konnten sich solche Ideen aber wirtschaftlich nicht realisie ren lassen. Hinzu kommt, daß die Lebensdauer von Batterien bei hoher Energieentnahme, z. B. für das Beschleunigen des Fahrzeugs, stark beeinträchtigt wird. Eine interessante Lösung in diesem Zusammenhang ist die Entwicklung eines kinetischen Speichers der Firma Magnet- Motor-Gesellschaft in Starnberg: Einsatz für O-Busse in Basel, um das Oberleitungsnetz von den hohen Beschleunigungsspitzen zu entlasten. Diese Speicher konnten sich jedoch bis heute nicht in größerem Umfang durchsetzen, da diese Aggregate sehr komplex und teuer sind.

Zur Minimierung des Schadstoffausstoßes im Stadtgebiet gibt es bereits Versuche, Busse mit Erdgas zu betreiben, beispielsweise in Augsburg und anderen Großstädten. Allerdings ist der Treibstoffverbrauch sehr hoch, da die Motoren im Stadtverkehr fast ausnahmslos mit Schwachlast betrieben werden. Deshalb liegt eine Kombination solcher Fahrzeuge mit einem kinetischen Speicher nahe. Ein praktisch schadstofffreier Betrieb ist selbstverständlich auch mit Wasserstoffgas möglich. Auch hierfür gibt es sporadische Beispiele (z. B. Nürnberg). Abge sehen von dem nicht ganz unproblematischen Umgang mit H₂ (Spezialtank) ist aber auch hier das Problem der Energierückgewinnung beim Bremsen ungelöst. Es erscheint im übrigen aus heutiger Sicht nicht sonderlich sinnvoll, die Wasserstoff-Verwendung flächendeckend zu pro pagieren, da ja zunächst einmal der Wasserstoff industriell erzeugt werden muß, was bei der Erzeugung aus Wasser den Einsatz großer Energiemengen erfordert (Gesetz der Erhaltung der Energie). Das als Vision angeführte Wasserstoffzeitalter ist (nach Meinung des Verfassers) in weite Ferne gerückt und erst dann absehbar, wenn Energie in Fülle und kostengünstig in Nukle aranlagen, z. B. auch solchen zur Kernverschmelzung, zur Verfügung stünde. Dagegen steht Erdgas weltweit in großen Mengen zur Verfügung und wartet, wie z. B. in West-Australien, auf zusätzliche Abnehmer. So fahren z. B. in Tokyo alle Taxis mit Naturgas aus Australien, wenn gleich auch dort mit dem Handicap des hohen Verbrauchs. Insofern zeigt sich, daß die Zeit reif ist für eine kombinierte Verwendung von Flüssiggas und kinetischer Energie. Allerdings gibt es bisher keine überzeugenden Konzepte, die sich wirtschaftlich durchsetzen konnten. Diese Überlegungen stellen den Ausgangspunkt zur vorliegenden Erfindung dar und definieren ihre Problemstellung.

B1) Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein serieller Hybridantrieb für energiesparenden und umweltscho nenden Betrieb von Kraftfahrzeugen, insbesondere Bussen, bei welchem ein hochtouriger Ge nerator von wenigstens einem Verbrennungsmotor antreibbar ist und die dabei erzeugte elektri sche Energie in ein Bordnetz einspeisbar ist, aus dem wenigstens ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs über ein steuerbare Leistungselektronik-Baugruppen umfassendes Fahrzeugre gelsystem mit der zum Starten, Anfahren, Beschleunigen, Fahren mit gleichförmiger Ge schwindigkeit, Bremsen ect. erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird, wobei als Ener giespeicher mindestens eine vom Bordnetz aufladbare oder in dieses einspeisende elektrische Batterie vorgesehen ist, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

B2) Aufgabenstellung und Lösung

Ausgehend von einem solchen Hybridantrieb, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem zu entwickeln, mit dem der Treibstoffverbrauch im Stadtverkehr auf minde stens ein Drittel des heute üblichen Bedarfes gesenkt und im Überlandverkehr etwa halbiert werden kann. Außerdem soll das Fahrzeug im Stadtverkehr praktisch schadstofffrei betrieben werden können. Ferner sollen Gewicht und Kosten des Antriebssystems - wenn überhaupt - nur unwesentlich über denen eines konventionellen Dieselantriebs liegen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die folgenden, im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst:

a) der elektrische Generator ist ein Drehstromsynchrongenerator,
b) der Antriebsmotor ist von der Bauart her ebenfalls eine Synchronmaschine, und zwar bevorzugt eine fremderregte mit großem Feldschwächebereich mit der Eigenschaft eines stufenlosen bzw. gespreizten Getriebes,
c) die zur Versorgung des Antriebsmotors dienende steuerbare Leistungselektronik- Baugruppe ist ein mit steuerbaren Thyristoren ausgerüsteter Direktumrichter, der als elektronischer Kommutator der Synchronmaschine des Antriebsmotors die Betriebsweise einer fremderregten Gleichstrommaschine verleiht,
d) ein Schwungrad ist mit der Welle des Generators gekuppelt und als kinetischer Energiespeicher so ausgelegt, daß es die für das Beschleunigen des Fahrzeugs erforderliche Arbeit abgibt bzw. umgekehrt die beim Verzögern anfallende Arbeit aufnimmt, mit der Folge, daß abhängig vom Fahrzustand des Fahrzeugs Schwungrad und Generator ihre maximale oder minimale Drehzahl oder Zwischenwerte davon annehmen und der Generator in das Bordnetz eine dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz und Amplitude einspeist, die vom Direktumrichter in eine dreiphasige Steuerspannung deutlich niedrigerer Frequenz f_m1 « f_G für den Antriebsmotor entsprechend einem vorzugebenden Stromsollwert i* des Antriebsmotors umsetzbar ist, wobei der Stromsollwert i* dem gewünschten bzw. durch ein Pedal einstellbaren Antriebs- oder Bremsmo ment des Antriebsmotors analog ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 17 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein vorteilhaftes Betriebsverfahren zur Steuerung eines se riellen Hybridantriebs nach den vorgenannten Ansprüchen 1 bis 17, wie es im Anspruch 18 und in weiterer Ausbildung in den Ansprüchen 19 bis 28 behandelt wird.

Des weiteren ist Gegenstand der Erfindung die Anwendung des Betriebsverfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche 18 bis 28 auf die Steuerung/Regelung von Elektrofahrzeugen aller Art bei Speisung aus einem bordeigenen Drehstromgenerator hoher Drehzahl bei Frequenzen von ca. 300 Hz bis zu Werten, die über 1000 Hz hinausgehen, wie es im Anspruch 29 erläutert ist. - Zu den mit der Erfindung erzielbaren Vorteilen sei auf die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwiesen.

C) Aufzählung der Figuren

Aufbau und Funktion eines Hybrid-Antriebs nach der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen; die in der Zeichnung dargestellt sind, noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Schema für den mechanischen und elektrischen Geamtaufbau eines Hybrid- Antriebs nach der Erfindung,

Fig. 2 den Schwungradumformer nach Fig. 1 im Detail, d. h. das Schwungrad mit Ge häuse und Lagerung in einem Axialschnitt,

Fig. 3 ein Betriebsdiagramm, in welchem die normierte Beschleunigung b_N (Ordinate) in Abhängigkeit vom normierten Stromsollwert i*_N für den An triebsmotor (Abszisse) mit der Fahrgeschwindigkeit v als Parameter aufge tragen ist, ferner ist auf einer parallel zur Abszisse von i*_N verlaufenden weite ren Abszisse der normierte Weg S_PN des "Gaspedals" korrespondierend zu i*_N von 0 bis 100% aufgetragen,

Fig. 4 ein Betriebsdiagramm, in welchem der Drehzahlsollwert n* des Schwungrades (Ordinate) in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit v (Abszisse) aufge tragen ist,

Fig. 5 ein Regelungsschema für den Hybrid-Antrieb nach Fig. 1 zur Erzeugung der Steuerimpulse für den den Antriebsmotor speisenden Direktumrichter und

Fig. 6 ein Schema des Fahrzeugmanagements für die einzelnen, der Lieferung oder Speicherung von Energie dienenden Baugruppen des Hybrid-Antriebs, wobei das Regelschema nach Fig. 5 durch das Kästchen "i-R" und dessen Wir kungslinie berücksichtigt ist.

D) Erläuterung von Ausführungsbeispielen

Die Konzeption nach der Erfindung wird im folgenden beispielhaft für ein Fahrzeug mit einem Gesamtgewicht von 15.000 kg und einer Spitzengeschwindigkeit von ca. 108 km/h beschrieben. Hierbei werden die Aggregate so bemessen, daß eine Beschleunigung von 0 auf 50 km/h in et wa 6,5 sec. erreicht wird. Ferner hat das Fahrzeug eine maximale Steigfähigkeit von ca. 25%. Das Antriebsschema geht aus Fig. 1 hervor. Der Hauptantrieb besteht aus einem Antriebsmotor M1 in Form eines fremderregten Synchronmotors, der mit den Antriebsrädern 1 über eine Ge lenkwelle 2 (Kardanwelle) und das Differential 3 der Hinterachse 4 mechanisch verbunden ist. Der Läufer oder das Polrad m12 des Antriebsmotors M1 wird mittels eines kleinen Stromrich ters, gespeist aus der Fahrzeugbatterie B, über Schleifringe fremderregt (aus Gründen der Übersichtlichkeit rächt dargestellt). Die Hinterachse 4 und die Gelenkwelle 2 sind vereinfacht dargestellt. Der Antriebsmotor M1 ist im Beispiel eine 4-polige, fremderregte Innenpolmaschi ne. Der Antriebsmotor M1 kann mit einer sog. Feldschwächung von 1 : 4 arbeiten. Das bedeu tet, daß das maximale Drehmoment des Antriebsmotors M1 bis etwa 25 km/h (etwa ein Viertel der maximalen Geschwindigkeit von 100 bzw. 108 km/h) zur Verfügung steht (Analogie zum 1. Gang eines konventionellen Schaltgetriebes). Bei Überschreiten dieser Geschwindigkeit setzt die Feldschwächung ein, wobei die Leistung konstant bleibt (im Sprachgebrauch eines Getrie bebauers also ein ideal gespreiztes Getriebe). Das Differential 3 hat eine Übersetzung von ca. 4,4, was eine maximale Drehzahl des Antriebsmotors M1 von ca. 2640 Umin^-1 ergibt, wenn man den Umfang der Antriebsräder mit etwa 3 m annimmt. Der Antriebsmotor M1 wird über einen Direktumrichter 5 gespeist, der seinerseits seine Energie von einem im Beispiel als Syn chrongenerator ausgebildeten Generator G bezieht. Der Generator G wird wahlweise von ei nem - vorzugsweise - Gasmotor VB1 für den Stadtverkehr oder einem Dieselmotor VB2 für den Überlandverkehr angetrieben. Zur optimalen Drehzahlanpassung der Verbrennungsmotoren VB1, VB2 dient ein Summationsgetriebe 6. Die Verbrennungsmotoren VB1, VB2 werden über die Schaltkupplungen K1, K2 wahlweise zugeschaltet, wobei eine Überlappung möglich ist (Umschaltung von Stadtverkehr auf Überlandverkehr und umgekehrt). Die dreiphasigen elektri schen Verbindungsleitungen zwischen der (nicht dargestellten) Ständerwicklung des Genera tors G und dem Direktumrichter 5 sind mit L1 bezeichnet, diejenigen zwischen dem Direktum richter 5 und der (nicht dargestellten) Ständerwicklung des Antriebsmotors M1 mit L2. Die Leitungen L1, L2 und L5 sowie der Direktumrichter 5 bilden ein (Drehstrom-)Bordnetz N. Die beiden Maschinen M1 und G sind vereinfacht mit ihren Ständern m11 bzw. g1 und Läufern (Polrädern) m12 bzw. g2 dargestellt. "M(G)" bedeutet Normalbetrieb als Motor und Bremsbe trieb als Generator und "G(M)" das Umgekehrte, d. h. Normalbetrieb als Generator und Bremsbetrieb als Motor. Das Polrad g2 des Generators G wird im Beispiel durch Dauermagne te erregt und ist hierzu ein sog. Permanentpol-Läufer, dessen Dauermagnete im Blechpaket des Läufers g2 eingelagert sind (nicht dargestellt).

Der Generator G ist mit der Hauptachse 7 des Getriebes 6 verbunden sowie über eine Gelenk welle 8 mit einem quasi-kardanisch gelagerten Schwungrad 9 gekuppelt, welches einen nutzba ren Energieinhalt von ca. 0,6 kWh besitzt und die kinetische Energie für Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsvorgänge liefert bzw. aufnimmt. Gemäß dem erfinderischen Konzept speichert das Schwungrad 9 lediglich die absolut notwendige kinetische Energie. Deshalb wird bevorzugt eine maximale Drehzahl für das Schwungrad 9 von 6000 Umin^-1vorgesehen, ferner ein Durchmesser von etwa 650 mm und ein Gewicht von ca. 180 kg. Das Schwungrad 9 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Das Schwungrad 9 sitzt auf einer Welle 91, die an beiden Enden in Lagern 92 der Lagerschilde 93 gelagert und mit der Welle 7 des Generators G (vergl. Fig. 1) über eine Gelenkwelle 8 gekuppelt ist. Die Lagerung des Schwungrades 9 ist also wegen der zu berücksichtigenden Kreiselwirkung quasi kardanisch. Die beiden Lagerschilde 93 und damit das Gesamtsystem sind durch je ein unteres und oberes Verbindungselement 94, 95 mittels Dreh zapfen 96 am Chassis des Fahrzeugs um eine vertikale Achse drehbar gelagert, wie es die Drehpfeile f1 verdeutlichen. Außerdem ist zur Vermeidung von Zwangskräften die Welle 91 des Schwungrades 9 elastisch nachgiebig gelagert, was z. B. durch die zwischen je einer inneren und äußeren Nabe 93a, 93b der Lagerschilde 93 eingefügten, mehr oder weniger hart aufblasba ren Ballonreifen 97 verwirklicht ist. Die diesbezügliche nachgiebige Auslenkung ist durch die Pfeile f2 symbolisiert. Somit werden dynamische Kräfte luftgefedert gedämft, ohne daß schädli che Kreiselkräfte auf das Fahrzeug übertragen werden. Das Antriebsaggregat, bestehend aus Schwungrad 9, Generator G, den Verbrennungsmotoren VB1 und/oder VB2 und dem An triebsmotor M1, wird insgesamt auch als Schwungradumformer oder Umformer 90 bezeichnet.

Die theoretisch auftretenden Kreiselkräfte, die ein Schwungrad erzeugt, sind relativ komplex und werden, wie bereits erwähnt, dadurch vermieden, daß das Schwungrad 9, auch als sog. 'schwerer Kreisel' bezeichnet, kardanisch gelagert wird, was allerdings relativ aufwendig ist. Deshalb wird erfindungsgemäß eine vereinfachte, quasi kardanische Aufhängung bzw. Lage rung des Schwungrades 9 vorgesehen, siehe Fig. 2. In der Kreiseltheorie unterscheidet man üblicherweise zwischen schädlichen und nützlichen Kreiselkräften. Es ist daher sinnvoll, das Schwungrad 9 im Fahrzeug so anzuordnen, daß möglichst keine schädlichen Kreiselkräfte auf treten. Dies wird dadurch erreicht, daß das Schwungrad 9 in Fahrtrichtung 'stehend' parallel zur Längsachse des Fahrzeugs angeordnet wird. Die Schwungradachse oder -welle 91 ist dem nach waagrecht und quer zur Fahrtrichtung angeordnet. Dadurch treten bei einer Neigung des Fahrzeugs in Längsrichtung, also bei Bergauf und Bergabfahrten, überhaupt keine Kreiselkräf te auf. Leichte Neigungen des Fahrzeugs um seine Längsachse werden weitestgehend durch die quasi-kardanische Lagerung ausgeglichen. Bei Kurvenfahrt tritt jedoch eine Kreiselkraft (Drehimpuls) auf, welche so gerichtet ist, daß diese tendenziell versucht, das Fahrzeug um seine Längsachse zu drehen. Dieser Drehimpuls ist nun abhängig vom Drehsinn des Schwungrades. Wählt man den Drehsinn des Schwungrades 9 so, daß es entgegengesetzt zum Drehsinn der Fahrzeugräder dreht (bei Vorwärtsfahrt), so wirkt die 'Kreiselkraft' genau entgegen der am Fahrzeug angreifenden Fliehkraft, also kurvenstabilisierend, da sie versucht, das Fahrzeug in die Kurve zu drücken. Je nach der Steifigkeit der mehr oder weniger hart aufblasbaren sog. Ballon reifen 97 zur Lagerung des Schwungrades 9 kann dieser erwünschte Effekt abhängig von der Fahrzeugkonstruktion bemessen werden. Dieser stabilisierende Effekt ist umso größer, je höher die Drehzahl des Schwungrades 9 ist. Dies wird bevorzugt im mittleren oder kleinen Ge schwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ausgenutzt, was sich besonders bei Autobahnausfahrten mit kleinem Kurvenradius vorteilhaft bemerkbar machen kann (bisherige Umstürz-Unfälle bele gen, daß ein Busfahrer keinesfalls zu schnell in, die Ausfahrtskurve fahren sollte). Wenn man aufgrund des stabilisierenden Effektes nach der Erfindung allen Fällen ein Umstür zen des Busses bei deutlich überhöhter Geschwindigkeit vermeiden kann, so läßt sich die Un fallhäufigkeit reduzieren. Das bedeutet, daß das Schwungrad 9 außer der Erfüllung seiner Hauptaufgabe (kinetischer Speicher beim Beschleunigen und Bremsen) mit seiner vorteilhaft ausgenutzten Kreiseleigenschaft eine zusätzliche Sicherheit für das Fahrverhalten bietet und keineswegs schädliche Einflüsse auf letzteres ausübt.

Dank des Schwungrades 9 (siehe wieder Fig. 1) können die Verbrennungsmotoren VB1, VB2 in ihrer Leistung so klein wie nur möglich bemessen werden (Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes). Für den Stadtverkehr reicht hierzu eine Leistung von etwa 40 kW bis zu einer Spitzengeschwindigkeit von ca. 60 km/h völlig aus. Im Überlandverkehr auf im wesentli chen ebener Strecke bis zu etwa 108 km/h genügen maximal 160 kW. Die erforderliche Be schleunigungsleistung liefert der durch das Schwungrad 9 "gestützte" Generator G, welcher kurzzeitig etwa 320 kW leistet und den Antriebsmotor M1 gleicher Leistung über den Direk tumrichter 5 versorgt (die Nennleistungen des Generators G sowie des Antriebsmotors M1 be tragen je 200 kW). Durch dieses abgestufte Leistungsverhältnis von 40 kW zu 160 kW zu 320 kW (Gasmotor- zu Dieselmotor- zu Elektromotor-Leistung) wird erreicht, daß die Verbren nungsmotoren VB1, VB2 nahezu immer in der Nähe von Vollast betrieben werden können und so mit ihrem optimalen thermischen Wirkungsgrad arbeiten. Es ist ja bekannt, daß der Ver brauch von Verbrennungsmotoren bei Schwachlast dramatisch ansteigt. Der thermische Wir kungsgrad geht dabei auf Werte bis zu 0,1 zurück, was bekanntermaßen zu dem extrem hohen Treibstoffverbrauch bei Pkw's im Stadtverkehr führt. Dies gilt gleichermaßen für Busse, aller dings nicht so extrem, da Busse im Vergleich zu Pkw's als "untermotorisiert" angesehen wer den können.

Während Mittelklassewagen eine Motorleistung von etwa 40 kW pro 1000 kg Gewicht instal liert haben, so beträgt die gewichtsbezogene Leistung von Bussen im Regionalverkehr lediglich etwa 10 bis 12 kW pro 1000 kg. Dennoch liegt auch bei Bussen der thermische Wirkungsgrad im Stadtverkehr kaum über 0,2. Die Zielsetzung, den Treibstoffverbrauch im Stadtverkehr auf ein Drittel herabzusetzen, wird des weiteren dadurch erreicht, daß die Bremsenergie zu etwa 85% durch generatorisches Bremsen und "Wiederaufladen" des Schwungrades 9 zurückge wonnen wird. Setzt man z. B. 200 Haltepunkte,(Haltestelle, Kreuzung, Ampel) voraus, so be trägt die Bremsenergie hierbei kumuliert schon etwa 80 kWh, was bei einem thermischen Wir kungsgrad von 0,2 (bei konventionellen Konzepten) einem zusätzlichen Treibstoffverbrauch von nahezu 36 l Dieselkraftstoff entspricht. Im Überlandverkehr ist dieser Effekt von so großer Bedeutung nicht, sondern vor allem die optimal angepaßte Leistung des Dieselaggregates. Denn die Beschleunigungsleistung wird gemäß der Erfindung ja auch hier im wesentlichen durch den kinetischen Speicher 9 gedeckt. Diese Betrachtungen gelten für das Befahren ebenen Geländes. Bei Bergfahrten ist die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs selbstverständlich klei ner, was speziell bei Überlandfahrten als gewisser Nachteil empfunden werden könnte. Deshalb kann für kürzere Steigungen zusätzlich zum Dieselmotor VB2 der Gasmotor VB1 zugeschaltet werden, womit insgesamt eine Leistung von ca. 200 kW zur Verfügung steht.

Zum Anwerfen des Generators G und des Schwungrades 9 auf ihre Minimaldrehzahl von 1500 bis 3000 Umin^-1 dient ein auf das Getriebe 6 arbeitender Anwurfmotor oder Anlasser M2 (im Beispiel nach Fig. 1 ein Gleichstrommotor mit ca. 2 kW Leistung), der von der Batterie B über die Leitung L3 gespeist wird. Die Batterie B ist ihrerseits über Leitung L4 an einen Stromrich ter SR angeschlossen, welcher drehstromseitig an das Bordnetz N angeschlossen, und zwar über Leitung LS mit der Leitung L1 verbunden ist.

Mit der Hauptachse 7 des Getriebes 6 bzw. der Welle des Generators G zum einen und mit der Welle 12 des Antriebsmotors M1 zum anderen laufen um: der Rotor je eines Gebers 10 bzw. 11 für Polradlage und Drehzahl.

Das Fahrzeug wird wie ein Voll-Automatik-PkW gefahren, vergl. hierzu das Diagramm nach Fig. 3. In dieser Fig. sind die Beschleunigung b [m . s^-2] als normierter Wert b_N = b/b_max ,der Stromsollwert als normierter Wert i*_N = i*/i*_max und der Weg des Gaspedals als normierter Wert S_PN = S_p/S_{P max} aufgetragen. Das "Gaspedal" liefert hierbei den Sollwert i* für den Strom des Antriebsmotors M1. Der Sollwert für das Fahren (positiver Wert) wird hierbei erst nach Überschreiten eines kleinen Totbereiches erzeugt (Drückpunkt DP). Innerhalb des Totbereiches ist der Stromsollwert i* negativ, was Bremsen bedeutet (nur wirksam bei Fahrgeschwindigkeit <0). Dies bedeutet, daß der Fahrer bei Unterschreiten des Druckpunktes ("Wegnehmen des Gases") die Bremsung einleitet, also das passiert, was auch bei einem konventionellen Antrieb geschieht, nämlich Bremsen durch den Antriebsmotor. Dieser Effekt kann bei Bergab-Fahrten noch durch Umschalten eines (nicht dargestellten) Hebels auf "Motorbremse" verstärkt werden. Das übliche Bremspedal wirkt auf die konventionellen mechanischen Bremsen, die jedoch erfin dungsgemäß bei normaler Fahrweise eigentlich nur im Katastrophenfall betätigt werden müssen (z. B. Fußgänger läuft vor das Fahrzeug, plötzliches hartes Bremsen des Vordermannes oder dergl.). Als "Gaspedal" eignet sich im Prinzip ein Weg-Spannungs-Geber, wobei der Strom sollwert i* für den Antriebsmotor M1 dem Durchtreten des Pedals direkt proportional ist. Bei Geschwindigkeiten bis etwa 25 km/h (quasi dem ersten Gang entsprechend) bedeutet volles "Durchtreten" eine maximale Beschleunigung b1 von ca. 2,5 ms^-2. Bei höheren Fahrzeugge schwindigkeiten v wird die Beschleunigung b kleiner, da nun die Feldschwächung einsetzt, vergl. die mit steigender Fahrgeschwindigkeit v (als Parameter) eine kleinere Steigung aufwei senden Geraden b2 bis b4 im ersten Quadranten I des Diagramms b = f(i*).bzw. b_N = f(i*_N). Dies entspricht bei einem konventionellen Fahrzeug mit Automatik-Getriebe quasi dem Hoch schalten auf die weiteren Gänge (zweiter, dritter etc. Gang). Das Einsetzen der sog. Feld schwächung erfolgt automatisch bei Erreichen der maximalen Spannung des Antriebsmotors M1 durch Regelung auf konstante Ankerspannung. D. h. der Erregerstrom i_E für die Fremderre gung des Antriebsmotors M1 wird dann entsprechend zurückgenommen, womit der sog. Be reich konstanter Motorleistung, aber steigender Drehzahl n bis hin zur maximalen Fahrge schwindigkeit durchfahren wird (diese Feldschwächeregelung ist allgemein bekannt und braucht deshalb hier nicht näher erläutert zu werden).

Der Abszissen-Bereich von i*_N = 0 (Druckpunkt DP) bis hin zu i*_N = -100%, entsprechend einer Verzögerung oder negativen Beschleunigung 0 < b_N < -100%, ist aus Platzgründen zu sammengedrängt oder enger dargestellt (dritter Quadrant III). Die Kennlinien sind hier mit -b1 bis -b4 bezeichnet; . b1 bzw. -b1 gehören zum Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 25 km/h, b4 bzw. -b4 zum Geschwindigkeitsbereich 0 bis 100 km/h, die Kennlinien b3 und b4 bzw. -b3 und -b4 haben dazwischen liegende Bereiche der Geschwindigkeit v als Parameter. Parallel zur i*_N- Achse des Diagramms ist der zugehörige Weg S_pN des "Gaspedals" nach rechts bis zu seinem oberen Grenzwert Sp_N= 100% (entsprechend i*_N = 100%) aufgetragen und nach links bis zu seinem unteren Grenzwert Sp_N = 0% (entsprechend i*_N = -100%).

Die Treibstoffzufuhr zu dem oder den Verbrennungsmotor(en) VB1, VB2 wird automatisch so geregelt, daß die Drehzahl des Schwungrades 9 auf einem Wert von 3.600 bis 6.000 Umin^-1 gehalten wird (siehe Diagramm gemäß Fig. 4). Im Stadtverkehr (bei ca. 50 km/h) beträgt dieser Drehzahlsollwert 3.600 Umin^-1, d. h. der kinetische Speicher 9 ist aufnahmefähig für die Brem senergie bei einem Haltepunkt. Bei normaler elektrischer (generatorischer) Bremsung wird hierbei die Drehzahl auf etwa 6.000 Umin^-1 ansteigen, womit beim Wiederanfahren die Be schleunigungsenergie für den Bereich von v = 0 auf v = 50(60) km/h gespeichert ist. Sollte dieser Wert nicht erreicht werden (Notbremsung am Haltepunkt), so wird das Schwungrad 9 noch während des Haltens auf ca. 6.000 Umin^-1 hochgefahren, was innerhalb weniger Sekun en erfolgt. Die maximale Drehzahl von 6.000 Umin^-1 wird also im Stadtverkehr immer nur kurzzeitig erreicht, was die Luftreibung des Schwungrades 9 drastisch reduziert. Im Überland verkehr, also z. B. bei Fahrgeschwindigkeiten um etwa 70 bis 80 km/h, soll immer die maximale Beschleunigungsreserve (6.000 bis 3.600 Umin^-1) zur Verfügung stehen. Deshalb wird in dieser Betriebsart die maximale Drehzahl des Schwungrades 9 beibehalten (siehe Diagramm nach Fig. 4). Allerdings kann dann keine kinetische Energie beim Bremsen gespeichert werden; diese wird vielmehr durch eine (nicht dargestellte) Belastungswiderstands-Schaltung des Generators G in Wärme umgesetzt. Bei höheren Geschwindigkeiten (Autobahn), also im Bereich von etwa 85 bis 100 km/h, kann die Drehzahl des Schwungrades 9 wieder abgesenkt werden, da auf der Autobahn keine zusätzliche Beschleunigungsreserve nötig ist. Der Umformer 90 bzw. das Schwungrad 9 können also in diesem Geschwindigkeitsbereich bei Zurücknahme der Ge schwindigkeit wieder überschüssige Bremsenergie aufnehmen und anschließend abgeben. (Der Masse des Schwungrades 9, mit der dessen gespeicherte Energie anwächst, sind aus wirtschaft lichen Gründen Grenzen gesetzt.)

D1) Regelung des Elektroantriebes für das Fahrzeug

Die Regelung des elektrischen Antriebs am frequenz-variablen Drehstromnetz wird im folgen den noch im Detail anhand der Stromregeleinrichtung 50 nach Fig. 5 beschrieben. Diese gestal tet sich besonders einfach, wenn man die Analogie zwischen Synchronmaschine und Gleich strommaschine konsequent nutzt. Im Prinzip wird der Steuerwinkel α_x für den Direktumrichter 5 über eine Vorsteuerung des Spannungsniveaus für den Stromsollwert i* vorausberechnet, wobei die Stromregelung diesen Wert adaptiv korrigiert. Es wird also nicht wie bei konventio nellen Regelungen der Augenblickswert des Stromes geregelt, sondern dessen Mittelwert, zu mal die Anregelzeit des Stromes, in der Größenordnung von 200 ms, schon mit Rücksicht auf die Passagiere, nicht unterschritten werden sollte. Auf diese Weise kann der Steuerwinkel α_x quasi off-line vorausberechnet werden und wird nur noch mit positivem bzw. negativem Vor zeichen, abhängig von der Polradlage des Antriebsmotors, auf die Ansteuerung der Thyristoren des Direktumrichters 5 verteilt.

Der Antriebsmotor M1 wird hierbei mit Rechteck- oder trapezförmiger Spannung versorgt (positive, negative Halbwelle). Der Umschaltzeitpunkt wird abhängig von dem Pulsgeber 11 (vergl. Fig. 1) für die Polradlage bestimmt (Kommutierung wie bei einer Gleichstrommaschine). Im Umschaltzeitpunkt wird zunächst der Steuerwinkel α_x = 150° als sog. Wechselrichtertritt grenze vorgegeben, um den Stromistwert schnell auf Null abbauen zu können, bevor die Ge genrichtung zugeschaltet wird. Bei dieser Methode kann auf die üblichen konventionellen Steuersätze verzichtet werden, da der Wechsel von positiver zu negativer Spannung oder um gekehrt durch die Vorausberechnung des Steuerwinkels α_xund dessen Komplementärwert α_x' ja bereits off-line abgespeichert ist. Damit erübrigen sich auch aufwendige hochdynamische Re chenoperationen ohne Abstriche an die Zündimpulsgenauigkeit. Das Blockschaltbild nach Fig. 5 zeigt in übersichtlicher Form die völlig neuartige Regelungsstrategie.

Wie bereits beschrieben, wird als Antriebsmotor M1 die fremderregte Synchronmaschine einge setzt, da diese problemlos einen hohen Feldschwächbereich zuläßt, was einem quasi ideal ge spreizten Getriebe entspricht. Außerdem erreicht man in Verbindung mit dem Direktumrichter 5 den optimal zu erreichenden Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Konzepten mit einem sogenannten Gleichstrom- bzw. Spannungs-Zwischenkreis (z. B. Pulsumrichter), da die elektri sche Energie nur einmal (direkt) umgesetzt wird. Da die Wechselspannung (Drehstrom) direkt aus dem speisenden Bordnetz N gebildet wird, muß dessen Frequenz mindestens um den Faktor 2,5 höher sein als die des Antriebes. Dies ist in dem gewählten Konzept in idealer Weise ge währleistet. Denn die minimale Drehzahl des Schwungrades 9 liegt gemäß Fig. 4 bei 3600 U min^-1, was bei einem 8-poligen Generator einer Frequenz von 240 Hz entspricht, bzw. bei einer max. Drehzahl von 6000 Umin^-1 einer Frequenz von 400 Hz. Der Antriebsmotor M1 hat in dem gewählten Beispiel eine max. Drehzahl von 2640 Umin^-1, was einer Drehzahl von 44 Us^-1 entspricht, d. h. bei einer 4-poligen Maschine einer Frequenz von 88 Hz. Dies bedeu tet, daß bei der minimalen Drehzahl des Generators G ein Frequenzverhältnis von 240 : 88, also nahezu 3 : 1 erreicht wird.

Da die Frequenz des Generators G im Gegensatz zu konventionellen Antrieben (konstante Fre quenz von 50 Hz) in einem weiten Bereich schwankt (400... 240 Hz), um die kinetische Ener gie des Schwungrades optimal zu nutzen, muß die Regelung diesen besonderen Gegebenheiten Rechnung tragen. Wegen der, um den Faktor 8 höheren, max. Frequenz des Netzes (400 Hz statt üblicherweise 50 Hz), würde eine sogenannte klassische Regelung, z. B. feldorientierte Regelung, wegen der hohen Anforderungen an Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit extrem aufwendig, kompliziert und teuer sein. Deshalb wird gemäß der Erfindung ein Konzept ge wählt, das diese Nachteile vermeidet. Das Blockschaltbild ist in Fig. 5 dargestellt und wird im folgenden erläutert.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß der Steuerwinkel α_x zur Zündung der in Stern- oder Drehstrombrückenschaltung geschalteten Thyristoren des Direktumrichters 5 für die drei Phasen (R, S, T) "off-line" vorausberechnet wird und somit von der eigentlichen Zün dung der Thyristoren (Verteilung der Zündimpulse) entkoppelt ist. Für diese Vorausberechnung steht relativ viel Zeit (ca. 20 ms) zur Verfügung, wenn erfindungsgemäß nicht die Augen blickswerte des Stromes geregelt werden, sondern deren Mittelwerte. Dies ist bei einem Fahr zeug zulässig, da ja schon in Hinblick auf die Insassen eine Anregelzeit des Stromes (Beschleunigung) von ca. 200 ms nicht unterschritten werden sollte. Um diese Zielsetzung zu erreichen, wird gemäß Blockschaltbild (Fig. 5) mit Hilfe einer sogenannten Störgrößenaufschal tung (feed-forward-control) die erforderliche Ausgangsspannung des Direktumrichters 5 be stimmt, wobei der parallel hierzu wirkende Stromregler 13 diesen Wert quasi adaptiert. Diese Vorausberechnung wird so durchgeführt, als ob wir es mit einer Gleichstrommaschine zu tun hätten. Das Rechenergebnis, nämlich der Steuerwinkel α_x, ist somit der "Sollwert" für die mittlere Ausgangsspannung bei einer in Analogie zur Synchronmaschine gedachten Gleich strommaschine. Es wird hierbei die bekannte Gleichung: U = E + iR zugrunde gelegt. (U = Klemmenspannung, E = elektromotorische Kraft bzw. EMK, i = Ankerstrom, R = Widerstand im Ankerstromkreis.)

Zugeführt werden: (i) und (i*) dem Stromregler 13 an seinem Summenpunkt SP3 und am Aus gang von (13) der Stromsollwert i* dem Summenpunkt SP2 mit dem nachfolgenden Addierer 16', auf den der Multiplizierer 15' folgt. Die sogenannte EMK (E) wird aus dem Produkt von n (Drehzahl) und Φ (Fluß) des Antriebsmotors M1 bestimmt. Der Fluß Φ wird im Funktions generator 14 aus der abgespeicherten Erregerkennlinie Φ = f (i_E, i) gebildet, wobei diese in Abhängigkeit vom Ankerstrom (i) des Antriebsmotors M1 modifiziert wird. Dies ist erforder lich, da im Gegensatz zur Gleichstrommaschine die Synchronmaschine nicht kompensiert ist, d. h., daß das Feld der Synchronmaschine abhängig vom Ankerstrom geschwächt wird. Das Produkt von n . Φ wird in einen Multiplizierer (15) gebildet und im Summenpunkt SP1 zu die sem Wert der Betrag iR sowie der Korrekturwert des Stromreglers (13) addiert (Addierer 16). Das so erhaltene Ergebnis (u*) stellt den Sollwert des Mittelwertes für den Direktumrichter 5 dar. Um diesen vorzeichenrichtig (immer noch im Hinblick auf eine in Analogie gedachte Gleichstrommaschine) zu erhalten, wird das Vorzeichen des Stromsollwertes, also S (für Signum) . i* berücksichtigt (Vorzeichengeber 17). und im nachgeschalteten Multiplizierer 15' verarbeitet. Die Steuerkennlinie des Direktumrichters 5 ist ja bekannt und wird in Tabellenform als Funktion: u = f (α_x) im Funktionsgenerator 18 abgespeichert, wobei die aktuelle Spannung des Generators (G) entsprechende berücksichtigt wird. Die Tabelle wird zyklisch, z. B. in einem Zeittakt von 10 ms, abgefragt und bei Übereinstimmung von u* (Sollwert) und u (aus der Tabel le) der Steuerwinkel α_xbestimmt. Dieser kann bekanntermaßen (übliche Stomrichtertechnik) zwischen 30°.... 90°.... 150° elektrisch liegen. Da es sich nicht um eine Gleichstrommaschine handelt, bei welcher die Stromwendung durch den mechanischen Kommutator erfolgt, wird nicht nur der für eine Gleichstrommaschine gültige Steuerwinkel α_x bestimmt, sondern auch dessen Komplementärwert α_x' und dieses Ergebnis in dem Memory (19) abgelegt. Somit sind die Steuerwinkel für positive und negative Halbwelle für den Antriebsmotor M1 vorausberech net, wobei der Einfachheit halber der Antriebsmotor M1 mit Rechteckspannung versorgt wird. (Selbstverständlich ist auch die Vorgabe von trapezförmiger Spannung möglich, was geringfü gig höheren Rechenaufwand bedeutet.) Um nun die richtige Auswahl - negative oder positive Halbwelle - zu treffen, wird in Abhängigkeit von der Polradlage des Antriebsmotors M1 das Signum, also das Vorzeichen der Spannung u* (= Su*) und der Steuerwinkel α_x oder dessen Komplementärwert α_x' aus dem Memory 19 ausgesucht und in bekannter Weise den zum Di rektumrichter 5 gehörenden Thyristoren für die drei Phasen R, S, T zugeführt.

Bei der Umschaltung von positiv zu negativ oder umgekehrt wird, ausgelöst durch den Polrad lagegeber 11 des Antriebsmotors M1, für eine definierte Zeit der Steuerwinkel 150° vorgege ben, was in der Stomrichtertechnik als sogenannte Wechselrichtertrittgrenze bezeichnet wird (Abbau des noch fließenden Stromes, bevor die Gegenrichtung zugeschaltet wird.). Hierzu wird aus dem Signal des Polradlagegebers 11 und dem Signum Su* der Sollspannung u*, das am Ausgang des Vorzeichengebers 20 ansteht, im Multiplizierer 15'' das Signal α_x= 150° zur Übersteuerung des Memory 19 erzeugt. Im dem Memory 19 nachgeschalteten Steuerimpulsge ber 21 werden dann die jeweiligen Steuerimpulse für die steuerbaren Thyristoren des Direk tumrichters 5 gebildet. Zur zeitgerechten Ausgabe der Zündimpulse muß die Phasenlage der Spannung (R, S, T) des Generators G erfaßt werden. Bei konventionellem Stromrichterbetrieb wird hierzu üblicherweise der Nulldurchgang der Spannung bestimmt und hiervon ausgehend mittels eines Sägezahngenerators eine stetig ansteigende Spannung gebildet (sog. Sägezahn). Diese Spannung wird dann mit der Spannung aus der Steuerkennlinie des Steuersatzes vergli chen und bei Übereinstimmung der Zündimpuls gebildet. Im vorliegenden Falle wird die Pha senlage der Spannungen R, S, T mittels eines Polradlagegebers des Generators festgestellt (in Fig. 5 und 6 nicht dargestellt). Ausgehend von der Polradlage wird ein Zähler (für jede Phase) getriggert, dessen Zählerinhalt somit ein exaktes Maß für die Phasenlage der Spannung ist. Bei Koinzidenz des Zählers mit dem im Memory 19 gespeicherten und im Steuerimpulsgeber 21 (Bildung der Zündimpulse) gespeicherten, vorausberechneten Steuerwinkel α_x bzw. α_x' wird nun jeweils der Zündimpuls ausgegeben. (Die Zählimpulse für den/die Zähler für die Pha senlage werden durch einen mit dem Polradlagegeber integrierten Pulsgeber ausgegeben.)

D2) Fahrzeug-Management (Fig. 6 und 3, 4)

Das Fahrzeug-Management zeichnet sich gemäß der Erfindung durch besonders geringen Steuerungsaufwand aus, was dadurch erreicht wird, daß das System als eine sogenannte Mehr größenregelung ausgebildet ist, wobei die verschiedenen Regelkreise weitestgehend voneinan der entkoppelt sind und die verschiedenen Sollwertparameter nicht in komplexen Rechen operationen berechnet werden müssen, sondern sich direkt von den unterschiedlichen Zu standsgrößen der verschiedenen Regelkreise ableiten. Dies soll im folgenden im Detail erläutert werden:

Der Sollwert für die Drehzahl des Schwungrades 9 wird gemäß Fig. 4 in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit fest vorgegeben. Betrachtet man den Bereich von 0... 50 km/h, so entspricht die Drehzahl des Schwungrades 9 dem natürlichen Verlauf, unter der Voraussetzung, daß die kinetische Energie den Energiebedarf für Beschleunigen und Verzögern voll abdeckt. D. h. unter der Voraussetzung, daß dem Schwungrad 9 der Leistungsbedarf zur Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes vom Verbrennungsmotor VB1 zugeführt wird, wobei die Summe aus dem kinetischen Energieinhalt des Schwungrades 9 und der kinetischen Energie des Fahrzeuges in etwa konstant ist. (Um das Gewicht des Schwungrades klein zu halten, wird im Bereich von etwa 60-80 km/h darauf verzichtet, Bremsenergie elektrisch zu speichern; den noch steht stets die max. Beschleunigungsenergie zur Verfügung, was gerade auf Uberlandfahr ten, also auf Landstraßen bei Überholvorgängen, wichtig ist.) Erst oberhalb von ca. 80 km/h gilt wieder die Wechselwirkung zwischen der kinetischen Energie des Fahrzeuges (Differenz zwischen 80... 100 km/h) und der Energie des Schwungrades. Für dieses Regelungsprinzip gilt also, daß in wenigstens einem Geschwindigkeitsbereich "Stadtverkehr" und vorzugsweise auch in einem weiteren Geschwindigkeitsbereich "Überlandverkehr" die Drehzahl des Generators (G) in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit so geregelt wird, daß näherungsweise die Gleichung

E_F + E_S = constant

erfüllt ist, wobei E_F die kinetische Energie des Fahrzeugs und E_S die kinetische, gespeicherte Energie des Schwungrades (9) bedeutet. Im besonderen gilt, daß die angegebene Gleichung abschnittsweise im Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 bis ca. 60 km/h ("Stadtverkehr") und im Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 80 bis 100 km/h ("Überlandverkehr") der Drehzahlregelung des Generatoirs (G) zugrundegelegt wird, wogegen die Drehzahl des Generators (G) im Bereich von etwa 60 km/h bis 80 km/h auf ihren maximalen Wert von rund 6000 Umin^-1 geregelt wird.

Im folgenden soll nun anhand von Fig. 6 die Drehzahlregelung des Schwungradumformers 90 näher erläutert werden. Um das Antriebssystem startklar zu machen, wird das Schwungrad 9 zunächst über einen kleinen Hilfsmotor M2 von ca. 2 kW Leistung und einem Anfahrumrichter AU (in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) gleicher Leistung mittels der Batte rie B auf eine Betriebsdrehzahl von ca. 2000 Umin^-1 hochgefahren, um einen sicheren Strom richterbetrieb am Bordnetz N, also dem Genertor G, zu ermöglichen. Dies dauert nur wenige Minuten, da die Energie bei einem Drittel der max. Drehzahl von 6000 Umin^-1 nur ca. 0,066 kWh beträgt (gesamte nutzbare kinetische Energie ca. 0,6 kWh). Das weitere Hochfahren auf die max. Betriebsdrehzahl erfolgt mittels des Stromrichters SR, z. B. als gegenparallele Stern schaltung ausgeführt, in Verbindung mit der Batterie B. Es wird hierbei also gewissermaßen Leistung aus der Batterie ins Netz N gepumpt, wobei wegen der als konstant anzusehenden Batteriespannung der Entladestrom der Batterie dieser Leistung etwa proportional ist. Der Regler 22 für den Stromrichter SR besteht somit aus einem einfachen Lade-Entladestromregler für die Batterie, welchem eine einfache, konventionelle Drehzahlregelung (integriert in SR) überlagert ist. "n-R" im Kästchen für (22) bedeutet in diesem Zusammenhang "Drehzahl- Regelung" und n* den Drehzahl-Sollwert, "i-R" im Kästchen 50 für die Stromregeleinrichtung bedeutet "Stromregelung". Wird der Stromrichter SR für etwa 25 kW ausgelegt, so ist die max. Drehzahl des Schwungrades 9 nach etwa einer weiteren Minute erreicht. (Je nach dem Stand der Technik auf dem Gebiet der Entwicklung von leistungsstarken Batterien, wird eine nutzbare Batteriekapazität von ca. 5-7,5 kWh vorgeschlagen. Maßgeblich ist vor allem hierbei der zu lässige max. Lade-Entladestrom im Verhältnis zur Gesamtkapazität der Batterie.) Sollte die Zeit von ca. 6 min. bis zum "Start klar" für das Fahrzeug in Sonderfällen zu lang sein, so kann diese durch einen größeren Hilfsmotor M2 weiter reduziert werden. Fährt nun das Fahrzeug an, so wird der Verbrennungsmotor VB1 bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von ca. 15... 20 km/h gekuppelt und gezündet. (Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 6 das Summationsgetriebe 6 sowie der Verbrennungsmotor VB2 nicht eingezeichnet. Die Gesamtanordung ist in Fig. 1 dar gestellt.) Um die Leistung des Verbrennungsmotors VB1, vorzugsweise ein Gasmotor (z. B. Flüssig- oder Erdgas), für den Stadtverkehr so klein wie möglich zu dimensionieren, wurde in dem beschriebenen Beispiel eine Leistung von ca. 40 kW gewählt. Dies deshalb, um den Ver brennungsmotor stets in der Nähe seines optimalen thermischen Wirkungsgrades, also mög lichst nahe bei Vollast zu betreiben. Hierzu wird der Verbrennungsmotor VB1 mit einer Treib stoffmenge Q (Treibstoff pro Zeiteinheit) versorgt, welche im Mittel einer Leistung von 30 kW entspricht. Diese Vorsteuerung erfolgt gemäß der fett ausgezogenen Kennlinie 23a, die in der Vorsteuerungseinheit 23 abgespeichert ist, in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die dünne Linie zeigt den ungefähren tatsächlichen Leistungsbedarf. Wird nun mehr Leistung als 30 kW benötigt, so wird der Fehlbedarf durch die Batterie B und über den Stromrichter SR gedeckt. Umgekehrt gilt das gleiche, d. h. wenn das Fahrzeug bei kleinen Geschwindigkeiten weniger als 30 kW benötigt, wird der Uberschuß über den Stromrichter in die Batterie B ge pumpt. Dieses Wechselspiel geschieht völlig automatisch, ohne irgendwelche zusätzlichen Steuerungsvorgänge, da ja der Drehzahlregler 22 etwaige Abweichungen vom Drehzahlsollwert n* für Generator G/ Schwungrad 9 sofort fetststellt und somit mehr oder weniger Leistung ins "Netz" pumpt.

Sollte der Stromrichter SR an seine Leistungsbegrenzung stoßen, so wird zusätzlich zur Vor steuerung 23 der Regler 24 für die Treibstoffmenge freigegeben und ein Treibstoffmengen- Zusatzsollwert zu der Vorgabe von der Vorsteuerung addiert (Addierer 25) und dem Stellglied SQ zugeführt, welches das "Treibstoffventil" bzw. die Treibstoffeinspritzung, also das "Ventil" 26, ansteuert, dem der Treibstoff vom Tank 27 über Treibstoffleitung 28 zugeführt wird. Diese überlagerte Regelung der Treibstoffmenge wird dann erforderlich, wenn z. B. das Fahrzeug beim Einfahren in eine Haltestellung, Kreuzung oder dergleichen, notgebremst werden muß und folglich die Bremsenergie nur teilweise zurückgewonnen werden kann. Die Drehzahl von Gene rator G/ Schwungrad 9 kann hierbei deutlich vom Sollwert abweichen, so daß auch die Lei stung des Stromrichters SR nicht ausreicht, um den vorgegebenen Wert schnell zu erreichen. Von all diesen Regelvorgängen "merkt" der Antriebsmotor M1 und der diesen speisende Direk tumrichter (5), sowie dessen Regelung (Stromregler 50) nichts. Mit anderen Worten wird durch dieses Verfahren auf einfachste Weise eine weitestgehende Entkoppelung und damit "Autarkie" der verschiedenen Regelkreise erreicht.

Im Prinzip gilt diese Art der Regelung auch für Uberlandfahrten oberhalb von 55... 60 km/h, wenn der Verbrennungsmotor VB2, also der - vorzugsweise - Dieselantrieb zugeschaltet ist. Die Vorsteuerung 23 ist für diesen Betrieb entsprechend ausgelegt, d. h. diese wird zweckmäßi gerweise doppelt ausgeführt und wahlweise aktiviert. Der Treibstoffmengenregler 24 wird bei Überlandfahrten primär den Treibstoffverbrauch in Abhängigkeit von Steigungen ausgleichen, wobei im Bedarfsfall, also bei größeren Steigungen, der Verbrennungsmotor VB1 automatisch zugeschaltet werden kann. Es steht dann eine Gesamtleistung von ca. 225 kW für das Fahrzeug zur Verfügung (VB1 = 40 kW, VB2 = 160 kW, Leistung des Stromrichters = 25 kW). Mit Rücksicht auf die Kapazität der Batterie wird die Gesamtleistung bei längeren Steigungen in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie entsprechend zurückgenommen.

Bezugszeichenliste

M1Antriebsmotor

1

Antriebsräder

2

Gelenkwelle zwischen (M1) und (

3

)

3

Differential

4

Hinterachse

5

Direktumrichter
GGenerator
VB1Gasmotor
VB2Dieselmotor

6

Summationsgetriebe
NBordnetz
L1, L2elektrische Verbindungsleitungen zwischen (G), (

5

) und (M1)
m11Ständer von (M1)
m12Läufer von (M1)
g1Ständer von (G)
g2Läufer von (G)

7

Hauptachse von (

6

) bzw. Welle von (G)

8

Gelenkwelle zwischen (

7

) und (

9

)

9

Schwungrad

90

Schwungradumformer

91

Welle

92

Lager

93

Lagerschilde

94

,

95

Oberes und unteres Verbindungselement

96

Drehzapfen
f1Drehpfeile

93

a,

93

binnere und äußere Nabe von (

93

)

97

Ballonreifen
f2Drehpfeile
M2Anwurfmotor
BBatterie
L3elektrische Leitung zwischen (B) und (M2)
L4elektr. Leitung zwischen (B) und (SR)
SRStromrichter
L5elektr. Leitung zwischen (L1) und (SR)

50

Stromregeleinrichtung

10

,

11

Geber für Polradlage und Drehzahl

12

Welle von (M1)
b, b_N

Beschleunigung bzw. normierte Beschleunigung
b_max

maximale Beschleunigung
i*Stromsollwert (Mittelwert des Ankerstromes von M1)
i*_max

, i*_N

maximaler bzw. normierter Stromsollwert
DPDruckpunkt des "Gaspedals"
S_P

Weg des "Gaspedals"
S_PN

, S_Pmax

normierter bzw. maximaler Weg des "Gaspedals"
b1 - b4Kennlinien der Beschleunigung b
-b1 - -b4Kennlinien der negativen Beschleunigung bzw. Verzögerung
α_x

, α_x'

Steuerwinkel für (

5

)
iStromistwert (Mittelwert des Ankerstromes von M

1

)

13

Stromregler

14

Funktionsgenerator
i_E

Erregerstrom für (M1)
u*Spannungssollwert für Stromrichter
ΦMagnetfluß bzw. Fluß von (M1)
SP1Summenpunkt am Ausgang von (

15

) und (

15

') für u*= EMK + iR
SP2Summenpunkt am Ausgang von (

13

)
SP3Summenpunkt am Eingang von (

13

) für /i/ + /i*/

15

,

15

',

15

''Multiplizierer

16

,

16

'Addierer

17

Vorzeichengeber für (i*)

18

Funktionsgenerator mit Steuerkennlinie der Stromrichter

19

Memory bzw. Speicher für Steuerwinkel α_x

, α_x

'

20

Vorzeichengeber für (u*)

21

Steuerimpulsgeber
AUAnfahrumrichter

22

Drehzahlregler mit unterlagertem Lade-Entladestrom-Regler
n*Drehzahl-Sollwert für (G) und (

9

)
nDrehzahl-Istwert von (G) bzw. (

9

)

23

Vorsteuereinheit

24

Regler für Treibstoffmenge

25

Addierer
SQStellglied für Treibstoffmenge

26

Treibstoffventil

27

Treibstofftank,

28

Treibstoffleitung
f_M1

Bordnetz-Frequenz der Wechselspannung von (M1)
f_G

Bordnetz-Frequenz der Wechselspannung von (G)

Claims

1. Serieller Hybridantrieb für energiesparenden und umweltschonenden Betrieb von Kraft fahrzeugen, insbesondere Bussen, bei welchem ein hochtouriger Generator von wenigstens einem Verbrennungsmotor antreibbar ist und die dabei erzeugte elektrische Energie in ein Bordnetz einspeisbar ist, aus dem wenigstens ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs über ein - steuerbare Leistungselektronik-Baugruppen umfassendes - Fahrzeugregelsystem mit der zum Starten, Anfahren, Beschleunigen, Fahren mit gleichförmiger Geschwindigkeit, Brem sen etc. erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird, wobei als Energiespeicher minde stens eine vom Bordnetz aufladbare oder in dieses einspeisende elektrische Batterie vorgese hen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der elektrische Generator (G) ist ein Drehstromsynchrongenerator,
b) der Antriebsmotor (M1) ist von der Bauart her ebenfalls eine Synchronmaschine, und zwar bevorzugt eine fremderregte mit großem Feldschwächebereich mit der Ei genschaft eines stufenlosen bzw. gespreizten Getriebes,
c) die zur Versorgung des Antriebsmotors dienende steuerbare Leistungselektronik- Baugruppe ist ein mit steuerbaren Thyristoren ausgerüsteter Direktumrichter (5), der als elektronischer Kommutator der Synchronmaschine des Antriebsmotors (M1) die Betriebsweise einer fremderregten Gleichstrommaschine verleiht,
d) ein Schwungrad (9) ist mit der Welle (7) des Generators (G) gekuppelt und als kinetischer Energiespeicher so ausgelegt, daß es die für das Beschleunigen des Fahrzeugs erforderliche Arbeit abgibt bzw. umgekehrt die beim Verzögern anfallende Arbeit aufnimmt, mit der Folge, daß abhängig vom Fahrzustand des Fahrzeugs Schwungrad (9) und Generator (G) ihre maximale oder minimale Drehzahl oder Zwischenwerte davon annehmen und der Generator (G) in das Bordnetz (N) eine dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz (f_G) und Amplitude einspeist, die vom Direktumrichter (5) in eine dreiphasige Steuerspannung (u) deutlich niedrigerer Frequenz (f_M1 « fG) für den Antriebsmotor (M1) entsprechend einem vorzugebenden Stromsollwert (i*) des Antriebsmotors (M1) umsetzbar ist, wobei der Stromsollwert (i*) dem gewünschten bzw. durch ein Pedal einstellbaren Antriebs- oder Bremsmo ment des Antriebsmotors (M1) analog ist.

2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (M1) eine vierpolige Innenpolmaschine ist.

3. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (M1) mit Feldschwächung im Verhältnis von ca. 1 : 4 arbeitet, wobei das maximale Drehmoment bei ca. ¼ der maximalen Fahrgeschwindigkeit, d. h. bei ca. 25 km/h, zur Verfügung steht.

4. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine automa tische Einleitung der Feldschwächung des Antriebsmotors (M1) abhängig vom Erreichen seiner maximalen inneren Spannung bzw. EMK, wodurch sich bei Konstanthaltung der EMK die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Stromsollwert (i*) ergibt.

5. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) über ein Getriebe (6), vorzugsweise ein Summationsgetriebe, durch einen er sten ankuppelbaren Verbrennungsmotor (VB1) kleinerer Leistung und/oder durch einen zweiten ankuppelbaren Verbrennungsmotor (VB2) größerer Leistung antreibbar ist.

6. Hybridantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verbren nungsmotor (VB1) ein Gasmotor und der zweite Verbrenungsmotor (VB2) ein Dieselmotor ist.

7. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (9) mit der Welle (7) des Generators (G) über eine Gelenkwelle (8) gekuppelt und somit radial zu seiner Achsrichtung beweglich gelagert ist.

8. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (9) quasi-kardanisch gelagert ist und hierzu sein Wellenlager (92) und/oder des sen am Chassis des Fahrzeugs gelagertes Lagergehäuse (93, 94, 95) mit Mitteln zur Ermögli chung einer Auslenkung (f1, f2) der Schwungradwelle (91) in ihrem Kardangelenk (91a, 8a), mit dem sie mit der Gelenkwelle (8) verbunden ist, versehen sind.

9. Hybridantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer inneren und einer äußeren Nabe (93a, 93b) der oder des Lagerschilde(s) (93) mehr oder weniger hart aufblasbare Ballonreifen (97) eingefügt sind.

10. Hybridantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerge häuse (93, 94, 95) des Schwungrades (9), insbesondere je ein oberes und unteres Verbindung selement (94, 95) von zwei beidseits des Schwungrades (9) angeordneten Lagerschilden (93), mittels Drehzapfen (96) am Chassis des Fahrzeugs um eine vertikale Achse drehbar (f1) gelagert ist bzw. sind.

11. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (9) - in Fahrtrichtung des Fahrzeugs gesehen - senkrecht und parallel zur Fahrzeuglängsachse angeordnet und dessen Drehsinn entgegengesetzt zum Drehsinn der Räder des Fahrzeugs bei Vorwärtsfahrt ist, wodurch bei Kurvenfahrt ein Drehimpuls des als Kreisel anzusehenden Schwungrades (9) erzeugt wird, welcher der Fliehkraft bzw. den radial nach außen gerichteten, am Fahrzeug angreifenden Neigungskräften entgegenwirkt

12. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Betriebsdrehzahl des Schwungrades (9) 6000 Umin^-1und seine minimale Betriebs drehzahl 3600 Umin^-1 beträgt.

13. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) eine achtpolige permanent erregte Synchronmaschine ist und die Frequenz der von ihm erzeugten Wechselspannung entsprechend dem für das Schwungrad (9) gewählten Drehzahlbereich einen oberen Wert von ca. 400 Hz und einen unteren Wert von ca. 240 Hz hat.

14. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (M1) auf ein Differential (3) mit Übersetzung von ca. 4,4 arbeitet und daß die maximale Betriebsdrehzahl des Antriebsmotors (M1) ca. 2640 Umin^-1 beträgt, entsprechend einer oberen Frequenz seiner Versorgungsspannung von 88 Hz, wodurch das Verhältnis der niedrigsten Frequenz (f_G) der Generator-Wechselspannung zur Frequenz (f_M1) der Ver sorgungsspannung des Antriebsmotors (M1) nahezu 3 : 1 bzw. ca. 240 Hz zu 88 Hz beträgt.

15. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (B) an das Bordnetz (N) über einen Stromrichter (SR) angeschlossen ist, der die Bat teriegleichspannung in die Bordnetzspannung (Entladevorgang) bzw. die Bordnetzspannung in die Batteriegleichspannung (Ladevorgang) transformiert.

16. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Hochfahren des Bordnetzes (N), also des Generators (G) und des Schwungrades (9), auf eine Mindestdrehzahl von ca. 1500 bis 2000 Umin^-1 ein auf das Getriebe (6) arbeitender, von der Batterie (B) gespeister Anwurfmotor (M2) vorgesehen ist.

17. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Wellen (7) bzw. (12) von Generator (G) bzw. Antriebsmotor (M1) je ein Geber (10) bzw. (12) zur Bestimmung von Polradlage und Drehzahl umlaufen.

18. Betriebsverfahren zur Steuerung eines seriellen Hybridantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Steuerwinkel (α_x) und dessen Komplementärwert (α_x') zur Zündung der in Stern- oder Drehstrombrücken-Schaltung geschalteten Thyristoren des Direktumrichters (5) und die zugehörigen Mittelwerte der Ank erspannung (u) off-line vorausberechnet werden und zusätzlich die Mittelwerte des Anker stromes (i) und der Stromsollwert (i*) in einem Stromegler (13) verglichen werden, welcher den vorausberechneten Mittelwert der Ankerspannung jeweils im überlagerten Sinne kor rigiert.

19. Betriebsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß unter Zugrun delegung der Gleichung
U = E + iR
(U = Klemmenspannung an M1, E = elektromotorische Kraft bzw. EMK, i = Istwert des An kerstromes, R = Widerstand im Ankerstromkreis) ein vom Stromsollwert (i*) abgeleiteter, einen Durchschnitts- bzw. Pegelwert repräsentieren der Spannungssollwert
u* = E + i*R
einem Funktionsgenerator (18) zugeleitet wird, in welchem die Steuerkennlinie u = f (α_x) des Direktumrichters (5), z. B. in Tabellenform, in einem Speicher abgespeichert wurde, wobei (u) ebenfalls einen Spannungs-Durchschnitts- oder -Pegel-Wert darstellt, so daß durch eine zyk lische Abfrage des Speichers, z. B. in einem Zeittakt von 10 ms, bei einer Übereinstimmung des jeweiligen Spannungssollwertes (u*) mit einem der eingespeicherten Spannungswerte (u) sich jeweils der notwendige Steuerwinkel (α_x) oder dessen Komplementärwert (α_x) am Ausgang des Funktionsgenerators (18) ergibt.

20. Betriebsverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils abge leiteten Steuerwinkel (α_x, α_x ^') in einem dem Funktionsgenerator (18) nachgeschalteten Mem ory (19) abgespeichert und von diesem durch einen Steuerimpulsgeber (21) für die Thyristoren des Direktumrichters (5) abgerufen werden.

21. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (M1) mit Rechteckspannung oder trapezförmiger Spannung versorgt wird.

22. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl der richtigen positiven oder negativen Halbwelle der Versorgungsspannung für den Antriebsmotor (M1) am Ausgang des Direktumrichters (5) in Abhängigkeit von der Pol radlage des Antriebsmotors (M1) das richtige Vorzeichen bzw. Signum der Spannung (u*) und der Steuerwinkel (α_x, α_x') im Memory (19) ausgewählt und an den Steuerimpulsgeber (21) weitergegeben werden.

23. Betriebsverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils bei der Umschaltung von positiver zu negativer Halbwelle und umgekehrt, ausgelöst durch Signale des Polradlagegebers (11) des Antriebsmotors (M1), für eine definierte Zeitspanne ein Steuerwinkel von 150° als sog. Wechselrichtertrittgrenze vorgegeben wird, wobei dieser die Versorgungsspannung kurzzeitig auf maximale negative Spannung (Wechselrichterbetrieb) zurückführende Steuerwinkel dem Abbau des noch fließenden Stromes dient, bevor die ent gegengesetzte Spanungshalbwelle zugeschaltet wird.

24. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Geschwindigkeitsbereich "Stadtverkehr" und vorzugsweise auch in einem weiteren Geschwindigkeitsbereich "Überlandverkehr" die Drehzahl des Generators (G) in Ab hängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit so geregelt wird, daß näherungsweise die Gleichung E
_F + E_s = constant
erfüllt ist, wobei E_F die kinetische Energie des Fahrzeugs und E_s die kinetische, gespeicherte Energie des Schwungrades (9) bedeutet.

25. Betriebsverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene Gleichung abschnittsweise im Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 bis ca. 60 km/h ("Stadtverkehr") und im Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 80 bis 100 km/h ("Überlandverkehr") der Drehzahlregelung des Generatoirs (G) zugrundegelegt wird, wogegen die Drehzahl des Generators (G) im Bereich von etwa 60 km/h bis 80 km/h auf ihren maximalen Wert von rund 6000 Umin^-1 geregelt wird.

26. Betriebsverfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß dem ins besondere für den Stadtverkehr vorgesehenen Verbrennungsmotor (VB1) eine mit steigender Fahrgeschwindigkeit zunehmende, vorprogrammierte mittlere, d. h. angenähert bedarfsdeck ende, Treibstoffmenge zugeführt wird, welche einer vorgegebenen Kennlinie (23a) des Kraftstoffsollwertgebers (23) für den Stadtverkehr entspricht, wobei die zur Einhaltung der Soll-Drehzahl des Generators (G)/Schwungrades (9) tatsächlich benötigte Kraftstoffmenge (Kurve 23b) einen Fehlbedarf/Überschuß definiert, welcher durch den Stromrichter (SR) mit tels seines Drehzahlreglers (22) und durch die mit dem Stromrichter (SR) verbundenen Bat terie (B) automatisch ausgeglichen wird.

27. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Drehzahlregelkreis (22, 23) des Generators (G) ein zweiter Drehzahlregelkreis (24) für die Treibstoffmenge (Q) vorgesehen ist, welcher dann freigegeben wird, z. B. durch Freigabe einer Begrenzung (28), wenn der Stromrichter (SR) an seine Leistungsgrenze von z. B. 25 kW stößt, wodurch in Folge zusätzlich zu der als Mittelwert vorgegebenen Treibstoffmenge (23a) die Vorgabe einer weiteren Treibstoffmenge veranlaßt und als additiver Treibstoffmengen-Zusatzsollwert über einen Addierer (25) an ein Stellglied (SQ) für die Treibstoffmenge weitergeleitet wird.

28. Betriebsverfahren nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet durch die sinngemäße Verwendung eines zweiten Treibstoffmengen-Sollwertgebers im Betriebszustand des sogenannten Überlandverkehrs im Geschwindigkeitsbereich von etwa 80 km/h bis 100 km/h, wobei eine vorprogrammierte Kennlinie für den mittleren Teibstoffverbrauch dem Verbrauch des zweiten Verbrennungsmotors (VB2) angepaßt ist und den Drehzahlregelkreisen (22, 24) entsprechende Drehzahlregelkreise vorgesehen sind.

29. Anwendung des Betriebsverfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 28 auf die Steuerung/Regelung von Elektrofahrzeugen aller Art bei Speisung aus einem bordeigenen Drehstromgenerator hoher Drehzahl bei Frequenzwerten von ca. 300 Hz bis zu Werten, die über 1000 Hz hinausgehen.