DE4128627C2 - Verfahren zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges und Fahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges und Fahrzeug zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der
Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit Antriebsrädern und mit stufenloser
Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik im Antriebsstrang gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Fahrzeug zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Während bei schienengebundenen Fahrzeugen elektromotorische Antriebe
seit vielen Jahrzehnten üblich sind, werden bisher derartige Antriebe
in Straßenfahrzeugen nur in wenigen Sonderfällen eingesetzt.
Insbesondere im Bereich des Personenkraftfahrzeugbaues handelt es sich
dabei im Regelfall um Experimentierfahrzeuge. Nach wie vor werden
Straßenfahrzeuge normalerweise mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet,
der über einen mechanischen Antriebsstrang auf die Antriebsräder wirkt.
Um bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten einen für die jeweilige
Fahrsituation günstigen Bereich aus der Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie
des Verbrennungsmotors nutzen zu können, ist im Antriebsstrang
üblicherweise jeweils ein handbetätigtes Schaltgetriebe oder ein
Automatikschaltgetriebe mit hydraulischem Drehmomentwandler vorgesehen.
Damit wird erreicht, daß der Fahrer, der bei gegebener
Fahrzeuggeschwindigkeit durch entsprechende Veränderung der
Gaspedalstellung (Fahrpedal) einen Beschleunigungsvorgang durchführt,
durch die Wahl des Getriebegangs die Möglichkeit hat, unterschiedliche
Bereiche aus der Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie und somit
unterschiedliche Leistungsstufen für den Beschleunigungsvorgang zu
nutzen.
Bei elektromotorischen Antrieben, insbesondere Antrieben mit
Gleichstrommotoren mit einem permanent erregten Stator oder Rotor und
einem damit korrespondierenden, mit über eine Leistungselektronik
angesteuerten Elektromagneten versehenen Rotor bzw. Stator, ist die
Möglichkeit gegeben, innerhalb weit gesteckter Grenzen praktisch
beliebige Drehzahl/Drehmoment-Kombinationen einzustellen, so daß hierbei
von stufenloser Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik oder
Drehzahl/Leistungs-Charakteristik gesprochen werden kann. Es gibt auch
Fahrzeuge mit mechanischem Antriebsstrang (CVT-Getriebe), die ähnliche
Freiheiten bezüglich der Übersetzungsvariationen bieten.
Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften besteht bei derartigen
Fahrzeugen, selbst wenn diese hohe Endgeschwindigkeiten (z. B. 200 km/h)
aufweisen, keine Notwendigkeit für das Vorhandensein eines manuellen
oder automatisch betätigten Schaltgetriebes im Antriebsstrang. Damit
entfällt aber für den Fahrer des Fahrzeuges gleichzeitig die
Möglichkeit, durch Betätigung des Getriebeschalthebels oder
Fahrstufenwahlhebels den Zeitbedarf zur Durchführung einer gewünschten
Geschwindigkeitsänderung, d. h. die Größe des Beschleunigungswertes
durch die Wahl eines "Fahrgangs" wesentlich zu beeinflussen. Ihm steht
an sich zur Mitteilung seines "Fahrwunsches" an das Fahrzeug lediglich
die Möglichkeit einer Betätigung des Fahrpedals zur Verfügung. Das
bedeutet, daß er die an sich differenziert zu sehenden Wünsche nach
einer bestimmten Zielgeschwindigkeit und nach der Größe der
Beschleunigung zur Erreichung dieser Zielgeschwindigkeit dem Fahrzeug
nicht gesondert mitteilen kann.
Dementsprechend wird bei bekannten Fahrzeugen mit elektromotorischem
Antrieb die aktuelle Stellung des Fahrpedals als Bestimmungsgröße für
das vom Fahrer jeweils gewünschte Antriebsdrehmoment oder die gewünschte
Antriebsleistung interpretiert und entsprechend der Kennlinie des
Antriebs unmittelbar angesteuert. Die Auswahl eines bestimmten
Antriebsdrehmomentes M bedeutet bei gegebener Drehzahl n gleichzeitig
die Auswahl einer bestimmten Antriebsleistung P, da die folgende
Beziehung gilt:
P = M × n
Eine Erhöhung des im stationären Fahrbetrieb (d. h. bei konstanter
Geschwindigkeit) anliegenden Antriebsdrehmomentes (oder der
Antriebsleistung) führt dazu, daß das Fahrzeug solange beschleunigt
wird, bis das erhöhte Antriebsdrehmoment wieder im Gleichgewicht steht
("stationärer Betrieb") mit dem durch die aktuellen
Fahrwiderstandskräfte (insbesondere Luft- und Rollwiderstand)
hervorgerufenen Gegenmoment.
Im Falle eines konventionell angetriebenen Fahrzeugs mit
Verbrennungsmotor wird das vom Fahrer gewünschte neue Antriebsdrehmoment
nie schlagartig erreicht, sondern stellt sich erst entsprechend der
Kennlinie des Verbrennungsmotors mit zunehmender Drehzahl allmählich
ein, wenn man von der Situation eines Fahrgangwechsels einmal absieht,
bei dem eine sprunghafte Änderung der Drehzahl/Drehmoment-Kombination
zwangsläufig erfolgt.
Bei einem Antriebskonzept mit stufenloser Drehzahl/Drehmoment-
Charakteristik, wie sie insbesondere bei Elektromotoren vorliegen, die
beispielsweise aus EP 00 94 978 A1, DE 34 14 314 A1, DE 38 16 651 A1
oder WO 89/08 346 bekannt sind, muß die Antriebssteuerung des Fahrzeuges
vorgeben, auf welche Werte die Antriebsparameter Drehzahl und Drehmoment
bzw. Leistung während des Beschleunigungsvorganges, d. h. bis zum
Erreichen des gewünschten neuen Fahrzustands einzustellen sind. Der
Übergang von der (stationären) Fahrsituation könnte
beispielsweise stets mit dem maximal möglichen Drehmoment bzw. mit
maximaler Leistung durchgeführt werden. Damit wäre eine ständige
"sportliche" Fahrweise verbunden, die allerdings in vielen Fällen vom
Fahrer wohl als wenig komfortabel empfunden würde. Es könnten aber auch
geringere Werte für die Durchführung solcher Beschleunigungsvorgänge
fest vorgegeben werden, was aber den Nachteil hätte, daß sich das
Fahrzeug in Fällen, in denen besonders hohe Beschleunigungswerte
wünschenswert sind (z. B. Überholen), zu träge verhielte. Dem könnte im
Prinzip dadurch abgeholfen werden, daß der Antriebsteuerung des
Fahrzeuges über einen Wählschalter mitgeteilt wird, ob der Fahrer eine
sportlichere oder eine komfortablere Fahrweise wünscht. Allerding muß
der Umstand, daß in einer Gefahrensituation die Betätigung eines solchen
Wählschalters erforderlich werden könnte, als außerordentlich nachteilig
angesehen werden. Hinzu kommt, daß ein Antriebskonzept mit stufenloser
Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik beim Fahrer auf Akzeptanzprobleme
stoßen könnte, wenn sich das Fahrzeug im Grundsatz wesentlich anders
verhalten würde, als er dies bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen
gewohnt ist. Dies gilt auch für den "negativen" Beschleunigungsfall,
d. h. für die Einstellung eines Bremsmomentes, wenn der Fahrer die
Stellung des Fahrpedals zurücknimmt.
Weiterhin ist aus der gattungsbildenden DE 38 40 632 A1 ein Fahrzeug mit einem
Antriebsschlupfregelungssystem (ASR) bekannt, das ein gestuftes Getriebe im
Antriebsstrang aufweist und bei dem zur Verbesserung der Fahrstabilität eine
elektronische Steuerung eine spezielle Umsetzung der jeweiligen Stellung des
vom Fahrzeugführer betätigten Fahrpedals in ein Motormoment vorsieht. Außerhalb
des Regelbetriebs des ASR wird das Motormoment an sich wie üblich unmittelbar
entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie von der jeweiligen Stellung des
Fahrpedals bestimmt. Allerdings ist dieser Zusammenhang auf den unteren
Verstellbereich des Fahrpedals beschränkt. Zur leichteren Bewältigung
kritischer Fahrsituationen, die zum Beispiel durch eine plötzliche Änderung des
Reibbeiwertes der Fahrbahn bedingt sein können, wird vorgeschlagen, für den
oberen Verstellbereich des Fahrpedals eine zweite Kennlinie vorzusehen, die der
jeweiligen Fahrpedalstellung einen Wert für den Sollschlupf der Antriebsräder
zuordnet. Somit wird das Motormoment nur indirekt vorgegeben, und zwar in
Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation (Reibbeiwert, Größe der
Seitenkräfte usw.). Über die Problematik der Durchführung von
Geschwindigkeitsänderungen an Fahrzeugen mit stufenloser
Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik im Antriebsstrang durch Betätigung eines
Fahrpedals finden sich in dieser Schrift keine Hinweise.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein
Verfahren und ein Fahrzeug zu dessen Durchführung anzugeben, die es
dem Fahrer gestatten, auf für ihn möglichst unkomplizierte und sichere
Weise die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen gewünschten anderen
Wert zu bringen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Fahrzeugs
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale der
Unteransprüche 2 bis 18 und hinsichtlich des Fahrzeugs durch die
Merkmale der Unteransprüche 20 bis 21 gekennzeichnet. Im folgenden wird
die Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm der Antriebsleistung in Abhängigkeit von der
Zeit,
Fig. 2 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors f₁ in Abhängigkeit von
der Fahrpedalstellung α,
Fig. 3 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors f₂ in Abhängigkeit von
der Betätigungsgeschwindigkeit α des Fahrpedals,
Fig. 4 ein Diagramm zweier Gewichtungsfaktoren f₃ und f₄ in
Abhängigkeit von der Antriebsleistung P₅ (αa) bzw. P₅ (αe),
Fig. 5 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Antriebsleistung
während eines Beschleunigungsvorganges,
Fig. 6 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors f₅ in Abhängigkeit von
der Zeit,
Fig. 7 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors f₁ in Abhängigkeit von
der Fahrpedalstellung,
Fig. 8 ein Diagramm eines Gewichtungsfaktors g in Abhängigkeit von
der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit,
Fig. 9 ein Diagramm für eine Übergangsfunktion h bei kombinierter
Momenten- und Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der
Fahrzeuggeschwindigkeit.
Die nachfolgenden Erläuterungen der Erfindung beschränken sich im
wesentlichen auf eine exemplarische "Standardsituation", bei der das
Fahrpedal von einer Stellung αa, die in einem stationären Fahrbetrieb
vorgelegen hat, in eine geänderte Stellung αe gebracht wird, die einem
vom Fahrer gewünschten stationären Fahrbetrieb entspricht. Es wird
dabei unterstellt, daß das Fahrzeug auf eine höhere Geschwindigkeit
beschleunigt werden soll. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße
Verfahren auch dann entsprechend anwendbar, wenn von einem
nichtstationären Fahrbetrieb ausgegangen wird und/oder die
Fahrpedalstellung vor Erreichen des jeweiligen angestrebten neuen
stationären Fahrzustandes bereits wieder geändert wird.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß sich die in den nachfolgenden
Erläuterungen angegebenen Formelzeichen durchweg auf zeitabhängige
Variable beziehen. So ist die Stellung α des Fahrpedals eine Funktion
der Zeit:
α = α (t)
Die einer Fahrpedalstellung als Vorgabewert zugeordnete vom Fahrer
gewünschte Antriebsleistung Pv = Pv (α) ist somit letztlich ebenfalls
eine zeitabhängige Variable:
Pv = Pv (α(t))
Verkürzte Schreibweise: Pv = Pv (t)
Ein der Antriebssteuerung des Fahrzeugs übermittelter Sollwert der
Antriebsleistung Ps ist eine Funktion der Zeit t und des
Leistungsvorgabewertes Pv:
Ps = Ps (Pv (t), t)
Verkürzte Schreibweise: Ps = Ps (t)
Bei Bezugnahme auf das Antriebsdrehmoment werden nachfolgend
entsprechende Formelzeichen benutzt, wobei anstelle von "P" jeweils "M"
gesetzt wird.
In Fig. 1 ist schematisch für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und
festem Übersetzungsverhältnis der zeitliche Verlauf der Antriebsleistung
P (t) während eines Beschleunigungsvorganges dargestellt, der im
Zeitintervall von von ta bis te stattfindet. Bei einer Darstellung des
Antriebsdrehmomentes M (t) würde sich ein im grundsätzlichen
Kurvenverlauf ähnliches Bild ergeben, so daß hierauf nicht gesondert
eingegangen werden muß.
Der untere Kurvenzug W gibt qualitativ die Fahrwiderstandskurve wieder,
zeigt also für jeden Zeitpunkt des Beschleunigungsvorganges die durch
die auf das Fahrzeug von außen einwirkenden Fahrwiderstandskräfte
momentan verbrauchte Leistung für den Fall konstant bleibender
Geschwindigkeit. Im stationären Fahrzustand, wie er bis zum Zeitpunkt ta
und ab dem Zeitpunkt te gegeben ist, steht diese Leistung der
Fahrwiderstandskräfte im Gleichgewicht mit der tatsächlich abgegebenen
Antriebsleistung Pst (ta) bzw. Pst (te). Durch die Betätigung des
Gaspedals im Zeitpunkt ta erhöht der Fahrer die bisherige
Antriebsleistung Pst (ta) nahezu augenblicklich auf den Wert P (ta), der
sich bei der gerade anliegenden Drehzahl und der Drosselklappenstellung
(entspricht Fahrpedalstellung) des Verbrennungsmotors entsprechend
seiner Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie ergibt. Der Betrag Pb (ta), um den
die neue Antriebsleistung P (ta) größer ist als die Leistung der äußeren
Fahrwiderstandskräfte, steht als Beschleunigungsleistung zur
Geschwindigkeitserhöhung zur Verfügung. Entsprechend der Kennlinie des
Verbrennungsmotors nimmt die Antriebsleistung bei steigender Drehzahl
kontinuierlich weiter zu (oberer Kurvenzug B), bis die Antriebsleistung
Pst (te) erreicht ist, die der Stellung des Gaspedals entspricht und die
im Gleichgewicht mit der Leistung der äußeren Fahrwiderstandskräfte
steht.
Wenn nun, wie vorstehend bereits erwähnt, bei einem Fahrzeug ein Antrieb
vorhanden ist, der sich (innerhalb weiter Grenzen) auf nahezu beliebige
Drehmomente oder Leistungen bei gegebener Drehzahl (d. h. bei gegebener
Fahrgeschwindigkeit) einstellen läßt, dann verhält sich ein solches
Fahrzeug völlig anders als ein konventionell angetriebenes, da der
jeweils vom Fahrer signalisierte Momenten- oder Leistungswunsch
praktisch augenblicklich eingestellt wird, d. h. so schnell, wie der
Verbrennungsmotor auf den neuen Leistungspunkt gebracht werden kann.
Ein solches Fahrzeug reagiert daher sehr "unruhig" und erschwert dem
Fahrer beispielsweise das übliche "Mitschwimmen" im Straßenverkehr.
Zur Lösung dieser Schwierigkeit sieht die Erfindung eine andere
Charakteristik des Fahrpedals vor, d. h. eine andere Reaktion der
elektronischen Antriebssteuerung des Fahrzeugantriebs auf vorgenommene
Änderungen der Stellung des Fahrpedals. Hierbei erfolgt die Veränderung
der Fahrzeuggeschwindigkeit ohne die Notwendigkeit der Betätigung einer
gesonderten Fahrgang- oder Fahrcharakteristik-Wähleinrichtung allein als
Folge einer Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer. Jeder
Fahrpedalstellung α (t) ist dabei ein eindeutig bestimmter Wert für die
gewünschte Antriebsleistung Pv (α) oder das gewünschte Antriebsdrehmoment
Mv (α) zugeordnet.
Diese Zuordnung ist in einer zusätzlichen elektronischen Steuereinheit,
die als Sollwertgeber für die elektronische Antriebssteuerung fungiert,
oder in der Antriebssteuerung selbst in Form von Tabellen oder als
Funktion hinterlegt.
Es gilt die Beziehung:
Mv (α) = Mmax × f₁ (α)
bzw.
Pv (α) = Pmax × f₁ (α),
wobei Mmax das maximale Antriebsdrehmoment, Pmax die maximale
Antriebsleistung und f₁ (α) einen von der Fahrpedalstellung α (t)
abhängigen Faktor mit einem Wert zwischen 0 und 1 darstellen. Der
funktionale Zusammenhang zwischen der Fahrpedalstellung α (t) und dem
Wert von f₁ (α) kann beispielsweise linear sein. Vorteilhafter ist
jedoch ein progressiver Funktionsverlauf, wie er schematisch in Fig. 2
dargestellt ist, der eine besonders gute Dosierbarkeit kleiner
Leistungen oder Momente gewährleistet. Über einen Meßwertgeber wird die
jeweilige Fahrpedalstellung α (t) ermittelt und signaltechnisch an die
zusätzliche elektronische Steuereinheit gegeben. Letztere erfaßt und
speichert die unmittelbar zu Beginn (ta) eines Beschleunigungsvorganges
gegebene Anfangsstellung αa des Fahrpedals sowie dessen Endstellung
αe, mit der der Fahrer seinen Wunsch zur Geschwindigkeitsänderung
signalisiert hat. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Sollwert des
Antriebsdrehmoments Ms (ta) oder der Antriebsleistung Ps (ta), die bei
stationärem Fahrbetrieb den der Fahrpedalstellung αa zugeordneten
Werten Mst (αa) bzw. Pst (αa) entsprechen, sprunghaft um einen
bestimmten Wert erhöht wird und daß dann die Antriebsleistung P (t) bzw.
das Antriebsdrehmoment M (t) zeitabhängig bis auf den der
Fahrpedalstellung αe zugeordneten Wert Pv (αe) bzw. Mv (αe)
verändert wird.
Die sprunghafte Erhöhung von Antriebsdrehmoment oder -leistung um das
Beschleunigungsmoment Mb (ta) bzw. die Beschleunigungsleistung
Pb (ta) erfolgt gemäß der Beziehung
Mb (ta) = F × (Mv (αe) - Ms (αa))
bzw.
Pb (ta) = F × (Pv (αe) - Ps (αa)),
wobei F einen Gewichtungsfaktor im Wertebereich 0 bis 1 darstellt.
Ms (αa) und Ps (αa) sind Antriebsdrehmoment bzw. Antriebsleistung,
die im Augenblick unmittelbar vor Beginn des Beschleunigungsvorganges,
wenn sich das Fahrpedal noch in der Stellung αa befand. Mv (αe) und
Pv (αe) sind die gewünschten Werte für Antriebsdrehmoment bzw.
Antriebsleistung entsprechend der gewählten Fahrpedalstellung αe.
Zur Festlegung des Gewichtungsfaktors F durch die zusätzliche
elektronische Steuereinheit sind erfindungsgemäß drei bevorzugte
Möglichkeiten gegeben. Besonders bevorzugt wird es, die
Betätigungsgeschwindigkeit des Fahrpedals mittels eines Sensors
durch die zusätzliche elektronische Steuereinheit zu erfassen und in
Abhängigkeit von dem ermittelten Wert die Größe von F zu bestimmen.
Hierzu können entsprechende Wertetabellen oder auch funktionale
Zusammenhänge (linear oder nichtlinear) in der elektronischen Steuerung
hinterlegt werden. Vorteilhaft ist ein progressiver Funktionsverlauf F = f₂ ( ),
wie er in Fig. 3 dargestellt ist und der bei langsamer
Betätigung des Fahrpedals tendenziell deutlich geringere
Beschleunigungswerte hervorruft als bei schneller Betätigung. Somit hat
der Fahrer beispielsweise die Möglichkeit, selbst bei sehr großer
Differenz zwischen der augenblicklichen und der gewünschten
Zielgeschwindigkeit letztere in einer "moderaten" Weise zu erreichen. Es
ist sinnvoll, ab einer bestimmten Größe von dem Funktionswert
f₂ ( ) stets den Maximalwert 1 zuzuordnen, wie dies in Fig. 3
angedeutet ist. Als Sonderfall kann vorgesehen sein, f₂ ( ) konstant zu
halten, so daß dann die anfängliche Beschleunigungsleistung Pb (ta) (oder
das Beschleunigungsmoment Mb (ta)) allein von der Differenz
Pv (αe) - Ps (αa) (bzw. Mv (αe) - Ms (αa)) abhängig wäre.
Alternativ aber weniger bevorzugt ist die Möglichkeit, den
Gewichtungsfaktor F in Abhängigkeit von der Größe der Antriebsleistung
Ps (αa) (oder des Antriebsdrehmomentes) festzulegen, die der
Fahrpedalstellung αa unmittelbar vor der Einleitung des
Beschleunigungsvorganges entspricht:
F = f₃ (Ps (αa))
In der Tendenz sollte f₃ (Ps (αa)) um so größer sein, je größer Ps (αa)
ist. Der Zusammenhang kann nichtlinear oder aber auch linear sein, wie er
in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Dabei ist wiederum wie in Fig. 3
vorgesehen, daß ab einem bestimmten Wert der unabhängigen Variablen
Ps (αa) stets der maximale Wert 1 dem Funktionswert f₃ (Ps (a)) zugeordnet
wird.
Als dritte Möglichkeit ist vorgesehen, den Wert des Gewichtungsfaktors F
anhand der Größe der vom Fahrer gewünschten neuen Antriebsleistung
Pv (αe) (oder des neuen Antriebsdrehmomentes), die der Fahrpedalstellung
Ae entspricht, festzulegen:
F = f₄ (Pv (αe))
Da hierfür sinngemäß das gleiche gilt wie für die funktionale
Abhängigkeit von Ps (αa) ist in Fig. 4 ein entsprechendes Beispiel durch
denselben Kurvenzug dargestellt.
Im Hinblick auf den Übergang von der Antriebsleistung oder dem
Antriebsdrehmoment
Ps (ta) = Pst (αa)+Pb (ta)
bzw.
Ms (ta) = Mst (αa) + Mb (ta)
zu Beginn des Beschleunigungsvorganges zu der vom Fahrer gewünschten
Antriebsleistung Pv (te) = Pst (te) bzw. dem Antriebsdrehmoment Mv (te) = Mst (te)
sind wiederum mehrere Möglichkeiten vorgesehen. Dabei wird
innerhalb eines kurzen Verstellzeitraums der Sollwert Ps (t) bzw. Ms (t)
für die Antriebssteuerung kontinuierlich oder diskontinuierlich
(stufenweise) bis auf den der Fahrpedalstellung αe entsprechenden
Vorgabewert Pv (αe) bzw. Mv (αe) verändert. Eine bevorzugte Lösung
besteht darin, daß die Antriebsleistung oder das Antriebsdrehmoment
während des Beschleunigungsvorganges in der Weise progressiv bis zum
vorgesehenen Endwert Pst (αe) bzw. Mst (αe) gesteigert wird, daß die
Beschleunigung des Fahrzeugs etwa konstant bleibt. Mit Erreichen des
vorgesehenen Endwertes im Zeitpunkt t₁ bleibt die Antriebsleistung
Ps (t₁) bzw. das Antriebsdrehmoment Ms (t₁) bis zur nächsten Veränderung
der Fahrpedalstellung auf diesem Endwert, so daß die Beschleunigung des
Fahrzeugs nach t₁ bis zum Ende te des gesamten Beschleunigungsvorganges
kontinuierlich bis auf Null absinkt. Diese Zusammenhänge sind in Fig. 5
schematisch für die Antriebsleistung dargestellt, wobei entsprechend
Fig. 1 wiederum die Fahrwiderstandskurve W eingezeichnet ist. Man
erkennt, daß die Beschleunigungsleistung Pb (t₁) im Zeitpunkt t₁ bei
Erreichen des Endwertes Ps (t₁) = Pst (te) deutlich größer sein muß als zu
Beginn des Beschleunigungsvorganges (Pb (ta)). Im Zeitpunkt te ist die
Beschleunigungsleistung Pb (te) = 0. Die gesamte Antriebsleistung wird
dann für die Überwindung des Fahrwiderstandes benötigt.
Um die Beschleunigung des Fahrzeugs zu erfassen, kann ein
Beschleunigungssensor vorgesehen sein; bevorzugt wird die Beschleunigung
jedoch von der zusätzlichen elektronischen Steuereinheit aus der
zeitlichen Ableitung der Drehzahlen der Antriebsräder ermittelt.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann für den
Übergang von der anfänglichen Antriebsleistung Ps (ta) auf den Endwert
Pv (te) auch zeitabhängig nach der Beziehung erfolgen:
Ps (t) = Ps (ta)+f₅ (t/T) × (Pv (te) - Ps (ta))
Bei einer Steuerung des Antriebsdrehmomentes gilt die entsprechende
Beziehung:
Ms (t) = Ms (ta)+f₅ (t/T) × (Mv (te) - Ms (ta))
Darin bedeutet T das Zeitintervall, in der der Übergang vorgenommen
wird, und f₅ (t/T) einen zeitabhängigen Gewichtungsfaktor zwischen 0 und
1. In Fig. 6 sind exemplarisch als mögliche Kurvenverläufe für die von
der zusätzlichen elektronischen Steuereinheit vorzunehmende Zuordnung
der Funktionswerte f₅ in Abhängigkeit vom Zeitparameter t/T ein linearer
und ein progressiver Verlauf schematisch dargestellt. Es können auch
andere Kurvenformen vorgesehen werden. Vorteilhaft ist es, die Größe des
Zeitintervalls T abhängig zu machen von der Größe der
Betätigungsgeschwindigkeit des Fahrpedals, wobei T um so kleiner
sein sollte, je größer ist. Dies bewirkt in der Tendenz einen um so
schnelleren Übergang zum vorgesehenen Endwert, also eine Verkürzung des
Beschleunigungsvorgangs. Gleiches würde bewirkt, wenn die Kurvenverläufe
gemäß Fig. 6 noch steiler gewählt würden, d. h. wenn der Höchstwert f₅ = 1
bereits für den Wert t < T erreicht würde und danach konstant
bliebe.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung bei einem Fahrzeug mit
elektrischen Antriebsmotoren aus, die von einer Verbrennungsmotor/
Generator-Einheit mit elektrischem Strom versorgt werden, wenn der
Verbrennungsmotor in einem Zustand mit eindeutigem Zusammenhang zwischen
Drehmoment und Drehzahl, also beispielsweise auf der verbrauchsoptimalen
Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie des Verbrennungsmotors betrieben wird. In
diesem Fall kann die Antriebsleistung Ps (t) nach der sprunghaften
Erhöhung auf Ps (ta) proportional zur Zunahme der Drehzahl des
Verbrennungsmotors gesteigert werden gemäß der Beziehung:
Darin bedeuten:
f₆ = drehzahlabhängiger Faktor zwischen 0 und 1
n = aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors
na = Drehzahl des Verbrennungsmotors bei der Leistung Ps (ta)
ne = Drehzahl des Verbrennungsmotors bei der Leistung Pv (te)
n = aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors
na = Drehzahl des Verbrennungsmotors bei der Leistung Ps (ta)
ne = Drehzahl des Verbrennungsmotors bei der Leistung Pv (te)
Die Zuordnung der Funktionswerte zum Faktor f₆ kann in entsprechender
Weise wie beim Faktor f₅ erfolgen.
Eine solche Art der Antriebssteuerung signalisiert dem Fahrer ein
Fahrzeugverhalten wie bei einem konventionell angetriebenen Fahrzeug mit
Verbrennungsmotor.
Neben dem Fall der Geschwindigkeitserhöhung, also dem Fall der positiven
Fahrzeugbeschleunigung, ist auch der umgekehrte Fall der
Fahrzeugverzögerung im Sinne der Erfindung steuerungstechnisch so
lösbar, daß der Fahrer das Fahrzeugverhalten bei einer Rücknahme der
aktuellen Stellung des Fahrpedals nicht als ungewöhnlich empfinden muß,
weil er etwa keine Bremswirkung des Antriebsmotors verspürt. Um eine
solche Bremswirkung erzeugen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die zusätzliche elektronische Steuereinheit einer Neutralstellung
αn < 0 des Fahrpedals das Antriebsdrehmoment bzw. die Antriebsleistung
mit dem Wert Null zuordnet, während Fahrpedalstellungen zwischen Null
und αn jeweils negativen Werten des Antriebsdrehmomentes bzw. der
Antriebsleistung entsprechen, also eine Bremsleistung bewirken. Bei
elektromotorischem Antrieb kann das Bremsmoment durch Umschaltung der
Elektromotoren auf Generatorbetrieb erzeugt werden. Ein möglicher
funktionaler Zusammenhang für den Gewichtungsfaktor f₁ (α) ist in Fig. 7
dargestellt. Dabei entspricht der Funktionsverlauf zwischen αn und der
Maximalstellung αmax des Fahrpedals praktisch dem Verlauf aus Fig. 2.
Unterhalb von αn nimmt mit kleiner werdendem α der Betrag des
negativen Funktionswertes von f₁ zu, so daß auch das Bremsmoment MB
zunimmt gemäß:
MB (α) = Mmax × f₁ (α)
Vorteilhaft ist es, das erzeugte Bremsmoment nicht allein von der
Fahrpedalstellung abhängig zu machen, sondern in zeitlicher Hinsicht
eine entsprechende Heranführung an den der Fahrpedalstellung
zugeordneten Wert vorzusehen. Das bedeutet, daß zunächst nur ein
Teilbetrag des gewünschten Bremsmomentes sprunghaft eingestellt wird und
dann ein kontinuierlicher Übergang bis auf den vorgesehenen Endwert
stattfindet, wie dies für den Fall der positiven Beschleunigung
vorstehend bereits entsprechend dargestellt wurde. Hierbei bietet es
sich allerdings als besonders vorteilhaft an, diesen Übergang von der
jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängig zu machen, d. h. das
tatsächlich aufgebrachte Bremsmoment MB (t) nach der Beziehung zu
bestimmen:
MB (t) = MB (α) × g (v)
Darin bedeutet g (v) einen Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1, dessen
Größe von der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängt.
Aus Fig. 8 sind beispielhaft ein linearer, ein degressiver und ein
"sprungfixer" Verlauf des Funktionswertes g (v) dargestellt. In der
Tendenz wird der aufgebrachte Anteil des gewünschten Bremsmomentes um so
größer, je kleiner die Fahrzeuggeschwindigkeit wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, den Wert der
Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit nicht in Form eines
Differentialquotienten, sondern als Differenzenquotienten zu ermitteln:
Für die Zeitdifferenz t₂ - t₂ kann nämlich ein Mindestwert vorgegeben
werden, der dazu führt, daß unbeabsichtigte "Zitterbewegungen", also
geringfügige und in sehr kurzen Zeiträumen erfolgende Hin- und
Herbewegungen des Fahrpedals unberücksichtigt bleiben, also nicht zu
Reaktionen der Antriebssteuerung führen. Je größer t₂ - t₁ gewählt wird,
um so größer ist der erzielte Dämpfungseffekt. Als zweckmäßig kann eine
Größenordnung von 100 - 200 ms angesehen werden.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, kann die Antriebssteuerung des
Fahrzeugs auf die Steuerung des Antriebsdrehmomentes oder der
Antriebsleitung gerichtet werden. In Weiterbildung der Erfindung kann
auch eine Kombination beider Möglichkeiten vorgesehen werden, wobei
entsprechend vorgegebener Entscheidungskriterien eine Umschaltung von
der einen Steuerungsart auf die andere erfolgt. Besonders günstig ist
es, bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten eine Momentensteuerung
anzuwenden, die einen "feinfühligen" Fahrbetrieb sichergestellt, und bei
höheren Geschwindigkeiten auf Antriebsleistungssteuerung umzuschalten.
Beispielsweise kann die Umschaltung kontinuierlich erfolgen, in dem in
einem vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich von v₁ bis v₂ eine Mischform
der beiden Antriebssteuerungen mit einem gleitenden Übergang angewandt
wird entsprechend der Beziehung:
P (α, v) = (1-h (v)) × M (α) × nR + h(v) × P (α)
Dabei bedeuten nR die Drehzahl der Antriebsräder und h einen von der
Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1.
In Fig. 9 ist ein möglicher Funktionsverlauf von h (v) dargestellt. Der
Funktionswert h beträgt bis zur Geschwindigkeit v₁ Null, steigt dann
linear mit zunehmender Geschwindigkeit bis auf den Maximalwert 1 und
verharrt oberhalb der Geschwindigkeit v₂ auf diesem Maximalwert. Im
Übergangsbereich könnte auch eine nichtlineare Funktion gewählt werden,
insbesondere könnte, wie dies in Fig. 9 durch die gestrichelte vertikale
Linie bei v₂ angedeutet ist, auch eine sprunghafte Änderung des
Funktionswertes von 0 auf 1 vorgesehen werden.
Mit besonderem Vorteil läßt sich die Erfindung auf Fahrzeuge anwenden,
die mit permanent erregten Gleichstrommotoren mit elektronisch
gesteuerter Kommutierung versehen sind, da hierbei die für die
erfindungsgemäße Antriebssteuerung benötigten Prozeßdaten (insbesondere
Drehzahl und Drehmoment) ohnehin als Daten für den "normalen"
Elektromotorbetrieb ständig zur Verfügung stehen oder aus den
verfügbaren Daten ohne weiteres abgeleitet werden können, so daß auf
entsprechende zusätzliche Sensoren zur Datenerfassung weitestgehend
verzichtet werden kann. Hinzu kommt, daß die antriebstechnischen
Möglichkeiten derartiger Motoren voll ausgenutzt werden können, ohne daß
dem Fahrer der Eindruck eines völlig anderen Fahrzeugverhaltens
vermittelt wird. Vielmehr erlebt der Fahrer ein Fahrzeug, das im
Grundsatz mit einem konventionell angetriebenen Fahrzeug mit
Verbrennungsmotor vergleichbar ist, das ihm aber in quantitativer
Hinsicht deutlich mehr Gestaltungsmöglichkeiten für seine Fahrerwünsche
bietet, da hierbei praktisch beliebige Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen
einstellbar sind.
Claims (21)
1. Verfahren zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs mit
Antriebsrädern entsprechend einer vom Fahrer des Fahrzeugs
vorgenommenen Veränderung der Stellung α (t) eines Fahrpedals,
wobei jeder Fahrpedalstellung α (t) eine bestimmte im Sinne eines
Vorgabewertes gewünschte am Fahrzeug wirksame Antriebsleistung
Pv (α) = f₁ (α) × Pmax (mit Pmax = maximale Antriebsleistung des
Fahrzeugs) und/oder ein wirksames Antriebsdrehmoment Mv (α) = f₁ (α) × Mmax
(mit Mmax = maximales Antriebsdrehmoment des
Fahrzeugs) zugeordnet sind, wobei der Vorgabewert als Sollwert für
eine elektronische Antriebssteuerung des Fahrzeugs genutzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Fahrzeug mit stufenloser Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik
im Antriebsstrang, insbesondere einem Fahrzeug mit
elektromotorischem Antrieb, der Vorgabewert Pv (t) und/oder Mv (t) in
der Form als Sollwert Ps (t) bzw. Ms (t) für die elektronische
Antriebssteuerung des Fahrzeugs umgesetzt wird, daß der Sollwert Ps (t) bzw. Ms (t)
von der Antriebssteuerung in einem Verstellzeitraum bis auf den
Vorgabewert Pv (t) bzw. Mv (t) verändert wird, wobei der Sollwert
Ps (t) bzw. Ms (t) aus einem anfänglichen zum Vorgabewert Pv (t) bzw.
Mv (t) proportionalen Anteil und einem zeitlich sich verändernden
Restanteil additiv gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der proportionale Anteil vom Vorgabewert Pv (t) bzw. Mv (t)
gebildet wird als Summe aus dem aktuellen Sollwert Ps (t) bzw.
Ms (t) der Antriebssteuerung und dem Produkt aus einem
Gewichtungsfaktor F, der zwischen 0 und 1 liegt, und der Differenz
aus Vorgabewert Pv (t) bzw. Mv (t) und aktuellem Sollwert Ps (t) bzw.
Ms (t).
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Faktors F in Abhängigkeit von der
Betätigungsgeschwindigkeit des Fahrpedals festgelegt wird:
F = f₂ ( )
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Faktors F in Abhängigkeit vom aktuellen Sollwert
Ps (t) bzw. Ms (t) der Antriebssteuerung festgelegt wird:
F = f₃ (Ps (t))bzw.F = f₃ (Ms (t))
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie Größe des Faktors F in Abhängigkeit vom Vorgabewert
Pv (t) bzw. Mv (t) festgelegt wird:
F = f₄ (Pv (t))bzw.F = f₄ (Mv (t))
6. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsverlauf des Gewichtungsfaktors F = f₂ ( )
progressiv steigend gewählt wird und der Funktionswert F oberhalb
eines vorgegebenen Schwellenwertes der Variablen auf dem
konstanten Maximalwert 1 bleibt.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsverlauf des Gewichtungsfaktors F linear ansteigend
gewählt wird und der Funktionswert F oberhalb eines vorgegebenen
Schwellenwertes der Variablen Ps (t) oder Ms (t) auf dem konstanten
Maximalwert 1 bleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Funktionsverlauf des Gewichtungsfaktors F linear ansteigend
gewählt wird und der Funktionswert F oberhalb eines vorgegebenen
Schwellenwertes der Variablen Pv (t) oder Mv (t) auf dem konstanten
Maximalwert 1 bleibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß über einen Beschleunigungssensor oder über die zeitliche
Ableitung der Drehzahlen der Antriebsräder die
Fahrzeugbeschleunigung erfaßt wird und der Restanteil zur
Einstellung des Sollwertes Ps (t) bzw. Ms (t) auf den Vorgabewert
Pv (t) bzw. Mv (t) zeitlich so verändert wird, daß die
Fahrzeugbeschleunigung zwischen dem Zeitpunkt des Erreichens der
geänderten Fahrpedalstellung α (t) und dem Erreichen des
Vorgabewertes Pv (t) bzw. Mv (t) konstant bleibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Restanteil zur Einstellung des Sollwertes Ps (t) bzw. Ms (t)
auf den Vorgabewert Pv (t) bzw. Mv (t) innerhalb eines Zeitintervalls
T (Verstellzeitraum) linear oder progressiv verändert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zeitintervall T von der elektronischen Steuerung
tendenziell umso kleiner gewählt wird, je größer die
Fahrpedalverstellgeschwindigkeit ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Fahrzeug, dessen elektrische Antriebsmotoren durch
eine Verbrennungsmotor/Generator-Einheit mit elektrischem Strom
versorgt werden und dessen Verbrennungsmotor in einem Zustand mit
eindeutigem Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl des
Verbrennungsmotors betrieben wird, der Restanteil zur Einstellung
des Sollwertes Ps (t) bzw. Ms (t) auf den Vorgabewert Pv (t) bzw.
Mv (t) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors
verändert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Faktor f₁ (α) zur Bestimmung des Vorgabewertes Pv (α) bzw.
Mv (α) bei einer Neutralstellung αn des Fahrpedals der Wert 0 und
bei Fahrpedalstellungen zwischen 0 und αn negative Werte
(Bremsleistung) zur Erzeugung eines Bremsmomentes durch Umschaltung
der elektrischen Antriebsmotoren auf Generatorbetrieb zugeordnet
werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der Bremsleistung oder des Bremsmomentes bei
vorgegebener Fahrpedalstellung zwischen 0 und αn in Abhängigkeit
von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs eingestellt wird,
wobei vorzugsweise bei höheren Geschwindigkeiten tendenziell
kleinere Bremsmomente vorgegeben sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gewichtungsfunktion F = f₂ ( ) für die Variable
anstelle des Differentialquotienten der Differnzenquotient
gesetzt wird, wobei t₂ - t₁ einen vorgegebenen
Mindestwert nicht unterschreitet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Fahrzeuggeschwindigkeiten v unterhalb eines vorgegebenen
Wertes v₁ die Geschwindigkeitsänderungen nur durch Steuerung des
Antriebsdrehmomentes und bei Geschwindigkeiten über einem
vorgegebenen Wert v₂ nur durch Steuerung der Antriebsleistung
vorgenommen werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang von der Momentensteuerung zur Leistungssteuerung
sprunghaft bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v₁ = v₂ erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang von der Momentensteuerung zur Leistungssteuerung
im Geschwindigkeitsintervall von v₁ bis v₂ gleitend erfolgt.
19. Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
mit Antriebsrädern und einem Antriebsstrang, der eine stufenlose
Drehzahl/Drehmoment-Charakteristik aufweist, insbesondere mit einem
elektromotorischen Antrieb, mit einer elektronischen
Antriebssteuerung zur Drehzahl/Drehmoment-Einstellung im
Antriebsstrang und mit einem zur Veränderung der
Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehenen Fahrpedal, dessen Stellung
α (t) mittels eines Sensors erfaßbar ist, wobei in der
elektronischen Steuerung tabellarisch oder als Funktion
Vorgabewerte für die gewünschte am Fahrzeug wirksame
Antriebsleistung und/oder das gewünschte Antriebsdrehmoment
hinterlegt sind, die den möglichen Fahrpedalstellungen α (t)
eindeutig zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zusätzliche elektronische Steuereinheit vorgesehen ist,
die signaltechnisch einerseits mit dem Sensor zur Erfassung der
Fahrpedalstellung α (t) und andererseits als Sollwertgeber mit der
Antriebssteuerung verbunden ist, wobei die zusätzliche
elektronische Steuereinheit in der Weise eine Umsetzung der von dem
Sensor erhaltenen Meßwerte α (t) in den Sollwert für die
Antriebssteuerung vornimmt, daß der Sollwert in einem
Verstellzeitraum bis auf den jeweiligen Vorgabewert verändert wird,
wobei der Sollwert additiv aus einem anfänglichen, zum Vorgabewert
proportionalen Anteil und einem zeitlich sich verändernden
Restanteil gebildet wird.
20. Fahrzeug nach Anspruch 19.
dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzliche elektronische Steuereinheit signaltechnisch mit
einem Sensor zur Erfassung der Fahrzeugbeschleunigung verbunden
oder mit einer Differenziereinrichtung zur Errechnung der
Fahrzeugbeschleunigung aus der zeitlichen Veränderung der
Antriebsräderdrehzahlen ausgestattet ist.
21. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Elektromotoren des Fahrzeugantriebs als permanent
erregte Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommutierung
ausgebildet sind.
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