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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren, mit denen sich
der Betrieb und die Laufeigenschaften von Hybridelektrofahrzeugen
einfach und wirkungsvoll gestalten lassen.
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Hybridelektrofahrzeuge
gehören
nach weit verbreiteter Ansicht zu den zweckmäßigsten der schadstoffarmen
Fahrzeuge. Ein Hybridelektrofahrzeug umfasst eine elektrische Fahrbatterie,
die elektrischen Strom für
einen elektrischen Fahrmotor liefert, der wiederum die Räder des
Fahrzeugs antreibt. Mit "hybrid" ist gemeint, dass
bei einem solchen Fahrzeug eine sekundäre bzw. zusätzliche Quelle elektrischer
Energie zum Wiederaufladen der Batterie während des Fahrzeugbetriebs
verwendet wird. Bei dieser sekundären Quelle elektrischer Energie kann
es sich um Sonnenzellen-Flächen,
eine Brennstoffzelle, einen von einem Verbrennungsmotor angetriebenen
Generator oder jede andere Quelle elektrischer Energie handeln.
Wenn als sekundäre
Quelle elektrischer Energie ein Verbrennungsmotor verwendet wird,
so handelt es dabei gewöhnlich
um einen relativ kleinen Motor, der wenig Kraftstoff verbraucht und
eine geringe Menge an Schadstoffen erzeugt. Ein damit einhergehender
Vorteil besteht darin, dass ein kleiner Verbrennungsmotor innerhalb
eines eingeschränkten
Drehzahlbereichs betrieben werden kann, wodurch sich die Schadstoffregelung
des Motors optimieren lässt.
Die Ausdrücke "primär" und "sekundär" beziehen sich, wenn
sie zur Beschreibung der Quellen elektrischer Energie verwendet werden,
nur auf die Art und Weise, wie Energie während des Betriebs verteilt
wird, und haben keine grundlegende Bedeutung für diese Erfindung. Ein einfaches
Elektrofahrzeug, das nur von elektrischen Batterien angetrieben
wird, hat die Nachteile, dass die Batterien leer werden können, wenn
keine Batterieladestation in der Nähe ist, und dass die Batterien, selbst
wenn ein solches Fahrzeug nach einem Tag erfolgreich in sein Depot
zurückkehrt,
wieder aufgeladen werden müssen.
Das Hybridelektrofahrzeug hat gegenüber einem einfachen Elektrofahrzeug
den bedeutenden Vorteil, dass es seine Batterien im Betrieb selbst
auflädt
und somit gewöhnlich
kein externes Wiederaufladen der Batterien erfordert. Daher kann das
Hybridelektrofahrzeug ganz ähnlich
wie ein gewöhnliches,
von einem Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug, bei dem nur
Kraftstoff nachgefüllt werden
muss, verwendet werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Hybridelektrofahrzeugs
ist sein geringer Kraftstoffverbrauch. Dieser vorteilhafte Kraftstoffverbrauch
ergibt sich aus der Anwendung von Regenerativ-Widerstandsbremsung,
die während mindestens
eines Teils des Bremsvorgangs kinetische Bewegungsenergie in elektrische
Energie umwandelt und diese Energie wieder an die Batterie zurückgibt.
Es hat sich gezeigt, dass Bremsverluste fast die Hälfte aller
Reibungsverluste ausmachen, die bei einem Fahrzeug im Stadtverkehr
auftreten. Die Wiedergewinnung dieser 50% der Energie und ihre Rückführung zu
den Batterien zum späteren
Gebrauch gestattet die Verwendung eines viel kleineren "sekundären" kraftstoffbetriebenen
Stromerzeugers als dies bei Nichtanwendung der Regenerativbremsung
der Fall wäre.
Diese kleinere sekundäre
Stromquelle hat zur Folge, dass der Kraftstoffverbrauch sinkt. Ein
Hybridelektrofahrzeug hat außerdem
den Vorteil, dass die zur Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung stehende
Energie die Summe der maximalen Energie, die von den Batterien geliefert
werden kann, und der maximalen Energie, die von der sekundären Stromquelle
erzeugt werden kann, ist. Wenn es sich bei dem Stromerzeuger um
einen Dieselmotor handelt, kann die Kombination von Batterieenergie
und Dieselenergie, trotz des niedrigen Kraftstoffverbrauchs, eine
ziemlich große
Antriebskraft ergeben.
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In
der europäischen
Patentschrift
EP 0
611 675 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit einer Energiewiedergewinnungsvorrichtung
beschrieben, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs
1 aufweis. Dieses Elektrofahrzeug umfasst mindestens ein Antriebsrad,
mechanische Einrichtungen zum Abbremsen dieses Rads, mindestens
einen Elektromotor, der mit dem Antriebsrad mechanisch verbunden
ist, einen wiederaufladbaren elektrischen Akkumulator sowie mit
dem Akkumulator und dem Elektromotor verbundene Energiesteuerungs- und
-umwandlungseinrichtungen, die eine elektrische Bremseinrichtung,
durch die der Elektromotor als Generator betrieben werden kann,
umfasst. Das Fahrzeug umfasst ferner Einrichtungen zur Dissipation
der beim elektrischen Bremsen erzeugten elektrischen Energie, die
einen Kühlkreislauf
und einen Dissipationswiderstand, der zumindest indirekt mit dem Kühlkreislauf
zusammenwirkt, umfassen. Die Energiesteuerungs- und -umwandlungseinrichtungen können ein
Messsignal erzeugen, das den Ladungszustand des Akkumulators angibt,
und auf das Messsignal hin zumindest einen Teil des Ladestroms zum Heizelement
ableiten.
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Hybridelektrofahrzeuge
sind zwar wirtschaftlich und im Hinblick auf die Umwelt vorteilhaft,
aber nicht unbedingt "idiotensicher". Um breite Akzeptanz zu
erlangen, müssen
sie, was ihre Arbeitsweise und ihr Ansprechen auf Fahrerbefehle
betrifft, herkömmlichen,
von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugen gleichen.
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Daher
hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Hybridelektrofahrzeug
mit einem Fahrmotor, der zu Widerstandsbremsung verwendet werden kann,
zu schaffen, das hinsichtlich Arbeitsweise und Ansprechen auf Fahrerbefehle
herkömmlichen,
von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugen gleicht.
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Diese
Erfindung ist im unabhängigen
Anspruch 1 festgelegt. Weitere Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
dieser Erfindung gehen die oben beschriebenen Schritte in Abhängigkeit
vom Ladezustand der Batterien weich ineinander über. Während sich die Stärke der
Widerstandsbremsung als Funktion der Batterieladung allmählich ändert, gleichen
die vom Fahrer betätigten Reibungsbremsen
einen möglicherweise
auftretenden Mangel an Bremskraft automatisch aus.
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1 zeigt ein vereinfachtes
Blockdiagramm eines Elektrofahrzeugs gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung, das eine Befehlssteuerung, die eine Steuerung gemäß dieser
Erfindung ausführt,
und eine Stromsteuerung umfasst.
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2 zeigt ein vereinfachtes
Blockdiagramm zur Darstellung einiger der in der Stromsteuerung
von 1 ausgeführten Funktionen.
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3a und 3b zeigen vereinfachte Diagramme der
Energierückführung zur
Fahrbatterie versus Batterieladungszustand sowie der auf Rückführung beruhenden
Zugkraft versus Batterieladungszustand.
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4 zeigt ein vereinfachtes
Ablaufdiagramm zur Darstellung des logischen Ablaufs in der Befehlssteuerung
von 1 und 2, mit dem die in 3a und 3b dargestellten Operationen herbeigeführt werden.
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5 zeigt ein vereinfachtes
Diagramm der Verteilung der Zufuhr von Antriebsenergie zum Fahrmotor
des Fahrzeugs von 1 als
Funktion des Ladungszustands der Fahrbatterie.
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6 zeigt ein vereinfachtes
Ablaufdiagramm zur Darstellung des logischen Ablaufs in der Befehlssteuerung
von 1 und 2, mit dem die in 5 dargestellten Operationen
herbeigeführt
werden.
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7a zeigt ein Diagramm der
Motor- bzw. Generatorleistung versus Drehzahl, mit dem Drehmoment
als Parameter, und 7b zeigt,
wie die Leistung des Motors/Generators geregelt wird.
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8 zeigt ein vereinfachtes
Blockdiagramm zur Darstellung bestimmter Steuerungsschaltungen bzw.
-anordnungen zur Regelung der von der Zusatzstromquelle erzeugten
Strommenge in Abhängigkeit
vom Ladungszustand der Fahrbatterie.
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In 1 umfasst ein Elektrofahrzeug 10 mindestens
ein Antriebsrad 12, das mit einem Wechselstrom-Fahrmotor 40,
der bei einer Ausführung
dieser Erfindung ein Dreiphasenwechselstrommotor ist, verbunden
ist. Bei dem Motor 40 handelt es sich vorzugsweise um einen
bekannten Motor-Generator, so dass während der Widerstandsbremsung
kinetische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden
kann. Eine Stromsteuerung 14 ist über Starkstromleitungen mit
dem Fahrmotor 40, einer Fahrbatterie 20 und einer
als Block 16 wiedergegebenen Zusatzstromquelle verbunden.
Wie in Block 16 dargestellt, kann die Zusatzquelle einen
Verbrennungsmotor, z. B. einen Dieselmotor 18, der einen Stromgenerator 22 antreibt,
oder eine Brennstoffzelle 24 umfassen. Eine als Block 50 wiedergegebene
Befehlssteuerung ist über
Informationsleitungen mit der Stromsteuerung 14, der Zusatzstromquelle 16 und dem
Fahrmotor 40 verbunden, um diese in Übereinstimmung mit geeigneten
Steuerungsgesetzen zu steuern.
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Eine
der verbreitetsten und preiswertesten Batterien, die auch relativ
viel Energie speichern kann, ist die Blei/H2SO4-Batterie. Diese Batterie eignet sich für Elektrofahrzeuge,
wenn Sulfatieren und eine Zuführung
eines Ladestroms bei voller Batterie, die zum Gasen des Elektrolyten
und unerwünschter Wärmeerzeugung
führen
würde,
verhindert wird.
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In 1 sind die Anzeigen und
Bedienungselemente des Fahrzeugs 10 als Block 30 wiedergegeben.
Der Block 30 ist über
eine bidirektionale Datenleitung 31 mit der Befehlssteuerung 50 verbunden,
um dieser Fahrbefehle zuzuführen,
die die Befehlssteuerung 50 dann in geeignete Befehle für die verschiedenen
Stromelemente, wie die Stromsteuerung 14, die Zusatzstromquelle 16 und
den Fahrmotor 40, umwandelt. Der Block 30 ist
außerdem über eine
Leitung 32 mit Reibungsbremsen 36a und 36b verbunden,
die durch eine herkömmliche
Hydraulik-Bremsanlage, die mit einem Bremspedal verbunden ist, direkt
betätigt
werden.
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2 zeigt die Verbindung einiger
Elemente der Stromsteuerung 14 von 1 mit anderen Elementen von 1. Insbesondere umfasst
die Stromsteuerung 14 eine mit der Zusatzstromquelle 16 verbundene
Gleichrichteranordnung 26, die (falls erforderlich) den
von der Zusatzstromquelle 16 erzeugten Wechselstrom in
Gleichspannung umwandelt. Die Stromsteuerung 14 umfasst
außerdem
ein bidirektionales Antriebssteuerungssystem, das einen Wechselrichter 28 aufweist,
der über
Starkstromleitungen mit der Batterie 20, der Gleichrichteranordnung 26 und
dem Fahrmotor 40 verbunden ist. Die Arbeitsabläufe des
Wechselrichters 28, der Zusatzstromquelle 16 und
des Fahrmotors 40 werden, wie oben erwähnt, von der Befehlssteuerung 50 gesteuert.
Es ist anzumerken, dass das Antriebssteuerungssystem außer dem
Wechselrichter 28 Spannungs- und Stromsensoren zur Erfassung
der Betriebsparameter des Motors/Generators, der Batterie und der
Zusatzstromquelle umfasst.
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Im
Grundbetrieb der Anordnung von 1 und 2 steuert die Befehlssteuerung 50 die
einzelnen Schalter (nicht gezeigt) des Wechselrichters 28 mit pulsbreitenmodulierten
Befehlen, die bewirken, dass am Anschluss 28m des Wechselrichters 28,
der mit dem Fahrmotor 40 verbunden ist, ein Näherungswert einer
Wechselspannung mit ausgewählter
Frequenz und Höhe
erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung handelt
es sich bei dem Wechselrichter um einen feldorientierten Wechselrichter
und bei dem Fahrmotor um einen feldorientierten Induktionsmotor.
Die Frequenz und Höhe
des befohlenen Wechselstroms, der dem Fahrmotor 40 zugeführt wird,
werden so gewählt,
dass der Motor bei ausgewählter
Motordrehzahl mit einem ausgewählten
Fahrstrom betrieben wird. Allgemein erzeugt der Fahrmotor 40 eine
gegenelektromotorische Kraft, die mit steigender Motordrehzahl zunimmt,
so dass der Wechselrichter (gesteuert von der Befehlssteuerung 50)
eine Wechselspannung liefern muss, die mit steigender Spannungsfrequenz
zunimmt, damit die Stärke
des Motorantriebsstroms gleich bleibt. Der Motor dreht mit einer
Frequenz, die mit der befohlenen Frequenz am Wechselrichterausgang übereinstimmt. Außerdem ist
im Grundbetrieb eines Elektrofahrzeugs wie dem von 1 und 2 sowohl
Widerstandsbremsung als auch Reibungsbremsung möglich. Die Widerstandsbremsung
wird bevorzugt, da die der Bewegung des Fahrzeugs innenwohnende
(kinetische) Energie dabei vom Fahrmotor, der beim Abbremsen des
Fahrzeugs als Generator arbeitet, zurückgewonnen wird. Während der
Widerstandsbremsung wandelt der Wechselrichter 28 von 2, der dann in einer zweiten
bzw. Rückführungsrichtung
arbeitet, die vom Fahrmotor 40 erzeugte Wechselspannung
in Gleichspannung um, die die Fahrbatterie 20 lädt. Wenn
es sich um ein Hybridelektrofahrzeug handelt, das die Zusatzstromquelle 16 aufweist,
so kann diese während
der Fahrt zum Laden der Batterien und/oder zur Lieferung eines Teils
der Antriebsenergie genutzt werden, was von den Befehlen der Befehlssteuerung 50 abhängt.
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Es
wurde festgestellt, dass die Widerstandsbremsung, wenn ein Elektrofahrzeug
in einem normalen Modus betrieben wird und die Batterien voll aufgeladen
sind, in die bereits aufgeladene Batterie einen Ladestrom schickt.
Aufgrund der Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie
erhöht
sich dabei die Batteriespannung erheblich (bei einer 12 V-Batterie z.
B. von einem Vollladungswert von 13 Volt ohne Stromführung auf
fast 16 Volt), was der Befehlssteuerung anzeigt, dass ein Überladen
erfolgt. Wenn die Befehlssteuerung die durch die Widerstandsbremsung
erzeugte Energie von der Batterie abkoppelt, was sie zum Schutz
der Batterie tun muss, sinkt die Batteriespannung sofort auf ihren
Vollladungswert ohne Stromführung.
Dadurch beginnt die Steuerung der Widerstandsbremsung wieder mit
der Zufuhr von Energie zur Batterie, bis der Überladungsschutz abermals einsetzt.
Dies führt
zu einer periodischen Anwendung der Widerstandsbremsung in Impulsabständen, die
durch die Schleifenmerkmale der Befehlssteuerung bestimmt werden,
und zu einem wahrnehmbaren Bremsflattern sowie der Gefahr des Überladens
der Batterie während
gewisser Abschnitte des Impulsintervalls. Sowohl das Überladen
als auch das Flattern sind unerwünscht.
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3a und 3b veranschaulichen ein Steuerungsgesetz
gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung, das in den Intervallen, in denen der Ladungszustand der
Fahrbatterien unter einer speziellen Ladungsmenge liegt, die geringer
als Vollladung ist, die Rückführung der
gesamten durch Widerstandsbremsung gewonnenen Energie zu den Fahrbatterien
zulässt und
bei Ladungspegeln, die zwischen der speziellen Ladungsmenge und
Vollladung liegen, den Anteil der rückgeführten Energie, der durch Widerstandsbremsung
gewonnen wird, auf eine Weise reduziert, die abhängig von oder eine Funktion
der aktuellen Ladung bezogen auf die Ladungsdifferenz zwischen der vorgegebenen
Ladung und der Vollladung ist. Bei einer Ausführung dieser Erfindung ist
die Beziehung monoton, und kann linear sein. In 3a repräsentiert die Kurve 310 die
Rückführungsmenge
als Funktion des Ladungszustands der Fahrbatterie, und zwar nach
einem Steuerungsgesetz gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung. Insbesondere umfasst die Kurve 310 einen
Abschnitt 312, der bei einem Rückführungswert, der bei 100% oder
so nah an 100%, wie dies praktisch möglich ist, liegt, konstant
ist. Bei Vollladung ist die Rückführung der
durch Widerstandsbremsung gewonnenen Energie auf Null oder so nah an
Null, wie dies praktisch möglich
ist, reduziert. Das durch die Kurve 310 dargestellte Steuerungsgesetz umfasst
einen zweiten Abschnitt 314, der von 100% an einem vorgegebenen,
als "erste Ladung" bezeichneten Ladungspegel
zu Nullrückführung bei
Vollladung der Fahrbatterie monoton abfällt. Die Wirkung auf die Nutzbremsung
des Fahrzeugs als Funktion des Ladungszustands der Fahrbatterie
ist in 3b durch eine
Kurve 320 dargestellt. Die Kurve 320 umfasst einen
ersten Abschnitt 322, der sich von niedrigen Ladungspegeln
bis zum ersten Ladungspegel der Fahrbatterie mit einem konstanten
Wert, der maximale Nutzbremsung repräsentiert, erstreckt. Einer zweiter
Abschnitt 324 der Kurve 320 repräsentiert Nutzbremsung,
die von 100% am ersten Ladungspegel zu null % bei Vollladung monoton
abfällt.
Die Abschnitte 314 und 324 der Kurven 310 bzw. 320 sind linear
wiedergegeben, für
Steuerungszwecke reicht es aber aus, wenn sie monoton sind. Diese
monotone Verringerung der Widerstandsbremsung dürft für den Fahrer des Automobils
nicht wahrnehmbar sein, da sich der Ladungszustand der Fahrbatterie
und somit die Nutzbremsung nur langsam ändert. Da sich die Nutzbremsung langsam ändert, gleichen
die Reibungsbremsen die Differenz zwischen der Widerstandsbremsung
und der erforderlichen Bremskraft mit weichem Übergang aus. Dies verringert
das Flattern, das auftritt, wenn das Steuerungsgesetz nur die Fahrbatterie
vor Überladen
schützt,
indem es einfach die Rückführung stoppt,
wenn die Batterien voll aufgeladen sind.
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4 zeigt ein vereinfachtes
Ablaufdiagramm, das den Teil 400 der den Steuerungsprozessor 50 von 1 steuernden Steuerungsgesetze wiedergibt,
der die durch 3a und 3b repräsentierte Funktionsweise bewirkt.
Die Logik in 4 beginnt mit
einem START-Block 410 und geht dann zu einem Block 412 über, der
die Erfassung der Parameter des Fahrbatteriepacks (20 von 1), wie z. B. Temperatur,
Spannung und Strom sowie die Registrierung der Zeit repräsentiert.
Proben dieser Parameter können in
kleinen Intervallen genommen werden, beispielsweise bei jedem Durchlauf
durch die Schleife von 4.
Auf den Logikblock 412 folgt ein Block 414, in dem
durch Feststellung der in die Batterie gelangten Ladungsmenge und
Subtraktion der der Batterie entnommenen Ladungsmenge der Ladungszustand
der Fahrbatterie berechnet wird. Die Maßeinheit dieser Ladung ist
die Amperestunde. Wenn der Ladungszustand der Fahrbatterie berechnet
ist, wird in einem Entscheidungsblock 416 der berechnete
aktuelle Ladungszustand der Fahrbatterie mit dem vorgegebenen Ladungswert,
der in 3a und 3b durch den Pegel "erste Ladung" repräsentiert
ist, verglichen; dieser Pegel liegt, wie oben erwähnt, unter
der Vollladung. Wenn im Entscheidungsblock 416 festgestellt wird,
dass der berechnete Ladungspegel der Fahrbatterie weniger beträgt als der
erste Ladungspegel, wird über
den JA-Ausgang zu einem Block 418 übergegangen, der die maximale
Nutzung der Widerstandsbremsungsenergie repräsentiert. Bei der in Block 418 vorgenommenen
Aktion kann es sich z. B. darum handeln, dass der Feldstrom im Fahrmotor (der
nun als Generator arbeitet) beim Bremsen so eingestellt wird, dass
die Stromabgabe des Fahrmotors maximiert wird. Es ist zu bemerken,
dass manche Motoren/Generatoren keine gesonderte Feldwicklung sondern
mehrere Wicklungen aufweisen, wobei dann in einer Wicklung der erwünschte Strom durch
regulierten Strom in einer anderen Wicklung induziert wird. Für diese
Erfindung ist irrelevant, wie der Feldstrom erzeugt wird, solang
er in der erwünschten
Menge erzeugt wird. Auf Block 418 folgt Block 412,
wo ein weiterer Durchlauf durch die Schleife beginnt. Bei diesem
Betrieb des Hybridelektrofahrzeugs wird die Fahrbatterie aufgrund
der kontinuierlichen Zufuhr von Energie (durch den Verbrennungsmotor
bzw. den zusätzlichen
Stromerzeuger) in das Energiespeicherungssystem, das die Fahrbatterie
und die Bewegungsenergie des Fahrzeugs umfasst, immer mehr aufgeladen.
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Schließlich wird
der in 3a und 3b dargestellte Pegel "erste Ladung" der Fahrbatterie überschritten.
Dann ändern
sich die Durchläufe
der Logik des Steuerungsprozessors 50 von 1 durch den Abschnitt seiner vorprogrammierten
Logik, der durch die Logikschleife 400 von 4 repräsentiert ist, da der Logikfluss
nicht mehr zum JA-Ausgang sondern zum NEIN-Ausgang des Entscheidungsblocks 416 geleitet
wird. Vom NEIN-Ausgang des Entscheidungsblocks 416 geht
die Logik zu einem Block 420 über, in dem die Rückführung des
in Form von kinetischer Energie des Fahrzeugs verfügbaren Stroms
in umgekehrtem Verhältnis
zur aktuellen Ladung bezogen auf die Differenz zwischen Vollladung
und erster Ladung von 3a und 3b reduziert wird. Wenn der aktuelle
Ladungszustand bei 70% der Strecke zwischen erster Ladung und Vollladung
liegt, wie in 3a und 3b durch Cc wiedergegeben,
beträgt
somit die Menge der wiedergewonnenen und der Batterie zugeführten Bewegungsenergie
30%. Wenn der aktuelle Ladungspegel 100% erreicht, beträgt die zulässige Rückführung null
%. Wie oben erwähnt,
kann die Steuerung der Kopplung der Energie, die vom als Generator
arbeitenden Fahrmotor erzeugt wird, einfach dadurch erreicht werden,
dass bei einem feldorientierten Wechselstrommotor das Antriebsdrehmoment
entsprechend eingestellt wird. Bei einer Ausführung dieser Erfindung wird
das Drehmoment proportional zur Drehzahl reduziert, um die Energiemenge,
die vom als Generator arbeitenden Motor erzeugt und zur Fahrbatterie
zurückgeführt wird,
zu regulieren.
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Wie
bisher beschrieben, steuert die Logik von 4 die Rückführung in Abhängigkeit
vom Ladungszustand der Fahrbatterie. Dies bedeutet, dass beim Bremsen
die auf das Fahrzeug einwirkende Bremskraft, die durch den als Generator
arbeitenden Motor herbeigeführt
wird, verringert wird. Einer der Vorteile eines Elektrofahrzeugs,
das Widerstandsbremsung nutzt, besteht darin, dass die Reibungsbremsen
nicht die ganze Bremskraft aufbringen müssen und somit entsprechend
ihres geringeren Gebrauchs einfacher, z. B. leichter, konstruiert
werden können.
Wie bisher im Zusammenhang mit der Logik von 4 beschrieben, wird die Widerstandsbremsung
unter bestimmten Ladungsbedingungen der Fahrbatterie reduziert.
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Um
in den Zeiten, in denen die Nutzbremsung reduziert ist, für zusätzliches
Bremsen zu sorgen, bewegt sich gemäß einem weiteren Aspekt dieser
Erfindung die Logik von Block 420 von 4 zu einem Block 422, der eine
Reduzierung der Effizienz des als Generator arbeitenden Fahrmotors
repräsentiert.
Diese Reduzierung der Effizienz des als Generator arbeitenden Fahrmotors
kann durch Regulierung des Schlupfs oder des Stroms in der Feldwicklung,
vorzugsweise aber durch beides, erreicht werden. Von Block 422 von 4 wird zu Block 412 zurückgekehrt,
wo ein weiterer Durchlauf durch die Schleife bzw. durch die Logik 400 beginnt.
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Wie
bisher beschrieben, ergab sich das Flattern bzw. das ungleichmäßige Verhalten
aus dem Schutz der voll aufgeladenen Batterie vor zusätzlicher
Ladung. Ein ähnlicher
Effekt tritt ein, wenn mit einer fast leeren Batterie beschleunigt
wird. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs 10 von 1 stehen sowohl die Fahrbatterie 20 als
auch die sekundäre
bzw. Zusatzstromquelle 16 (der Verbrennungsmotor bzw. der
zusätzliche
Stromerzeuger) als Quellen elektrischer Energie für den Fahrmotor 40 zur
Verfügung. Daher
kann der Fahrmotor 40 Kraft liefern, die sich aus der maximalen
Energie, die der Fahrbatterie 20 entnommen werden kann,
und der maximalen Energie, die die Zusatzstromquelle 16 abgeben
kann, zusammensetzt. Dies ist zweckmäßig für den Stadtverkehr, wo für plötzliches
Beschleunigen eine erhebliche Menge an Energie benötigt wird.
Wenn die Batterie einen Ladungszustand erreicht, der als Leerzustand
gilt, und dann die Schutzeinrichtungen für die Fahrbatterie einfach
die Stromentnahme stoppen, so bewirkt dies ebenfalls ein Flattern.
Dieses Flattern tritt auf, wenn das Fahrzeug längere Zeit bergauf fährt, wie
z. B. beim Überqueren
einer Wasserscheide. Wenn die beim Bergauffahren benötigte Energie die
von der Zusatzstromquelle 16 lieferbare Energie überschreitet,
werden die Batterien kontinuierlich entladen und gelangen schließlich in
den "Leerzustand". Falls dann die
Schutzeinrichtungen für
die Fahrbatterie diese einfach vom Fahrmotorstromkreis trennen,
sinkt die dem Fahrmotor zur Verfügung
stehende Strommenge plötzlich
auf das von der Zusatzstromquelle 16 gelieferte Niveau,
was zu einer abrupten Änderung
der Antriebskraft und einer plötzlichen Geschwindigkeitsverringerung
führt.
Durch das Trennen der Fahrbatterie vom Fahrmotor steigt jedoch die Batteriespannung
auf ihre Leerlaufspannung. Wenn die Schutzeinrichtungen diesen Spannungsanstieg dahingehend
interpretieren, dass die Fahrbatterie nutzbare Ladung aufweist,
verbinden sie die Fahrbatterie wieder mit dem Fahrmotor, wodurch
diese wieder zum Antrieb beiträgt,
ihre Spannung jedoch sinkt. Der Fachmann erkennt dies als einen
Schwingungszustand, der beim Bergauffahren zum Ruckeln führen kann.
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An
diesem Punkt sei angemerkt, dass eine Batterie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge
bereits dann als leer gilt, wenn sie noch eine beträchtliche
Ladung enthält,
da sich die Lebensdauer einer solchen Batterie drastisch verkürzt, wenn
sie zu tief entladen wird. Bei einem Hybridelektrofahrzeug liefert
die Zusatzstromquelle kontinuierlich Energie, die zum Laden der
Fahrbatterie genutzt werden kann, wenn der Bedarf für den Antrieb
geringer ist als die Leistung der Zusatzstromquelle. Die Steuerungsgesetze
lassen zu, dass sowohl die Zusatzstromquelle als auch die Fahrbatterien
dem Fahrmotor Energie zuführen.
Wenn der Bedarf des Fahrmotors die Leistung der Zusatzstromquelle überschreitet,
wird der Fahrbatterie Strom entnommen, wodurch deren Spannung sinkt.
Wenn die Fahrbatterie fast leer ist, kann der aus dieser Stromentnahme
resultierende Spannungsabfall so groß sein, dass der Batterieschutz
ausgelöst
und somit die Stromentnahme aus der Batterie gestoppt wird. Die
Unterbindung der Stromentnahme durch die Steuerungsgesetze bewirkt,
dass das Fahrzeug nur noch von der Zusatzstromquelle angetrieben
wird, wodurch die Spannung der Fahrbatterie steigt. Wenn die Batteriespannung
steigt, sehen die Steuerungsgesetze die Batterie nicht mehr als
leer an, wodurch wieder eine Stromentnahme aus der Fahrbatterie
zugelassen wird. Dieser Vorgang des wiederholten Verbindens und Trennens
der Fahrbatterie mit bzw. vom Fahrmotor bedeutet ein Schwingen des
Steuerungssystems. Diese Schwingung bewirkt eine Antriebskraft,
die entsprechend der Steuerungssystemschwingung schwankt und für den Fahrzeugführer u.
U. wahrnehmbar ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt dieser Erfindung regelt die Befehlssteuerung 50 die
Strommenge, die der Fahrbatterie entnommen werden kann, in Abhängigkeit
von deren Ladungszustand. Dies verhindert das oben beschriebene
Ruckeln und ermöglicht
eine allmähliche
Verringerung der Geschwindigkeit, wenn das Fahrzeug bergauf fährt und
die Batterieladung sinkt. 5 zeigt
eine Kurve 500, die das Ergebnis der Steuerung gemäß diesem
Aspekt der vorliegenden Erfindung repräsentiert. In 5 ist die dem Fahrzeug zur Verfügung stehende
Antriebsenergie als Funktion des Ladungszustands der Fahrbatterie
dargestellt. Die Kurve 500 umfasst einen Abschnitt 510,
der die sich auf einem relativ niedrigen Niveau befindende kontinuierliche
Stromabgabe der Zusatzquelle repräsentiert. Der Abschnitt 510 erstreckt
sich von einem Pegel "Entladen" bis zu einem als "niedrige Ladung" bezeichneten Pegel,
bei dem es sich um den nominellen Leerzustand der Fahrbatterie handelt.
In einem von einem Abschnitt 512 repräsentierten Arbeitsbereich befindet
sich die dem Fahrzeug zur Verfügung
stehende Antriebsenergie auf einem relativ hohen Niveau, das die
Summe von Batterie- und Zusatzquellenenergie repräsentiert. Dieses
vom Abschnitt 512 repräsentierte
maximale Energieniveau erstreckt sich von einem als "erste Ladung" bezeichneten Ladungszustand
bis zum Vollladungszustand. Zwischen dem Zustand "niedrige Ladung" und dem Zustand "erste Ladung" der Fahrbatterie
hängt die
Menge der Antriebsenergie vom Ladungszustand der Fahrbatterie ab,
wie durch einen Abschnitt 514 angezeigt. Die Wirkung dieser
Steuerung besteht darin, dass eine Zeitlang ein Betrieb mit voller
Antriebsenergie zugelassen wird, bis die Fahrbatterie bis zum Pegel "erste Ladung" entladen ist. Sobald
die Spannung der Fahrbatterie unter diesen ersten Pegel fällt, wird
die dem Fahrmotor zur Verfügung
stehende Batterieenergie etwas verringert, und zwar in einem Maß, von dem
angenommen wird, dass es nicht wahrnehmbar ist. Diese geringfügige Energiesenkung
kurz unterhalb des ersten Ladungspegels von 5 verringert das Entladen der Fahrbatterie
ein wenig. Bei einer langen Steigung entlädt sich die Fahrbatterie zunehmend.
Je leerer die Fahrbatterie im Bereich zwischen dem Zustand "erste Ladung" und dem Zustand "niedrige Ladung" von 5 wird, umso weniger Batterieenergie
wird dem Fahrmotor zur Verfügung
gestellt, so dass das Fahrzeug immer langsamer wird. Bei sehr langen
Steigungen erreicht die Fahrbatterie schließlich den Zustand "niedrige Ladung", d. h. den nominellen
Leerzustand. Wenn dieser Pegel erreicht ist, wird der Fahrbatterie keine
Energie mehr entnommen; und im Allgemeinen kann ihr Ladungszustand
nicht unter den Zustand "niedrige
Ladung" in den Abschnitt 510 gelangen,
außer
es liegt eine anderweitige Belastung der Batterie vor, beispielsweise
eine Umgehung des Batterieschutzes im Fall unmittelbarer Gefahr
für das
Fahrzeug oder seine Insassen. Bei der Steuerung, wie sie in 5 dargestellt ist, gibt
es an keinem Punkt der Steuerungskurve einen abrupten Wechsel der
Antriebkraft. Wenn sich die Batterieladung kurz oberhalb des Punkts "niedrige Ladung" befindet und der Übergang
zu Alleinbetrieb durch die Zusatzstromquelle herbeigeführt wird,
ist die von der Fahrbatterie gelieferte Antriebsenergie bereits
sehr klein, so dass dieser Übergang
für den
Fahrer des Fahrzeugs nicht wahrnehmbar sein sollte.
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6 zeigt ein vereinfachtes
Ablaufdiagramm zur Darstellung desjenigen Teils 600 des
logischen Ablaufs in der Befehlssteuerung SO von 1, mit dem die Steuerung gemäß der Kurve 500 von 5 herbeigeführt wird.
Die Logik in 6 beginnt
mit einem START-Block 610 und
geht dann zu einem Block 612 über, der – ähnlich wie Block 412 von 4 – die Erfassung der Parameter
der Batterie repräsentiert.
Auf den Block 612 von 6 folgt
ein Block 614, in dem der Ladungszustand berechnet wird,
was ebenfalls im Zusammenhang mit 4 beschrieben
wurde. In einem Entscheidungsblock 616 von 6 wird festgestellt, ob der aktuelle
Ladungszustand über
dem Punkt "erste
Ladung" von 5 liegt, und wenn dies der
Fall ist, wird über
den JA-Ausgang des Entscheidungsblocks 616 zu einem Block 618 übergegangen,
in dem dem Fahrmotor die gesamte Antriebsenergie zur Verfügung gestellt
wird. Dies wird, wie weiter unten in Zusammenhang mit 7a und 7b beschrieben, dadurch erreicht, dass
in der den Wechselrichter steuernden Software Energiebegrenzungen
entfernt werden, wobei anzumerken ist, dass die Zusatzquelle nur
eine Quelle ist, während
die Batterie und der Motor/Generator in Abhängigkeit von der Arbeitsweise
des Wechselrichters Quellen oder Verbraucher sind. Auf Block 618 folgt Block 612,
wo ein weiterer Durchlauf durch die Logik von 6 beginnt. Wenn die Fahrt mit einer annähernd vollen
Fahrbatterie begonnen wird, bewegt sich die Logik um die Schleife
mit den Blöcken 612, 614, 616 und 618 herum,
solange die Baterieladung den Pegel "erste Ladung" von 5 überschreitet.
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Bei
einem langen Anstieg sinkt die Batterieladung auf oder unter den
Punkt "erste Ladung" von 5, so dass beim nächsten Durchlauf durch die Logik
von 6 über den
NEIN-Ausgang von
Block 616 zu einem Block 620 übergegangen wird. Dieser Block 620 repräsentiert
die Reduzierung der dem Fahrmotor von der Fahrbatterie zur Verfügung stehende
Energiemenge um einen Betrag, der abhängig ist von der aktuellen
Fahrbatterieladung bezogen auf die Differenz zwischen dem Zustand "erste Ladung" und dem Zustand "niedrige Ladung" von 5. Wenn z. B. der aktuelle Ladungspegel
der Fahrbatterie unter den Zustand "erste Ladung" auf einen in 5 als "aktuelle Ladung" bezeichneten Pegel sinkt und dieser
Pegel 9/10 auf der Strecke zwischen den Pegeln "niedrige Ladung" und "erste Ladung" liegt, dann regelt die Befehlssteuerung 50 die
dem Fahrmotor von der Fahrbatterie zur Verfügung stehende Energiemenge
so, dass diese 90% der Batteriekomponente der durch den Kurvenabschnitt 512 repräsentierten
Gesamtenergie beträgt.
Mit anderen Worten, die dem Fahrmotor zugeführte Batterieenergie wird,
da der in 5 als "aktuelle Ladung" bezeichnete Ladungszustand
90% der der Batterie zuzuschreibenden Komponente der Gesamtantriebsenergie
beträgt,
auf 90% der Batterieenergie reduziert. Natürlich muss der Kurvenabschnitt 514 von 5 nicht, wie dargestellt,
linear sein; er muss nur monoton sein, was das Steuerungssystem
vereinfacht. Auf Block 620 von 6 folgt ein Entscheidungsblock 622,
in dem der Energiebedarf des Fahrmotors mit der Energie der Zusatzstromquelle
verglichen wird. Wenn der Antriebsenergiebedarf die Energie der
Zusatzstromquelle überschreitet,
werden die Batterien entladen, so dass über den JA-Ausgang des Entscheidungsblocks 622 zu
einem Block 624 übergegangen
wird, der die Erhöhung
der von der Zusatzstromquelle verfügbaren Energie auf den Maximalwert
repräsentiert.
Auf Block 624 folgt ein Entscheidungsblock 626,
in dem der aktuelle Ladungszustand der Batterie mit dem Punkt "niedrige Ladung" von 5 verglichen wird. Wenn der Ladungszustand unter
dem Punkt "niedrige
Ladung" liegt, was
anzeigt, dass die Fahrbatterie zur Vermeidung von Schäden nicht
noch mehr entladen werden darf, wird über den JA-Ausgang des Entscheidungsblocks 626 zu
einem Block 628 fortgeschritten. Dieser Block 628 repräsentiert
die Begrenzung der Fahrmotorleistung (durch Feldsteuerung) auf die
bekannte, von der Zusatzstromquelle erhältliche Energiemenge, die sich einfach
als Produkt von Spannung und Strom bestimmen lässt. Von Block 628 geht
die Logik über
einen Logikweg 630 zu Block 612 zurück, wo ein
weiterer Durchlauf durch die Logik von 6 beginnt. Falls der Entscheidungsblock 626 ergibt,
dass der aktuelle Ladungszustand der Fahrbatterie den Punkt "niedrige Ladung" von 5 überschreitet,
wird über
den NEIN-Ausgang des Entscheidungsblocks 626 und den Logikweg 630 zu
Block 612 weitergegangen, ohne dass Block 628 durchlaufen
wird. Wenn eine ausreichend große
Menge nutzbarer Ladung in der Fahrbatterie enthalten ist, lässt somit
die Logik von 6 deren
Verwendung zu. Wenn beim Durchlauf durch die Logik von 6 im Entscheidungsblock 622 festgestellt
wird, dass die benötigte
Antriebsenergie die von der Zusatzstromquelle 16 erzeugte
Energie nicht überschreitet,
wird über
den NEIN-Ausgang des Entscheidungsblocks 622 und den Logikweg 630 zu
Block 612 zurückgekehrt,
wo ein weiterer Durchlauf beginnt. Auf diesem Weg wird das Erhöhen der
Energie der Zusatzstromquelle 16 auf das Maximum umgangen.
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7a zeigt ein vereinfachtes
Parameterdiagramm 710a, 710b, 710c, ... 710N der
Motor- bzw. Generatorleistung
versus Drehzahl. In 7a weisen
die Kurven 710a, 710b, 710c, ... 710N einen
gemeinsamen ansteigenden Abschnitt 712 auf. Die Leistung
eines Motors oder Generators ist das Produkt aus Drehmoment und
Drehzahl. Infolgedessen ist bei einer Drehzahl von null bei jedem
Drehmoment keine Leistung vorhanden. Wenn die Drehzahl bei gleichem
Drehmoment zunimmt, steigt die Leistung, wie durch den Abschnitt 712 der
Kurven von 7a wiedergegeben,
bis auf eine Drehzahl ωBasis. Bei Frequenzen über ωBasis kann
aus Konstruktions-, thermischen und anderen Gründen mit mehr Energie nicht mehr
umgegangen werden. Daher wird bei maximalem Drehmoment die Leistung
des Motors/Generators durch die Steuerungsgesetze des Wechselrichters
so begrenzt, dass sie auf der Kurve 710a liegt. Wenn das
Drehmoment etwas kleiner ist als das maximale Drehmoment, wird die
maximale Leistung bei einer etwas geringeren Motordrehzahl als ωBasis erreicht, wie durch Kurve 710b wiedergegeben.
Die Kurve 710c repräsentiert
ein noch kleineres Drehmoment, und die unterste Kurve 710N repräsentiert
das kleinste Drehmoment, die das quantisierte Steuerungssystem aufrechterhalten
kann. Das Steuerungssystem begrenzt das vom Motor erzeugte Drehmoment
in Abhängigkeit
von der Drehzahl auf einen Grenzwert, um zu verhindern, dass der
Motor über
den erwünschten
maximalen Leistungsgrenzen arbeitet. Der Drehmomentgrenzwert wird
einfach dadurch bestimmt, dass die maximale Leistung durch die aktuelle
Motordrehzahl dividiert wird Drehmomentgrenzwert
= Pmax/Drehzahl,und die sich daraus
ergebende Drehmomentbegrenzung führt
dazu, dass die Leistung einen Wert, wie er in 7a durch die Kurve 710a und
den Abschnitt 712 repräsentiert
ist, nicht überschreitet.
Wenn die Leistung auf einen kleineren Wert als Pmax begrenzt werden
soll, entspricht die Leistungskurve, der der Motor folgt, einer
der Kurven 710b, 710c, ... 710N von 7a. 7b zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm
zur Darstellung der Beziehung zwischen Drehmomentbefehl und Leistungsbegrenzung-.
Der Drehmomentbefehl wird einem Begrenzungsblock 714 zugeführt, der
die Größe des Drehmomentbefehls
(Drehmomentgrenzwertbefehls), der am feldorientierten Wechselrichter 28 ankommt,
so regelt, dass die Leistung unter einer Kurve 716 liegt.
Die Kurve 716 repräsentiert
Drehmoment versus Drehzahl und wird bestimmt durch Division der
gewählten
bzw. vorgegebenen Leistung P durch die Motordrehzahl. Somit regelt
der Wechselrichter 28 die Motorleistung durch Regelung
des befohlenen Drehmoments gemäß der Motordrehzahl.
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Das
in Frage kommende Drehmoment kann ein Antriebs- oder Bremsdrehmoment
sein. Wenn eine Regelung des Stroms, der von den Batterien zum als
Generator arbeitenden Motor fließt, erforderlich ist, bewirken
die entsprechenden feldorientierten Befehle die Anwendung des Grenzwerts.
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Im
Folgenden wird auf 8 Bezug
genommen. Das erforderliche Drehmoment bzw. der Drehmomentbefehl
kommt von einem elektrischen Beschleuniger (nicht abgebildet) und
wird über
einen Weg 810 einem ersten Eingang einer Multiplizierschaltung 812 zugeführt, die
die erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit (oder Fahrmotordrehzahl, wenn
das Fahrzeug mit einem Schaltgetriebe ausgestattet ist) an einem
zweiten Eingang 814 von Sensoren (nicht abgebildet) erhält. Die
Multiplizierschaltung 812 erzeugt aus dem Produkt von Motordrehzahl
und dem befohlenen Drehmoment ein Signal, das die befohlene Leistung
des Fahrmotors repräsentiert.
Ein Block 816 skaliert die befohlene Leistung, falls erforderlich, mit
einer Kostante k, um das Signal in eine Repräsentation Pc der
befohlenen Fahrmotorleistung in Watt umzuwandeln. Das die befohlene
Leistung in Watt repräsentierende
Signal Pc wird von Block 816 zu
einem Block 818 geleitet, der die Division der befohlenen
Leistung in Watt durch die Fahrbatteriespannung repräsentiert,
wobei ein Signal, das den befohlenen Fahrmotorstrom (IC =
P/E) repräsentiert, erhalten
wird. Die Fahrbatteriespannung ist ein akzeptabler Indikator für die Fahrmotorspannung,
da alle Spannungen im System zur Batteriespannung hin tendieren.
Das den befohlenen Strom IC repräsentierende
Signal wird über
einen Signalweg 819 zur Befehlssteuerung 50 von 1 geleitet, um den Wechselrichter 28 und
den Fahrmotor 40 so zu steuern, dass der erforderliche
Motorstrom erzeugt wird. Das den befohlenen Strom IC repräsentierende
Signal wird außerdem
vom Ausgang von Block 818 über eine als Block 820 wiedergegebene
Skalierschaltung zu einem Fehlersignalgenerator 822 geleitet.
Die Skalierschaltung 820, deren Zweck weiter unten beschrieben
ist, bewirkt eine Umwandlung des befohlenen Motorstroms IC in befohlenen Generatorstrom IC. Der
Fehlersignalgenerator 822 erzeugt ein Fehlersignal, indem
er ein von einem Signalweg 824 kommendes Rückkopplungssignal,
das den erfassten Ausgangsstrom des Verbrennungsmotors/Generators (Zusatzquelle)
repräsentiert,
vom befohlenen Generatorstrom IG subtrahiert.
Das vom Fehlersignalgenerator 822 erzeugte Fehlersignal
wird einem Schleifenkompensationsfilter, bei dem es sich um einen einfachen
Integrator handeln kann, zugeführt,
um ein Signal zu erzeugen, das die befohlene Drehzahl der Zusatzstromquelle 16,
d. h. des Dieselmotors 18, repräsentiert. Der Dieselmotor 18 treibt
den Generator 22 an, wodurch eine Wechselspannung erzeugt
wird, die über
Stromleitungen 832 dem Wechselrichter 28 von 1 zugeführt wird. Eine als Kreis 834 wiedergegebene
Stromsensor-Anordnung ist zur Erfassung des Generatorstroms an die
Stromleitungen 832 angeschlossen. Die Blöcke 822, 826, 18, 22 und
der Signalweg 824 von 8 bilden
eine geschlossene Rückkopplungsschleife,
die den Ausgangsstrom des Generators 22 auf den Wert bringt,
der von dem dem Fehlersignalgenerator 822 zugeführten Steuersignal IG befohlen wird. Der Schleifenkompensationsfilter 826 ist
so gewählt,
dass er eine abrupte Änderung der
Dieselmotordrehzahl, die zu einer unerwünschten Erhöhung der Schadstoffemission
führen
kann, verhindert.
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Wie
bisher beschrieben, erzeugt die Anordnung von 8 ein Signal IC für den Fahrmotorstrom, um
die Bewegung des Fahrzeugs zu steuern, sowie ein Signal IG für
den Strom des Generators 22. In 8 erhält
eine Additionsschaltung 850 am nicht umkehrenden Eingang
ein Signal, das den Soll-Ladungszustand (Soll-LZS) der Fahrbatterie
repräsentiert.
Von einem Batterieladungszustand-Erfassungsblock 852 (LZS-Block)
wird ein Signal, das den Ist-Ladungszustand repräsentiert, zum umkehrenden Eingang
der Additionsschaltung 850 geleitet. Der LZS-Block 852 erhält Signale,
die die Batteriespannung, die Batterietemperatur und die Batterieströme repräsentieren.
Im Großen
und Ganzen ist der Ladungszustand einer Batterie einfach das Zeitintegral des
Nettobetrags der Ein- und Ausgangsströme. Der LZS-Block 852 integriert
die Nettoampere des Stroms, um Amperestunden der Ladung zu erzeugen.
Die Additionsschaltung 850 erzeugt ein Fehlersignal, das
die Differenz zwischen dem Soll-Ladungszustand und dem Ist-Ladungszustand der Fahrbatterie
repräsentiert,
um einen momentanen Überschuss
oder Mangel an Ladung festzustellen. Das Fehlersignal wird über einen
Signalweg 854 einem Schleifenkompensationsfilter 856 zugeführt, der das
Fehlersignal integriert, um ein integriertes Fehlersignal zu bilden.
Das integrierte Fehlersignal ändert
sich langsam als Funktion der Zeit. Das integrierte Fehlersignal
wirkt über
einen Begrenzer 858 auf den Block 820 ein. Genauer
gesagt, wählt
das integrierte Fehlersignal, wenn es dem Skalierblock 820 zugeführt wird,
den Skalierfaktor aus, mit dem der befohlene Motorstrom IC skaliert wird, um es in den befohlenen
Generatorstrom umzuwandeln. Der Begrenzer 858 begrenzt
das integrierte Fehlersignal von Block 856 so, dass die
Skalierfaktoren für
den Skalierblock 820 zwischen null und eins liegen. Somit kann
der befohlene Generatorstrom IG nie größer sein
als der befohlene Fahrmotorstrom IC, kann
aber gemäß dem Skalierfaktor,
der durch das begrenzte integrierte Signal des Begrenzers 858 vorgegeben wird,
geringer sein und auch den Wert null einnehmen.
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Bei
dem Soll-Ladungszustand der Fahrbatterie handelt es um einen Ladungspegel,
der unter Vollladung liegt, so dass Nutzbremsung angewandt werden
kann ohne die Gefahr, die Fahrbatterie durch Überladen zu beschädigen. Somit
ist der Einstellwert des Soll-Ladungszustands
eine Ladung, die kleiner als Vollladung ist. Die Arbeitsweise der
Anordnung von 8 lässt sich
verstehen, indem angenommen wird, dass der Normalzustand des Ausgabewerts
des Integrators des Schleifenkompensationsfilter 856 0,5 Volt
ist, in der Mitte zwischen dem Maximum 1,0 Volt und dem Minimum
0,0 Volt, die vom Begrenzer 858 zugelassen werden. Der
Wert des integrierten Fehlersignals (der vom Begrenzer 858 begrenzt
wird) kann als Multiplizierfaktor aufgefasst werden, mit dem die
Skalierschaltung 820 den befohlenen Fahrmotorstrom skaliert,
so dass ein integriertes Fehlersignal mit dem Wert 1,0 bewirkt,
dass der befohlene Fahrmotorstrom IC vom
Fehlersignalgenerator 822 mit voller Amplitude übertragen
wird, während
ein Wert von 0,5 einen befohlenen Generatorstrom IG ergeben
würde,
der genau halb so stark ist wie der befohlene Fahrmotorstrom IC. Wenn bei der Steuerung des Fahrzeugbetriebs
durch die Anordnung von 8 die
Fahrbatterie den Soll-Ladungszustand überschreitet, subtrahiert der
Fehlersignalgenerator 850 einen Signalwert, der einen hohen
Ladungszustand repräsentiert,
vom Einstellwert, was eine Differenz bzw. ein Fehlersignal mit negativer
Polarität
ergibt. Der Integrator im Schleifenkompensationsfilter 856 integriert
dieses Signal negativer Polarität,
wodurch das integrierte Signal am Ausgang des Schleifenkompensationsfilters 856 unter
den "Normalwert" von 0,5 Volt sinkt
oder negativ wird, also z. B. 0,3 Volt angibt. Da ein Wert von 0,3
Volt des integrierten Fehlersignals innerhalb des vom Begrenzer 858 zugelassenen
Bereichs liegt, passiert dieses einfach den Begrenzer 858 und
steuert die Skalierschaltung 820 so, dass zur Herbeiführung des
befohlenen Generatorstroms IG der befohlene
Fahrmotorstrom IC nicht mit dem "Normalwert" 0,5 sondern mit
0,3 multipliziert wird. Somit führt
eine Batterieladung, die größer ist als
der Einstellwert, zu einer Reduzierung der durchschnittlichen Leistung
des Generators. Wenn der Ladungszustand der Fahrbatterie unter dem
Einstellwert liegt, erhält
das von Block 852 von 8 zum umkehrenden
Eingang des Fehlersignalgenerators 850 geleitete Signal
einen kleineren Wert als das den Soll-Ladungszustand repräsentierende
Signal, was einen positiven Wert des Fehlersignals am Ausgang des
Fehlersignalgenerators 850 bewirkt. Der Integrator im Schleifenkompensationsfilter 856 integriert sein
positives Eingangssignal und erzeugt ein integriertes Ausgangssignal,
das über
seinen "Normalwert" von 0,5 Volt steigt,
z. B. auf 0,8 Volt. Da dieser Wert innerhalb der für den Begrenzer 858 akzeptablen
Werte liegt, wird das integrierte Fehlersignal von 0,8 Volt unverändert der
Skalierschaltung 820 zugeführt. Dieses Signal bewirkt,
dass die Skalierschaltung 820 das den befohlenen Fahrmotorstrom
IC repräsentierende
Signal mit 0,8 multipliziert, so dass der befohlene Generatorstroms
IC größer ist
als zuvor. Eine Verringerung der Fahrbatterieladung auf einen Wert
unter dem Einstellwert bewirkt somit eine Steigerung der durchschnittlichen
Leistung des Generators 22, was den Ladungspegel der Fahrbatterie erhöhen sollte.
Der Fachmann erkennt, dass es den oben genannten "Normalwert" des integrierten
Fehlersignals eigentlich nicht gibt, sondern dieser nur verwendet
wird, um das Verständnis
der Arbeitsweise des Steuerungssystems zu erleichtern.
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Somit
umfasst das Verfahren (3a, 3b und 4) zum Betrieb eines Fahrzeugs (10),
das zumindest einen Teil seiner Zugkraft bzw. Bewegungsenergie von
einer oder mehreren elektrischen Batterien (20) bezieht,
den Schritt (312; 418) der Rückführung fast der gesamten Energie
von einem Fahrmotor (40) zu den Batterien (20)
während
der Widerstandsbremsung in den Zeiten, in denen sich die Batterien
(20) in einem ersten Ladungszustand (unter dem ersten Ladungspegel),
der unter dem Vollladungszustand liegt, befinden. Andere Schritte
(420, 422) dieses Verfahrens umfassen die Rückführung von
weniger als der gesamten Energie (314) vom Fahrmotor (40)
zu den Batterien (20) während
der Widerstandsbremsung, wenn der Ladungspegel der Batterien zwischen
dem ersten Ladungszustand (erster Ladungszustand von 3a und 3b) und dem Vollladungszustand liegt, sowie
die Rückführung fast
keiner Energie (Kurve 314 am Vollladungspunkt von 3a) vom Fahrmotor (40)
zu den Batterien (20), wenn die Batterien (20) den
Vollladungszustand erreichen. Bei dieser Ausführung umfasst der Schritt (420, 422)
der Rückführung von
weniger als der gesamten Energie vom Fahrmotor (40) zu
den Batterien (20) den Schritt der Rückführung einer Menge der verfügbaren Widerstandsbremsungsenergie
zu den Batterien (20), die von dem Verhältnis der aktuellen Batterieladung
(Cc) zur Vollladung monoton abhängt (Gefälle 314).
Bei einer bevorzugten Ausführung
dieser Erfindung gehen die obigen Schritte weich ineinander über, wobei der Übergang
vom Ladungszustand der Batterien abhängt. Während sich die Stärke der
Widerstandsbremsung als Funktion der Batterieladung allmählich ändert, gleichen
die Reibungsbremsen (36a, 36b) infolge der Kraft,
mit der der Fahrer das Bremspedal (30a) betätigt, jeden
Mangel an Bremskraft automatisch aus.