NICHT-SPURGEBUNDENES FAHRZEUG MIT ELEKTRODYNAMISCHEM WANDLER
UND FAHRHEBEL
Die Erfindung betrifft ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug, bei dem mindestens ein Rad für den Antrieb mit einem
Elektromotor gekoppelt ist, welcher über einen Energieverteiler nach Maßgabe von seitens einer Steuereinheit erzeugten Steuersignalen mit Strom gespeist wird, der von einem an einen Verbrennungsmotor gekoppelten Generator geliefert wird, wobei die Steuereinheit von einem
Fahrhebel ein Fahrsignal erhält, welches mindestens
repräsentativ ist für die Fahrhebelstellung.
Nicht-spurgebundene Fahrzeuge sind insbesondere Personenund Lastkraftwagen. Bislang werden diese Fahrzeuge üblicherweise mit Verbrennungsmotoren betrieben. Verbrennungsmotoren besitzen eine charakteristische Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie, die bei einem bestimmten Drehzahlbereich ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Drehmoment-Maximum besitzt, an welches bei höheren und insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen Bereiche mit stark verringertem Drehmoment anschließen.
Die Leistung eines Motors errechnet sich als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Um ein Fahrzeug möglichst rasch zu beschleunigen, muß die maximal verfügbare Leistung auf die Antriebsräder übertragen werden. Arbeitet der
Motor des Fahrzeugs in einem niedrigen Drehzahlbereich, so kann auch bei maximal geöffneter Drosselklappe nur eine relativ langsame Beschleunigung stattfinden, weil zu wenig Leistung verfügbar ist. Durch Schalten in einen niedrigeren Gang kann die Leistung zum Beschleunigen erhöht werden,
da in einem niedrigeren Gang eine höhere Drehzahl und mithin ein höheres Leistungsangebot vorhanden ist. Praktisch sämtliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind mit einem Schalt- oder Automatikgetriebe ausgestattet, um die verfügbare Leistung des Motors ausnutzen zu können.
Bei elektrischen Antrieben, die vornehmlich bei spurgebundenen Fahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise bei Loks, ergibt sich der Vorteil, daß die Abhängigkeit der Leistung von der Drehzahl wesentlich schwächer ausgeprägt ist als bei Verbrennungsmotoren. Deshalb kann bei elektrischen Antrieben ein Getriebe in aller Regel entfallen.
Es ist nun daran gedacht worden, auch nicht-spurgebundene Fahrzeuge, also insbesondere Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Busse, mittels eines oder mehrerer Elektromotoren anzutreiben, die direkt an die Räder gekoppelt sind. Gespeist werden die Elektromotoren von einer Verbrennungsmotor-Generator-Einheit über einen als Leistungselektronik ausgebildeten Energieverteiler. Ein derartiger Hybridmotor hat eine Reihe von Vorteilen. Neben dem Wegfall eines Schaltgetriebes oder Automatikgetriebes bietet sich beim Antrieb der Räder durch Elektromotoren auch die Möglichkeit, die Elektromotoren bei schiebendem Motor oder beim Bremsvorgang als Generatoren zu betreiben, um die dann entstehende elektrische Leistung z.B. für Heizzwecke oder dergleichen zu nutzen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei einem Fahrzeug einen Verbrennungsmotor mit einem als Schwungrad ausgebildeten Energiespeicher zu koppeln. Man kann dann nämlich den Verbrennungsmotor stets in einem optimalen Betriebszustand betreiben, z.B. in einem Bereich des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte Generator liefert elek
trische Energie an die Rntriebs-Elektromotoren. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs wird zusätzliche Energie aus dem Schwungrad entnommen. Beim Bremsvorgang wird von den dann als Generatoren arbeitenden
ELektromotoren Energie gewonnen, die in dem 5chwungrad als mechanische Energie gespeichert werden kann.
Die bisher gemachten Vorschläge, in einem Fahrzeug einen
Verbrennungsmotor mit einem Generator und dazugehörigen
Rntriebs-Elektromotoren vorzusehen, sind jedoch nur zum Teil in der Praxis realisiert worden.
Rus der DE 40 00 678 A1 ist ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug bekannt, das einen Verbrennungsmotor, einen von diesem angetriebenen elektrischen Generator, einen elektrisch ladbaren und entladbaren Schwungradspeicher, mindestens einen elektrischen Fahrmotor und einen von einer
Steuereinheit geführten, als Leistungselektronik ausgebildeten
Energieverteiler aufweist. Der elektrische Fahrmotor wird dabei von dem EnergieverteiLer mit elektrischem Strom aus dem Generator und/oder dem Schwungradspeicher gespeist. Die elektronische Steuereinheit läßt den Verbrennungsmotor je nach Ladezustand des Schwungradspeichers entweder mit einer Leerlaufdrehzahl (bei weitgehend geladenem Speicher) oder mit einer zweiten Drehzahl (bei weitgehend leerem Speicher) laufen, wobei die zweite Drehzahl eine nach Optimierungsgesichtspunkten- (z.B.
Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission) ausgewählte GröQe darstellt.
Im Hinblick auf Energieersparnis, Umweltschutz und weitere
Erfordernisse ist das oben angesprochene Konzept eines Fahrzeugs mit elektrodynamischem Wandler vielversprechend. Problematisch ist beim Einsatz solcher Fahrzeuge möglicherweise die Umstellung der Fahrer von dem gewohnten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor auf eine Fahrzeug mit quasi elektrischem Rntrieb. Da der Antrieb letztlich mit Elektromotoren
erfolgt, verhält sich das Fahrzeug nämlich sehr ähnlich einem Fahrzeug mit reinem elektrischen Rntrieb.
Der Erfindung liegt die Rufgabe zugrunde, ein nicht-spurgebundenes
Fahrzeug der eingangs geannten Art anzugeben, bei dem der durch Bewegen eines FahrhebeLs, insbesonders Fahrpedals, geäußerte Fahrerwunsch
richtig interpretiert wird und Maßnahmen getroffen werden, um den
Fahrerwunsch umzusetzen in eine Leistungsbereitstellung, die ein dem
Fahrerwunsch entsprechendes Fahrverhalten des Fahrzeugs gestattet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1. Ein solches Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, daß ein Energiespeicher vorgesehen ist, der über den EnergieverteiLer elektrisch mit dem Elektromotor und mit dem Generator verbunden ist, daß die Steuereinheit das Fahrsignal zu einem Steuersignal für den Verbrennungsmotor
verarbeitet, um den Verbrennungsmotor auf die der Fahrhebelstellung entsprechende Leistung zu bringen oder auf dieser Leistung zu halten, und daß die Steuereinheit ferner ein Steuersignal für die Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher erzeugt, um zumindest
a) den-. Verbrennungsmotor optimal in einen neuen
Betriebspunkt beschleunigen zu lassen;
und/oder
b) das Fahrzeug maximal zu beschleunigen und/oder c) die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs bei
voller Verbrennungsmotorleistung noch zu erhöhen.
Die Erfindung schlägt mithin vor, dem Fahrsignal, also insbesondere der jeweiligen Winkelstellung des Fahrhebels (Fahrpedals) eine bestimmte Antriebsleistung zuzuordnen, die grundsätzlich von dem Verbrennungsmotor zu erbringen ist. Mit dem Betätigen des Fahrpedals stellt der Fahrer eine gewisse Leiεtungsanforderung. Die Kennlinie zwischen angeforderter Leistung und Stellung des Fahrpedals ist vorzugsweise nicht-linear und verläuft im Anfangsbereich relativ flach, um bei langsamer Fahrt eine leichte Dosierung der Leistung zu ermöglichen.
Man sollte die durch die Stellung des Fahrpedals gewählte Leistung als Dauerleistung betrachten, die grundsätzlich von dem Verbrennungsmotor bereitzustellen ist. Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist in Verbindung mit der Steuereinheit zu dem Zweck vorgesehen, den Übergang zwischen einer gegebenen Fahrgeschwindigkeit und einer neuen Fahrgeschwindigkeit zu ermöglichen. Wenn das Fahrzeug bei einer gegebenen Anfangsgeschwindigkeit va fährt, wird von den Antriebsguellen, also der VerbrennungsmotorGenerator-Einheit und dem Energiespeicher, eine hier als Anfangsleistung bezeichnete Leistung Pa geliefert, die bei konstanter Geschwindigkeit, im Gleichgewicht steht
mit den auf das Fahrzeug einwirkenden Widerständen, insbesondere Luftwiderstand, Rollwiderstand der Reifen und dergleichen. Wird in diesem stationären Zustand des Fahrzeugs das Fahrpedal weiter durchgedrückt, so bedeutet dies eine erhöhte Leistungsanforderung. Bei Bereitstellung dieser- erhöhten Leistung wird das Fahrzeug beschleunigt, solange, bis sich eine Endgeschwindigkeit va einstellt, bei der die erhöhte Leistung Pe im Gleichgewicht steht mit den auf das Fahrzeug einwirkenden Widerständen.
Erfindungsgemäß wird nun der Energiespeicher von der
Steuereinheit in sehr spezieller Weise dazu eingesetzt, den Übergang von einer im stationären Fahrbetrieb erbrachten Ausgangsleistung Pa zu einer neuen Leistung Pe zu organisieren.
Gemäß der ersten Variante der Erfindung wird der Verbrennungsmotor "optimal" in einen neuen Betriebspunkt beschleunigt. Ein Verbrennungsmotor besitzt ein Kennlinienfeld, insbesondere läßt sich im Drehzahl/DrehmomentKennlinienfeld eine Linie eines günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs angeben. Wenn man nun davon ausgeht, daß der Verbrennungsmotor bei einer relativ niedrigen Drehzahl läuft und eine erhöhte Leistungsanforderung seitens des Fahrers gestellt wird, indem der Fahrer das Fahrpedal weiter durchdrückt, so muß - da hier die neu vorgewählte Leistung als Dauerleistung interpretiert wird, die von dem Verbrennungsmotor aufzubringen ist - der Motor auf eine höhere Drehzahl gebracht werden. Bei vergrößerter Drosselklappenδffnung und ansonsten unveränderter Belastung des Motors erhöht sich die Drehzahl bekanntlich nur sehr langsam, abhängig von der Last am Motor. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, die Erhöhung der Drehzahl von einem Betriebspunkt, der auf der oben erwähnten Linie des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs liegt, zu einem ebenfalls auf dieser Linie liegenden zweiten
Betriebspunkt derart vorzunehmen, daß sehr wenig Kraftstoff verbraucht wird. Hierzu erfolgt eine kontinuierliche oder schrittweise Erhöhung der Drehzahl bei entsprechender Einstellung des Drehmoments bzw. der Leistung. Hierzu kann der Generator elektrisch ganz oder teilweise von dem Elektromotor entkoppelt werden, so daß der Generator
praktisch vollständig oder teilweise im Leerlauf arbeitet. Damit läßt sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors bei verringerter Last des Generators ziemlich schnell erhöhen, und zwar ist eine Erhöhung in der Nähe der erwähnten Linie des günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauchs möglich.
Alternativ kann man auch den Verbrennungsmotor bei leerlaufendem Generator rasch auf den gewünschten Drehzahlwert hochfahren, um dann allmählich den Generator wieder mit dem Elektromotor zu koppeln, und zwar so langsam, daß die Drehzahl nicht wieder absinkt. In der Zwischenzeit erfolgt der Antrieb des Elektromotors mit. Speisung aus dem Energiespeicher. Damit ergibt sich ein ruckfreier
Übergang zwischen Speisung aus Verbrennungsmotor/Generator und Speisung aus Energiespeicher.
Neben einer "optimalen" Beschleunigung des Verbrennungsmotors kann die Steuerung der Energieentnahme aus dem
Energiespeicher auch so erfolgen, daß das Fahrzeug maximal beschleunigt wird. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß die Beschleunigung abgestimmt ist auf die im Energiespeicher insgesamt gespeicherter Ladungsmenge, damit sich der Speicher nicht während des Beschleunigungsvorgangs
erschöpft, was zu gefährlichen Situationen im Verkehr führen könnte.
Eine gewisse Ähnlichkeit mit der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs hat die Maßnahme, die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, die an sich durch die maximale Leistung des Verbrennungsmotors gegeben ist, noch weiter zu erhöhen,
indem bei maximaler Verbrennungsmotor-Leistung noch zusätzliche Leistung aus dem Energiespeicher entnommen und auf den Elektromotor gegeben wird.
Um gefährliche Situationen zu vermeiden, sind Warneinrichtungen vorgesehen, die den Fahrer informieren, wenn die in dem Energiespeicher vorhandene Energie bis auf einen Restbetrag abgesunken ist.
Die oben angesprochenen Maßnahmen, um den Energiespeicher in gewissen Situationen optimal auszunutzen, stehen in Zusammenhang mit speziellen Fahrsignalen, die weiter unten noch näher erläutert werden. Unabhängig von diesen Fahrsignalen kann erfindungsgemäß Energie aus dem Energiespeicher in den Elektromotor eingespeist werden, um zur etwa geschwindigkeitskonstanten Überwindung von Steigungen bei unveränderter Verbrennungsmotor-Drehzahl Zusatzenergie zur Verfügung zu stellen und/oder in stationären Betriebszuständen einen Teil der Verbrennungsmotor-Leistung durch Speicherenergieentnahme zu ersetzen, und/oder einen
Fahrbetrieb bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor zu ermöglichen. Insbesondere die letztgenannte Variante ist für den Stadtverkehr und für den sogenannten "Stop and Go"Verkehr bei Staus interessant, da bei relativ geringem Kraftstoffverbrauch ein Höchstmaß an SchadstoffVermeidung erzielbar ist. Vorzugsweise ist am Fahrzeug ein Wählschalter vorgesehen, bei dessen Betätigung der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, vorausgesetzt, es ist in dem
Energiespeicher genügend Energie für den reinen Speicherbetrieb vorhanden.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann grundsätzlich auch ein mechanischer Speicher, z.B. ein Schwungrad, sein, bevorzugt wird hier jedoch ein Akkumulator zum Speichern elektrischer Energie.
Die oben näher erläuterten Vorgaben, wie beispielsweise möglichst schnelle Beschleunigung des Verbrennungsmotors, geringer Kraftstoffverbrauch, geringe Schadstoffemission und dergleichen, können gleichzeitig berücksichtigt werden, wobei zweckmäßigerweise eine Gewichtung der einzelnen
Parameter erfolgt.
Wie oben angedeutet, sieht die Erfindung vor, daß zur optimalen Beschleunigung des Verbrennungsmotors der Generator elektrisch ganz oder teilweise von dem Elektromotor entkoppelt wird und der Verbrennungsmotor bei Erreichen des neuen Betriebspunkts zusammen mit dem Generator allmählich wieder an den Elektromotor gekoppelt wird, und daß während der Entkopplungsphase Energie derart aus dem Energiespeicher in den Elektromotor eingespeist wird, daß die Übergänge beim Koppeln ruckfrei erfolgen.
Wie eingangs erwähnt, spielt das Fahrsignal bei der Art des Einsatzes des Energiespeichers durch die Steuerung eine besondere Rolle.. Im einfachsten Fall gibt ein am
Fahrhebel, d.h. insbesondere ein am Fahrpedal befindlicher Stellungssensor, an die Steuereinheit ein Stellungssignal α. Aus dem zeitlichen Verlauf dieses Stellungssignals α kann dann die Steuerung durch Differenzieren ein Geschwindigkeitssignal α und ein BeschleunigungsSignal α für die Fahrpedalbewegung ermitteln. Das
Geschwindigkeits- und das Beschleunigungssignal für das Fahrpedal können auch direkt von entsprechenden Sensoren am Fahrpedal geliefert werden.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Fahrsignalen, die von der Betätigung des Fahrpedals abhängen, sind erfindungsgemäß noch ein Geber für eine Maximalbeschleunigungs-Anforderung (Kickdown) und gegebenenfalls noch ein Wahlschalter für den intermittierenden Betrieb (Stadtverkehr) vorhanden.
Der Energiespeicher ist mit einem Ladezustands-Sensor ausgestattet, der an die Speichereinheit ein Signal gibt, welches kennzeichnend ist für die in dem Energiespeicher noch enthaltene Energie. Aus diesen Werten sowie aus weiteren vorab gespeicherten Werten kann die Steuereinheit ermitteln, wieviel Energie pro Zeiteinheit (Leistung) dem Energiespeicher entnommen werden darf, damit die Beschleunigung zu der gewünschten neuen Fahrzeug-Endgeschwindigkeit führt, ohne daß sich beim Beschleunigungsvorgang der Energiespeicher erschöpft und aufgrund der dann nachlassenden Beschleunigung gefährliche Situationen entstehen können.
Eine Zuschaltung von zusätzlicher Leistung aus dem Energiespeicher gestattet - bei maximaler Verbrennungsmotor-Leistung - eine weitere Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit, wie sie durch die maximale Leistung des Verbrennungsmotors gegeben ist. Um diesen zusätzlichen Schub durch zusätzliche Leistung aus dem Energiespeicher zu erhalten, ist erfindungsgemäß der letzte Bereich des Fahrhebel-Weges vorgesehen. Nur wenn das Fahrpedal vollständig durchgedrückt wird, werden Verbrennungsmotor und Energiespeicher beide zum Fahrzeugantrieb eingesetzt.
Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, erfolgt eine Energieentnahme aus dem Speicher einerseits ohne bewußtes Zutun des Fahrers lediglich durch entsprechenden Betrieb der Steuereinrichtung, die außer dem Fahrsignal noch
Zustandssignale von dem Verbrennungsmotor, dem Generator, dem Speicher und dem Antriebs-Elektromotor enthält, so daß an der Steuereinheit permanent Signale über Drehzahl und Drehmoment des Verbrennungsmotors bzw. des Generators, über den Ladezustand des Speichers und über die
Drehzahlen der Elektromotoren anstehen. Andererseits kann der Fahrer aber auch aktiv für eine Energieentnahme aus dem Speicher sorgen, indem er z.B. mit Hilfe des oben erwähnten Wählschalters im Stadtverkehr einen Antrieb
auch bei stillstehendem Verbrennungsmotor wählt.
Vorteilhaft kann die Erfindung auch bei einem Fahrzeug angewendet werden, welches mit einer Einrichtung zur automatischen Geschwindigkeitsregelung ausgestattet ist. Jede Abweichung der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit von der eingestellten Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit um mehr als einen vorbestimmten Wert kann Speicherenergie zur Konstanthaltung der Geschwindigkeit genutzt werden.
Die oben erwähnte Möglichkeit, im Stadtverkehr mittels Wählschalter auf quasi rein elektrischen Fahrzeugbetrieb umzuschalten, kann auch mit einer durch die Steuereinheit durchgeführten Lernfunktion verknüpft sein. Innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zählt die Steuereinheit dann die Häufigkeit von Brems- und Beschleunigungsvorgängen.
Übersteigt die mittlere Häufigkeit einen Schwellenwert, so wird automatisch auf "Stadtfahrt" umgeschaltet, d.h.
auf einen quasi rein elektromotorischen Antrieb, wobei der Speicher abhängig von seinem Ladezustand nur hin und wieder durch Einschalten des Verbrennungsmotors aufgeladen wird.
Die naturgemäß begrenzte Kapazität des Energiespeichers birgt eine gewisse Problematik in sich. Soll das Fahrzeug bei Überholvorgängen sehr stark beschleunigt werden, und wird dazu Energie aus dem Energiespeicher abgezogen, so muß gewährleistet sein, daß die Speicherenergie für den gesamten Überholvorgang ausreicht. Der Energiebedarf für einen Überholvorgang hängt ab von der geforderten Beschleunigung des Fahrzeugs, der Masse des Fahrzeugs, dem Straßenverlauf (Steigung) und weiteren Einflußgrößen. Selbstverständlich gibt es gewisse Leistungsgrenzen, die der Fahrer - wie bei üblichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren auch - berücksichtigen muß, um nicht ein hinsicht
lieh der Fahrzeugleistung unmögliches Überholmanöver zu beginnen.
Es kann nun allerdings bei den hier in Rede stehenden Fahrzeugen vorkommen, daß der Energiespeicher durch eine gerade erfolgte starke Energieabnahme ziemlich stark entladen ist. In diesem Fall ist eine maximale Beschleunigung des Fahrzeugs für einen Überholvorgang unter Umständen nicht möglich. Deshalb sieht die Erfindung eine Signalisiervorrichtung für den Ladezustand des Energiespeichers vor. Diese Signalisiervorrichtung kann optisch oder akustisch ausgebildet sein, vorzugsweise ist sie jedoch taktil ausgebildet, insbesondere als Widerstand im Fahrpepdal realisiert. Bei einem unzureichenden Ladezustand des Energiespeichers spürt der Fahrer beim Betätigen des Gaspedals einen ungewöhnlich hohen Widerstand. Dies signalisiert ihm, daß nicht genügend Speicherenergie für maximale Fahrzeugbeschleunigung vorhanden ist. Zusätzlich kann der Fahrer durch ein optisches oder akustisches Signal alarmiert werden, dessen Intensität vom Entladungszustand des Energiespeichers abhängt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - eine schematische Ansicht wesentlicher
Elemente eines mit einem elektrodynamischen - Wandler und einem Akkumulator als Energiespeicher ausgestatteten Personenkraftwagen,
Fig. 2 - ein Kennlinienfeld eines Verbrennungsmotors,
Fig. 3 - eine Leistungs/Fahrpedalstellungs-Kennlinie, und
Fig. 4 - eine Leistungs/Geschwindigkeits-Kennlinie
mit der Geschwindigkeit a des Fahrpedals als Parameter.
Fig. 1 zeigt schematisch wesentliche Antriebselemente
eines Personenkraftwagens. Eine aus einem Verbrennungsmotor 4 und einem elektrischen Generator 6 bestehende Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (im folgenden: VGE) 2 liefert über eine Leitung L1 elektrische Leistung an einen als Leistungselektronik ausgebildeten Energieverteiler 8, der über Leitungen L2 und L3 zwei Elektromotoren 12 und 16 speist, die direkt an die Hinterräder 14 und 18 gekoppelt sind. Dadurch werden die Hinterräder 14 und 18 abhängig von dem vom Energieverteiler 8 an die Elektromotoren 12 und 16 gelieferten Strom angetrieben.
Das Fahrzeug 10 kann auch mit einem Allradantrieb ausgestattet sein, wie links unten in Fig. 1 durch gestrichelte Leitungen angedeutet ist, die zu weiteren Elektromotoren führen, die mit den übrigen Rädern des Fahrzeugs gekoppelt sind.
Der den Elektromotoren 12 und 16 über den Energieverteiler 8 zugeführte Strom wird gesteuert von einer Steuereinheit 20, die einen Mikroprozessor und Speichereinrichtungen umfaßt. In der Speichereinrichtung sind Steuerprogramme, Kennlinien und dergleichen gespeichert.
Neben der VGE 2 ist als weitere Energiequelle ein hier als Akkumulator 22 ausgebildeter Energiespeicher 23 vorgesehen, der über Leitungen L4 und L5 mit dem Energieverteiler 8 gekoppelt ist. Über die Leitungen L4 und L5 wird elektrische Energie in den Akkumulator 22 eingespeichert bzw. elektrische Energie von dem Akkumulator 22 an den Energieverteiler 8 gegeben.
Dem Akkumulator 22 ist ein Sensor 24 zugeordnet, der ein für den Ladezustand des Akkumulators 22 repräsentatives Signal an die Steuereinheit 20 gibt. Die Steuereinheit 20 empfängt außerdem Drehzahl-Signale n von den beiden Elektromotoren 12 und 16, ferner ein Drehzahl-Signal n und ein Drehmoment-Signal M von der VGE 2; weiterhin Fahrsignale von einem Fahrpedal 27.
Das Fahrpedal 27 ist mit einer Sensoranordnung 30 ausgestattet, die an die Steuereinheit 20 ein für die Winkelstellung α des Fahrpedals 27 repräsentatives Stellungssignal α, ein Geschwindigkeitssignal
, und ein
Beschleunigungssignal
an die Steuereinheit 20 gibt.
Die Signale α,
und
sind jeweils repräsentativ für die jeweilige Stellung des Fahrpedals 27, für dessen Betätigungsgeschwindigkeit bzw. für dessen Beschleunigung.
Außerdem ist mit dem Fahrpedal 27 ein Sensor 28 gekoppelt, der an die Steuereinheit 20 ein "Kickdown"-Signal kd liefert. Weiterhin kann der Fahrer über einen Wählschalter 26 ein Signal w an die Steuereinheit 20 geben, wodurch der
Steuereinheit 20 der Fahrerwunsch signalisiert wird, daß das Einspeisen des Stroms in die Elektromotoren 12 und 16 ausschließlich vom Akkumulator erfolgen soll (Stadtfahrt).
Aus den in die Steuereinheit 20 eingegebenen Signalen berechnet die Steuereinheit 20 Steuersignale für die VGE 2 (insbesondere den Verbrennungsmotor) einerseits und den Energieverteiler 8 andererseits. Wenn der Fahrer das Fahrpedal 27 mit einer bestimmten Geschwindigkeit
aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung herabdrückt, wird dies von der Steuereinheit 20 als Anforderung einer höheren Dauerleistung seitens der VGE 2 interpretiert, so daß die Steuereinheit 20 an die VGE 2 Steuersignale liefert, um den Verbrennungsmotor in einen Betriebspunkt hochzufahren, welcher der angeforderten Dauerleistung entspricht.
Das Verhältnis zwischen Fahrpedalstellung und angeforderter Leistung ist nicht-linear, wie es z.B. in Fig. 3 dargestellt ist. Bei kleinen Fahrpedalwegen α ändert sich die angeforderte Leistung nur geringfügig. Dies ermöglicht eine leichte Dosierung der Leistungsanforderung bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Das oben erwähnte Herabdrücken des Fahrpedals 27 um einen' bestimmten Betrag in eine neue Fahrpedalstellung α mit einer bestimmten Betätigungεgeschwindigkeit
bestimmt die Art der Fahrzeugbeschleunigung, wie in Fig. 4 im
Prinzip dargestellt ist. Der angeforderten erhöhten Leistung entspricht eine erhöhte neue konstante Geschwindigkeit ve des Fahrzeugs. Um diese Geschwindigkeit ausgehend von der früheren konstanten- Geschwindigkeit va zu erreichen, wobei dann der Verbrennungsmotor nach Errei¬ chen der Geschwindigkeit ve die gesamte Leistung liefert, wird zunächst sofort seitens des Energiespeichers 22 eine zusätzliche Leistung bereitgestellt, die mindestens so groß ist wie die frühere Leistung des Verbrennungsmotors
(Pa) . Dann wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors hochgefahren bis zu einem Wert, der der angestrebten Leistung Pe entspricht. Das Beschleunigen des Fahrzeugs mit Hilfe der gespeicherten Energie erfolgt nach Maßgabe der Betätigungsgeschwindigkeit c. des Fahrpedals 27, wie in Fig. 4 skizziert ist. Je schneller das Fahrpedal 27 betätigt wurde, umso mehr Energie wird zur Fahrzeugbeschleunigung bereitgestellt.
Bei dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt
während des Hochfahrens des Verbrennungsmotors auf einen neuen Betriebspunkt eine Entkopplung zwischen dem Generator 6 und den Antriebs-Elektromotoren 12 und 16.
Fig. 2 zeigt ein Kennliniendiagramm eines 100-kW-Verbrennungsmotors, über der Drehzahl ist das Drehmoment aufgetragen; es ergibt sich eine gestrichelte Linie b für
den günstigsten spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigheit der Drehzahl. Bei der Drehzahl von n=2200 etwa ergibt sich ein Punkt bemin, mit dem günstigsten Kraftstoffverbrauch überhaupt. Bei niedrigeren Drehzahlen ist der
Kraftstoffverbrauch zwar geringer, aber dafür ist das
Drehmoment unverhältnismäßig kleiner . Bei höheren Drehzahlen ergibt sich ein erhöhter Kraftstoffverbrauch bei nur unterproportionaler Drehmomentzunahme.
Gemäß dem obigen Beispiel sei angenommen, daß bei einer
Fahrzeuggeschwindigkeit va, während die Leistung vollständig vom Verbrennungsmotor 4 aufgebracht wird, der
Verbrennungsmotor 4 bei einer Drehzahl von 3000 ÜpM arbeitet , was in Fig . 2 dem Betriebspunkt A* auf der Linie b entspricht . Drückt der Fahrer das Fahrpedal 27 wei ter durch , was einer angeforderten
Dauerleistung von P entspricht , so muß der Verbrennungsmo tor 4 bis zu einem neuen Betriebspunkt B* der Linie b hochgefahren werden .
Dieses Hochfahren des Verbrennungsmotors 4 geschieht vorzugsweise bei entlastetem Generator 6. Hierzu wird der Energieverteiler 8 derart angesteuert, daß die zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs gespeisten Elektromotoren 12 und 8 nicht mehr vollständig vom Generator 6, sondern ganz oder teilweise aus dem Energiespeicher 2 gespeist werden. In diesem Zustand wird' der Verbrennungsmotor 4 entlang der Linie bv bis zum neuen Betriebspunkt B* hochgefahren. Dann erfolgt wieder eine allmähliche Anschaltung des Generators 6 an die Elektromotoren 12 und 16. Diese Kopplungsvorgänge werden von der Steuereinheit 20 so gesteuert, daß sie allmählich vonstatten gehen und so der Antrieb ruckfrei fortgesetzt wird.
Bei dem oben anhand der Fig. 2 erläuterten Beispiel
erfolgt der Einsatz des Energiespeichers 22 zur Beschleunigung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung eines günstigen Kraftstoffverbrauchs. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Parameter berücksichtigt werden, so z.B. die Schadstoffemission, die Geräuschentwicklung, die Aggregatbeanspruchung und dergleichen.
Wenn das Fahrzeug mit einer gewissen konstanten Geschwindigkeit fährt und der Fahrer eine maximale Beschleunigung wünscht, tritt er das Fahrpedal 27 vollständig durch.
Hierdurch erzeugt der Sensor 28 das "Kickdown"-Signal kd. Demzufolge wird den Elektromotoren 12 und 16 die maximal verfügbare Leistung zugeführt: Zum einen wird der Verbrennungsmotor 4 bis zu seiner Höchstleistung hochgefahren, zum anderen wird dem Energiespeicher 22 eine gewisse Maximalleistung entnommen. Hierbei kann man - wie oben beschrieben - zunächst dem Energiespeicher 22 eine sehr hohe Leistung entnehmen, die höher ist als die Maximalleistung des Verbrennungsmotors 4. Wenn der Verbrennungsmotor 4 dann in einem Bereich höchster Leistung arbeitet, kann der Anteil der dem Energiespeicher 22 entnommenen
Leistung abgesenkt werden, so daß aber immer noch den
Elektromotoren 12 und 16 eine Leistung zugeführt wird, die größer ist als die von dem Verbrennungsmotor 4 erbrachte maximale Leistung.
Der oben erläuterte Vorgang dient zur extrem starken
Beschleunigung des Fahrzeugs (Kickdown). Fährt das Fahrzeug bereits mit einer Höchstgeschwindigkeit, welche der Maximalleistung des Verbrennungsmotors 4 entspricht, so kann auch dann noch durch einen "Kickdown" zusätzlicher Schub erreicht werden, indem die Steuereinheit 20 Energie aus dem Energiespeicher 22 entnimmt und den Elektromotoren 12 und 16 zuführt. Hierdurch erhöht sich die NennHöchstgeschwindigkeit noch um einen gewissen Betrag.
In der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellt sind
Mittel, mit denen dem Fahrer der Ladezustand des Akkumulators 22 signalisiert wird. Dieses Signalisieren des
Ladezustands erfolgt nicht in der Mitteilung von Zahlenwerten, sondern in Form akustischer, optischer oder taktiler Signale. Zu bevorzugen ist eine mit dem Fahrpedal 27 gekoppelte Dämpfungseinrichtung, z.B. eine verstellbare Vorspannfeder, die, wenn ein bestimmter unterer
Schwellenwert des Ladezustands des Energiespeichers 22 unterschritten wird, den Betätigungswiderstand des Fahrpedals 27 spürbar erhöht. Hierdurch wird dem Fahrer signalisiert, daß der Energiespeicher 22 momentan nur wenig Energie speichert, so daß keine erhöhten Beschleunigungen erreicht werden können.
Im Stadtverkehr kann der Fahrer durch Betätigen des Schalters 26 ein Signal w erzeugen, welches der Steuereinheit 20 signalisiert, daß der Verbrennungsmotor 4 abgeschaltet wird. Dies erfolgt unter der Voraussetzung, daß genug
Energie im Akkumulator 22 gespeichert ist. Dieser Betriebszustand ist für einen Stop-and-Go-Verkehr geeignet.
Alternativ zu dem Wählschalter 26 kann die Steuereinheit 20 das Umschalten auf "Stadtfahrt" auch automatisch vornehmen. Hierzu zählt die Steuereinheit 20 in einem Zeitfenster die Häufigkeit von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen (anhand der von den Elektromotoren 12 und 16 gelieferten Drehzahlεignale n) . Übersteigt die mittlere Häufigkeit der Bremsund Beschleunigungsvorgänge einen Schwellenwert, so schaltet die Steuereinheit 20 automatisch auf einen Betrieb um, bei dem der Verbrennungsmotor 4 nur eingeschaltet wird, um den Akkumulator 22 wieder aufzuladen. Der Antrieb
erfolgt im Prinzip auεεchließlich mit Leistung aus dem
Akkumulator 22. Dieser wird nicht nur durch den Verbrennungsmotor aufgeladen, sondern auch durch Strom, der beim Bremsen oder bei schiebendem Betrieb des Fahrzeugs von den dann generatorisch arbeitenden Elektromotoren 12 und 16 erzeugt wird.
Das Beschleunigungssignal
, welches die Beschleunigung des Fahrpedals 27 angibt, kann von der Steuereinheit 20 ebenfalls ausgewertet werden zur Unterscheidung der Art und Weise, in der der Fahrer eine Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorzunehmen wünscht. Ebenso wie das Geschwindigkeitεεignal kann auch das Beschleunigungsεignal
durch
Differentiation anhand deε von der Steuereinheit 20 zeitlich erfaßten Signals der Fahrpedalstellung α errechnet werden, wenn hierzu keine speziellen Sensoren vorgesehen εind. In Kαribination mit dem Maximalwert des Fahrpedalwinkels α kann die
Steuereinheit 20 bei überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Fahrpedalbetätigung
erkennen, daß ein "Kick-down"-Signal vorliegt. In diesem Fall erübrigt sich die Installation eines speziellen Sensors 28.