DE4302838A1 - Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe von elektrischen Fahrzeughilfsantrieben für Fahrzeuge mit mindestens zwei getrennten, aber auch zusammenwirkenden Antrieben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe von elektrischen Fahrzeughilfsantrieben für Fahrzeuge mit mindestens zwei getrennten, aber auch zusammen wirkenden Antrieben.

Unter einem elektrischem Hilfsantrieb wird ein Antrieb verstanden, der seiner konstruktiven Auslegung nach nicht geeignet ist, ein Fahrzeug unter allen Bedingungen anzutreiben. Es wird zusätzliche Antriebsleistung, z. B. in Form von Muskelkraft, benötigt. Der bestimmungsgemäße Gebrauch eines elektrischen Hilfsantriebes ist gekennzeichnet durch eine sinnvolle Zusammenführung der verschiedenen Einzelleistungen. Hierbei müssen neben den Fahrzeug-, Antriebs- und Energiespeicherdaten auch die äußeren Bedingungen beachtet werden. Die Zusammenführung soll so erfolgen, daß zum einen der Hilfsantrieb und der Energiespeicher nicht unnötig hoch belastet werden und zum anderen der Anteil der Hilfsantriebsleistung nicht so klein wird, daß er vernachlässigbar ist.

Bei bekannten Lösungen elektrischer Hilfsantriebe muß die mitgeführte elektrische Energie entsprechend der äußeren Bedingungen manuell dosiert werden. Dies hat den Nachteil, daß der Fahrer den elektrischen Hilfsantrieb ständig stark beanspruchen kann. Er kann das Fahrzeug bis zur Leistungsgrenze des Hilfsantriebes ausschließlich von diesem antreiben lassen. Dies entspricht nicht dem bestimmungsgemäßen Gebrauch eines Hilfsantriebes. Im Zusammenhang mit der nur sehr begrenzt mitführbaren elektrischen Energiemenge führt dies zu geringen Reichweiten bzw. einer geringen Betriebsdauer sowie zu einer möglichen Lebensdauerverkürzung von Energiespeicher und Antrieb. In der Praxis wird die Leistungsabgabe des Hilfsantriebes daher häufig begrenzt.

Bekannte Begrenzungen der Hilfsantriebsleistung können variable Parameter wie z. B. Wind oder Steigungen nicht berücksichtigen. Sie arbeiten somit in der Praxis vielfach nicht optimal. Es kann vorkommen, daß der Hilfsantrieb unter ungünstigen Bedingungen, z. B. an einer Steigung, nur noch einen unwesentlichen Teil der insgesamt benötigten Antriebsleistung abgeben darf. Er wird somit vom Fahrer als unzureichend angesehen. Andererseits gibt er an Gefällen noch unnötig Leistung ab, die zu einer Verringerung der Reichweite führt.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren für Fahrzeuge mit mindestens zwei getrennten, aber auch zusammenwirkenden Antrieben, in dem alle wesentlichen Fahrwiderstände und die Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt erfaßt werden. Zusätzlich sind die Kenndaten von Energiespeicher, Fahrzeug und Antrieb gespeichert. Aus diesen Daten wird die aktuell notwendige Antriebsleistung für das Fahrzeug errechnet. Dem Hilfsmotor wird höchstens nur soviel Leistung zugeführt, daß er einen dem bestimmungsgemäßen Gebrauch entsprechenden Teil der errechneten Antriebsleistung abgeben kann. Die Differenz der Antriebsleistung wird z. B. durch Muskelkraft aufgebracht. Die Höhe der zugelassenen Leistungs­ abgabe des Hilfsmotors hängt neben den Kenndaten von Fahrzeug, elektrischem Energiespeicher und Antrieb von der insgesamt benötigten Antriebsleistung, der Geschwindigkeit und praktischen Überlegungen ab. In bestimmten Situationen, z. B. bei geringer Geschwindigkeit, kann die dem Hilfsmotor zugeführte Leistung zum alleinigen Antrieb des Fahrzeuges ausreichen.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine hohe Reichweite bzw. lange Betriebsdauer des elektrischen Hilfs­ antriebes unter allen Bedingungen sichergestellt wird. Gleichzeitig wird verhindert, daß der Hilfsantrieb unter ungünstigen Bedingungen nur noch einen unwesentlichen Teil der benötigten Antriebsleistung abgeben kann. Dies verhindert beim Fahrer das Gefühl einer mangelhaften Unterstützung. Zusätzlich kann eine dem elektrischen Energiespeicher angepaßte Energieentnahme durch das Verfahren berücksichtigt werden. Hierdurch wird die Lebensdauer des Speichers erhöht und die zu entnehmende Energiemenge maximiert.

Nachfolgend wird das Verfahren beispielsweise für ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb beschrieben.

Hier werden folgende für die Berechnung der benötigten Antriebsleistung wesentlichen Faktoren kontinuierlich gemessen und verarbeitet: Der Grad der Steigung bzw. des Gefälles wird mit einem Neigungsmesser gemessen.

Die Anströmgeschwindigkeit und dessen Richtung werden durch zwei um etwa +45° bzw. -45° zur Fahrzeuglängsrichtung horizontal gedrehte Staudruckmesser ermittelt. Ein am Rad montierter Umdrehungszähler errechnet die aktuelle Fahrgeschwindigkeit.

Die konstanten bzw. nur wenig veränderlichen Kennwerte sind fest gespeichert. Hierzu gehören fahrzeugseitig der Rollwiderstandsbeiwert zwischen Reifen und Straße, das Fahrzeuggewicht einschließlich des Fahrergewichts, der Luftwiderstandsbeiwert in Abhängigkeit von der Anströmrichtung sowie die Querspantfläche von Fahrrad mit Fahrer in Abhängigkeit von der Betrachtungsrichtung. Von dem elektrischen Hilfs­ antrieb sind die Kennfelder mit den Abhängigkeiten von Spannung, Strom, Abtriebsmoment und Abtriebsleistung untereinander, deren zulässige Grenzwerte sowie die Wirkungsgrade der Energieübertragungseinrichtungen gespeichert. Von dem elektrischen Energiespeicher sind die Abhängigkeiten von Stromstärke und Kapazitätsänderung, die Gesamtkapazität sowie die zulässigen Belastungen gespeichert.

Die Erfassung und Auswertung der Daten erfolgt vorzugsweise durch einen Mikrorechner. Die Speicherung der Daten und des Auswertungsprogramms erfolgt dann resident in einem RAM bzw. einem EPROM. Dem Mikrorechner nachgeordnet ist eine Leistungsstufe, welche die vom Fahrer gewünschte bzw. vom Auswertungsprogramm zugelassene Leistung unter Berück­ sichtigung der Wirkungsgrade dosiert dem elektrischen Hilfsantrieb zuführt.

Im Fahrbetrieb werden kontinuierlich die gemessenen Daten mit den gespeicherten Daten in dem Mikrorechner zusammengeführt. Hieraus wird die zum Antrieb des Fahrzeuges notwendige Antriebsleistung errechnet. Die Antriebsleistung setzt sich aus der Leistungsabgabe des elektrischen Hilfs­ motors und der Leistung aus der Muskelkraft des Fahrers zusammen. Der Fahrer kann den Hilfsantrieb von Null bis zu einer Grenze dosieren. Der maximal vom Fahrer anforderbare Leistungsanteil des Hilfsantriebes wird durch die Geschwindigkeit, die Kenndaten von Energiespeicher und Hilfs­ antrieb sowie praktischen Überlegungen festgelegt. In diesem Beispiel wird bis zur Schrittgeschwindigkeit von etwa 6 km/h, ab der ein sicheres Gleich­ gewicht beim Fahren zu erwarten ist, die maximal mögliche Leistung des elektrischen Hilfsantriebes zugelassen. Sie wird nur durch die Grenzwerte von Antrieb und elektrischem Energiespeicher begrenzt. Bei höheren Geschwindigkeiten wird der mögliche Anteil der Hilfsantriebsleistung an der insgesamt notwendigen Antriebsleistung verringert. Um ruckartige Über­ gänge zu vermeiden, wird der mögliche Anteil der Hilfsantriebsleistung von dem Maximum bei 6 km/h kontinuierlich auf 50% bei 15 km/h verringert. Wird unter extremen Bedingungen, z. B. an starken Steigungen einer der antriebs- oder energiespeicherbedingten Grenzwerte erreicht, so wird der Anteil der Hilfsantriebsleistung vorzeitig verringert. Der 50%ige Anteil des Hilfsantriebes gibt dem Fahrer immer noch das Gefühl einer effektiven Unterstützung, und zwar unabhängig von den sich ändernden äußeren Bedingungen. Es wird jedoch verhindert, daß sich der Fahrer zu 100% von dem Hilfsantrieb ziehen läßt und somit die Reichweite sehr gering wird. Bekannte Lösungen der Leistungsbegrenzung von elektrischen Hilfs­ antrieben können äußere Einflüsse wie Wind oder Steigungen nicht berücksichtigen. So kann eine feste Begrenzung, deren Leistung bei Wind­ stille 50% Unterstützung zuläßt, bei starkem Gegenwind mit der gleichen Leistung nur noch 20% Unterstützung ausmachen, obwohl Hilfsantrieb und Energiespeicher zumindest kurzfristig mehr leisten könnten. Diese geringe Unterstützung wird vom Fahrer als ungenügend empfunden. Auf der anderen Seite kann die gleiche Leistung bei Rückenwind schon 100% Unterstützung ausmachen. Der Fahrer braucht dann gar nicht mehr zu treten. Dies entspricht aber nicht dem bestimmungsgemäßen Gebrauch eines Hilfsantriebes und führt zu einer vermeidbaren Verringerung der Reichweite.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe von elektrischen Fahrzeughilfsantrieben für Fahrzeuge mit mindestens zwei getrennten, aber auch zusammenwirkenden Antrieben, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrwiderstände, der Geschwin­ digkeit und der Kenndaten von Fahrzeug, Antrieb und elektrischem Energiespeicher, die Antriebsleistung zu jedem Zeitpunkt errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berechnung der Antriebsleistung wesentlichen Fahrwiderstände, die Geschwindigkeit sowie Fahrzeug-, Antriebs-, und Energiespeicher­ kenndaten über Sensoren gemessen werden oder gespeichert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Leistungsanteil des Hilfsantriebes durch die Geschwin­ digkeit, die Kenndaten von Energiespeicher und Hilfsantrieb sowie prakti­ schen Überlegungen festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des elektrischen Hilfs­ antriebs errechnete Leistungsabgabe des Hilfsantriebs unter Berück­ sichtigung der Antriebskenndaten und der einstellbaren oder vorgegebenen Leistungsabgabe des oder der weiteren Antriebe auf die Motorein­ gangsleistung des Hilfsantriebes umgerechnet und dem Antriebsmotor dosiert zugeführt wird.