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Steuervorrichtung für elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeuge
mit wahlweiser Stromversorgung aus einem Akkumulator oder einem durch Verbrennungsmotor
angetriebenen Stromgenerator Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen
elektrischen Antriebsmotor von Kraftfahrzeugen zur wahlweisen Stromversorgung aus
einem Akkumulator oder einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Stromgenerator,
und hat eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung zum Gegenstand, durch welche eine
bestmögliche selbsttätige Umschaltung von der einen Antriebsart auf die andere möglich
ist.
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Die Erfindung geht von dem zunehmenden Interesse an Kr-aftfahrzeugen
aus, die mit einem von einem Akkumulator gespeisten elektrischen Antriebsmotor versehen
sind. Bei Fahrzeugen dieser Art bereitet jedoch die begrenzte Leistungsabgabe der
Akkumulatoren vor allem bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten besondere Schwierigkeiten.
Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, einen Verbrennungsmotor mit einer Akkumulatoreneinheit
zu kombinieren, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Da für den Akkumulatorenantrieb
ein elektrischer Antriebsmotor erforderlich ist, wurden jedoch in nachteiliger Weise
relativ umständliche mechanische Schaltvorrichtungen vorgeschlagen, um den Verbrennungsmotor
und den Elektromotor an die Antriebswelle anzukuppeln. Der Wechsel von der einen
Antriebsart zur anderen geschieht mit Hilfe von Hand zu betätigender besonderer
Schaltorgane. Eine solche von Hand
zu betätigende Umschaltung ist
jedoch nicht immer für eine bestmögliche Ausnutzung der Akkumulatorenleistung und
der Straßenverhältnisse geeignet. So besteht beispielsweise die Gefahr, daß ein
Fahrzeugführer häufig.
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nicht die zweckmäßige Aufrechterhaltung der Akkumulatorenladung beachtet,
wenn die Straßenverhältnisse höhere Fahrzeuggeschwindigkeiten erlauben. Derartige
Fahrzeugführer würden dahin tendieren, eine große Antriebsleistung dem Akkumulator
zu entnehmen, welcher hierdurch schnell entladen und unwirksam wird. Folgt umgekehrt
auf freie Verkehrsverhältnisse, die einen Antrieb durch Verbrennungsmotoren erlauben,
plötzlich eine Verkehrsstauung und damit eine erforderliche Geschwindigkeitsherabsetzung,
ist eine die Gesundheit der Bevölkerung beeinträchtigende Luftverschmutzung die
Folge. Auch bei diesen Verhältnissen würde der Fahrzeugführer dazu neigen, die an
sich erforderliche Umschaltung zu unterlassen und weiterhin mit Antrieb durch Verbrennungsmotor
zu arbeiten. Diese Schwierigkeiten würden bei einer selbsttätigen Umschaltung nicht
bestehen.
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Hinzu kommt, daß die Umsteuerung so weich wie möglich und genau so
sicher sein muß, wie es bei den üblichen automatischen Getrieben der Fall ist. Obwohl
eine elektrische Steuerung graduelle und weiche Arbeitsvorgänge erlaubt, besteht
die Gefahr eines ruckenden Antriebes beim Umschalten vom Verbrennungsmotorantrieb
zum Batterieantrieb und umgekehrt. Insbesondere vermögen aber mechanische Kupplungen
nicht so weich zu arbeiten, wie es für den gleichmäßigen Übergang bei den betreffenden
Geschwindigkeiten wünschenswert ist.
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Bei einer mechanischen Kupplung des elektrischen Motors und des Verbrennungsmotors
sind besondere mechanische Kupplungselemente für die Antriebswelle erforderlich,
welche den Aufbau unübersichtlich machen. Um einen
weichen Fahrzeugantrieb
zu erhalten und jedes Rucken zu vermeiden, sind regelbare Kupplungsvorrichtungen
und automatische Einfallvorrichtungen erforderlich.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung
zu entwickeln, bei welcher der Umschaltvorgang automatisch erfolgt und wobei der
Antrieb wesentlich vereinfacht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromversorgung aus
einem Akkumulator oder einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Stromgenerator
gelöst, wobei eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen aus einer
von einem Geschwindigkeitsmeßgerät gesteuerten Schaltvorrichtung besteht, welche
bei einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit den Fahrzeugantrieb auf Akkumulatoren-
oder Verbrennungsmotorenbatrieb umschaltet.
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Diese Ausgestaltung hat zunächst den Vorteil, daß der eigentliche
Fahrantrieb über einen Elektromotor stattfindet, der wahlweise von einem Akkumulator
gespeist wird oder von einem Stromgenerator, der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben
wird. Dabei erfolgt das Umschalten selbsttätig in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Zweckmäßig verbindet die Schaltvorrichtung unterhalb der vorbestimmten
Fahrzeuggeschwindigkeit den elektrischen Antriebsmotor mit dem Akkumulator und schaltet
beim Überschreiten dieser Fahreuggeschwindigkeit zwecks Stromversorgung durch den
Stromgenerater den Verbrennungsmotor ein. Bei dieser Ausftüirung erfolgt der Fahrzeugantrieb
bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten durch Akkumulatorenantrieb, hingegen bei
grö-Beren Fahrzeuggeschwindigkei@er durch Verbrennungsmotorantriee.
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Die Schaltvorrichtung erzeugt zweckmäßig durch Vergleich der Meßgröße
des Geschwindigkeitsmeßgerätes und der Bezugsgröße einer Geschwisndigkeitseinstellvorrichtung
oberhalb und unterhalbder vorgewählten Fahrgeschwindigkeit je eine Steuergröße,
von denen die oberhalb der vorgewählten Fahrgeschwindigkeit liegende Steuergröße
über einen Schalter den Anlasser des Verbrennungsmotors einschaltet und diesen Motor
im Arbeitszustand hält, während die untere Steuergröße den Verbrennungsmotor abschaltet
und den Akkumulator mit im elektrischen Antriebsmotor verbindet. Diese Ausführung
hat den Vorteil, daß der Umschaltvorgang auf eine bestimmte Fahrgeachwindigkeit
eingestellt werden kann. Unterhalb dieser vorgewählten Fahrgeschwindigkeit erfolgt
der Antrieb ausschließlich über eine Stromversorgung durch den Akkumulator, wobei
der Verbrennungsmotor außer Betrieb ist.
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Wird die vorgewählte Fahrgeschwindigkeit jedoch erreicht, so trägt
die Schaltvorrichtung für das Anlassen und den weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors
Sorge. Diese Steuervorrichtung kann sowohl elektrisch als auch mechanisch ausgestaltet
sein. Bei einer elektrischen Ausgestaltung erzeugt das Geschwindigkeitsmeßgerät
eine der Fahrgeschwindigkeit entsprechende elektrische Spannung und die Geschwindigkeitseinstellvorrichtung
ist zur Erzeugung einer Bezugsspannung als Potentiometer ausgestaltet, so daß beide
Spannungen auf einen Differenzverstärker einwirken können, der über ein Relais auf
den Schalter einwirkt. Bei einer mechanischen Ausgestaltung wirkt eine Welle des
Geschwindigkeitsmeßgerätes und eine biegsame Welle der Geschwindigkeitseinstellvorrichtung
auf einen mechanischen Regler ein, der bei der vorgewählten Fahrzeuggeschwindigkeit
den Schalter schließt.
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Der stromgenerator, der vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, kann
als Gleichstromgenerator, aber vorzugsweise als Wechselstromgenerator ausgestaltet
sein,
wobei der Wechselstrom über einen Gleichrichter geführt wird.
Dieser gleichgerichtete Strom des Stromgenerators kann sowohl zum Antrieb des Elektromotors
als auch zum Aufladen des Akkumulators verwendet werden. Zur Geschwindigkeitsregulierung
wird der vom Akkumulator oder Stromgenerator kommende Strom dem elektrischen Antriebsmotor
über einen geeigneten Regler zugeführt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung anlland zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert, und zwar zeigt Figur 1 das Schaltbild einer elektrischen Steuervorrichtung
und Figur 2 eine mechanische Steuervorrichtung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ein elektrischer Antriebsmotor
mit der Fahrzeugantriebswelle 12 verbunden. Der elektrische Antriebsmotor lo kann
in Abhängigkeit von den Anforderungen als Gleich- oder Wechselstrommotor ausgeführt
sein. Als besonders geeignet erscheint ein Gleichstrommotor, der seinen Gleichstrom
von einem Impulsdauer-Regler 14 erhält. Dieser wandelt die Impulsdauer des über
die Leitungen 25 und 26 kommenden Gleichstromes um, wobei die Ausgangswindungen
mit 16 und 18 bezeichnet sind. Dieser Regler besitzt ebenfalls einen Regeleingang
20 zur Regelung der Impulsdauer, die an den Ausgangswindungen 16 und 18 entstehen
soll. Dieser Impulsdauer-Regler kann ein regelbarer Frequenzerreger sein, der mit
einem Gleichstromeingang in üblicher Art und Weise arbeitet, um an den Ausgangswindungen
Impulse verschiedener Dauer zu erzeugen. Bei niedrigen Stromeingängen in der Leitung
20 ist die Impulsdauer sehr klein und bei einem hohen durch die Leitung 20 angeforderten
Kraftbedarf werden lange Ausgangs impulse dem elektrischen Antriebsmotor lo zugeführt.
Die Wirkung des Impulses ist, die Gleichstromspannung zu regeln und
dadurch
eine Regelung des elektrischen Antriebsmotores zu erhalten. Selbstverständlich können
auch andere Steuerungen eines Elektromotors vorgesehen werden.
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Der Impulslauer-Regler 14 wird sowohl von einem elektrochemischen
Stromerzeuger, beispielsweise einem Akkumulator 22, und von einem Gleichstrom gespeist,
der von einem durch einen Gleichrichter 23 gleichgerichteten Stromgenerator 24 kommt.
Der elektrische Stromgenerator ist bei dieser Ausführung eine Wechselstrommaschine,
deren Wechselstrom bei Betrieb durch den Gleichrichter 23 gleichgerichtet wird.
Der Spannungsausgang des Gleichrichters ist praktisch auf die gleiche oder eine
etwas höhere Spannung eingestellt wie der Akkumulator 22. Beim Ausführungsbeispiel
ist der Gleichrichter 23 unmittelbar an den Akkumulator durch die Leitungen 25 und
26 angeschlossen, so daß beide parallelgeschaltet sind. Ein üblicher Spannungsredgler
28 ist ebenfalls mit den Leitungen 25 und 26 parallelgeschaltet, so daß der Spannungsausgang
des Stromgenerators 24 der durch den Spannungsregler 28 eingestellten Spannung entspricht.
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Der Stromgenerator 24 wird über die Welle 31 von einem Verbrennungsmotor
30 angetrieben, wenn dieser in Tätigkeit gesetzt ist.
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Der Verbrennungsmotor 30 kann, je nach den gewünschten Erfordernissen,
ein Kolbenmotor oder eine Gasturbine sein. Er ist mit einer9 selbsttätigen Startvorrichtung
32 sowie einer Brennstoffzufuhr-Kontrollvorrichtung 34 versehen, welche die der
Verbrennungsmal-schine zugeführte Brennstoffmenge wie auch deren Arbeitsleistung
und Geschwindigkeit regelt. Die Startvorrichtung wird durch ein Relais 36 gesteuert,
welches im angezogenen Zustand einen Schalter 38 öffnet und diesen im abgefallenen
Zustand schließt, so daß eine direkter Gleichstromkreis vom Akkumulator (Pluspol)
zum Starter 32 erhalten wird.
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Das Relais 36 wird bei Betrieb durch einen analogen Differenzverstärker
40 gesteuert. Dieser hat zwei Stromeingänge, von denen der eine von einem Geschwindigkeitsmeßgerät
42 kommt. Dieses Geschwindigkeitsmeßgerät kann von Ublicher Ausführung sein und
ist an eine Achse des Fahrzeuges angeschlossen, zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit
an und durch übliche Übersetzungsvorrichtungen wird eine Gleichstromspannung als
Impuls erzeugt, der auf den Differenzverstärker 40 einwirkt. Es kann ein Wechselstromtachometer
sein, dessen Wechselstrom gleichgerichtet wird, wobei der Spannungswert als Anzeige
impuls der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet wird. Der andere Stromeingang des Differenzverstärkers
40 kommt von einem Potentiometer 44, das mit einem Stellarm 46 versehen ist und
vorzugsweise in einem Rahmen mit einem Anzeigeblatt ausgerüstet ist, an welches
der Stellarm 46 angebracht ist. Das Potentiometer 44 wird durch Anschluß an den
Pluspol des Akkumulators erregt. Da die Akkumulatorenspannung beim Antrieb des elektrischen
Antriebsmotors lo etwas variieren kann, ist es wünschenswert, daß die auf das Potentiometer
einwirkende Spannung im wesentlichen konstant ist. Diese Spannungsregulierung kann
auf einfache Art und Weise durch Anwendung von Zehnerdioden erhalten werden, welche
einen festen Spannungsausgang haben. Der Differenzverstärker 14 gibt eine Ausgangscharakteristig
von 0 Volt, wenn der Stromausgang des Geschwindigkeitsmeßgerätes 42 größer als die
Bezugsspannung ist und eine große positive Ausgangscharakteristik, wenn die Geschwindigkeitsspannung
des Geschwindigkeitsmeßgerätess kleiner ist als die Bezugsspannung des Stellarmes
46.
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Die dem Stellarm 46 zugeordnete Skala zeigt die wählbare Geschwindigkeit
an, bei welcher ein Wechsel vo-m Verbrennungsmotorantrieb zum Akkumulastorantrieb
oder umgekehrt stattfinden soll. Die Zwischenschaltstellungen
zeigen.sowohl
bei 30, So, 65 und 80 km/Std., wie auch in den extremen Geschwindigkeitsbereichen
an, wann nur der Verbrennungsmotor oder nur der Akkumulatorantrieb arbeitet. Selbstverständlich
kann für einfache Arbeitsvorgänge das Potentiometer durch einen Schalter ersetzt
werden, der eine einfache Stellung für eine vorgewählte Arbeitsgeschwindigkeit von
beispielsweise 55 km/Std. hat und zwei Bereiche angibt, bei denen nur der Verbrennungsmotor
oder nur der Akkumulator arbeitet.
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Bie Geschwindigkeitssteuerung erfolgt in der üblichen Weise mit Hilfe
eines von einer Druckfeder 52 belasteten und mit einer Zahnstange 54 versehenen
Fußpedals 48 am Boden des Fahrzeuges 50. Durch die Zahnstange 54 wird ein weiteres
Potentiometer 56 mit einem Stellarm 58 gesteuert. Der regelbare Widerstand 56 ist
an den Akkumulator angeschlossen und vorzugsweise so angeordnet, daß er nicht von
Schwankungen der Batteriespannung beeinflußt wird. Der Stellarm 58 ist mit der Brennstoffzufuhr
und der Geschwindigkeitssteuerung des Impulslängenreglere über die Leitung 20 verbunden,
so daß entsprechende Geschwindigkeitsimpulse zum Fahrzeugantrieb bei allen Bedingungen
entstehen.
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Beim Fahrzeugantrieb aus dem Stillstand weicht die Spannung des Geschwindigkeitsmeßgerätes
42 von der Spannung des Stellarmes 46 derart ab, daß am Differenzverstärker 40 die
erste Steuercharakteristik ansteht, bei der die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner
als die vorgewählte Geschwindigkeit ist. Bei dieser ersten Steuercharakteristik
erzeugt der Differenzverstärker 40 eine positive Spannung, die auf das Relais 36
einwirkt, welches den Schalter 38 anzieht una öffnet. Bei geöffnetem Schalter 38
kann kein Strom auf den Starter 32 des Verbrennungsmotors einwirken, so daß der
Verbrennungsmotor bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht arbeitet. Drückt nun der
Kraftfahrzeugführer das Pedal 48 herunter, so entsteht eine der gewünschten Geschwindigkeit
entsprechende Spannung am Stellarm 48. Da der Verbrennungsmotor nicht arbeitet,
hat
dieser Regelimpuls keine Einwirkung auf die Brennstoffzufuhr, sondern wirkt nur
über die Leitung 20 auf den Impulslängenregler 14 ein, wodurch die Geschwindigkeitsregelung
des elektrischen Antriebsmotors lo erfolgt. Solange der Verbrennungsmotor abgeschaltet
ist, ist di-e Spannung am Gleichrichter 23 praktisch gleich null, und der Akkumulator
22 gibt die Leistung über den Impulsregler 14 zum Antrieb des elektrischen Antriebsmotors
lo. Zweckmäßig hat der Gleichrichter 23, obwohl er der Batterie 22 parallelgeschaltet
ist, einen hohen Widerstand, beispielsweise durch zugeordnete Dioden.
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Steigt die Fahrzeuggeschwindigkeit und damit die Spannung des Geschwindigkeitsmeßgerätes
42 bis auf den vorgewählten Geschwindigkeitswert, schaltet der Differenzverstärker
40, wobei die Ausgangsspannung auf Null fällt. Hierdurch fällt auch das Relais 36
ab und der Schalter 38 wird geschlossen. Durch das Schließen des Schalters 38 wird
der Verbrennungsmotor 3o durch die Startvorrichtung 32 angelassen, und da der Steuerstrom
vom Fußpedal 48 ebenfalls auf die Brennstoffzufuhrregelung 34 einwirkt, arbeitet
der Verbrennungsmotor und treibt den Generator an, der die erforderliche elektrische
Energie zum Antrieb des elektrischen Motors lo erzeugt. Vorzugsweise wirkt das Steuersignal
des Potentiometers 56 sowohl auf die Brennstoffzufuhr 34 wie auch auf den Impulsregler
14 ein, wobei Steuersignal-Regelvorrichtungen vorgesehen sein können, um die Kontrollsignale
auf die verschiedenen Bereiche einstellen zu können. Wenn der Stromgenerator 24
die gewünschte Ausgangsspannung hat, welche durch den Gleichrichter 23 gleichgerichtet
wird, übersteigt diese die Spannung des Akkumulators, so daß der Generatorstrom
sowohl den Akkumulator wieder auflädt als auch die Energie zum Antrieb des Fahrzeuges
liefert. Auch bei kaltem Wetter, wenn der Verbrennungsmotor nicht schnell auf seine
hohe Arbeitsgeschwindigkeit gebracht werden kann, wird das
Fahrzeug
keine Geschwindigkeitseinbuße beim Beschleunigen und Umschalten erhalten, weil der
Akkumulator immer noch Strom an den Elektromotor liefert, bis der Generator in der
Lage ist, die Ladung zu übernehmen. Hierdurch entsteht eine gleichmäßige weiche
Umschaltsteuerung, wie sie durch andere mechanische Vorrichtungen nicht erreichbar
ist. Hierdurch wird ein wesentlicher Fahrkomfort und eine Schonung der Fahrzeugeinrichtung
gewährleistet.
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Bei Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit entsteht der umgekehrte
Arbeitsvorgang. In diesem Fall wird bei Erreichen der vorgewählten Fahrzeuggeschwindigkeit
das Relais 36 wieder angezogen und der Schalter 38 geöffnet.
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Beim Öffnen des Schalters wird die elektrische Zündung des Verbrennungsmotors
unterbrochen und der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Die Spannung am Stromgenerator
fällt sofort ab und der Akkumulator übernimt die Stromlieferung für den elektrischen
Motor. Der Impulslängenregler 14 erhält aber weiter Geschwindigkeitssteuerimpulse
über die Leitung 20 und regelt automatisch den Strom für den Motor während der Geschwindigkeitssenkung.
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In bestimmten Fällen kann es wünschenswert sein, den Verbrennungsmotor
bei allen Fahrbedingungen arbeiten zu lassen. Ist beispielsweise der Akkumulator
um ein solches Maß entladen, daß er nicht mehr die nötige Energie liefert, kann
der Verbrennungsmotor in allen Geschwindigkeitsbereichen durch Verstellung des Stellarmes
46 in die niedrigste Stellung in Tätigkeit gesetzt werden, so daß bei allen Fahrzeuggeschwindigkeiten
die Spannung des Geschwindigkeitsmeßgerätes 42 nicht in der Lage ist, den Schalter
38 zu schließen. Ist umgekehrt beispielsweise der Brennstoff für den Verbrennungsmotor
ausgegangen, kann auch der Akkumulator bei allen Geschwindigkeiten eingeschaltet
werden, indem der Stellarm 46 in die andere Endlage gestellt und der Schalter 38
immer offengehalten wird.
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Bei der Ausführung nach Figur 2 ist ein Drehgeschwindigkeitsmeßgerät
60 vorgesehen, welches einen Regler 62 beaufschlagt . Der Regler 62 wird von einer
die Geschwindigkeit regelnden Vergleichsgröße beaufschlagt, bei welcher der Regler
den Schalter 38 durch Anziehen des Schaltarmes 68 schließt. Die Vergleichsgröße
wird durch einen Hebelarm 66 erzeugt, der über eine biegsame Welle 64 mit dem Regler
62 verbunden ist. Der Regler 62 kann von üblicher Ausführung sein, einschließlich
de-s zugeordneten Schalters 38 und der Regelorgane.