DE4142863A1 - Nicht-spurgebundenes fahrzeug mit elektromotor-antrieb und nutzbremsung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit mindestens einem Elektromotor, der das Fahrzeug an­ treibt und über eine Leistungselektronik-Einheit von einem elektrischen Generator und/oder einem elektrischen Speicher mit Strom gespeist wird, mit einer Steuerung, und mit einer mittels Bremspedal betätigten Bremsanlage.

Üblicherweise sind Kraftfahrzeuge, also Personenkraft­ wagen, Lastkraftwagen, Busse und dergleichen, mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet. In jüngerer Zeit sind auch Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb ent­ wickelt worden, darunter auch sogenannte Fahrzeuge mit Solarantrieb, d. h. Fotozellen, die den Strom für den Antriebs-Elektromotor liefern.

Elektrofahrzeuge mit reinem Batteriebetrieb sind jedoch nur in sehr engen Grenzen einsetzbar, da der elektrische Speicher (Akkumulator) sehr voluminös und schwer ist, wenn man die speicherbare Energie und entsprechend die Fahrleistungen berücksichtigt.

In jüngerer Zeit wurde ein Antriebskonzept vorgeschlagen, bei dem ein Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, der Elektromotoren speist, wel­ che direkt mit den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs gekoppelt sind. Sieht man dazu noch einen Speicher, z. B. ein Schwungrad, als mechanischen Energiespeicher vor, so kann man die kurzfristig zur Verfügung zu stellen­ de Beschleunigungsleistung aus dem Energiespeicher abru­ fen, während der Verbrennungsmotor mit mehr oder weniger konstanter Drehzahl arbeitet, um laufend Energie in den Schwungrad-Energiespeicher einzuspeisen.

Fahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb haben ein grundsätzlich anderes Fahrverhalten als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb. Während bei Verbrennungsmo­ toren nur ein sehr geringer Drehzahlbereich mit relativ hohem Drehmoment zur Verfügung steht, ist die Änderung des Drehmoments beim Elektromotor weniger stark von der Drehzahl abhängig.

Bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor-Antrieb nimmt die Drehzahl des Verbrennungsmotors bei minimaler Kraft­ stoffzufuhr bis auf einen geringen Wert ab oder bei vollständig abgeschalteter Kraftstoffzufuhr wird ein der mechanischen Reibung des Verbrennungsmotors entsprechen­ des Bremsmoment erzeugt. Naturgemäß sind bei der Abbremsung eines Fahrzeugs größere Bremskräfte erforderlich, die über ein Bremspedal aufgebracht und gegebenenfalls über einen Bremskraftverstärker verstärkt und an den Bremsscheiben größtenteils durch Reibung in Wärme umgesetzt werden. Bei Schienenfahrzeugen mit elektromotorischem Antrieb ist es üblich, den Elektromotor beim Bremsvor­ gang als Generator zu betreiben, um die dann induzier­ te elektrische Energie über Widerstände als Heizenergie zu nutzen. Bei nicht-spurgebundenen Fahrzeugen, die mit einem elektromotorischem Antrieb ausgestattet sind, kann man ebenfalls an eine derartige Nutzbremsung denken. Allerdings sind damit die Möglichkeiten eines elektromo­ torischen Antriebs noch nicht ausgeschöpft, da bei einem modernen elektromotorischen Antrieb üblicherweise eine Steuerungselektronik und eine Leistungselektronik vor­ handen sind, die eine über die Nutzung der Bremsenergie als Heizenergie hinausgehende Nutzung der beim Bremsvor­ gang anfallenden Energie gestatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem im Hin­ blick auf einen möglichst geringen Energieverbrauch ebenso wie im Hinblick auf eine möglichst effiziente Ausnutzung gegebener Bauelemente des Fahrzeugs ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand die in einem Fahr­ zeug in bestimmten Phasen anfallende Energie wirksam genutzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Fahrzeug der genannten Art dadurch gelöst, daß ein Verzögerungssensor vorge­ sehen ist, mit dem ein schiebender Zustand des Fahr­ zeugs erkennbar ist, und daß bei schiebendem Fahrzeug der Elektromotor von der Steuerung als Generator ge­ schaltet wird, wobei die Steuerung die von dem Elektro­ motor im Generatorbetrieb gelieferte Energie über die Leistungselektronik-Einheit als Nutzenergie bereitstellt und mindestens einem Verbraucher zuführt.

Der erfindungsgemäße Vorschlag geht also über das von Schienenfahrzeugen bekannte Prinzip der Nutzung der beim Bremsvorgang anfallenden Energie hinaus und sieht ein exaktes Erfassen eines schiebenden Zustands des Fahrzeugs vor, um in diesem Fall über die bereits bei dem Fahrzeug vorhandene Leistungselektronik-Einheit elektrische Energie aus den dann als Generatoren arbei­ tenden Elektromotoren abzunehmen, um sie als Nutzener­ gie allgemein verfügbar zu machen.

Hierzu sieht die Erfindung speziell vor, daß die Nutz­ energie

• a) zum Antrieb von Nebenaggregaten, insbesondere Lüfter, Klimaanlagenkompressor, Kühlmittelpumpe und dergleichen, und/oder
• b) zum Aufladen des elektrischen Speichers (14) und/oder
• c) zum Heizen des Fahrgastraums und/oder
• d) zum Versorgen elektrischer Verbraucher wie Licht, heiz­ bare Heckscheibe oder dergleichen

verwendet wird.

Die Erfindung läßt sich mit besonders guter Wirkung bei einem Fahrzeug einsetzen, bei welchem für den Antrieb eine Verbrennungsmotor-Generator-Einheit vorgesehen ist. Wenn in Verbindung mit einer solchen Verbrennungsmotor-Generator- Einheit ein elektrischer Speicher (Akkumulator) verfügbar ist, aus dem auch für den Fahrzeugantrieb Energie abgezo­ gen werden kann, so schafft die Erfindung ein Mittel, mit dem der gesamte Energiehaushalt des Fahrzeugs optimier­ bar ist.

Bei einem Fahrzeug mit der oben erwähnten Verbrennungs­ motor-Generator-Einheit sieht die Erfindung vor, daß zum Heizen des Fahrgastraums elektrische Widerstände in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors integriert sind. Da­ mit werden im wesentlichen zwei wichtige Ziele erreicht:. Wenn keine Beheizung des Fahrgastraums erforderlich ist, wird der Verbrennungsmotor, der bei einem Fahrzeug der hier in Rede stehenden Art, bei relativ niedrigen Dreh­ zahlen arbeitet, rasch auf die optimale Betriebs­ temperatur gebracht, wobei außerdem die beim Bremsvorgang anfallende elektrische Energie durch die Widerstände in Wärme umgesetzt und diese gut abgeführt wird. Da sich die Widerstände im Kühlkreislauf befinden, wird die beim Bremsvorgang anfallende Wärmeenergie gut abgelei­ tet. Bei niedrigen Außentemperaturen, wenn der Fahrgastraum geheizt werden muß, wird die Wärme aus dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors abgeleitet. Wenn man nun daran denkt, daß der Verbrennungsmotor beispielsweise im Stadtbetrieb nur intermittierend arbeitet, hauptsächlich aber die Antriebsenergie aus einem Akkumulator entnommen wird, so kann dennoch eine wirksame Beheizung des Fahrgast­ raums durch die anfallende Bremsenergie zur Verfügung gestellt werden.

Wenn bei einem Fahrzeug mit Akkumulator-Energiequelle für den Antrieb der Akkumulator vollständig aufgeladen ist und der Verbrennungsmotor im Stadtverkehr abge­ schaltet ist, so wird die bei jedem Beschleunigungs­ vorgang benötigte Energie aus dem Akkumulator abgezo­ gen, bei einem Bremsvorgang kann die dann durch den Generatorbetrieb des Antriebs-Elektromotors gewonnene Energie in den Akkumulator zurückgespeichert werden, es kann jedoch auch ein Teil der Energie direkt für bestimmte Verbraucher, z. B. die beheizbare Heck­ scheibe, Beleuchtung und dergleichen, genutzt werden.

Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten und hoher Fahrzeugmasse erfolgt die Abbremsung des Fahrzeugs durch Betreiben der Antriebs-Elektromotoren als Gene­ ratoren nur mit einem begrenzten Bremsmoment bzw. mit einer begrenzten Bremskraft. Nun gibt es aber be­ kanntlich eine ideale Bremskraftverteilung zwischen Vorder­ und Hinterachse als Funktion der Abbremsung, das ist der kürzeste Bremsweg in Abhängigkeit der Abbremsung. Der kürzeste Bremsweg ist ist eine nicht-lineare Funktion der Abbremsung und definiert in etwa den Grenzbereich zwischen Bremssta­ bilität und Bremsinstabilität. Durch den Generator­ betrieb beim Bremsvorgang wird dieser Grenzwert in al­ ler Regel noch nicht erreicht, d. h. das auf die Räder aufgebrachte Bremsmoment ist nicht so stark, daß die Räder auch nur annähernd zum Blockieren neigen, trockene Fahrbahn vorausgesetzt. Ein sehr kurzer Bremsweg setzt aber voraus, daß die Räder so weit abgebremst werden, daß sie fast blockieren.

Bei den bisher üblichen Bremspedalen wirkte auf einen Bremskraftverstärker ein Gestänge, so daß abhängig von dem Pedalweg eine mehr oder weniger starke Brems­ kraft auf die Bremsen der Räder ausgeübt wurde. Wenn man erfindungsgemäß den Verzögerungssensor als vorzugs­ weise mit dem Bremspedal gekoppelten Stellungssensor ausbildet, insbesondere als Potentiometer, der an die Steuerung des Fahrzeugs angeschlossen ist, so läßt sich mit Hilfe der Steuerung in Abhängigkeit der Bremspedal­ stellung eine vergleichsweise optimierte Bremskraftvertei­ lung im Sinne einer optimalen Verkürzung des Bremswegs erreichen.

Außer der gezielten Abbremsung des Fahrzeugs kommt für die Gewinnung von nutzbarer elektrischer Energie auch noch ein schiebender Zustand des Fahrzeugs in Betracht, der allein durch Loslassen des Fahrpedals "Gaspedals") erreicht wird.

Um nun die durch Schalten des Elektromotors als Generator erreichbare Bremsenergie noch zu erhöhen, sieht die Er­ findung vor, daß zusätzlich zu einer mechanisch-hydrauli­ schen Bremsanlage eine elektrische Wirbelstrom-Bremsanlage vorgesehen ist, die bei einem Bremsvorgang von dem in Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor gespeist wird. Mithin stehen bei dieser Variante insgesamt drei Möglich­ keiten zur Verfügung, eine Abbremsung des Fahrzeugs zu bewirken: 1. erfolgt eine Abbremsung durch Schalten des Antriebs-Elektromotors als Generator, 2. kann eine Abbrem­ sung durch eine (übliche) mechanisch-hydraulische Brems­ anlage erfolgen, und 3. wird bei einem Bremsvorgang die elektrische Wirbelstrombremse mit Strom gespeist.

Das Speisen der elektrischen Wirbelstrombremse beim Brems­ vorgang ist hier deshalb besonders günstig, weil der zum Speisen der Wirbelstrombremse benötigte elektrische Strom von dem dann als Generator arbeitenden Elektromotor gelie­ fert wird.

Die elektrische Wirbelstrombremse hat außerdem den be­ trächtlichen Vorteil, daß ein an das Fahrzeug gekoppel­ ter Anhänger wirksam abgebremst werden kann, ohne daß dies - wie bisher - ausschließlich mittels mechanischer Bremsung erfolgen muß.

Wie oben angedeutet, kann durch die Abbremsung des Fahr­ zeugs aufgrund des Generatorbetriebs der Elektromotoren keine Bremskraft erzeugt werden, die einen kürzeren Bremsweg gewährleistet. Auch mit Hilfe einer zusätzli­ chen Wirbelstrombremse wird möglicherweise noch nicht genügend Bremskraft bereitgestellt. Deshalb ist als Sicherungsmaßnahme gemäß der Erfindung vorgesehen, daß gleichsam als Reserve noch eine grundsätzlich konven­ tionell ausgebildete mechanisch-hydraulische Bremsan­ lage vorhanden ist. Hierbei ergibt sich nun zunächst das Problem, daß eine Bremsung mit einem einzigen Brems­ pedal ausgeführt werden muß, da dies allgemein üblich ist und der Fahrer kaum rasch auf ein neues grundsätz­ liches Bremsbetätigungssystem umgestellt werden könnte.

Im Hinblick darauf schafft die Erfindung eine selbstän­ dig geschützte Bremseinrichtung in Verbindung mit einer elektrisch oder elektronisch gesteuerten Bremsanlage eines nicht-spurgebundenen Fahrzeugs, insbesondere für ein Fahrzeug nach der eingangs genannten Art, wobei er­ findungsgemäß ein elektrischer Bremspedal-Weggeber vor­ gesehen ist. Wie oben bereits angedeutet, wird durch den Weggeber eindeutig festgelegt, welche Bremskraft von dem Fahrer gewünscht ist, wobei hierzu möglicherweise noch ein Widerstand in Form einer Feder mit dem Brems­ pedal gekoppelt sein sollte. Wenn der Fahrer das Brems­ pedal nur etwas durchdrückt, erfolgt eine schwache Bremsung. Bis zu einer gegebenen Sollstellung kann dann die Bremskraft zunehmend gesteigert werden und bei einem bestimmten Bremspedalweg ergibt sich dann die größte Bremskraft, die sich mit Hilfe der Steuerung so einstel­ len läßt, daß der kürzeste Bremsweg erreicht wird.

Mit Hilfe eines Beschleunigssensors kann man die Verzö­ gerung des Fahrzeugs bei einem Bremsvorgang ermitteln. Als Beschleunigungssensor können auch Drehzahlsensoren an den Antriebs-Elektromotoren dienen. Eine Abnahme der Winkelgeschwindigkeit der Rotoren der Elektromotoren kennzeichnet die Verzögerung des Fahrzeugs, nicht­ blockierende Räder vorausgesetzt. Abhängig von der Fahr­ zeugverzögerung kann man die Bremskraftverteilung auf die Vorderachse und die Hinterachse dann so vornehmen, daß tatsächlich der kürzeste Bremsweg realisiert wird. Dabei läßt sich gleichzeitig eine maximale Bremsstabi­ lität erreichen.

Wie oben angedeutet, ist aus Sicherheitsgründen bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug noch eine konventionelle mechanisch-hydraulische Bremsanlage vorhanden. Diese muß mit dem gleichen Bremspedal aktiviert werden, wie die elektrische bzw. elektronische Bremsung des Fahr­ zeugs. Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß die Brems­ einrichtung mechanisch mit einem Bremskraftverstärker einer mechanisch-hydraulischen Bremsanlage gekoppelt ist, wobei der Bremspedal-Weggeber auf einen Brems­ pedal-Vorweg anspricht und für eine elektronisch gesteuerte Bremsmoment- oder Bremskrafteinstellung ein Führungssignal liefert, und im Anschluß an den Bremspedal-Vorweg die mechanisch-hydraulische Brems­ anlage anspricht. Hierbei kann man an dem Punkt des Übergangs zwischen Betätigung der elektronischen Bremse und der mechanisch-hydraulischen Bremse einen vom Fahrer taktil erfaßbaren Punkt, z. B. eine plötz­ lich einsetzende Vergrößerung des Pedalwiderstands, vorsehen. Wenn das Bremspedal so weit durchgedrückt wird, daß es einer maximalen Bremsleistung durch die elektronischen Bremsanlagenkomponenten entspricht, wird bei einer noch weitergehenden Betätigung des Bremspedals schließlich die mechanisch-hydraulische Bremsanlage betätigt. Durch ein ausreichend starkes Durchtreten des Bremspedals kann man also auf jeden Fall eine gewünschte Bremsung erreichen, auch in dem Fall, daß einzelne Teile der elektronischen Anlage ausfal­ len sollten.

Damit der Fahrer das richtige Gefühl für das Ausmaß der auf die Räder einwirkenden Bremskraft erhält, sieht die Erfindung vor, daß an das Brems­ pedal ein wegabhängig arbeitendes mechanisches Wider­ standselement gekoppelt ist. Dieses kann ein Hystere­ se-Element aufweisen, insbesondere ein Reibungsglied. Ein solches Hysterese-Element ist wichtig, um bei einem einmal eingestellten Bremspedalweg die dann er­ zielbare Bremskraft auch beizubehalten, wenn die auf das Bremspedal aufgebrachte Kraft etwas abnimmt.

Wie oben angegeben, kann zur Erzielung einer 100%igen Bremskraft möglicherweise eine mechanisch-hydraulische Bremseinrichtung notwendig sein, vorzugsweise wird erfindungsgemäß jedoch die rein elektronisch gesteu­ erte Anlage für 100% des maximalen Bremsmoments aus­ gelegt, sofern dies die Leistungsmerkmale der als Generatoren betriebenen Elektromotoren unter Berück­ sichtigung der notwendigen achsweisen Bremskräfte für optimale Abbremsung zulassen, wobei u. U. eine starke Wirbelstrombremse vorgesehen sein kann.

Speziell bei einer elektronisch gesteuerten Bremsanlage, die bis 100% des maximal erforderlichen Bremsmoments liefert, aber auch bei kleineren Bremskräften läßt sich ein im folgenden näher erläutertes Verfahren einsetzen, welches ein völlig ruckfreies Anhalten des Fahrzeugs gestattet, ohne daß der Fahrer hierzu das Bremspedal besonders feinfühlig betätigen müßte.

Die Erfindung schafft dazu ein Verfahren zum Abbremsen eines mit einer elektrischen Bremsanlage ausgerüsteten, nicht-spurgebundes Fahrzeugs, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und insbesondere unter Verwendung einer Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa konstant gehaltenem Bremspedalweg die Fahrzeug­ geschwindigkeit erfaßt wird, kurz vor Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" z. B. bei 1. . .3 km/h, die Bremskraft auf einen Minimalwert (auf ebener Fahrbahn z. B. den Wert "0") heruntergeregelt wird und daß bei Erkennen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" die Bremskraft sprunghaft wieder auf einen Wert erhöht wird, bei dem das Fahrzeug im Stillstand gehalten werden kann.

Dieses Verfahren gewährleistet ein praktisch völlig ruckfreies Abbremsen, ohne daß hierzu der Fahrer be­ sonders viel Feingefühl beim Betätigen des Bremspedals aufbringen muß. Üblicherweise erfolgt das ruckende Anhalten eines Fahrzeugs aufgrund des Übergangs zwi­ schen Gleitreibung in Haftreibung an den Bremsscheiben oder Bremsklötzen. Durch das kontinuierliche Herunter­ regeln der Bremskraft ist im Moment des Anhaltens des Fahrzeugs die Gleitreibung praktisch null. Wenn das Fahrzeug stillsteht, werden die Bremsen durch sprung­ haftes Erhöhen der Bremskraft wieder angedrückt oder angezogen, so daß das Fahrzeug nicht wegrollen kann.

Es ist bekannt, daß die Bremskraftverteilung auf Vorder­ achse und Hinterachse in Abhängigkeit der Abbremsung zur Gewährleistung der Bremsstabilität einer nicht-linearen Funktion entspricht. Diese bekannte Beziehung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Abbremsung z errechnet sich aus der Beziehung

wobei die Verzögerung des Fahrzeugs und g die Erdbe­ schleunigung ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, muß zur Gewährleistung der Bremsstabilität die auf die Räder der Vorderachse aufgebrachte Bremskraft B_V bei höheren Werten von z gegenüber der auf die Räder der Hinterachse aufgebrachten Bremskraft B_h relativ erhöht wer­ den. Der schraffierte Bereich oben links in Fig. 6 ist der Bereich, in dem die Bremsstabilität gewährleistet ist, troc­ kener Fahrbahnbelag vorausgesetzt. Im übrigen Bereich besteht Bremsinstabilität.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun vorgesehen, daß die Bremskraft oder das Bremsmoment für die Vorder- bzw. die Hinterachse von einer elektronischen Steuerung, vorzugsweise von der ohnehin in dem oben näher erläuterten Fahrzeug vor­ handenen elektronischen Steuerung, abhängig von der Abbremsung z verteilt wird. Der Bereich, in welchem die Bremskraftverteilung auf die Räder der Vorderachse bzw. die der Hinterachse erfolgt, reicht von etwa 1,5 bis etwa 3,5.

Die Beschleunigung bzw. die Verzögerung des Fahrzeugs läßt sich bei dem oben erläuterten Fahrzeug anhand der zeitlichen Änderung der Drehzahlen der die Räder antreibenden Elektromotoren relativ einfach erfassen. Vorzugsweise wird jedoch ein separater Beschleuni­ gungssensor des Fahrzeugs verwendet, wobei in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen dieses eine Längsbeschleunigung oder eine Längsverzögerung erfassenden Beschleunigungssensors die Bremskraftverteilung laufend aktualisiert wird.

Damit läßt sich die Bremskraft so verteilen, daß auf jeden Fall die erforderliche Bremsstabilität gemäß Fig. 6 erreicht wird. Bei einer "Vollbremsung" kann man mit der richtigen Bremskraftverteilung einen optimal kurzen Bremsweg erzielen, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß das Fahrzeug aus­ bricht, weil z. B. die Bremskraftverteilung nicht den gemäß Fig. 6 definierten Bedingungen entspricht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kraft­ fahrzeugs mit elektromotorischem Einzel­ antrieb an vier Rädern,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Brems­ einrichtung gem. der Erfindung,

Fig. 3 die Abhängigkeit der vom Fahrer beim Be­ tätigen des Bremspedals gespürten "Pseu­ dobremskraft" von dem Bremspedalweg,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Bremskraft vom Brems­ pedalweg,

Fig. 5 eine grafische Darstellung, die den Brems­ kraftverlauf in Abhängigkeit der Fahrge­ schwindigkeit beim Anhalten des erfindungs­ gemäßen Fahrzeugs veranschaulicht, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Bremskraftver­ teilung in Abhängigkeit der Abbremsung zur Gewährleistung der Bremsstabilität.

In Fig. 1 ist ein als ganzes mit 2 bezeichnetes Fahr­ zeug dargestellt, welches vier einzeln mittels Elektro­ motoren 6a . . . 6d angetriebene Räder 4a . . . 4d besitzt. Den Elektromotoren 6a, 6b . . . wird von einer Verbrennungsmotor- Generator-Einheit (VGE) 10 über einen als Leistungselek­ tronik-Einheit 8 ausgebildeten Energieverteiler Strom zu­ geführt, und zwar über Stromversorgungsleitungen L1, L2 für die Vorderräder 4a und 4b und Leitungen L3 und L4 für die Hinterräder 4c bzw. 4d.

Eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete elektronische Steuerung 12 empfängt von den Elektromotoren 6a . . . 6d Dreh­ zahlsignale, und empfängt außerdem von hier nicht dargestellten Sensoren weitere Signale, die kennzeichnend sind für den Betrieb der VGE 10, den Zustand der Elektromotoren 6a . . . 6d, die Stellung eines nicht dargestellten Fahrhebels und dergleichen. Abhängig von der Stellung des Fahrhebels wird durch die VGE 10 eine bestimmte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt, die über die Leistungselektronik-Ein­ heit 8 nach Maßgabe der elektronischen Steuerung 12 an die Elektromotoren 6a . . . 6d gegeben wird.

Als zusätzliche Energiequelle steht ein Akkumulator 11 zur Verfügung, aus dem Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs 2 wie für weitere Zwecke entnommen werden kann. Auch ist ein Speichern von Energie in dem Akkumulator 11 möglich. Hier­ zu wird der Ladezustand des Akkumulators 11 von einem Sen­ sor erfaßt und der Steuerung 12 signalisiert, die gegebe­ nenfalls die VGE 10 veranlaßt, elektrische Energie über die Leistungselektronik-Einheit 8 in den Akkumulator 11 einzuspeisen. Die VGE 10 besitzt einen Verbrennungsmotor, z. B. einen Otto-Motor, und einen elektrischen Generator mit vorzugsweise elektronischer Kommutierung.

Rechts in Fig. 1 ist schematisch ein Bremspedal 14 angedeu­ tet, welches vom Fuß des Fahrers des Fahrzeugs 2 betätigt wird. Der Pedalweg des Pedals 14 wird von einem als Weg­ geber fungierenden Potentiometer 16 erfaßt, ein entspre­ chendes Signal wird von dem Potentiometer 16 an die Steue­ rung 12 geliefert. Mechanisch ist das Bremspedal 14 mit einer Bremszylinder/Bremskraftverstärker-Einheit 20 ge­ koppelt, die in an sich bekannter Weise über Hydraulik­ leitungen B Bremskraft auf hier nicht dargestellte Brems­ zylinder an Bremsen der vier Räder 4a . . . 4d überträgt.

Wenn das Fahrzeug 2 abgebremst wird, indem das Bremspedal 14 vom Fahrer ein Stück bewegt wird, wird dies von der Steuerung 12 über das Potentiometer 16 erfaßt. Die Steue­ rung 12 veranlaßt daraufhin, daß die Elektromotoren 6a . . . 6d auf Generatorbetrieb umgeschaltet werden. Da­ durch setzen die Elektromotoren 6a . . . 6d der Drehbewe­ gung der mit ihnen direkt gekoppelten Räder 4a . . . 4d einen Widerstand entgegen. Über die Leitungen L1 . . . L4 wird nun elektrische Energie von den Elektromotoren 4a . . . 4d an die Leistungselektronik-Einheit 8 geliefert, von wo aus die Energie verteilt wird. Erfindungsgemäß kann die beim Bremsbetrieb anfallende elektrische Ener­ gie in den Akkumulator 11 eingespeichert werden, sie kann in elektrische Widerstandselemente eingeleitet werden, in denen sie in Wärmeenergie umgesetzt wird, sie kann Nebenaggregaten, z. B. einem Lüfter, einem Kompressor für eine Klimaanlage oder dergleichen, zugeleitet werden, oder die aus dem Bremsvorgang ge­ wonnene elektrische Energie kann direkt elektrischen Verbrauchern zugeleitet werden, z. B. der Beleuchtungs­ anlage des Fahrzeugs.

Das Verteilen der Energie geschieht grundsätzlich durch die Steuerung 12. Hierzu ist die Steuerung 12 mit den verschiedenen Bauelementen und Baugruppen über Sig­ nalleitungen verbunden, die in Fig. 1 gestrichelt dar­ gestellt sind. Aus Gründen der besseren Übersichtlich­ keit sind die Signalleitungen zu den hinteren Elektro­ motoren 6c und 6d nicht dargestellt.

Zusätzlich zu der Abbremsung durch das Schalten der Elektromotoren 6a . . . 6d auf Generatorbetrieb erfolgt eine weitere Aufbringung einer Bremskraft über Wir­ belstrombremsen 18a . . . 18d, von denen jeweils eine mit einer Antriebswelle eines Elektromotors 6a . . . 6d gekop­ pelt ist. In Fig. 1 sind die Wirbelstrombremsen sche­ matisch dargestellt. Sie erhalten elektrischen Strom von der VGE 10 über Leitungen L₅, von denen lediglich eine dargestellt ist.

Aus den Drehzahlen der Elektromotoren 6a . . . 6d kann die Steuerung 12 die momentane Längsverzögerung des Fahr­ zeugs ermitteln. Hieraus wiederum kann die Steuerung 12 eine Bremskraftverteilung für die vorderen Elektromoto­ ren 6a und 6b und die vorderen Wirbelstrombremsen 18a und 18b ebenso berechnen, wie für die hinteren Elektro­ motoren 6c und 6d und die hinteren Wirbelstrombremsen 18c und 18d. Damit läßt sich eine optimale Bremswir­ kung erreichen, d. h. der kürzeste Bremsweg.

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, umfaßt die Bremseinrichtung zwei Elemente, nämlich einmal einen elektrischen oder elektronischen Bremspedal-Weggeber 16 z. B. in Form eines Potentiometers und außerdem die übliche Mechanik, um über einen Bremskraftverstärker und einen Bremszylinder die benötigte hydraulische Energie für die üblichen Scheibenbremsen oder Trommelbremsen an den einzelnen Fahrzeugrädern 4a . . . 4d bereitzustellen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Bremseinrichtung gemäß der Erfindung im einzelnen.

An das Bremspedal 14 ist im Bereich seines Drehpunkts ein Reibungsglied 22 angebracht, außerdem ist dort ein als Potentiometer 16 ausgebildeter Weggeber vorhanden. Dieser Weggeber 16 liefert an die Steuerung (Fig. 1) ein Signal, welches kennzeichnend ist für das Ausmaß der Bremspedalbewegung. Um der Bremspedalbewegung einen Widerstand entgegen zu setzen, ist an dessen einem Ende eine Zugfeder 24 vorgesehen. Je weiter das Bremspedal durchgedrückt wird, desto größer ist die durch die Feder 24 bedingte Widerstandskraft. Hierdurch hat der Fahrer das Gefühl für eine "Pseudobremskraft".

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit dieser "Pseudobremskraft" von dem Bremspedalweg. Bei einem Hub des Bremspedals von 50% des Maximalhubs ist die Pseudobremskraft als degressive Kennlinie dargestellt, andere, stetig zunehmende Kennlinien (z. B. progressiv, linear) sind ebenfalls denkbar. Man erkennt die Form einer Hystere­ se. Nach dem Durchdrücken des Bremspedals um beispielsweise 50% des maximalen Pedalwegs kann der Fahrer seinen Druck auf das Bremspedal wieder etwas vermindern, ohne daß dadurch die wirksame Bremskraft abnimmt. Dies wird durch das Reibungsele­ ment 22 erreicht, das verhindert, daß bei geringfügig nach­ lassendem Druck auf das Bremspedal dieses sich bereits wieder zurückbewegt.

Mit dem Pedal 14 ist eine Kolbenstange 26 gekoppelt, die in eine Sackbohrung eines Stößels 32 eingreift. Das Pedal 14 kann entsprechend dem Betrag X der Kolbenstan­ ge 26 bewegt werden, ohne daß sich dabei der Stößel 32 bewegt. Der Stößel 32 ist von einem Balg umgeben. Erst dann, wenn das vordere Ende der Kolbenstange 26 am Bo­ den 28 der Sackbohrung anschlägt, wird durch das Pedal 14 Kraft auf den Stößel 32 aufgebracht. So kann beispiels­ weise in der oben angesprochenen Weise der sogenannte Bremspedal-Vorweg ausgeführt werden.

Der Stößel 32 wirkt gegen die Kraft einer Rückstell­ feder 34 auf einen Bremskraftverstärker 40, in dem in üblicher Weise eine Bremskraftverstärkung stattfindet. Links in Fig. 2 sind der Bremsflüssigkeitsbehälter 44 und der Bremszylinder 42 sowie zwei Bremsleitungen B dargestellt.

Beim Betätigen des Bremspedals 14 wird also zunächst einmal lediglich das elektrische Wegsignal von dem Weggeber-Potentiometer 16 erzeugt, ohne daß sich der Stößel 32 bewegt. Damit ist während des Bremspedal-Vor­ weges X lediglich die elektrische oder elektronische Bremseinrichtung aktiviert. Der Weg X ist hier auf 50% des gesamten Pedalwegs eingestellt. Andere Werte sind möglich. Erst wenn dieser Bremspedal-Vorweg durchlaufen ist, bewegt sich der Stößel 32, so daß dann die konventionelle mechanisch-hydraulische, Bremse betätigt wird.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Bremskraft bzw. Bremsmoment und Bremspedalweg. Wenn, wie oben erläu­ tert wurde, das Bremspedal bis 50% des maximalen Bremspedalwegs durchgedrückt wird, erfolgt lediglich eine elektrische bzw. elektronische Steuerung des Bremsvorgangs. Dies entspricht der Kurve "1" in Fig. 4. Erst anschließend wird bei weiterem Durch­ drücken des Bremspedals 14 die mechanisch-hydraulische Bremseinrichtung betätigt. Dies entspricht der in Fig. 4 dargestellten rechten, ausgezogenen Linie.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die durch die elektri­ sche Bremsung erreichte Bremskraft 100% der verfügba­ ren Bremskraft bereitstellen kann. Diese Bremskraft wird also durch den generatorischen Betrieb der Elek­ tromotoren 6a . . . 6d und durch den Betrieb der Wirbel­ strombremsen 18a . . . 18d erreicht. Die Energie für die Wirbelstrombremsen 18a . . . 18d kann direkt die durch den Generatorbetrieb der Elektromotoren 6a . . . 6d ge­ wonnene elektrische Energie sein. Alternativ oder zu­ sätzlich kann die Energie auch von der VGE 10 und/oder von dem Akkumulator 14 für die Wirbelstrombrem­ sung bereitgestellt werden.

In Fig. 4 ist mit "2" der Verlauf der Bremskraft in Abhängigkeit des Bremspedalwegs dargestellt für eine herkömmliche mechanisch-hydraulische Bremsanlage.

Anhand von Fig. 5 soll im folgenden ein Verfahren zum ruckfreien Anhalten des Fahrzeugs beschrieben werden. Wenn beispielsweise das Bremspedal zu 50% durchgetre­ ten ist, so daß über die elektronische Bremsung 100% der Bremskraft erzeugt werden, so wird unter gleich­ zeitiger Überwachung der Fahrzeuggeschwindigkeit zu­ nächst die volle Bremskraft so lange aufgebracht, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen Wert nahe bei Null, beispielsweise 0,5 km/h abgenommen hat.

Dann wird die Bremskraft sehr schnell her­ untergeregelt, so daß sie bei Erreichen der Fahrzeug­ geschwindigkeit "0" auch z. B. den Wert "0" erreicht. Da beim Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" keine Bremskraft mehr aufgebracht wird, erfolgt auch kein Rucken des Fahrzeugs, welches bei herkömmlichen Brems­ anlagen durch den Übergang zwischen Gleitreibung und Haftreibung an den Bremsscheiben entsteht. Um das Fahrzeug nicht wegrollen zu lassen, wird nach Errei­ chen des Fahrzeugstillstands (Fahrgeschwindigkeit ≈0) die Bremskraft sprunghaft auf einen gewissen Wert erhöht, der unterhalb der zuvor beim Abbremsen des Fahrzeugs aufgebrachten Bremskraft liegen kann, um lediglich das Fahrzeug in der gegebenen Stellung (Steigung!) zu halten.

In Fig. 5 sind noch weitere Kennlinien "2" und "3" für das Anhalten des Fahrzeugs bei niedrigerer Brems­ kraft dargestellt.

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird eine Gesamt­ energieersparnis beim Betrieb eines mit einem Elektro­ motor angetriebenen Fahrzeugs erreicht. Außerdem bie­ ten sich durch die Kombination eines "elektrischen" Bremspedals mit einem herkömmlichen, also mechanisch­ hydraulisch wirkendem Bremspedal, eine Reihe von Mög­ lichkeiten, die Abbremsung des Fahrzeugs nutzbrin­ gend und gleichzeitig sehr sanft vorzunehmen.

Abweichungen von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind möglich. Z.B. kann die Zugfeder 24 durch ein Elastomer­ teil oder ähnliche Eigenschaften aufweisendes Element ersetzt werden.

Claims (18)

1. Nicht-spurgebundenes Fahrzeug (2) mit mindestens einem Elektromotor (6), der das Fahrzeug (2) antreibt und über eine Leistungselektronik-Einheit (8) von einem elektrischen Generator (10) und/oder einem elektrischen Speicher (11) mit Strom gespeist wird, mit einer Steuerung (12), und mit einer mittels Bremspedal (14) betätigten Bremsanlage (20), dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungssensor (16) vorgesehen ist, mit dem ein Abbremsen des Fahrzeugs (2) erkenn­ bar ist, daß bei abbremsendem Fahrzeug der Elektromotor (6a . . . 6d) von der Steuerung (12) als Generator geschal­ tet wird, und daß die Steuerung (12) die von dem Elektromotor (6a . . . 6d) im Generatorbetrieb gelieferte Energie über die Leistungselektronik-Einheit (8) als Nutzenergie bereitstellt und mindestens einem Verbraucher zuführt.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzenergie

• a) zum Antrieb von Nebenaggregaten, insbesondere Lüfter, Kühlmittelpumpe, Klimaanlagen-Kompressor oder derglei­ chen, oder/und
• b) zum Aufladen des elektrischen Speichers (11), oder/und
• c) zum Heizen des Fahrgastraums, oder/und
• d) zum Versorgen elektrischer Verbraucher wie Licht, heiz­ bare Heckscheibe oder dergleichen,

verwendet wird.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Antrieb eine Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (10) vorgesehen ist.

4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heizen des Fahrgastraums elektrische Widerstände in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors integriert sind.

5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungssensor einen vorzugsweise mit dem Bremspedal (14) gekoppelten Stellungssensor, insbeson­ dere ein Potentiometer (16) aufweist, das an die Steue­ rung (12) angeschlossen ist.

6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungssensor einen Drosselklappenstellungs­ sensor aufweist.

7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einer mechanisch-hydraulischen Brems­ anlage eine elektrische Wirbelstrombremsanlage (18a . . . 18d) vorgesehen ist, die bei einem Bremsvorgang von dem im Gene­ ratorbetrieb arbeitenden Elektromotor (4a . . . 4d) gespeist wird.

8. Bremseinrichtung in Verbindung mit einer elektrisch oder elektronisch gesteuerten Bremsanlage, insbesondere für ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen elektrischen Bremspedal-Weg­ geber (16).

9. Bremseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mechanisch mit einem Bremskraftverstärker (40) einer mechanisch-hydraulischen Bremsanlage gekoppelt ist, wobei der elektrische Bremspedal-Weggeber (16) auf einen Bremspedal-Vorweg (X) anspricht und für eine elektronisch gesteuerte Bremsmomenteinstellung ein Füh­ rungssignal liefert, und im Anschluß an den Bremspedal- Vorweg die mechanisch-hydraulische Bremsanlage anspricht.

10. Bremseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an das Bremspedal (14) ein wegabhängig arbeitendes mecha­ nisches Widerstandselement (24, 22) gekoppelt ist.

11. Bremseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein Hysterese-Element (22) auf­ weist, das insbesondere als Reibungsglied ausgebildet ist.

12. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch gesteuerte Bremsanlage für 100% des maximalen Bremsmoments bzw. der maximalen Bremskraft ausgelegt ist.

13. Verfahren zum Abbremsen eines mit einer elektrischen Bremsanlage ausgerüsteten, nicht-spurgebundenen Fahrzeugs, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, und ins­ besondere unter Verwendung einer Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa konstant gehaltenem Bremspedalweg die Fahr­ zeuggeschwindigkeit erfaßt wird, kurz vor Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0", z. B. bei 1. . .3 km/h, die Bremskraft auf einen Minimalwert heruntergeregelt wird und daß bei Erkennen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" die Bremskraft sprunghaft wieder erhöht wird, um das Fahrzeug im Stillstand zu halten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Herunterregeln der Bremskraft kontinuierlich ohne Sprünge erfolgt.

15. Verfahren zum Abbremsen eines nicht-spurgebundenen Fahrzeugs mit mindestens einer Vorderachse und einer Hinter­ achse, deren Räder von mindestens einem Elektromotor, vorzugsweise einzeln direkt von je einem Elektromotor ange­ trieben werden, insbesondere eines Fahrzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremskraft (B_v; B_h) oder das Bremsmoment für die Vorder- bzw. die Hinterachse von einer elektronischen Steuerung (12) abhängig von der Abbremsung (z) verteilt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Bremskraft im Verhältnisbereich B_v/B_h = 1,5 . . . 3,5 abhängig von der Abbremsung (z) dergestalt erfolgt, daß die Bedingungen für Bremsstabilität eingehalten werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln der Abbremsung (z) ein Beschleunigungs­ sensor vorgesehen ist, und daß abhängig von dessen Aus­ gangssignal die Bremskraftverteilung laufend aktualisiert wird.