DE4243394A1

DE4243394A1 - Control system for electrically powered road vehicle - returns road and motor speed signals to determine optimum operating condition for drive via CVT transmission

Info

Publication number: DE4243394A1
Application number: DE4243394A
Authority: DE
Inventors: Sanshiro Obara; Ryoso Masaki; Toshhiaki Okuyama; Tsutomu Ohmae; Keigo Naoi; Makoto Shioya
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: JPH05176419A; DE4243394C2; JP3200901B2; US5355749A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerungs einrichtung und ein Steuerungsverfahren für ein Elektro- Fahrzeug, in dem ein Elektromotor die Leistungsquelle ist.

Elektro-Fahrzeuge werden als nützliche Transportmittel ange sehen, die Automobile mit Verbrennungsmotoren als Leistungs quelle ersetzen können, insbesondere da sie nicht die Umwelt belasten und somit die Anforderungen für einen globalen Um weltschutz erfüllen.

Aufgrund neuester Technologie ähneln diese Elektro-Fahrzeuge in puncto maximaler Geschwindigkeit und Beschleunigung sehr den normalen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Es gibt zwei Typen von Elektro-Fahrzeugen, nämlich einmal Fahrzeuge mit Solarzellen als Leistungsquelle und einmal Fahrzeuge mit Batterie als Leistungsquelle.

Ein Elektro-Fahrzeug hat die außerordentlichen Vorteile, daß es weder Abgase noch Kohlendioxid ausstößt. Jedoch ist die Reichweite bei einmaligem Aufladen der Batterie immer noch geringer als die eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Um diese Reichweite bei einmaligem Aufladen der Batterie zu vergrößern, muß die Energiedichte der Batterie und die Effi zienz der Bauteile des Antriebs des Elektro-Fahrzeugs ver bessert werden.

Nach der neuesten Technologie wird der Antrieb in einem Elektro-Fahrzeug durch eine Batterie, einen Wechselrichter, einen Elektromotor, ein Übersetzungsgetriebe und ein Rad gebildet. Als Wechselrichter dient ein PWM-Brückenwech selrichter (pulse width modulation = Pulsbreitenmodulation) mit hoher Schaltgeschwindigkeit (IGBT-Leistungstransistor). Als Elektromotor wird entweder ein durch solch einen PWM-Brückenwechselrichter gesteuerter Induktionsmotor oder ein Synchronmotor mit Permanentmagnet verwendet. Ferner wird entweder eine Übersetzungs- oder Getriebeeinrichtung mit drei oder mehr Stufen verwendet, oder es werden bestimmte Übersetzungsverhältnisse verwendet.

Da ein Elektro-Fahrzeug unter verschiedenen Straßenbedin gungen und Fahrbedingungen gefahren wird, muß das Fahrzeug in einem weiten Lastbereich laufen. Es gibt jedoch viele Einschränkungen, unter denen ein einzelner Motor nicht den gesamten Lastbereich abdecken kann. Daher wird normalerweise eine Übersetzung angewendet, wie es bei Verbrennungsmotoren üblich ist. Ein Elektro-Fahrzeug mit einer solchen Über setzung ist bekannt aus beispielsweise JP-A-3-1 28 789 und JU-A-3-91 001.

JP-A-3-1 28 789 (20. 6. 1990) offenbart ein Motor-Rad mit Elektromotor als Leistungsquelle. Dieses Motor-Rad hat eine automatische Zentrifugalkupplung und wird so betrieben, daß bei einer bestimmten Drehzahl des Motors entweder die Kupp lung oder die automatische Übersetzung den Motor und die Antriebswelle automatisch koppelt.

JU-A-3-91 001 (27. 12. 1989) offenbart eine Antriebssteuerung für Elektro-Fahrzeuge, in der bei Erreichen eines vorgege benen Wertes durch den Motorstrom das Übersetzungsverhältnis des nichtabgestuften Übersetzungssystems verändert wird.

Ferner gibt es zwei Anmeldungen, nämlich JP-A-58-1 60 661 (17. 3. 1982) und JP-A-59-2 26 747 (3. 6. 1983), die sich zwar nicht auf Elektro-Fahrzeuge sondern auf benzingetriebene Automobile mit CVT (continuously variable transmission - kontinuierlich veränderbare Übersetzung) beziehen. Insbeson dere offenbaren diese Patentanmeldungen die Steuerung für ein solches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und CVT, in welchem das Übersetzungsverhältnis der CVT in Abhängigkeit von minimalem Kraftstoffverbrauch gesteuert wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steue rung und ein Steuerverfahren für Elektro-Fahrzeuge zu schaf fen, durch welche der Wirkungsgrad eines Antriebes im Elektro-Fahrzeug verbessert wird, und zwar derart, daß die Reichweite des Elektro-Fahrzeugs bei einmaliger Aufladung der Batterie vergrößert wird.

Dementsprechend enthält die erfindungsgemäße Steuerung des Elektro-Fahrzeuges:
eine Einheit zur Erzeugung einer Sollgeschwindigkeit für das Fahrzeug;
eine Geschwindigkeitsvorgabeeinheit für die Berechnung einer Motorsolldrehzahl des Motors in Abhängigkeit von einem vor gegebenen Motorsteuerungsmuster mit der Fahrzeugsollge schwindigkeit als Parameter;
eine Leistungselektronik, um den Motor auf der Motorsoll drehzahl zu halten, wenn die Motorsolldrehzahl eingelesen wird;
eine schaltbare Übersetzungs-Einheit für die Übertragung des Motorantriebs in einem Übersetzungsverhältnis, so daß die Drehzahl des Antriebs in dem Übersetzungsverhältnis auf die Antriebswelle des Elektro-Fahrzeugs übertragen wird; und
einen Rechner für die Berechnung des Übersetzungsverhält nisses, der das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit der Fahrzeugsollgeschwindigkeit und der Motorsolldrehzahl be stimmt, wobei das bestimmte Übersetzungsverhältnis an die schaltbare Übersetzungs-Einheit weitergegeben wird.

Das Steuerungsverfahren für ein Elektro-Fahrzeug umfaßt:
einen Schritt, in dem die Fahrzeugsollgeschwindigkeit vor gegeben wird;
einen Schritt, in dem in Abhängigkeit der Fahrzeugsollge schwindigkeit und eines vorgegebenen Motorsteuerungsmusters die Motorsolldrehzahl des Motors bestimmt wird;
einen Schritt, in dem der Motor auf besagte Motorsolldreh zahl gebracht wird;
einen Schritt, in dem das Übersetzungsverhältnis in Abhän gigkeit von sowohl der Fahrzeugsollgeschwindigkeit als auch von der Motorsolldrehzahl bestimmt wird; und
einen Schritt, in dem die Drehzahl des Motorantriebs über setzt wird und die übersetzte Geschwindigkeit auf die Antriebswelle des motorgetriebenen Fahrzeugs übertragen wird.

Da die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von dem vorge gebenen Motorantriebs-Steuermuster vorgenommen wird, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung das Fahrzeug mit hoher Güte und hoher Effizienz gesteuert werden. Daraus folgt, daß die Reichweite eines Elektro-Fahrzeugs bei einmaligem Aufladen der Batterie erweitert werden kann. Sogar, wenn die Steuerung der vorliegenden Erfindung bei einem Fahrzeug mit Solarzellen als Leistungsquelle ange wendet wird, kann der Antrieb dieses Fahrzeugs effizient arbeiten. Da die Energie der Solarzelle effektiv genutzt werden kann, kann auch die Reichweite mit dieser Solar energie erweitert werden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in dem Neben- und den Unteransprüchen angegeben, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher er läutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Steuerung für ein Elek tro-Fahrzeug nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konstruktion und des Betriebs eines CVT in der Steuerung entsprechend der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 3 ein Kennlinien-Diagramm des Verhältnisses zwi schen Drehmoment und Drehzahl mit Angabe der Effizienz bei einem System mit Motor und Wechsel richter;

Fig. 4 ein Kennlinien-Diagramm für Drehmoment und Effizienz in Abhängigkeit vom Motorschlupf;

Fig. 5 eine Graphik der Abhängigkeit der Drehzahl des Motors von der Leistung, die der Motor entspre chend der Charakteristik der Fig. 3 abgibt mit dem Maximum der Effizienzkurve;

Fig. 6 das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangsseite (Motordrehzahl) und Ausgangsseite (Raddrehzahl);

Fig. 7 ein Diagramm der Radachsenleistung gegen die Rad drehzahl einer Graphik der Lastbedingungen (Nei gung usw.) am Rad;

Fig. 8 ein Blockdiagramm, das eine interne Einheit einer Steuereinrichtung der Raddrehzahl darstellt;

Fig. 9 ein Schema, das ein Beispiel für die Verbindung zweier CVTs zeigt;

Fig. 10 ein Schema, das ein Beispiel für die Verbindung von CVT mit einem festen Übersetzungsgetriebe darstellt; und

Fig. 11 ein Schema, das die Konstruktion eines gemeinsa men Kühlsystems für Motor und CVT darstellt.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm der Steuerung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung. Eine Steuerung für ein Elektro-Fahrzeug ist im we sentlichen wie folgt aufgebaut: Eine Geschwindigkeitsangabe wird von einem Beschleuniger 10 ausgegeben. Dann wird ein Wechselstromsignal für den Antrieb des Motors durch einen Wechselrichter erzeugt und der Induktionsmotor 70 wird durch dieses Wechselstrom-Antriebssignal angetrieben. Die Drehzahl des Induktionsmotors 70 wird durch eine kontinuierlich ver änderbare Übersetzung (CVT) 80 eingestellt und die einge stellte Drehzahl wird auf das Rad 100 übertragen.

Wenn das Gaspedal des Beschleunigers 10 durch den Fahrer (nicht gezeigt) betätigt wird, wird je nach Betätigung des Gaspedals (nicht im Detail gezeigt) eine Solldrehzahl für das Fahrzeug (Fahrzeugsollgeschwindigkeits-Signal) durch den Beschleuniger 10 vorgegeben. In einem Automobil mit Verbren nungsmotor als Leistungsquelle entspricht die Betätigung des Gaspedals einer Drehmomentvorgabe an den Verbrennungsmotor. Dagegen wird entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Drehzahl eines Rades, d. h. die Fahrzeuggeschwindigkeit, als Vorgabewert für die Steue rung der Drehzahl verwendet.

Ein Addierer 20 gibt die Abweichung zwischen der Sollge schwindigkeit der Radrotation und der tatsächlichen Raddreh zahl aus, wobei letztere durch einen Drehzahlsensor 81 bestimmt wurde. Ein Rechner 21 erzeugt ein Rückkopplungs- Steuersignal, durch welches die Abweichung der Drehzahlen, die vom Addierer 20 ausgegeben werden, klein gemacht wer den.

Eine Einheit 30 berechnet eine Solldrehzahl des Motors nach einem vorher abgespeicherten effizientesten Antriebs muster (Erläuterung s. u.). Nach Empfang des Ausgabesig nals des Rechners 21 gibt die Einheit 30, die die Soll drehzahl des Motors berechnet, eine Drehzahl des Motors bei maximaler Effizienz als Solldrehzahl für den Motor aus, und zwar in Abhängigkeit vom Antriebsmuster maximaler Effi zienz.

Der Addierer 40 gibt die Abweichung zwischen der Solldreh zahl des Motors und der tatsächlichen Drehzahl des Induk tionsmotors 70 aus, wobei die tatsächliche Drehzahl durch den Drehzahlsensor 71 gemessen wird. Der Rechner 41 erzeugt ein Rückkopplungssteuerungssignal, um die Abweichung der Drehzahl klein zu machen, die vom Addierer 40 ausgegeben wurden.

Ein Wechselrichter 60 wandelt die Gleichspannung der Bat terie 50 im Pulsbreitenmodulationsmodus in eine sinusför mige Treiberwechselspannung um, wonach die pulsbreitenmodu lierte Treiberspannung an den Induktionsmotor 70 angelegt wird.

Die Rotationsbewegung des Motors 70 wird auf das CVT 80 übertragen, so daß die Rotationsbewegung nach der geschal teten Übersetzung über eine Antriebswelle auf das Antriebs rad 100 übertragen wird. Das Übersetzungsverhältnis des CVT 80 wird durch die Berechnung des Verhältnisses zwischen der aus dem Beschleuniger 10 abgeleiteten Solldrehzahl des Rades zu der aus der Einheit 30 für die Erzeugung der Soll drehzahl des Motors abgeleiteten Drehzahl des Motors bestimmt.

Es gibt Gleichstrom- und Wechselstrommotoren (Induktions- und Synchronmotoren). Im allgemeinen werden Wechselstrom motoren in motorgetriebenen Fahrzeugen verwendet. Der Schal tungsaufbau der Wechselrichter 60 ist im allgemeinen unter schiedlich und hängt von der Art des Motors ab. Bei einem Gleichstrommotor wird normalerweise eine Choppersteuerung als Leistungssteuerschaltung verwendet, wogegen der oben beschriebene Wechselrichter gewöhnlich als eine Leistungs steuerschaltung verwendet wird. Als Motorsteuerung wird häufig eine Vektorsteuerung verwendet, bei welcher die Vektorsteuerung durch einen Wechselstrommotor gebildet wird, bei dem unabhängig voneinander Drehmoment und magne tischer Fluß gesteuert werden können, vergleichbar mit einem Gleichstrommotor. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Induktionsmotor einge setzt.

Als automatische Steuerung für die veränderbare Geschwin digkeit, d. h. als automatische Übersetzung für die variable Geschwindigkeit und damit als ein konstruktives Element der vorliegenden Erfindung, wird ein automatisches Getriebe mit Planetengetriebe und ein nicht-abgestuftes sogenanntes CVT-Getriebe verwendet. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein nichtabgestuftes Getriebe als Getriebe der bevor zugten Ausführungsform verwendet.

Das CVT 80 besteht aus einer Keilriemenscheibe 81, die mit dem Motor 70 verbunden ist; einer nach außen gewölbten Riemenscheibe, die mit dem Rad 100 verbunden ist; einem Riemen 85 (Keilriemen o. dgl.), der zwischen der Keil riemenscheibe 81 und der nach außen gewölbten Riemenscheibe 83 gespannt ist; und Riemenscheiben-Stellgliedern 82, 84, um die Riemenscheiben 81 und 83 einzustellen. Die beiden Riemenscheiben-Stellglieder 82 und 84 halten die Spannung des Gurtes 85 konstant mittels Ölkompressionssteuerung oder Öl- und Federsteuerung, wobei die Übersetzungseffizienz verbessert wird.

Übersetzungsverhältnis "i" = ausgangseitige Drehgeschwindigkeit/eingangsseitige
Drehgeschwindigkeit = Drehgeschwindigkeit des Rades/Drehgeschwindigkeit des Motors (1)

Die Bedingung für den Gurt, unter denen das Übersetzungs verhältnis groß oder klein wird, sind ebenso dargestellt. Das Übersetzungsverhältnis des Motors 70 und der Räder 100 kann kontinuierlich durch Steuerung der Riemenscheibenstell glieder 82 und 84 über die Ansteuerung 91 für das Über setzungsverhältnis gesteuert werden.

Im folgenden wird die Betriebsart der Steuerung entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Einbezug der Charakteri stiken des Wechselrichters 60 und des Motors 70 beschrieben. Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Drehmoment des Motors und der Drehzahl in einem System mit Wechselrichter 60 und Motor 70. Eine gestrichelte Linie bezeichnet eine Isoeffi ziente. Die Effizienzkurve für Wechselrichter 60 und Motor 70 hat die Eigenschaft, daß sie mit größer werdendem Dreh moment im Bereich zwischen der Drehzahl M4 und der Drehzahl M8 des Motors durch ein Effizienzmaximum läuft. Die Symbole (a), (b) und (c) in der Drehmoment/Effizienzcharakteristik des Motors in Fig. 4 entsprechen den Symbolen (a), (b), (c) der Fig. 3. Wie aus Fig. 4 offensichtlich wird, hat die Effizienz des Motors einen Umkehrpunkt. Dagegen fällt das Drehmoment nach einem Schlupf "ST" monoton ab und das Dreh moment sinkt. Auch andere Faktoren wie Schaltungsverluste durch das Leistungsschaltelement im Wechselrichter 60 können diesen Verlauf der Effizienz hervorrufen. Eine Kurve maxi maler Effizienz bei jeder Motordrehzahl, wie sie angedeutet ist durch die ausgezogene Linie, ergibt sich aus der Iso effiziente. Es sei hier darauf hingewiesen, daß der Grund dafür, daß das Drehmoment (PM 10) im Bereich niedriger Drehzahlen einen konstanten Wert erreicht, das Erreichen des maximalen Motorstroms ist. Wenn es auf Seiten des Motors keine Strombegrenzung gäbe, würde das maximale Drehmoment (PM 10) mit dem Absinken der Drehzahl ansteigen.

Das Betriebsverhalten des Systems in Fig. 1 wird nun erläu tert. Normalerweise spricht man vom Drehmoment als einem Parameter im Verhältnis zwischen primärem Antrieb (einem Motor oder einer Maschine), einem Übersetzungsgetriebe und einem Rad in einem Fahrzeug. Im Fall der bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung jedoch können Änderungen im Übersetzungsverhältnis des verwendeten CVT 80 auch Änderungen in der Ausgangsleistung des Motors 70 hervorrufen und daher wird das Betriebsverhalten unter der Bedingung beschrieben, daß Leistung unabhängig vom Über setzungsverhältnis als Parameter eingespeist wird. In der folgenden Beschreibung sei angenommen, daß die Ausgangs leistung des Motors 70 "P_M" ist und die Leistung am Rad 10 "P_V" ist. Leistungsverlust im Antriebssystem wird vernach lässigt.

Die Leistung P_M des Motors 70 = ω_M × T_M (2)

Die Leistung P_V an dem Rad 100 = ω_V × T_V
P_M = η_cvt × P_V = P_V (3)

Obgleich das CVT 80 die Übersetzungseffizienz, η_cvt hat, die höher als 90% liegen kann, wird diese hier nicht weiter betrachtet (und gesetzt). In den obigen Gleichungen (2) bis (4) bedeutet das das Symbol "ω_M" die Winkelgeschwindigkeit (2π M/60, "M" ist die Drehzahl) des Motors 70; das Symbol "ω_V" bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit (2π V/60, "V" ist die Drehzahl) des Rades 100; das Symbol "T_M" bezeichnet das Drehmoment des Motors 70; und das Symbol "T_V" ist das Drehmoment des Rades 100.

Unter der Annahme, daß sich basierend auf der Gleichung (2) die Kurve für das maximale Drehmoment des Motors 70 in Fig. 3 bei der maximalen Leistung "P_M10" ergibt, wird sich damit eine Kurve der maximalen Effizienz der Rotationsge schwindigkeit des Motors in bezug auf die Motorleistung ergeben, wie sie durch die ausgezogene Linie angedeutet ist, die bestimmt ist durch die Charakteristik der Lei stung P_M des Motors 70, wobei die Effizienz als Parameter angesehen wird.

Die Kurven in Fig. 3 können experimentell bestimmt werden. Wenn die Motorleistung (Motordrehgeschwindigkeit x Motor drehmoment) in die Kurven von Fig. 3 eingeführt wird, ergibt sich die Beziehungen zwischen Motorleistung und Motordreh moment und auch die Punkte maximaler Effizienz und damit die Kurve maximaler Effizienz in Fig. 5. Die Motorleistung, die auf der Abszisse in Fig. 5 dargestellt ist, kann mit der Geschwindigkeitsabweichung zusammenhängen und damit mit dem Ausgangssignal des Rechners 21 in Fig. 1. Mit anderen Wor ten, wenn die Geschwindigkeitsabweichung (Motorleistung) gegeben ist, so kann die Motordrehzahl bei maximaler Effi zienz aufgrund von Fig. 5 ermittelt werden.

Die Kurve maximaler Effizienz wird vorab in der Einheit 30 für die Erzeugung der Solldrehzahl des Motors abgespeichert und wenn die Solleistung P_M des Motors (Geschwindigkeitsab weichung) vom Rechner 21 ausgegeben wird, wird eine Soll drehzahl "M" für den Motor entsprechend der Kurve maximaler Effizienz ausgegeben.

Ferner ergibt sich aus Gleichung (3) der durch die ausgezo gene Linie in Fig. 7 angedeutete Verlauf der Radachsen leistung P_V aus dem notwendigen Radachsendrehmoment 100 (ge strichelte Linie) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rades, wobei die Neigung der Straße als Parameter angegeben ist.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das das Übersetzungsverhältnis des CVT 80 in Abhängigkeit der Drehzahl des Motors 70 und des Rades 100 angibt. Die Drehzahl des Rades 100 entspricht der Fahrzeuggeschwindigkeit. Es sei nun angenommen, daß der Fahrzeugfahrer das Elektro-Fahrzeug mit dem durch Fig. 5 bis Fig. 7 bestimmten Verhalten fährt, wobei er den Be schleuniger 10 entsprechend der Last- und Oberflächenbedin gungen und der erwarteten Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt (n) in Fig. 7 betätigt, wobei die Drehzahl des Rades V(n) und die Leistung P_V(n) ist. Der Motor 70 und das CVT 80 erfüllen zu diesem Zeitpunkt die Bedingungen des Zeitpunkts (n) in Fig. 5 und 6. Das bedeutet, daß die Einheit 30 zur Erzeugung der Drehzahl des Motors die Soll drehzahl M(n) zu dem Zeitpunkt ausgibt, wenn die Motor leistung P_M(n) in Fig. 5 der Radachsenleistung P_V(n) wird und der Motor 70 auf diese Drehzahl gebracht wird. Wie in Fig. 6 angedeutet wird, wird das CVT 80 mit dem Über setzungsverhältnis "i" (n) betrieben, das sich aus der Solldrehzahl des Rades V(n) des Beschleunigers 10 und der Solldrehzahl des Motors M(n) der Einheit 30 für die Er zeugung der Solldrehzahl des Motors über den Rechner 90 und den Antrieb 91 ergibt.

Eine Motorgeschwindigkeitssteuerung mit den Motorgeschwin digkeitssteuerungseinrichtungen 40, 41, dem Wechselrichter 60, dem Motor 70 und dem Geschwindigkeitssensor 71 hat eine größere Geschwindigkeitsabhängigkeit als die Radgeschwindig keitssteuerung, bei der das Ausgangssignal des Geschwin digkeitssensors 81 für das Rad als Rückkopplungssignal ver wendet wird. Der Schaltungsaufbau aus Einheit 30 für die Erzeugung der Solldrehzahl für den Motor, der Motorgeschwin digkeitssteuerung und des Addierers 40 als Eingang des CVT 80 wird als eine Art von Steuerung für die Motorleistungs erzeugung angesehen.

Im folgenden wird der Fall beschrieben, in dem der Rechner 21 der Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerung in Fig. 1 ein Pro portional-Integral-Regler (PI-Regler) ist. In Fig. 8 be zeichnet Bezugszeichen 211 den Proportional-Integral-Regler. Das Symbol "k_p" bezeichnet eine Proportional-Integral- Regler-Größe; das Bezugszeichen 212 bezeichnet einen Inte gral-Regler; das Symbol "s" bezeichnet einen Operator; das Symbol "T_V" bezeichnet die Integrationszeit-Konstante, und das Bezugszeichen 213 bezeichnet den Addierer.

Es sei nun angenommen, daß der Fahrzeugführer den Beschleu niger 10 unter den Fahrbedingungen in Fig. 7 zum Zeitpunkt (n) wie oben beschrieben bestätigt, um die Leistung an der Radachse auf P_V(n+m) zu erhöhen, und zwar unter denselben Straßenoberflächenbedingungen und mit der Neigung bei Zeitpunkt (n+m) und der Solldrehanzahl des Rades V (n+m) (=V8). Zum Zeitpunkt (n) in Fig. 1 wird das Ausgangssignal des Proportional-Integral-Reglers Null, da die Steuerung erkennt, daß die Solldrehzahl des Rades gleich der tat sächlichen Raddrehzahl ist, bewirkt durch den Integral- Regler 213.

Ein neuerlich vom Rechner 21 ausgegebenes Signal zum Zeit punkt (n+1) bei betätigtem Beschleuniger 10 ist P_M(n+1) (=P_M10) aufgrund der Proportionalkonstante "Kp" aus P_M nach der Formel (5):

P_M(n+1) = Kp(V_ref(n+1) - V(n)) + P_M(n) = P_M10 (5)

Abhängig von diesem P_M10 in Fig. 5 gibt die Einheit 30 für die Erzeugung der Solldrehzahl für den Motor eine Motorsoll drehzahl M (n+1) aus und dadurch wird bewirkt, daß der Motor 70 bei dieser Drehzahl besser gesteuert werden kann. Das CVT 80 wird auf das Übersetzungsverhältnis i(n+1) wie in Fig. 6 gesetzt, welches sich über den Rechner 90 ergibt, und zwar in Abhängigkeit der Solldrehzahl des Rades "V_ref" und der Solldrehzahl des Motors M (n+1) in einer Gleichung (6):

V_ref(n+1) = V(n+m) = V8 (6)

Wie in Fig. 7 angedeutet wird unter diesen Bedingungen zum Zeitpunkt V(n) das Fahrzeug durch die Differenzenergie zwi schen P_v(n+1) und P_v(n) beschleunigt.

Danach werden in der Steuerung nach Fig. 1 die entsprechen den Werte entlang der Pfeilrichtung in Fig. 5 bis 7 derart verändert, daß die Drehzahl des Rades den Zielwert V_ref (n+m) (=V8) erreicht. In diesem Fall läuft der Motor mit einer Drehzahl gemäß der Kurve der maximalen Effizienz in Fig. 5. Wenn die Drehzahl des Rades den Sollwert erreicht, gibt der Rechner 21 der Raddrehzahlsteuerung die Motorleistung P_M(n+m) (=P_M6) in Fig. 5 aus, bestimmt durch den Integrator 212, wogegen die Einheit 30 für die Erzeugung der Solldreh zahl für den Motor die Solldrehzahl für den Motor M (n+m) ausgibt. Als Ergebnis wird das Rad 100 mit dem Übersetzungs verhältnis i (n+m) in Fig. 6 angetrieben und damit mit der Solldrehzahl eine Radachse V(n+m) (=V8) in Fig. 7. In Fig. 5 entspricht der Zeitpunkt (n+m) auf der Kurve einem Punkt mit maximaler Effizienz. Wie vorher erläutert, kann die Dreh zahlsteuerung des Rades dynamisch durchgeführt werden, da das Übersetzungsverhältnis von CVT 80 in Vorwärtsrichtung veränderbar ist, und zwar in Abhängigkeit von der Solldreh zahl des Rades und der Solldrehzahl des Motors vom Beschleu niger 10.

In Fig. 5 oder Fig. 7 hängt das Maß des Übergangs zwischen dem Zeitpunkt (n) und dem Zeitpunkt (n+1) von der Propor tionalkonstante "Kp" des Rechners 21 ab. Die Übergangseigen schaften der Solldrehzahl des Rades können durch Veränderung dieser Proportionalkonstanten "Kp" und der Zeitkonstanten "T_V" gesteuert werden. Wenn beispielsweise in Fig. 5 die Steuerkonstante kleiner als die Proportionalkonstante "Kp" in Gleichung (5) gemacht wird, ist die Motorleistung zum Zeitpunkt (n+1) kleiner als P_M10 und das Fahrzeug wird derart beschleunigt, daß die Differenzenergie zwischen der Radachsenleistung PV (n+1) und PV (n) in Fig. 7 klein ist. Der Wert der Proportionalkonstante "Kp" und der Integra tionszeitkonstante "T_V" kann beliebig durch den Rechner 21 geändert werden.

In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform bildet der Rechner 21 den Proportional-Integral-Regler. Anderer seits kann der Rechner 21 einen Proportional-Integral- Differential-Regler (PID-Regler) darstellen, in dem beide, nämlich transiente und differentielle Kompensation, durchgeführt wird.

Obgleich sich die obige Beschreibung mit der Beschleunigung der Fahrzeuge befaßt, kann die vorliegende Erfindung ganz ähnlich die Übergangseigenschaften bei einer Abbremsung beeinflussen.

Die Zahl der Übersetzungsverhältnisse "i" des CVT 80 ist endlich. Das Verhältnis vom größten zum kleinsten Wert des Übersetzungsverhältnisses ist ca. 5 zu diesem Zeitpunkt. Wenn das Übersetzungsverhältnis, ausgegeben vom Rechner 90, sich nicht aus einer einzelnen nicht-abgestuften Über setzung ergibt, muß ein mehrstufiger Aufbau aus einer nicht-abgestuften Übersetzung 801 und 802 wie in Fig. 9 eingesetzt werden. Wenn entweder das kleinste Übersetzungs verhältnis oder das größte Übersetzungsverhältnis von vorne herein feststeht, wird eine feste Übersetzung 803 anstelle einer nicht-abgestuften Übersetzung 801 in Fig. 10 ein gesetzt.

Der Motor 70 in dem motorgetriebenen Fahrzeug ist versie gelt, um Wasser- und Staub-Schutz zu erreichen und ist mit einer Kühlung 110 und einem dazugehörigen Rohr 111 ausge rüstet, wie in Fig. 11 gezeigt. Da die CVT 80 ebenso durch die aufgenommene Wärmeenergie aufgrund der Reibung zwischen Riemen und Riemenscheibe aufgeheizt wird, müssen die Riemen scheiben und dergl. gekühlt werden. Daher werden, wie in Fig. 11 angedeutet, der Motor 70 und das CVT 80 als eine Einheit oder verbunden mit CVT 80 aufgebaut, wobei die Küh lung 110 für beides verwendet wird.

In der Steuerung des Elektro-Fahrzeugs in Fig. 1 als einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Funktionen des Addierers 20 des Rechners 21, der Einheit 30 für die Solldrehzahlvorgabe für den Motor, der Addierer 40, die Rechner 41 und 90 u. dgl. durch diskrete elektronische Schaltungen oder einen allgemein program mierbaren Computer umgesetzt werden.

Der Beschleuniger 10 wäre denkbar als Aufbau aus einem Gaspedal eines normalen Fahrzeugs und einem Potentiometer, das den Grad der Betätigung des Gaspedals als elektrisches Signal ausgibt. Als Alternative kann eine Einrichtung verwendet werden, bei der die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs (nämlich die Drehzahl des Rades) als Analog- oder Digitalsignal ausgegeben werden kann. Die Sensoren für die Drehzahl 20 und 81 sind kommerziell erhältlich. Da die Ansteuerung 91 von CVT 80 das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von dem Eingangssignal für das Übersetzungs verhältnis wählt, das vom Rechner 90 geliefert wird, ent spricht die Ansteuerung 91 einem Aktuator der Riemenscheiben des CVT 80.

In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wurde die Verbindung zwischen Wechselrichter und Induktions motor als Leistungsquelle verwendet. Als Alternative können ein Chopper und ein Gleichstrommotor miteinander kombiniert werden oder es können andere unterschiedliche Typen von Lei stungsschaltungen als Leistungsquelle eingesetzt werden. An stelle eines CVT 80 kann ein Übersetzungsgetriebe durch Verbindung mehrerer Gänge mit unterschiedlichen Über setzungsverhältnissen eingesetzt werden. Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Batterie als Gleichstrom- Leistungsquelle verwendet werden und ebenso können andere Leistungsquellen so zum Beispiel Solarzellen und Brennstoff zellen als Gleichstrom-Leistungsquellen verwendet werden.

Wie oben im einzelnen beschrieben, kann das Elektro-Fahrzeug mit hoher Güte und hoher Effizienz betrieben werden, wenn eine Steuerung für das Fahrzeug entsprechend der vorliegen den Erfindung eingesetzt wird, da das Übersetzungsverhältnis in Vorwärtsrichtung verändert werden kann durch Berechnung des Übersetzungsverhältnisses aufgrund der Solldrehzahl des Rades in Bezug auf das Maß der Betätigung des Gaspedals und der Solldrehzahl des Motors, die sich aus den Kurven für die maximale Effizienz für den Wechselrichter und den Motor ergeben. Überdies wird die Reichweite des Fahrzeugs bei nur einmaliger Aufladung der Batterie erweitert, im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeug.

Außerdem werden in der oben beschriebenen Antriebseinheit nach der vorliegenden Erfindung die Kontrollkonstanten bei der Berechnung der Drehzahlsteuerung durch die Steuerung der Drehzahl des Rades in der Art überwacht, daß ein motor getriebenes Fahrzeug mit Beschleunigungs-/Bremseigenschaften ermöglicht wird, die angenehm für jeden Fahrer sind, da die Beschleunigungs-/Bremseigenschaften des Fahrzeugs sehr effi zient gesteuert werden können.

Wenn das berechnete Soll-Übersetzungsverhältnis außerhalb der Übersetzungsverhältnisse eines einzelnen Übersetzungs getriebes liegt, werden mehrere feste Übersetzungsgetriebe und nicht-abgestufte Übersetzungsgetriebe oder mehrere nicht-abgestufte Übersetzungsgetriebe in kaskadierter Form verbunden. Daher kann das Elektro-Fahrzeug bei hoher Effi zienz unmittelbar gesteuert werden und die Reichweite kann bei nur einmaliger Aufladung im Vergleich mit konventio nellen Fahrzeugen erweitert werden.

Außerdem kann die Platzausnutzung der Steuerung verbessert werden, da sowohl Motor als auch nicht-abgestufte Über setzung in einem Gehäuse gebaut sind und das "Caviling" Medium gemeinsam genutzt wird.

Claims

1. Steuerung eines durch einen Elektromotor (70) angetrie benen Elektro-Fahrzeuges, gekennzeichnet durch:
Einrichtung (10) für die Erzeugung einer Sollgeschwin digkeit des Fahrzeugs;
Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung (20; 21; 30) für die auf einem vorher eingegebenen Motorsteuermuster basie renden Erzeugung einer Sollgeschwindigkeit für die Ro tation des Motors (70) in Abhängigkeit von der Sollge schwindigkeit des Fahrzeugs;
einer Leistungsschaltung (40, 41, 50, 60) für das An steuern des Motors (70) bis auf die Solldrehzahl des Motors nach Empfang der Solldrehzahl für den Motor;
schaltbare Übersetzungs-Einheit (80) für die Übertra gung des Antriebs des Motors (70) in einem Über setzungsverhältnis, so daß die Drehzahl des Antriebs in dem Übersetzungsverhältnis auf eine Antriebswelle des Elektro-Fahrzeugs übertragen wird; und
Rechner für die Berechnung des Übersetzungsverhältnis ses (90; 91), der das Übersetzungsverhältnis in Abhän gigkeit von der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Solldrehzahl des Motors bestimmt, wobei das fest gelegte Übersetzungsverhältnis an die schaltbare Über setzungs-Einheit weitergegeben wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung (20, 21, 30) ein Motorsteuerungsmuster (Fig. 5) beinhaltet, um die Drehzahl des Motors zu bestimmen, bei welcher ein aus den Leistungsschaltungen (40, 41, 50, 60) und dem Motor (70) zusammengesetztes System im wesentlichen bei maximaler Effizienz betrieben werden kann, nachdem die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs eingelesen wurde und die Drehzahl des Motors der Solldrehzahl des Motors am Punkt maximaler Effizienz entspricht.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektro-Fahrzeug ein Gaspedal enthält und die die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs erzeugende Einrich tung (10) die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Ab hängigkeit vom Maß der Betätigung des Gaspedals erzeugt.

4. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Übersetzungs-Einheit (80) eine kontinuierlich veränderbare Übersetzung ermöglicht.

5. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Übersetzungs-Einheit (80) eine Über setzung in einer endlichen Zahl von unterschiedlich festen Übersetzungs-Verhältnissen ermöglicht.

6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschaltung (40, 41, 50, 60) umfaßt:
Einrichtung (71) für die Ermittlung der tatsächlichen Drehzahl des Motors;
Einrichtung (40) für die Ermittlung der Abweichung zwischen der Solldrehzahl des Motors und der vom Motor ausgegebenen Drehzahl; und
ein Rückkopplungskreis (41) zur Steuerung des Motors (70) in der Art, daß die Abweichung Null wird.

7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung (20, 21, 30) umfaßt:
Einrichtung (81) für die Ermittlung der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit;
Einrichtung (20) für die Errechnung der Abweichung zwi schen der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der tatsächlichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs; und
einen Rückkopplungskreis (21) für die Steuerung des Motors (70) in der Art, daß die Abweichung Null wird.

8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschaltung einen Wechselrichter (60) ent hält, der eine in das Elektro-Fahrzeug eingebaute Batterie (50) als Leistungsquelle nutzt.

9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Übersetzungsverhältnis berechnende Einheit um faßt:
Einrichtung (90) zur Berechnung des Verhältnisses der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs zur Solldrehzahl des Motors.

10. Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis (21) eine veränderbare Steue rungskonstante der Transferfunktion hat.

11. Steuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis (21) einen Proportional- Integral-Regler enthält und sowohl Proportionalkon stante (Kp) als auch Integralkonstante (T_V) der Transferfunktion des Proportional-Integral-Reglers abstimmbar sind.

12. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Übersetzungs-Einheit (80) aus mehreren kontinuierlich veränderbaren Übersetzungs-Getrieben (801, 802) zusammengesetzt ist.

13. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Übersetzungs-Einheit (80) aus einem kontinuierlich veränderbaren Übersetzungs-Getriebe (802) und einem Übersetzungs-Getriebe mit festem Über setzungsverhältnis aufgebaut ist.

14. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (70) mit der Übersetzungs-Einheit verbunden ist, und das Elektro-Fahrzeug außerdem ein Kühlsystem (110, 111) enthält, durch das beide, Motor (70) und Übersetzungs-Einheit, gemeinsam gekühlt werden.

15. Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (70) ein durch einen Wechselrichter (60) angetriebener Induktionsmotor ist.

16. Verfahren für die Steuerung eines durch einen Motor (70) angetriebenen Elektro-Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:
Vorgabe eines Zielwertes für die Fahrzeuggeschwindig keit;
Berechnung der Solldrehzahl des Motors (870) in Ab hängigkeit von der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs und einem vorher eingegebenen Muster zur Motorsteue rung;
Antrieb des Motors (79) bis auf die Solldrehzahl des Motors;
Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses in Abhängig keit von sowohl der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs als auch von der Solldrehzahl des Motors; und
Übersetzung der Drehzahl des Antriebs des Motors (70) und Übertragung der übersetzten Drehzahl auf die An triebswelle des motorgetriebenen Fahrzeugs.