DE29824319U1

DE29824319U1 - Steuerung für Parallel-Hybridantrieb in Kraftfahrzeugen

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Description

Steuerung für Parallel-Hybrid-Antrieb in Kraftfahrzeugen

. Hier geht es um Hsjbridantriebe mit einem Verbrennungsmotor (V-Motor) und einer [elektrischen Maschine (E-Masch. ), die nicht nur antreiben, sondern auch Bremsenergie rückgewinnen und in einen Speicher (Akkumulator, ehem. od. auch mech. : Schwungrad) geben kann] . Dabei können V- und &Egr;-Motor parallels also Drehmoment-additiv, antreiben . Und die &Egr;-Maschine ist vorzugsweise an die Antriebswelle des Schaltgetriebes fest angekuppelt , der V-Motor über die Kupplung trennbar (wie gewohnt) .

Zur Beschreibung der Aufgabe und Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerung beschreibe ich zunächst die des Hybridantriebs , weil erstere auf letzteren basieren und die zwar nicht neu, aber auch nicht "hinreichend" bekannt sind . So wurde oft in etwa die Ansicht geäußert, die Anwendung des Elektroantriebs im Stadtverkehr set gar nicht so vorteilhaft, weil damit die Emissionen nur vom Kfz zum Kraftwerk verlagert würden . Das ist aber völlig falsch: Dafür müßten Verbrennungsmotoren in etwa den Wirkungsgrad des Systems [Kraftwerk +· E-Motor +. . . ] (ca. 1/3) erreichen . Das schaffen zwar manche bei Vollast ; aber jnQ_Stqdtverkehr sind sie wejt davon entfernt !

Wie folgende einfache Rechnung zeigt :

Der Leistungsbedarf für Tempo 50 (km/h) bei einem durchschnittlichen Pkw

(1) liegt etwa bei 3,4kW («4, 6PS) —Cs.Bl S.324ff: Rollwiderstand bei 1000kg und einem Rollwiderstandsbeiwert von 1,5^ : 150N ; Luftwiderstand bei 2m² Stirnfläche und c_u=0,4: 93N ] . Das ergibt für 100km einen Energiebedarf von ca. 24MJ . Der Benzinverbrauch dafür wäre bei einem Wirkungsgrad n=l ca. O₃ 771 (—Heizwert 31.5MJ/I, s.Bl S. 232) ; bei n=l/3 also ca. 0, 77&KHgr;3=*2,_3| .

Tatsächlich brauchen solche PKW dafür aber bekanntlich ca. 101, also mehr als

das 4-fache ! Womit auch ihre (CO₂-) Emissionen um etwa diesen Faktor höher sind als bei einem guten Elektroantrieb .

Die Gründe dafür sind : a) Der V-Motorwirkungsgrad ist bei Teillast viel

schlechter als bei Vollast . Umso schlechter, je kleiner der Anteil vom Nennmoment ist, der dem Motor abverlangt wird . Und obiger Leistungsbedarf von nur 3,4kW zeigt ja, daß hier nur ein sehr kleiner Teil seines Potentials gebraucht wird . Womit zudem auch die Motortemperatur zu gering ist, so daß verstärkt Verbrennungsrückstände entstehen, welche die Funktion des Motors beeinträchtigen (z.B. Verkokung von Einspritzdüsen) und den Verschleiß erhöhen.

b) Im Stadtverkehr wird vie! gebremst und damit letztlich Kraftstoff zum

Heizen der Bremsen verschwendet . c) Auch im Leerlauf bei Stillstand des KFZ

(vor Ampeln oder im Stau) wird von V-Motoren viel Kraftstoff verbraucht und Schadgas emittiert , obwohl keine Nutzenergie erzeugt wird .

Diese Mangels die mir den V-Motor als ziemlich ungeejgnet für den Stadtverkehr erscheinen lassen, sind beim Elektroantrieb weitgehend vermeidbar (s.u. ) . Allerdings braucht bei dem die Energiespeicherung viel Gewicht und Platz, während z.B. im Benzin die Energie sehr_kqnzentrjert vorliegt: Um z.ß die ca.'lOMJ (^SkWh) mech. Energies die man mit einem V-Motor aus 11 Benzin erhalten kann (s.o), per &Egr;-Motor aus einem herkömmlichen Bleiakku zu erhalten, muß letzterer ca. 60kg wiegen ! Daher bietet es sich an, im Stadtverkehr,

wo der Energiebedarf relativ gering ist (s. (I)), mit Elektroantrieb zu fahren

&ldquor; &ldquor; &ldquor; &ngr; . , (6b)

und fur längere übet—Land-Stecken einen Verbrennungsmotor einzusetzen .

-> Hybridantrieb, der folgende Vorteile ermöglicht : '

1) Durch &Egr;-Antrieb keine Emissionen in der Stadt, wo sie wegen der Kon —

zentratiqn von Menschen und KFZ besonders schädlich sind .

2) Keine Stillstandsverluste, trotzdem Anfahren ohne Verzögerung &ldquor;

3) Bremsenergie ruckgewinnbar [damit auch potentielle Energie (bei Gefälle)]

Und die ist betrachtlich" 2.B. im Fa)J (1) reicht die kinetische Energie bei Tempo 50, um damit ca. 400m mit gleicher Geschwindigkeit zu fahren ; im Fall (31) für 700m, bei Tempo 70 für 850m .

4) Bei Kurzstrecken leidet der V-Motor nicht dadurch, daß er nicht "auf Be-

<10) triebstemperatur kommt" ; und der erhöhte Kaltstartverbrauch entfallt .

5) Bei Fahrt mit geringem Leistungsbedarf (z.B. wenn man die Landschaft genie-

(11) ßen will oder es länger bergab geht) entfallen obige "Teillastprobleme" (3).

6) Auch bei Fahrt mjt_dem_y-rjqtqr ist der &Egr;-Motor nützlich: Während man bei V-Motoren eine stets unverzüglich bereite "Kraftreserve" (für's Überholen o.a.) wegen (3) stets mit erhöhtem Verbrauch bezahlt (man muß ja umso mehr unterhalb des Verbrauchs-günstigen Vollastbereichs bleiben, je mehr Kraftreserve man wünscht) , kann man beim Parallel-Hybridantrieb den E-Motor

&ldquor; , , ~Y(12X

fur diese Kraftreserve nutzen (wenn dessen Spitzenleistung nicht allzu klein gegen die des V-Motors ist) und so den V-Motor meist im Verbrauchs-günstigen Bereich nahe Vollast betreiben ; durch kleine Dimensionierung (s.u.) und Wahl eines hohen Ganges . Und die kleine Dimensionierung mindert auch Gewicht und Kosten des Autos und den für die Erfüllung der Abgasnormen nötigen Aufwand: Evtl. reicht schon das "Mager-Motot—Konzept" ohne geregelten Katalysator &ldquor; Zumal der V-Motor ja viel seltener bei zu niedriger Betriebstemperatur genutzt wird: Weil er nicht für Kurzstrecken genutzt wird ; und weil'er viel schneller "auf Temperatur kommt", weil seine Wärmekapazität kleiner ist und seine Belastung pro Gewicht größer und gleichmäßiger .

• <

7) Man kann noch mehr einsparen : Tankgröße (201 reichen, s. (48)) , E- .

Starter und Lichtmaschine , und man "braucht" keinen Diesei-Hotor (schwer und teuer) einsetzen, weil der ja deutlich niedrigeren Verbrauch als der Otto-Motor nur im Teiljast-Bereich hat und der beim Hybrid-Antrieb weitgehend vermieden aiird (s. (12) u. (7) ) .

8) Redundanz : Fällt einer der beiden Motoren aus? kann man noch mit dem anderen weiterfahren . (14)

9) nit dem E-fiotor kann man die "Abgasenergie" des V-fiotors nutzen und

_ ₍₁₅₎

so den Wirkungsgrad der Kraftstoffnutzung erhohen (s.z.B. DE 13600252 Al): Bekanntlich wird in den herkömmlichen riotoren nach der Verbrennung im Zylinder das Gas nur unvollständig expandiert: Nämlich nur "im selben Verhältnis", aije es vorher komprimiert wurde₃ obuuohl es nun viel heißer ist und damit bei gleichem Volumen einen viel höheren Druck ausübt . Diesen Druck kann man zum Antrieb einer Abgasturbine nutzen, die einen Generator treibt, dessen Strom obigen E-hotor antreibt . So kann man bei Vollast ca. 10. . .15Ji der Leistung des V-riotors zusätzlich erhalten .

Ein solcher Antrieb mit zwei Energiequellen erfordert natürlich einen erhöhten Aufuuand bei der Steuerung? insbesondere dann, wenn sie seine obigen Vorteile realisieren soll . Bislang wurden dafür vor alfem weitgehend automatisierte Systeme vorgeschlagen , bei denen z.B. der V-fiotor abhängig von der Geschwindigkeit automatisch aktiviert wird oder die Lastverteilung auf V-u. &Egr;-Antrieb auf der Basis von Kennfeldern "optimal" gesteuert wird » Das halte ich für unnötigen und unsachgemäßen Aufwand: So kennt ja die Automatik nicht die für die Steuerung relevanten Pjäne des Fahrers (z.B. , wie weit er fahren will) . Und vermutlich haben die meisten Fahrer lieber selbst die Kontrolle, als von den Aktionen einer Automatik überrascht zu werden .

Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Steuerung sehr einfach , bei der Herstellung und auch bei der Nutzung, die sich nur geringfügig vom Gewohnten unterscheidet : Zusätzlich zum Gewohnten enthält die "Benutztei—Oberfläche"

nicht viel mehr als einen "V-Hotor-Schalter" (Ein/Aus) , der die elektrischen

Teile des V-Hotors (z.B. Zündung) aktiviert , bei "Aus" die Kupplung im "getrennten" Zustand arretiert und die Funktion des Gaspedals umschaltet, s.u. 35

4
Kernstück der erfindungsgemäßen Steuerung ist die besondere Funktion des

Gaspedals, die von der Stellung des V-fiotorschalters (1?) abhängt " Bei"V-

nqtqr_Ein" ist der Pedalweg in zwei ähnlich große Bereiche unterteilt , wovon der erste/vordere nur den V-Flotar steuert von Leerlauf bis Vollast (wobei der &Egr;-Antrieb nicht aktiv ist) , der zweite/hintere nur den E-Hotor Csoj daß sein Drehmoment in etwa proportional ist zu dem Pedalujeg jenseits der Grenze zwischen den beiden Bereichen) (wobei der V-f1otor konstant auf Vollast bleibt). So wird dem V-Hotor stets der größtmögliche Anteil am Antriebsmoment abvei— langt , was gemäß (3) meist optimal ist (s.a.(26)) . LJm die Grenze zum [2.

Bereich mit zusätzlichem &Egr;-Antrieb] auch fühlbar zu machen₅ sollte man für ihn eine erhöhte Federhärte bei der Pedalfeder, vorsehen , etwa mittels einer zusätzlichen vorgespannten Feder . Hingegen bei "V-Motor Aus" steuert das Gaspedal nur den &Egr;-Motor, und das vom Anfang des Pedalweges an .

Aus der Aufteilung des Pedalweges (18) ergibt sich ein Problem , wenn die Wirkcharakteristik des Pedalweges so ist wie bei einem Ottomotor mit einfacher Drosselklappensteuerung [bei der bei niedriger Drehzahl der effektive Regelbereich auf den Anfang des Pedalweges schrumpft und im hinteren Pedatwegber. das tiotormoment kaum noch wächst] : Denn damit ergäbe sich bei der Grenze zwischen den C2Bereichen nach (18)] ein unschöner "Knick" in der Wirkfunktion Cweil im 2. Bereich das Antriebsmoment ja wieder kräftig mit dem Pedaltueg zunimmt] . Das kann man vermeiden, indem man die [Übertragung der Pedalbewegung in Motorversteüung] so gestaltet, daß über den ganzen Pedalweg hinweg

die Zunahme des Antriebsmomentes pro Pedalweganderung in etwa gleich ist (Jjneare Wirkfunktion) (wie etwa bei Dieselmotoren üblich) .

Außerdem stellt man dem Nutzer vorteilhaft noch einen "Ladeschalter" zur

Verfugung [der den Stromrichter der E-Fiaschine diese in den Generatorbetrieb bringen läßt? so daß der Strom vom Akku umgekehrt wird und ihn lädt ] mit den Stellungen "Null , Laden" u. evtl. "Schnell-Ldden" . Und Anzeigen für Spannung, Strom und Ladezustand des Akkus . Denn auch das Laden sollte nicht vollautomatisch passieren, weil einer solchen Automatik wichtige Informationen fehlen würden= So ist es Ja meist günstiger, an der Steckdose zu laden (s. (37)) ," abhängig von den Plänen des Fahrers : Wenn er sich z.B. mit fast leerem Akku einer Stadt nähert, ist Schnelladen mit dem V-Hotor angezeigt &ldquor; Auch beim Bremspedal ist ähnlich (18) der Pedalweg aufgeteilt: Im vorde-

r&n Bereich wird nur elektrisch gebremst, d.h. die E-Haschine wird wie bei

(21) in den Generatorbetrieb gebracht (für "vorausschauendes mäßiges Bremsen, z.B. vor roter Ampel) . Im hinteren Bereich werden auch die mechanischen Bremsen aktiviert (für starkes Bremsen) .

Die praktische Nutzung sieht damit vorteilhaft folgendermaßen aus : Nach

dem Einsteigen geht es zunächst mit "V-Motor Aus" (und getrennter Kupplung)

(23) mit Elektroantrieb los . Dabei schaltet man wie gewohnt, aber ohne Kupplung.

Den V-Motor startet man bei Bedarf vorteilhaft in Fahrt mit Hilfe des Schwun-

gess Indem man bei mittlerer Geschwindigkeit (ca. 50km/h) hochschaltet (so daß die Getriebeantriebswelle nicht viel schneller dreht als bei Leerlauf des V-Hotors), den Fuß vor das Kupplungspedal setzt und "Gas wegnimmt", den V-Motoi—Schalter auf "Ein" schaltet und die Kupplung zügig "kommen läßt" . Dann bei laufendem V-Motor wird geschaltet wie gewohnt mit Kupplung . Und ciußer_Betrieb_setzt _man c|_eri V-Motor, indem man Gas wegnimmt, die Kupplung durchtritt und den V-Hotoi—Schalter auf "Aus" stellt . Für "elektrisches^ Bremsen" (22) muß ein Gang eingelegt sein ; bei laufendem V-(1otor sollte man also die Kupplung durchtreten, uiQnn die Bremsung bis zum Stillstand gehen soll» Sollte es viele Leute geben, die Wert darauf legen, den V-Motor auch wie gewohntjm_Stqnd starten zu können (was ich für überflüssig halte)? kann man

auch das mit einer kleinen Modifikation am Motorschalter (17) ermöglichen: Hit einer zusätzlichen mittleren Schalterposition "Start", die wirkt wie "Ein" Cs. (17)), nur daß das Gaspedal noch so wirkt wie bei "Aus" (19) &igr; Man kann also mit ihm mit dem &Egr;-Motor den V-Motor starten (im Leerlauf) (das stellt allet— dings erhöhte Anforderungen an das Drehmoment des E-Motors ', helfen kann evtl. eine zusätzliche Schwungmasse auf seiner Welle) .

Um mit dem Hybridantrieb u. seiner Steuerung die potentiellen Vorteile (7)ff wirklich zu erreichen , sind einige Besonderheiten zu beachten und begleitende Vorkehrungen zu treffen : 1) Da hier der Betrieb des V-Motors mit Vollast eher die Regel als die Ausnahme ist Cs. (3) u. (18)), sollten nicht

per Kraftstoff anreicherung bei Vollast "die letzten PS mobilisiert" werden (was herkömmlich oft geschieht, auch weil das Abgasverhalten bei Vollast nicht reglementiert ist) ° Die Kraftstoff anreicherung sollte hier nicht über das Ha8 hinausgehen, bei dem der Wirkungsgrad um ca. 2"4 gemindert ist .

2) Drehzahl-Begrenzung · Damit beim Laden (s. (21)) der V-Motor nicht im

Leerlauf von der &Egr;-Maschine "abgewürgt" wird, sollte man für die Stabilisierung der Leerlauf drehzahl eine Regelung vorsehen (die mehr Gas gibt, wenn die Drehzahl unter den Sollwert fällt) . Womit auch eine Kraftstoffanreicherung bei Leerlauf und Niedriglast (wie sie oft für einen ruhigen Motorlauf vorgesehen wird) überflüssig wird . Auch eine Begrenzung der Drehzahl nach oben ist sinnvoll, um den verbrauchsungünstigen "Drosselbereich" (wo die [Füllungsdrosselung durch den Einlaß] übermäßig wird) zu meiden und um mit schwächeren Ventilfedern auszukommen (-» weniger Reibung) .

3) Der V-Motor sollte hier so konstruiert sein, daß er auch bei niedriger

(28)

Drehzahl gut mit "Vollgas" arbeitet, damit man auch hier den &Egr;-Motor nutzen kann (mit dem hinteren Gaspedalbereich; s. (18) u. (12)) . Dafür wäre als Vei— gaser z.B. ein Gleichdruck-Vergaser geeignet . Und gegen "Rundlauf-Probleme" könnte man die Schwungmasse der Kurbelwelle erhöhen ; und/oder die maximale Füllung bei niedriger Drehzahl reduzieren, z.B. durch Minderung der max. Drosselklappenöffnung (Drehzahl-abhängig) (s.a. (42)f) .

4) Die Kupplung muß auf ["Dauei—Trennen" ohne übermäßige Reibung und Vei— schleiß] hin konstruiert sein . (29)

5) Der Rollwiderstand (u. die Reibung im Antriebsstrang) sollte gemindert werden: Darauf wird bei herkömmlichen PKW wohl nicht viel Wert gelegt, weil eine solche Minderung da_kaum Kraftstoff einspart , weil die [Verschlechterung des V-Motot—Wirkungsgrades mit sinkender Belastung] (s. (3)) dem entgegenwirkt . Das entfäjt aber hier bei Elektroantrieb ; und elektrische Enei— gie ist recht teuer (s. (37)). Und das ninderungpotentia! ist beträchtlich: Während der Rollwiderstandsbeiwert bei PKW herkömmlich meist bei ca. 1,5°4 oder höher liegt (s. (1) ), werden bei LKW und Fahrrädern ca. O₅ 5>. erreicht (s. Bl S. 324 u. B3 S. 111), also nur ein Drittel ! Den Leistungsbedarf für Tempo 50 (s.(D) könnte man damit und einer Gewichtsminderung auf 800kg und einer

(31) Hinderung des c_u-Wertes auf 0,3 auf etwa die Hälfte mindern .

6) Der Wirkungsgrad ti_E der elektrischen Maschine sollte über 0,9 liegen, auch bei Teillast . (Sonst wird insbesondere die Bremsenergienutzung schnell ineffizient, denn dabei "geht" die Energie Ja mehrfach durch die Maschine .J Das leistet z.B.' die bürstenlose elektronisch kommutierte Gleichstrom-Maschine

mit eisenlosem Glockenanker und Permanent-Magnetsystem , die ich m meiner Anmeldung DE 37 04 780 Al vorgeschlagen habe: Bei dem 3. Beisp. auf S. 7 der Beschreibung vom 28.2.90 liegt die Nennleistung bei lOkW, &eegr;_&egr; bei 95>. und das Gewicht bei 2kg (die Verwendung eines eisenlosen Glockenankers hat u.a. den Vorteil, daß nur minimale Eisenverluste entstehen und im Leerlauf gar keine, weil keine Ummagnetisierung stattfindet) . Außerdem haben diese Maschinen den Vorteil, daß sie fast verschjeißfrej sind , also bezogen auf ihre große Lebensdauer billig ; und sehr zuverlässig .

Die oft propagierte Verwendung von Maschinen mit "Fejdschiyächung" (für konstante Nennleistung über einen weiten Drehzahlbereich) halte ich nicht für so vorteilhaft, weil das Schaltgetriebe ja da ist und die meisten Fahrer das Schalten und Motoren mit etwa konstantem Maximal-Moment gewohnt sind . Zudem kann, wenn die Batterie der Leistungsengpaß ist, auch obige Maschine bei kleinerer Drehzahl höheres Drehmoment abgeben .

7) Die E-riaschine nutzt man vorteilhaft auch als S-jnchronisationshiife für das Schaltgetriebe, indem man durch sie beim Schalten automatisch die Drehzahl der Antriebswelle auf den richtigen Wert für den gewünschten Gang bringen läßt . (Wofür die Automatik die Drehzahlen von An- u. Abtriebsuuelle des Schaltgetriebes erfaßt.) Vorteilhaft in Verbindung mit einer "Up-Down-Schaitung" ,

&ldquor; <35)

bei der der Schalthebel "nur zwei Bewegungen zulaßt", wie es bei Motorrädern üblich ist (und evtl. einer besonderen Sperre oder Bewegungsmöglichkeit für den Rückwärtsgang) . Damit braucht es nur zwei Sensoren am Schalthebel, die obiger Automatik mitteilen, welcher Gang gewünscht wird . Und man kann schnell, einfach und komfortabel schalten und entsprechend schnell beschleunigen .

8) Ein "Akkumulatoi—Management" sollte (in Zusammenarbeit mit dem Strom-

; &ldquor; (36)

richter der E-Haschme) zwecks Erhöhung der Lebensdauer des Akkus dessen Strom bei Ladung und Entladung begrenzen in Abhängigkeit von Spannung und Ladezustand, bei chemischem Akku auch von Akku^-Temperatur und Dauer des Stromes (ein kurzzeitiger hoher Strom (ca. 15 see) ist kaum schädlich, aber nützlich zum Beschleunigen) . [Das bedeutet zwar, daß die Antriebsleistung bei "Vollgas" nach ca. I5sec heruntergeregelt wird j aber daran kann man sich schnell gewöhnen&idigr;Z.B. auch als Radfahrer steht einem ja kurzzeitig viel mehr Leistung zur Verfügung (ca. lOOOW) als dauerhaft (ca. 200W) (B3 S.313) . ] Denn die Akku-Lebensdauer hat einen großen Einfluß auf die Kosten des Stromes, weil in denen die Akkukosten überwiegen: Beisp.: Eine Batterie mit

12V₅ 45Ah halte 300 Zyklen und koste 160DM . Dann kann man ihr insgesamt 12X45#300/1000=162kWh entnehmen, die Akkukosten liegen also bei IDfVkWh ! Mehr als die Energiekosten zu einem Benzinpreis von 1,5DM/| Cs. (6) -»0,5DM/ kWh] ; und viermal so viel un'e die von Strom aus der Steckdose [was auch zeigt daß man den Akku bei der gegenwärtigen Besteuerung der verschiedenen Enet— gieträger günstiger an der Steckdose lädt als mit dem V-Motor, vergl. (21)3 . Die Akkukosten für_100km wären damit bei (1) ca. (1*24/3.6-) 6,7DM . Und bei gemäß (31) gemindertem Widerstand ca. 3,4DM . -»Damit ist der E-Antrieb bei Tempo 50 auch wirtschaftlich vorteilhaft !

9) Man sollte keine Elektro-Heizung installieren (bis auf evtl. eine für

die Scheiben) t Heizen mit Strom ist schon atigemein ziemlich verschwenderisch, weil man bei seiner Erzeugung in den üblichen thermischen Kraftwerken ca. 2/3 der Primärenergie verliert . Mit Akkustrom ist es besonders teuer, s. (37) ; zumal Heizen sehr_vjej Strom verbraucht . Und bei Kurzstrecken ist Heizen ohnehin kaum wirksam (auch bei den herkömmlichen Autos, wo Wärme vom V-Motor im Überfluß zur Verfügung steht, braucht es einige Zeit, bis der Fahrgastraum warm wird) und kaum nötig (da die Insassen nicht dem Fahrtwind ausgesetzt sind , reicht schon mäßige Bekleidung, um nicht zu frieren) .

Und wenn man meint?- bei &Egr;-Antrieb nicht auf eine Heizung verzichten zu können, dann sollte man eine auf Brennstoffbasis einbauen ("Standheizung") .

10) Für die Terminierung der Wartungen des V-dotors installiere man an ihm

einen Umdrehungs-Zahler (lOOOkm^Sflill. Umdrehungen) .

11) Um auch beim Fahren ohne_V-riqtqr bei Bedarf z.B. Fußgänger aufmerksam machen zu können, installiere man neben der Hupe auch ein leiseres Signal &igr;

in Lautstarke und Klang etwa dem Geräusch eines V-Motors entsprechend .

Die Realisierung der erfindungsgemäßer! Steuerung ist weitgehend einfach mit bekannter Technik möglich . Am einfachsten, wenn der V-Motor mit ejektr. Stellgliedern (etwa an der Drosselklappe) gesteuert wird: Dann braucht man am Gaspedal nur ein Potentiometer o.a. als Winkelsensor anbringen und kann die "Aufteilung des Pedalweges" (18) und die "Umschaltung zu (19)" rein elek-

(42) tronisch realisieren, z.B. einfach per Software . Und auch die Arretierung der Kupplung (17) kann man elektromagnetisch realisieren, etwa ähnlich wie bei einem bistabilen Relais .

Diese elektronische Realisierung hat auch den Vorteil, daß man bei der "Linearisierung der Übertragungsfunktion zwischen Pedalweg und Antriebsmoment"

(20) auch die Drehzahl einfach berücksichtigen kann : Indem man das Kennfeld

des V-riotof—Momentes in Abhängigkeit von der Stellgroße (z.B. Drosselklappenstellung) und der Drehzahl ermittelt ', und dann im Betrieb den Steuerungscomputer Jeweils den Stellgrößenwert einstellen läßt, der gemäß dem Kennfeld das floment zur Folge hat, welches in dem gewünschten linearen Zusammenhang zum jeweiligen Pedalweg steht .

Auch bei einer mechanischen Steuerung des V-Motors sind (18) u. (19) einfach realisierbar : Erfolgt sie z.B. über eine Zugstange, so kann man in die ein vorgespanntes Federelement integrieren, welches etwas oberhalb der

. ""■" C44)

Zugkraft nachgibt, welche die Ruckstellkraft des Motorstellgltedes (z.B. Drosselklappe) maximal bewirkt ; also dann, wenn es seinen Maximal-Anschlag ei— reicht hat . So daß wie gewünscht bei weiterem Durchtreten des Pedals der V-riotor konstant auf Vollast bleibt und das Potentiometer für den &Egr;-Motor (weiter gedreht wird . [Womit man auch die bei (18) vorgeschlagene [Erhöhung der Federhärte für den "2. Bereich"] erzielt .1

Und für "V-riotorschalter auf Aus" (s. (17) u. (19)) ist keine Änderung an der Gaspedal-Mechanik nötig , wenn man Vergaser wie z.B. GJeJchdruckvergqser (s.a. (28)) verwendet, die keine durch die Pedalbewegung betätigte "Beschleunigungspumpe" haben (weil dann bei stehendem V-Hotor eine Bewegung der Drosselklappe nicht schadet) . Die Kupplungs-Arretierung (17) kann man per Bowdenzug vom V-Motorschalter zum Pedal übertragen . Und die "Umlegung" der E-Motoi—Steuerung auf den vorderen Pedalwegbereich (19) geht wie bei (42) z.B. per Software .

Alternativ zu obiger Lösung mit dem Federelement (44) kann man auch mit einem Kurvengetriebe arbeiten, weiches die bei Vollast in die konstante Funktion abknickende Übertragungsfunktion zwischen Pedaluueg und Hotorsteüglied-Zustand realisiert . Das hätte den Vorteil, daß man damit auch den Zusammenhang zwischen Pedaluueg und V-Motor-Drehmoment in etwa linearisieren kann, bei mittlerer Drehzahl, vergl. (20) . Und realisieren könnte man das Kurvengetriebe z.B. mit einer Kurvenscheibe auf der Gaspedal-Achse .

Abschließend der Entwurf eines Beispiels, in dem die Vorteile der erfin-

(47) dungsgemäßen Steuerung zur Geltung kommen : Ein 4-Personen-Wagen, ca. 800 kg schwer , mit 2OkW V-Motor (etwa ein 2-ZyI.-Ottomotor mit 500cm³) (reicht für ca. 130km/h bei widerstandsarmem Wagen (31.)) , einer lOkW-E-Maschine gemäß (33) mit 2OkW Spitzenleistung (15sec) und 8-9 Bleiakkus mit Je 12V/45 Ah (vergl. (37)) (in Reihe geschaltet) («100kg, 1500DfI) . (Zur Akku-Ausu/ahC Günstig sind wahrscheinlich '''zyklenfeste Startei—Akkus", weil es einerseits auf hohen Spitzenstrom ankommt (ca. 200A beim Beschleunigen), andererseits auf eine große im Laufe der Lebensdauer entnehmbare Strommenge (vergl. (37)). Für das Bordnetz (z.B. 12V) setzt man die Akkuspannung vorteilhaft mit einem Schaltwandler herab, s. B2 Kap. 18.6 .

Der Benzinverbrauch ergibt sich bei gemäß (31) gemindertem Widerstand, einer Zuladung von 100kg und einem Wirkungsgrad des V-Hotors von 1/3

(48) bei den Geschwindigkeiten 50/90/120 km/h zu 1,3/2,7/4,5 1/lOOkm ; bei "50" ist Elektroantrieb angenommen und auf Benzinverbrauch umgerechnet mit der Annahme, daß der Strom mit einem Wirkungsgrad von 1/3 "aus Benzin erzeugt" wurde (6) . Und bei einem Stadtzyklus, bei dem pro km einmal gestoppt wird (mit Bremsenergie-Rückgewinnung), ist er ca 0,251 höher, aienn die Wirkungsgrade von elektrischer Maschine und Akku Jeweils bei 0,9 liegen .

Die "Beschleunigung von 0 auf 50" liegt bei Elektroantrieb bei 6,3sec,

(49) die von 0 auf 100 bei Antrieb mit E- und V-Motor bei 12,6sec .

Zeichenerklärungen &ugr;. ä. s

Fett gedruckt sind Stichwqrte, die erkennen lassen, worum es im jeweiligen Abschnitt geht und Definitionen ; kursiv betonte Worte

Wichtige Aussagen und Formeln sind für Verweise gekennzeichnet mit 5 Nummern in runden Klammern am rechten Rand , im Text zwischen den Zeilen unterhalb der, in der die Aussage beginnt

Eckige Klammern C. . ] kennzeichnen Zusammengehöriges oder Einschiebe (d.h. , das dahinter stehende knüpft an das davor stehende an) ; runde Klammern Einschübe von minderer Wichtigkeit / Ergänzungen 10 Zur Visualisierung der Gliederung und gedanklichen Struktur sind auch Leerzeichen u, Leerzeilen eingesetzt

Bücher: Bl° Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Düsseldorf 1991 B2s U.Tietze, Ch. Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, Berlin 1983 15 B3.° F.R.Whitt, D.G.Wilson» Bicycling Science, HIT, Cambridge 1974

Claims

1. Steuerung des [Antriebs eines KFZ mit funktionell parallel angeordnetem Verbrennungsmotor (V-Motor) und elektrischer Maschine (E-Nasch.)], dadurch gekennzeichnet, daß der Pedalweg des Gaspedals in zwei ähnlich große Bereiche aufgeteilt ist, wovon der "erste/vordere" nur den V-Motor steuert von Leerlauf bis Vollast (wobei die E-Maschine mitläuft ohne anzutreiben) und der "zweite/hintere" Bereich nur den E-Motor (wobei der V-Motor konstant auf Vollast bleibt).

2) Steuerung für Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem der V-Motor mit einer Kupplung funktionell vom E-Motor trennbar ist, so daß man auch mit reinem E-Antrieb (bei stehendem V-Motor) fahren kann, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nutzer ein V-Motor-Schalter mit den Stellungen "Ein" und "Aus" zur Verfügung steht und daß bei "V-Motor Aus" [die Funktion des Gaspedals umgeschaltet wird so, daß der E-Motor vom Anfang des Pedalweges an gesteuert wird] und die Kupplung im getrennten Zustand arretiert wird.

3. Steuerung gemäß Anspruch 1) od. 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkfunktion des Pedalweges in etwa linear ist, d. h., daß die Zunahme des Antriebsmomentes prö Pedalwegänderung über den ganzen Pedalweg in etwa gleich ist.

4. Steuerung gemäß Anspruch 1) od. 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Grenze zum zweiten Bereich des Pedalweges mit einer erhöhten Federhärte der Pedalfeder fühlbaV gemacht ist.

5. Steuerung gemäß Anspruch 1) od. 2) od. 3), dadurch gekennzeichnet, daß sie weitgehend elektrisch realisiert ist mit einem Winkelsensor (z. B. Potentiometer) am Gaspedal und einem elektrischen Stellglied am V-Motor (z. B. elektrisch angetriebene Drosselklappe), so daß man die Wirkfunktion des Pedalweges nach Anspruch 1 und die "Umschaltung" nach Anspruch 2 und die Linearisierung nach Anspruch 3 rein elektronisch, z. B. per Software, realisieren kann.

6. Steuerung gemäß Anspruch 1) od. 2), dadurch gekennzeichnet, daß sie in Bezug auf den V-Motor weitgehend mechanisch realisiert ist mit einer Zugstange zwischen Gaspedal und V-Motor-Stellglied, in die ein vorgespanntes Federelement integriert ist, welches etwas oberhalb der Zugkraft nachgibt, welche die Rückstellkraft des Motor-Stellgliedes maximal bewirkt.

7. Steuerung gemäß Anspruch 1) od. 2) od. 3), dadurch gekennzeichnet, daß sie in Bezug auf den V-Motor weitgehend mechanisch realisiert ist mit einem Kurvengetriebe zwischen Gaspedal und V-Motor-Stellglied, [z. B. mit einer Kurvenscheibe auf der Gaspedalachse,] welches die bei Vollast in die konstante Funktion abknickende Übertragungsfunktion zwischen Pedalweg und Motorstellglied-Zustand (s. Anspruch 1)) realisiert und vorteilhaft auch die Übertragungsfunktion zwischen Pedalweg und V-Motor-Moment für eine mittlere Drehzahl linearisiert (s. Anspruch 3)).