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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Antriebssystem
mit einer Brennkraftmaschine für
den Antrieb des Fahrzeugs, die eine angekoppelte elektrische Maschine
aufweist, bei welchem die Brennkraftmaschine und die elektrische
Maschine bei der Aufbringung von Drehmoment zusammenwirken, wobei
eine äußere Steuervorgabe
direkt auf die Steuerung der elektrischen Maschine einwirkt.
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Ein derartiges Antriebssystem ist
beispielsweise aus der
DE
29 43 554 A1 bekannt. Und zwar handelt es sich um das Antriebssystem
eines Parallelhybrid-Fahrzeugs, welches wahlweise durch die Brennkraftmaschine
oder die elektrische Maschine mechanisch angetrieben werden kann.
Möglich
ist auch eine Betriebsart, bei der beide Maschinen bei der Aufbringung
eines Drehmoments zusammenwirken. Dieses kann fahrzeugbeschleunigend
oder -bremsend sein. Die Steuerung der Fahrgeschwindigkeit erfolgt
durch Betätigung
eines Fahrpedals, welches einer zentralen elektronischen Regeleinrichtung
ein der Fahrpedal-Auslenkung
proportionales Steuersignal zuführt.
Diese bildet daraus ein entsprechendes Stellsignal für die Steuereinrichtung
der elektrischen Maschine. Gleichzeitig steuert das Fahrpedal auch
die Brennkraftmaschine. Entsprechendes ist aus der
DE 197 09 457 A1 bekannt.
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Aus der WO 97/08456 ist ein Kraftfahrzeug-Antriebssystem
mit einer Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem drehmomentstarken
elektrischen Starter gekoppelt ist. Die Startermaschine ist auch
dafür vorgesehen,
die Brennkraftmaschine bei der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs
zu unterstützen.
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Die
DE 197 04 153 A1 betrifft die Leerlaufkonstanthaltung
bei einem Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine mit angekoppelter
elektrischer Maschine. Als äußere Steuervorgabe
ist hier die konstante Leerlaufdrehzahl anzusehen. Im Fall der Aufschaltung
eines bremsenden mechanischen Lastmoments wird das Drehmoment der
Brennkraftmaschine in entsprechendem Maße erhöht. Wegen des relativ langsamen
Ansprechvermögens
kann diese das erforderliche erhöhte
Drehmoment jedoch nicht spontan, sondern nur mit einer gewissen
Zeitverzögerung
und einem relativ langsamen Momentenanstieg bereitstellen. Um in
dieser Übergangszeit
ein Absinken der Leerlaufdrehzahl zu vermeiden, bringt die – wesentlich
schneller ansprechende – elektrische
Maschine vorübergehend
das fehlende Drehmoment auf.
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Aus der nicht gattungsgemäßen
EP 0 583 184 B1 ist
ein Verfahren zur Leerlaufdrehzahlsteuerung bei einem Kraftfahrzeug
bekannt, bei dem eine zu weitgehende Entladung der Starterbatterie
im Leerlauf vermieden werden soll. Hierzu wird vorgeschlagen, die
Batteriespannung zu messen und bei Unterschreitung eines unteren
Grenzwerts die Drehzahl des Verbrennungsmotors und damit des Generators
zu erhöhen,
um so die Ladeleistung zu vergrößern. Bei
dieser Druckschrift wirken Verbrennungsmotor und elektrische Maschine
nicht zur Aufbringung von Drehmoment zusammen. Die vorgeschlagene
Erhöhung
der Leerlaufdrehzahl ist im übrigen nur
sinnvoll bei Generatoren, die so leistungsschwach sind, daß sie den
benötigten
höheren
Ladestrom nicht bei der niedrigen Leerlaufdrehzahl allein durch
eine größere Erregung
liefern können.
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Aus der
DE 690 07 797 T2 ist ein
Hybridantriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen
Maschine bekannt. Letztere kann als Starter für den Verbrennungsmotor, als
alleiniger Antriebsmotor für
das Fahrzeug oder als "Booster" zur Unterstützung des
Verbrennungsmotors arbeiten. Die elektrische Maschine ist bei einer
Ausführungsform
zudem als Winkelstellungsmesser für die Kurbelwelle ausgebildet.
Die Meßwerte
der Winkelstellung können
zum Beispiel in der Steuerung des Zündzeitpunkts des Verbrennungsmotors
verwendet werden.
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Aus der
DE 196 34 930 A1 ist ein
serieller Hybridantrieb mit elektrischen Antriebsmotoren an den
Rädern
des Fahrzeugs bekannt. Ein Verbrennungsmotor mit Stromerzeuger dient
zum Nachladen einer Speicherbatterie. Der Verbrennungsmotor wird unter
anderem von der Batteriespannung gesteuert.
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Aus der
DE 43 24 010 A1 ist ein
Hybridantriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen
Maschine bekannt. Das Fahrzeug kann rein verbrennungsmotorisch,
rein elektrisch oder gemeinsam verbrennungsmotorisch und elektrisch
angetrieben werden. Bei rein verbrennungsmotorischem Antrieb kann
die elektrische Maschine als Generator zur Rückladung eines Energiespeichers betrieben
werden. Das abgezweigte generatorische Drehmoment steigt mit wachsendem
Entladungsfaktor des Energiespeichers an.
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Bei den gattungsgemäßen Vorschlägen erlaubt
das Zusammenwirken von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine
vorteilhafte neuartige Betriebsweisen im Vergleich zu solchen Antriebssystemen,
bei denen Brennkraftmaschine und elektrische Maschine nur jeweils
für sich
arbeiten. Was die gemeinsame Steuerung von Brennkraftmaschine und elektrischer
Maschine betrifft, haben die obengenannten Veröffentlichungen offenbar eine
gemeinsame direkte Steuerung von Brennkraftmaschine und elektrischer
Maschine im Auge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, ein Fahrzeug-Antriebssystem
der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine vereinfachte,
gemeinsame Steuerung einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen
Maschine vorsieht.
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Gemäß Patentanspruch 1 wird diese
Aufgabe bei einem Fahrzeug-Antriebssystem
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerung der Brennkraftmaschine
indirekt, in Abhängikeit
einer Zwischenkreisspannung eines die elektrische Maschine speisenden
elektrischen Systems erfolgt, wobei die elektrische Maschine von
einem Zwischenkreis-Wechselrichter angesteuert wird.
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Die in Anspruch 1 genannten Zustandsgröße "Zwischenkreisspannung" kann den tatsächlichen Betriebszustand
des Antriebssystems wiedergeben, der von einer Vielzahl äußerer und
innerer Einflußgrößen abhängen kann,
z. B. der Belastung des Fahrzeugs, der zu bewältigenden Steigung, etc..
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Wird beispielsweise das Fahrpedal
des Fahrzeugs durch den Fahrer betätigt, wird anfangs nicht die
Brennkraftmaschine, sondern allein der Elektromotor zur Beschleunigung
des Fahrzeugs herangezogen. Durch die damit verbundene Energieentnahme
aus dem elektrischen Energiespeicher sinkt dessen Spannung. Zum
Absinken der Spannung können
die folgenden beiden Effekte beitragen: i) die Abnahme der im Energiespeicher
vorhandenen Ladung und ii) der Spannungsabfall am Innenwiderstand
des Energiespeichers aufgrund des Entladestroms. Bei den für die Zwecke
der Erfindung hauptsächlich
geeigneten Hochleistungsspeichern spielt die Ladungsabnahme die
Hauptrolle, der Innenwiderstand dieser Speicher ist i.a. so klein,
daß der
diesbezügliche
Spannungsabfall nur einen relativ geringen Beitrag darstellt. Der
Spannungsabfall wird durch eine einfache Spannungsmessung erkannt,
woraus die Steuerung Signale für
die Brennkraftmaschine (z.B. Stellsignale für Drosselklappe oder Einspritzmenge)
ableitet, so daß diese
ihr Drehmoment erhöht,
und so zur Fahrzeugbeschleunigung beitragen oder diese übernehmen
kann. Als Folge hiervon verringert sich der von der elektrischen
Maschine zu erbringende Beitrag zunehmend. Anschließend wird die
entnommene Energie wieder durch generatorische Wirkung der elektrischen
Maschine "erzeugt" und in den Energiespeicher
zurückgeladen,
so daß die
Spannung des Energiespeichers wieder auf ihren Sollwert zunimmt.
Als Steuergröße für die Speicheraufladung
kann die gemessene Zwischenkreisspannung dienen.
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Eine Drehfeldmaschine arbeitet vorteilhaft auf
einer Spannung, die höher
als die übliche
Kraftfahrzeug-Bordnetzspannung (12V oder 24V) liegt, z. B. im Bereich
von 42V bis hin zu deutlich höheren Spannungen,
wie 200-300V. Eine Möglichkeit
besteht darin, als Energiespeicher eine Batterie oder einen anderen
elektrischen Speicher mit entsprechend hoher Spannung zu verwenden.
Bei einer anderen Möglichkeit
verwendet man eine herkömmliche
Niederspannungs-Batterie und setzt deren Spannung auf das erhöhte Spannungniveau
hoch. Ein zur Erzeugung der erforderlichen Drehströme vorgesehener
Wechselrichter bezieht dann seine Energie aus einem Kreis mit der
hochgesetzten Spannung, den man als "Zwischenkreis" be zeichnet. Im Zwischenkreis befindet
sich in der Regel ein Hochleistungs-Energiespeicher, wie z.B. ein
Kondensatorspeicher, der kurzfristig hohe Energiemengen bereitstellen
kann. Bei derartigen Systemen kann die Zwischenkreisspannung als
zu messende Zustandsgröße herangezogen
werden. Die Zwischenkreisspannung stellt einen sehr empfindlichen
Indikator für
den Ladungszustand des Zwischenkreisspeichers und, allgemeiner, für den "Belastungszustand" des elektrischen
Systems dar.
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Regelungstechnisch gesehen stellt
die Zwischenkreisspannung die Regelgröße dar, welche konstantgehalten
werden soll. Stellgröße ist die Drosselklappenstellung
und/oder Kraftstoffeinspritz-Einstellung der Brennkraftmaschine.
Störgröße ist die
elektrische Maschine, welche dem Eneregiespeicher bzw. dem Zwischenkreis
Energie entnimmt (bei motorischem Betrieb) oder in diesen einspeist
(bei generatorischem Betrieb) und damit die Zwischenkreisspannung
verändert,
so daß diese vom
Sollwert abweicht. Die darauf folgende Veränderung der Stellgröße (z.B.
die Drosselklappenstellung) bewirkt, daß die Regelgröße (die
Zwischenkreisspannung) konstant gehalten wird.
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Eine Zustandserfassung dieser Art
ist auch möglich,
wenn die elektrische Maschine als Aktivdämpfer arbeitet. Bei dieser
Betriebsart bringt sie schnell alternierend bremsende und antreibende Drehmomente
auf, die den von Gas- und Massenkräften der Brennkraftmaschine
hervorgerufenen Drehungleichförmigkeiten
entgegenwirken. In der Bremsphase arbeitet die elektrische Maschine
jeweils generatorisch, liefert also elektrische Energie. In der
jeweils anschließenden
Antriebsphase arbeitet sie hingegen als Motor, entnimmt also elektrische
Energie. Im stationären
Betrieb sind diese beiden Energiebeträge gleich. Es muß also nur
der jeweils in der Bremsphase gewonnene Energiebetrag kurzfristig
in einem Zwischenkreisspeicher gespeichert werden. Es braucht aber – von Verlusten
abgesehen – keine Energie
in das System hinein oder aus ihm herausfließen. Sobald nun die elektrische
Maschine zusätzlich
fahrzeugbeschleunigend wirken soll, überlagert sie den schnell wechselnden
Drehmomenten ein quasi-konstantes antreibendes Drehmoment. Die jeweils
in der Bremsphase gewonnene Energie reicht nun nicht mehr für die folgende
Antriebsphase aus. Es muß vielmehr
Energie aus dem Energiespeicher in das System hineinfließen. Dies
führt zu
einer Verringerung der Zwischenkreisspannung, wie es auch ohne Aktivdämpferfunktion
der Fall ist. Die Regelung der Brennkraftmaschine kann also auch
bei Aktivdämpferfunktion
in der oben erläuterten
Weise auf der Regelgröße Zwischenkreisspannung
beruhen.
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Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen.
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Gemäß Anspruch 2 sitzt die elektrische
Maschine – bei
der es sich vorzugsweise um eine Drehfeldmaschine in Synchron- oder
asynchron Bauart handelt – koaxial
zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Sie ist vorteilhaft mit
dieser drehfest oder über
ein zwischengeschaltetes Getriebe gekoppelt, so daß sie über den
gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine mitläuft.
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Wie im Zusammenhang mit dem Stand
der Technik bereits ausgeführt
wurde, kann das Fahrzeug ein im wesentlichen durch die Brennkraftmaschine
angetriebenes Fahrzeug sein. Die elektrische Maschine kann dabei
die Brennkraftmaschine mit beschleunigendem oder bremsendem Drehmoment
unterstützen.
Sie kann außerdem
als Starter für
die Brennkraftmaschine, als Generator zur Bordnetzversorgung und/oder
als Aktivdämpfer
gegen Drehungleichförmigkeiten
fungieren. Bei einem Parallelhybrid-Fahrzeug dient sie außerdem als
(alleiniger) Antriebsmotor in Betriebsphasen, bei denen die Brennkraftmaschine
abgestellt ist.
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Das von der Brennkraftmaschine und
der elektrischen Maschine aufgebrachte Moment kann dem Beschleunigen
oder Bremsen des Fahrzeugs dienen (Anspruch 3). Wie bereits im Zusammenhang mit
der
DE 197 04 153
A1 erläutert
wurde, kann das Drehmoment aber auch der Leerlaufdrehzahl-Konstanthaltung
bei Aufschaltung einer mechanischen Last dienen (Anspruch 4).
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Wie bereits oben erwähnt wurde,
kann die äußere Vorgabe
für die
Steuerung der elektrischen Maschine durch eine, von einer Bedienungsperson betätigten Stelleinrichtung
erfolgen (Anspruch 5). Hierbei handelt es sich insbesondere um ein
Fahrpedal. Eine bestimmte Stellung des Fahrpedals kann mit einer
bestimmten Soll-Fahrgeschwindigkeit, Soll-Drehzahl oder Soll-Leistung oder einem
bestimmten Soll-Drehmoment korrespondieren (Anspruch 6). Wie eben
bereits oben ausgeführt
wurde, kann die Stellgröße für die indirekte
Steuerung der Brennkraftmaschine die Drosselklappenstellung und/oder
die eingespritzte Krafstoffmenge sein (Anspruch 7).
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Die Erfindung wird nun anhand von
Ausführungsbeispielen
und der angefügten
schematischen Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Schemadarstellung der wichtigsten Funktionsblöcke eines Antriebssystems;
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2 eine
Variante der Ausführungsform von 1;
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3 Diagramme
der Drehzahl, des Moments der elektrischen Maschine, der Zwischenkreisspannung,
sowie des Moments der Brennkraftmaschine als Funktion der Zeit;
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4 Drehmomentdiagramme
als Funktion der Zeit bei Aktivdämpferbetrieb;
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5 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben des Antriebssystems
von 1 und 2 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs,
z. B. eines Personenkraftwagens, weist gemäß 1 einen Verbrennungsmotor 1 auf,
der Drehmoment über
eine Antriebswelle 2 (z.B. die Kurbelwelle) des Verbrennungsmotors 1 und
eine damit verbundene Wellenfortsetzung, eine Kupplung 3 und
ein Getriebe 4 an (nicht gezeigte) Antriebsräder des
Fahrzeugs abgibt. Auf der Antriebswelle 2 sitzt eine ebenfalls
als Antriebsquelle dienende elektrische Maschine 5, hier eine
Asynchron-Drehstrommaschine. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 2 sit zenden
und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 6 sowie einen
z. B. am Gehäuse
des Verbrennungsmotors 1 gegen Drehung abgestützten Ständer 7 auf.
Die elektrische Maschine 5 sowie die unten näher beschriebenen
Einrichtungen zu ihrer Speisung und zur Energiespeicherung sind
so dimensioniert, daß sie
im Leerlauf des Verbrennungsmotors 1 die Drehzahl bei Lastaufschaltung
durch (nicht gezeichnete) mechanische Verbraucher konstant halten
kann und das Fahrzeug beschleunigen und Abbremsen kann. Hierbei
ist keine Über-
oder Untersetzung zwischen der elektrischen Maschine 5 und
dem Verbrennungsmotor 1 vorgesehen, so daß beide über den
gesamten Drehzahlbereich permanent mit gleicher Drehzahl zusammenlaufen.
Bei (nicht dargestellten Ausführungsformen)
ist zwischen der Antriebswelle 2 und der elektrischen Maschine 5 ein
Untersetzungsgetriebe angeordnet, z. B. in Form eines Planetengetriebes,
so daß die
elektrische Maschine 5 beispielsweise mit der doppelten
Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 dreht. Die (nicht dargestellte)
Wicklung des Ständers 7 wird
durch einen Wechselrichter 8 mit elektrischen Strömen und
Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz
gespeist. Es handelt sich z. B. um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis-Wechselrichter, welcher
aus einer im wesentlichen konstanten Gleichspannung eines Zwischenkreises 9 mit
Hilfe von elektronischen Schaltern z. B. sinusbewertete breitenmodulierte
Pulse herausschneidet, die – Bemittelt
durch die Induktiviät
der elektrischen Maschine 5 – nahezu sinusförmige Wechselströme der gewünschten
Frequenz, Amplitude und Phase ergeben. Der Zwischenkreis 9 verbindet
den Wechselrichter 8 mit einem in beiden Richtungen arbeitenden
Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 10 ("DC/DC-Wandler"). Dieser verbindet
den Zwischenkreis 9 mit einer Batterie 11. Diese
liegt auf dem niedrigen Spannungsniveau eines Fahrzeugbordnetzes
(z.B. 12V oder 24V). Ein Hochleistungsspeicher 12, der
kurzzeitig sehr hohe Leistungen abgeben kann, also schnell entladbar
ist, hat eine dem Zwischenkreisniveau angepaßte Spannung, z.B. im Bereich
von 36-300V, und liegt – elektrisch
gesehen – im
Zwischenkreis 9. Es handelt sich bei ihm beispielsweise
um einen Kondensatorspeicher, eine Kurzzeitbatterie, und/oder ein
elektrisch betriebenes Schwungrad.
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Eine Steuereinrichtung 13,
hier ein Mikrorechner, ist für
die Steuerung des Antriebssystems verantwortlich. Er enthält als Eingangssignale
die Fahrpedalstellung, einen Abgriff des vom Wechselrichter 8 zur
elektrischen Maschine 5 fließenden Stroms und einen Abgriff
der Zwischenkreisspannung sowie der Batteriespannung. Der Abgriff
der Batteriespannung ist nicht erforderlich für die Steuerung des Verbrennungsmotors,
gibt aber Information über
den Ladezustand der Batterie 11. Der Mikrorechner 13 steuert
den Wechselrichter 8, den DC/DC-Wandler 10 sowie die Drosselklappenstellung
und/oder die Einspritzmenge beim Verbrennungsmotor 1. Die
elektrische Maschine 5 kann ein antreibendes Drehmoment
auf die Antriebswelle 2 aufbringen, wobei sie der Batterie 11 elektrische
Energie über
den DC/DC-Wandler 10, den Zwischenkreis 9 und den Wechselrichter 8 entnimmt.
Ein solches Drehmoment kann dem Starten des Verbrennungsmotors 1,
dessen Unterstützung
bei der Fahrzeugbeschleunigung und der Leerlaufdrehzahlregelung
dienen. Die elektrische Maschine 5 kann auch als generatorische
Bremse wirken, wobei sie über den
umgekehrten Weg Energie in die Batterie 11 einspeist. Dies
kann der üblichen
Generatorfunktion zur Ladung der Batterie 11 und Versorgung
des Bordnetzes oder der Fahrzeugbremsung (ggf. in Unterstützung des
bremsenden Verbrennungsmotors 1) dienen.
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Bei der Variante gemäß 2 übernimmt der im Zwischenkreis 9 liegende
Hochleistungsspeicher 12' auch
die Funktion der Batterie 11, die somit entfallen kann.
Er liefert und speichert also für
kurze Zeit sehr hohe Leistung, sowie über längere Zeiträume. Da die Zwischenkreisspannung
und die Batteriespannung hier zusammenfallen, hat der Mikrorechner 13 einen
diesbezüglichen
Spannungsabgriff statt zweier gesonderter Abgriffe für Zwischenkreis-
und Batteriespannung. Zur Versorgung eines (hier nicht dargestellten)
Niederspannungsbordnetzes aus dem Zwischenkreis ist ein DC/DC-Wandler 10' vorgesehen,
der nur in einer Richtung zu arbeiten braucht.
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Bei beiden Ausführungsformen sinkt bei einem
motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 5 die Versorgungsspannung
des Wechselrichters 8 ab. Bei der Ausführungsform gemäß 1 handelt es sich hierbei
um die Zwischenkreisspannung und ggf. um die Batteriespannung (wenn
auch aus der Batterie entnommen wird), während es sich bei der Ausführungsform
gemäß 2 nur um die eine vorhandene
Spannung (hier als "Zwischenkreisspannung" bezeichnet) handelt.
Der Grund für
das Absinken der Spannung liegt – wie oben erläutert – hauptsächlich in
der zunehmenden Entladung des Hochleistungsspeichers 12, 12', sowie in geringerem
Umfang in dessen Innenwiderstand sowie ggf. in dem effektiven Innenwiderstand
der Batterie 11 und des DC/DC-Wandlers 10.
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Der Hochleistungsspeicher 12; 12' hat vorteilhaft
eine Entladedauer von weniger als 7 Minuten, vorzugsweise weniger
als 4 Minuten, besonders vorzugsweise weniger als 2 Minuten, und
insbesondere weniger als 1 Minute. Unter Entladedauer wird hier die
minimale Zeitdauer zwischen voller Ladung und praktisch vollständiger Entladung
bei höchster
zulässiger
Dauerbelastung verstanden.
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Die Funktionsweise des Antriebssystems
gemäß 1 und 2 wird nun anhand von vier Diagrammen
(3a bis 3d) beispielhaft erläutert. Alle vier Diagramme
zeigen verschiedene Größen in Abhängigkeit
von der Zeit t. Soweit diese Diagramme Unstetigkeit, Knicke und
lineare Änderungen
zeigen, handelt es sich um Idealisierungen, die nur aus Gründen der
besseren Anschaulichkeit gewählt
wurden. Und zwar veranschaulicht 3a,
wie sich die Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs bei einer Änderung
der Fahrpedalstellung entwickelt. Im vorliegenden Beispiel wird
angenommen, daß jede
bestimmte Fahrpedalstellung einer bestimmten Soll-Leistung des Fahrzeugs
entspricht. Bis zum Zeitpunkt t1 behält der Fahrer
des Fahrzeugs eine bestimmte Fahrpedalstellung bei. Entsprechend
fährt das
Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit v1.
Zum Zeitpunkt t1 verstellt der Fahrer das
Fahrpedal in eine neue, stärker
gedrückte
Stellung, die er von da an konstant beibehält. Bei Erreichen einer größeren Endgeschwindigkeit
v2 nach einer Beschleunigungsphase zum Zeitpunkt
t4 nimmt der Fahrer das Fahrpedal zurück, so daß das Fahrzeug
von da an diese Ge schwindigkeit konstant beibehält. Die Fahrpedalstellung ist
Eingangsgröße der Steuerung
(des Mikrocomputers 13).
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3b zeigt
das von der elektrischen Maschine 5 auf die Antriebswelle 2 aufgebrachte
Drehmoment Mel. In der Zeit vor dem Zeitpunkt
t1 ist dieses Moment leicht negativ (Wert:
-G), da die elektrische Maschine 5 als Generator zur Ladung
des Hochleistungsspeichers 12, 12' und der Batterie 11 sowie
zur Bordnetzversorgung dient. Zum Zeitpunkt t1 veranlaßt der Mikrorechner 13 den
Wechselrichter 8 dazu, die elektrische Maschine so zu steuern,
daß sie
das zur Erzielung der vom Fahrpedal vorgegebenen Gesamtleistung
erforderliche Antriebsmoment aufbringt. Dies geschieht wegen des
praktisch trägheitslosen Ansprechens
der elektrischen Maschine 5 nahezu spontan. Dieses Moment
bleibt bis zu einem Zeitpunkt t2 bestehen,
und nimmt dann allmählich
ab, bis es zu einem Zeitpunkt t3 den Wert
0 erreicht. Nach dem Ende der Beschleunigungsphase bei t4 arbeitet die elektrische Maschine 5 dann
wieder als Generator, zunächst
mit einem erhöhten
Bremsmoment zum Rückladen
des Hochleistungspeichers 12, 12', und nach Abschluß des Rückladens
bei t5 wieder mit dem Ausgangsmoment -G.
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Die antreibende Wirkung der elektrischen Maschine 5 und
die damit einhergehende Entladung des Hochleistungsspeichers 12, 12' spiegelt sich
gemäß 3c in entsprechender Weise
in der Zwischenkreisspannung UZK wider:
bis zum Zeitpunkt t1 hat diese einen konstanten,
relativ hohen Wert U0, der ab diesem Zeitpunkt
rasch und ab t2 zunehmend langsamer abnimmt
und ab t3 bis zum Zeitpunkt t4 auf einem
niedrigen Wert verharrt. Ab t4 wird der
Hochleistungsspeicher 12, 12' wieder aufgeladen. Entsprechend
nimmt die Zwischenkreisspannung UZK von
dort wieder allmählich
wieder zu, bis sie zum Zeitpunkt t5 den
Ausgangswert U0 wieder erreicht.
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Wie 3d zeigt,
veranlaßt
das Absinken der Zwischenkreisspannung eine derartige Veränderung
der Drosselklappenstellung, daß das
Drehmoment MVb des Verbrennungsmotors 1 nach
Ablauf einer trägheitsbedingten
Totzeit bei t2 ansteigt, bis dieser bei
t3 das gesamte Beschleunigungsmoment aufbringt.
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Entsprechend verringert die elektrische
Maschine 5 in diesem Zeitraum unter der Regie der überlagerten
Regelung der Gesamtleistung das von ihr aufgebrachte elektrische
Moment, womit auch ein langsameres Absinken der Zwischenkreisspannung einhergeht.
Die bei t3 eingenommene Drosselklappenstellung
wird nun für
den weiteren Beschleunigungsvorgang beibehalten. Ab dem Ende des
Beschleunigungsvorgangs zum Zeitpunkt t4 nimmt
das nun teilweise dem Rückladen
dienende Antriebsmoment entsprechend der nun zunehmenden Zwischenkreisspannung
UZK ab, bis es bei t5 den
zur Aufrechterhaltung der dann wieder konstanten Fahrgeschwindigkeit
und des Generatormoments -6 erforderlichen Wert erreicht. Das Moment
der elektrischen Maschine 5, die Zwischenkreisspannung
UZK und die Ladung des Zwischenkreisspeichers 12, 12' befinden sich
wieder im Anfangszustand.
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Die Darstellung der 3a und 3b gilt
für den
(vereinfachten) Fall, daß während des
Beschleunigungsvorgangs keine elektrische Energie für elektrische
Verbraucher benötigt
wird. Wenn hingegen elektrische Energie benötigt wird, muß die elektrische
Maschine 5 wegen des bereits teilweise entladenen Zwischenkreisspeichers 12, 12' schon während des
Beschleunigungsvorgangs als Generator arbeiten und entsprechend
bremsend wirken. Das Antriebsmoment MVb des
Verbrennungsmotors steht dann nicht vollständig für die Fahrzeugbeschleunigung
zur Verfügung.
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In entsprechender Weise funktioniert
die Leerlaufdrehzahl-Konstanthaltung,
nur daß hier
statt der Fahrzeugleistung die Leerlaufdrehzahl die Sollgröße bildet.
Eine Aufschaltung einer mechanischen Last ergibt eine Drehzahlabsenkung,
die durch das Moment der elektrischen Maschine 5 umgehend
wieder ausgeregelt wird. Der zeitliche Ablauf von Mel,
UZK und Mvb entspricht
im wesentlichen dem der 3a–3b .
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Die 4a und 4b veranschaulichen, daß die oben
erläuterte
Zustandserfassung des Antriebs durch Messung der Zwischenkreisspannung
auch funktioniert, wenn die elektrische Maschine 5 als
Aktivdämpfer
arbeitet. 4a zeigt das Drehmoment Mel der elektrischen Maschine 5 als
Funktion der Zeit, ohne Überlagerung
eines konstanten Drehmoments. Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor erbringt
auf Grund der Gas- und Massenkräfte
ein sich periodisch änderndes
Drehmoment, wie in 4a ebenfalls dargestellt
ist. Beispielsweise treten diese Drehmomentschwankungen bei einem
Vierzylinder-Viertaktmotor
hauptsächlich
in der zweiten Ordnung auf, so daß sie etwa bei einer Drehzahl
von 600min–1 eine Frequenz
von 20s–1 haben.
Zur Unterdrückung
dieser Ungleichförmigkeiten
bringt die elektrische Maschine ungefähr betragsgleiche, aber um
180° Phasen
versetzte Phasenmomentschwankungen auf die Antriebswelle 2 auf,
woraus zu jedem Zeitpunkt ein praktisch konstantes Gesamt-Antriebsmoment
resultiert. Die Energieinhalte der antreibenden und bremsenden Antriebsphasen
sind im wesentlichen gleich, so daß – von Verlusten abgesehen – keine
elektrische Energie in mechanische umgewandelt wird. Es ist vielmehr
nur erforderlich, die bei einer bremsenden Halbperiode gewonnene
Energie bis zu deren Wiederverwendung in der folgenden antreibenden Halbperiode
zwischenzuspeichern. Hierfür
kann beispielsweise ein Kondensator dienen.
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Wenn nun die elektrische Maschine 5 zwecks
Fahrzeugbeschleunigung oder Leerlaufkonstanthaltung ein (in zeitlichen
Mitteln nicht verschwindendes) beschleunigendes Drehmoment aufbringen muß, so geschieht
dies durch Verschiebung des Gleichgewichts zwischen bremsenden und
antreibenden Phasen, entsprechend einer Verschiebung der Nullinie
bei einer periodischen Schwingung. Wie in 4b gezeigt ist, verringern sich dadurch
die Amplitude und Dauer der bremsenden Phasen, während diejenigen der antreibenden
Phasen zunehmen. Im zeitlichen Mittel bringt die elektrische Maschine 5 nun ein
Antreibendes Drehmoment auf. Hierfür muß im zeitlichen Mittel elektrische
Energie in mechanische umgewandelt werden, und zwar durch Entnahme
aus der Batterie 11. Als Folge sinkt die Zwischenkreisspannung
in genau dem gleichen Ausmaß ab,
wie dies ohne Aktivdämpferfunktion
beim Aufbringen eines konstanten Drehmoments der Größe ME der Fall wäre. Die Zwischenkreisspannung
kann also analog zu den obengenannten Ausführungsbeispielen als Regelgröße für die Verbrennungsmotorrege lung
dienen, vorausgesetzt, daß über die
der Dämpfung
dienenden Drehmomentungleichförmigkeiten
Bemittelt wird.
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5 veranschaulicht
verfahrensmäßig die beiden
vorliegenden Regelkreise. In dem ersten Regelkreis ist die Regelgröße z. B.
die Drehzahl der Antriebswelle 2, welche beispielsweise
nach Art einer automatischen Geschwindigkeits-Konstantregelung durch
die Fahrpedalstellung vorgegeben wird. In einem ersten Schritt S1
des ersten Regelkreises wird abgefragt, ob die momentane Istdrehzahl
der Antriebswelle 2 kleiner oder größer als die momentane Solldrehzahl
ist. Falls dies nicht zutrifft, also Gleichheit herrscht, wird diese
Abfrage ohne weitere Aktion wiederholt. Falls jedoch Ungleichheit
herrscht, bringt die elektrische Maschine 5 ein antreibendes
bzw. bremsendes Drehmoment auf, dessen Betrag vorzugsweise mit zunehmender
Differenz zwischen Ist- und Solldrehzahl zunimmt. Anschließend kehrt
der Ablauf zum Schritt S1 zurück.
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In dem zweiten Regelkreis wird in
einem ersten Schritt T1 abgefragt, ob die Zwischenkreisspannung
kleiner oder größer als
ein Sollwert ist. Falls dies nicht zutrifft, also Übereinstimmung
mit dem Sollwert herrscht, wird der Schritt T1 ohne weitere Aktion
wiederholt. Falls hingegen eine Abweichung festgestellt wird, wird
der Verbrennungsmotor 1 durch entsprechende Verstellung
von Drosselklappe und/oder Kraftstoffeinspritzung zur Erhöhung bzw. Erniedrigung
des von Ihm angegebenen Drehmoments veranlaßt. Anschließend kehrt
der Ablauf zum Schritt T1 zurück.
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Die beiden Schleifen werden zwar
parallel durchlaufen, sind aber miteinander verkoppelt. Beispielsweise
würde eine
Erhöhung
des Verbrennungsmotor-Drehmoments im zweiten Regelkreis zu einer
Drehzahlerhöhung
führen,
welche wegen der überlagerten
Drehzahlregelung im ersten Regelkreis eine Herabsetzung des Drehmoments
der elektrischen Maschine bewirken würde.
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Der Verbrennungsmotor 1 ist
regelungstechnisch der elektrischen Maschine 5 untergeordnet,
da eine Abweichung von der Solldrehzahl direkt nur auf letztere
einwirkt. Erst wenn als Folge hiervon die Zwischenkreisspanung vom
Zwischenkreisspannungs-Sollwert abweicht, findet eine Einwirkung
auf den Verbrennungsmotor statt. Dieser ist also nur indirekt von
einer Abweichung der Drehzahl vom Sollwert betroffen.