DE69922221T2

DE69922221T2 - Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE69922221T2
Application number: DE69922221T
Authority: DE
Inventors: J. Alex SEVERINSKY; Theodore Louckes
Original assignee: PAICE LLC
Current assignee: PAICE LLC, BONITA SPRINGS, FLA., US
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2006-03-02
Also published as: HK1158583A1; KR20010085791A; JP3779676B2; CA2883981A1; JP4459876B2; JP2002525022A; CA2716246C; JP2004007944A; JP2006044649A; CA2343056C; KR100466165B1; EP1113943A2; WO2000015455A2; JP3676235B2; DE69922221T8; EP1113943B1; MXPA01002685A; AU6019299A; DE69922221D1; BR9913684A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Anmeldung bezieht sich auf Verbesserungen in Hybridfahrzeugen, d.h. Fahrzeugen, in welchen sowohl eine Verbrennungs-Kraftmaschine als auch ein oder mehrere Elektromotor(en) zur Verfügung gestellt sind, um ein Drehmoment zu den Antriebsrädern des Fahrzeugs zuzuführen. Spezifischer bezieht sich diese Erfindung auf ein elektrisches Hybridfahrzeug, welches vollständig mit gegenwärtig konventionellen Fahrzeugen betreffend Leistung, Betriebsbequemlichkeit und Kosten konkurrenzfähig ist, während eine im wesentlichen verbesserte Kraftstoffökonomie und reduzierte Schadstoffemissionen erreicht werden.
Diskussion des Stands der Technik
Für zahlreiche Jahre wurde große Aufmerksamkeit dem Problem einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von Automobilen und anderen Autobahnfahrzeugen gerichtet. Gleichzeitig wurde eine sehr wesentliche Aufmerksamkeit auf eine Reduktion von Schadstoffen gerichtet, die durch Automobile und andere Fahrzeuge emittiert werden. Bis zu einem gewissen Grad geraten Anstrengungen zum Lösen dieser Probleme in Konflikt miteinander. Beispielsweise kann eine erhöhte thermodynamische Effizienz und somit ein reduzierter Kraft- bzw. Brennstoffverbrauch realisiert werden, wenn ein Motor bei höheren Temperaturen betrieben wird. Es hat somit ein wesentliches Interesse an Motoren bestanden, die aus keramischen Materialien gebaut sind, die höheren Verbrennungstemperatu ren widerstehen als jene, die gegenwärtig in Verwendung sind. Jedoch führen höhere Verbrennungstemperaturen in mit Benzin betriebenen Motoren zu einem Anstieg in bestimmten unerwünschten Schadstoffen, üblicherweise NO_x.
Eine andere Möglichkeit zum Reduzieren von Emissionen ist es, Mischungen von Benzin und Ethanol ("Gasohol") oder geradem Ethanol zu verbrennen. Jedoch ist bisher Ethanol nicht ökonomisch konkurrenzfähig mit Benzin geworden und Verbraucher haben Ethanol nicht in einem großen Ausmaß akzeptiert. Darüber hinaus würde, um einen alternativen Brennstoff, wie Ethanol, in einem Ausmaß verfügbar zu machen, das notwendig ist, um merkbare Verbesserungen in einer landesweiten Luftqualität und Brennstoffeinsparung zu erreichen bzw. zu erzielen, immense Kosten für Infrastrukturverbesserungen erfordern; nicht nur die gesamte nationale Motorkraftstoffproduktion und das Vertriebssystem, sondern auch die Fahrzeugherstellung, der Vertrieb und das Reparatursystem müßten exzessiv überarbeitet oder im wesentlichen dupliziert werden.
Ein Vorschlag zum Reduzieren einer Umweltverschmutzung in Städten ist es, die Verwendung von Fahrzeugen zu limitieren, die durch Verbrennungs-Kraftmaschinen angetrieben sind, und statt dessen Elektrofahrzeuge einzusetzen bzw. anzuwenden, die durch wiederaufladbare Batterien betrieben bzw. mit Leistung versorgt sind. Bisher hatten alle derartigen "direkten elektrischen" Fahrzeuge einen sehr beschränkten Bereich, typischerweise nicht mehr als 150 Meilen, haben eine unzureichende Leistung in bezug auf eine Beschleunigung und die Bergfahrfähigkeit bzw. Steigfähigkeit mit Ausnahme, wenn die Batterien im wesentlichen voll geladen sind, und erfordern eine wesentliche Zeit für eine Batteriewiederaufladung. So sind, während es zahlreiche Umstände gibt, in welchen der beschränkte Bereich und die erhöhte Wiederaufladzeit der Batterien nicht ein Nachteil sind, solche Fahrzeuge nicht für alle Fahrerfordernisse der meisten Individuen geeignet. Dementsprechend würde ein Elektrofahrzeug für die meisten Benutzer ein zusätzliches Fahrzeug sein, was eine wesentliche ökonomische Abschreckung darstellt. Darüber hinaus wird erkannt werden, daß in den Vereinigten Staaten die meiste Elektrizität in Kohle gefeuerten Kraftwerken generiert bzw. erzeugt wird, so daß eine Benutzung von Elektrofahrzeugen lediglich die Quelle der Umweltverschmutzung verschiebt, sie jedoch nicht eliminiert. Weiters sind, im Vergleich der entsprechenden Nettokosten pro gefahrener Meile, Elektrofahrzeuge nicht mit mit Ethanol angetriebenen Fahrzeugen konkurrenzfähig, noch weniger mit konventionellen, mit Benzin betriebenen Fahrzeugen. Siehe allgemein Simanaitis, "Electric Vehicles", Road & Track, Mai 1992, Seiten 126–136; Reynolds, "AC Propulsion CRX", Road & Track, Oktober 1992, Seiten 126–129.
Brooks et al, US-Patent 5,492,192, zeigt ein derartiges Elektrofahrzeug; die Erfindung scheint auf eine Aufnahme von Antiblockierbrems- und Traktionskontroll-Technologien in ein ansonsten konventionelles Elektrofahrzeug zu liegen.
Bedeutende Aufmerksamkeit wurde über die Jahre auch der Entwicklung von Elektrofahrzeugen verliehen, die durch eine Verbrennungs-Kraftmaschine betriebene Generatoren enthalten, wodurch der Defekt bzw. Nachteil des beschränkten Bereichs eliminiert wird, der durch die einfachen Elektrofahrzeuge gezeigt wird. Die einfachsten derartigen Fahrzeuge arbeiten auf demselben allgemeinen Prinzip wie diesel elektrische Lokomotiven, die durch die meisten Eisenbahnen verwendet werden. In derartigen Systemen treibt eine Verbrennungs-Kraftmaschine einen Generator, der elektrische Leistung zu Traktionsmotoren zur Verfügung stellt, die direkt mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden sind. Dieses System hat den Vorteil, daß kein Getriebe mit variablem Übertragungsverhältnis zwischen dem Motor und den Rädern des Fahrzeugs erforderlich ist.
Spezifischer erzeugt eine Verbrennungs-Kraftmaschine ein Null-Drehmoment bei Null-Motordrehzahl (U/min) und erreicht seinen Drehmomentspitzenwert in etwa in der Mitte ihres Betriebsbereichs. Dementsprechend erfordern alle Fahrzeuge, die direkt durch eine Verbrennungs-Kraftmaschine angetrieben sind (anders als bestimmte Fahrzeuge mit einem einzigen Gang, die eine Reibungs- oder Zentrifugalkupplung verwenden und nicht für ein normales Fahren verwendbar sind), ein Getriebe mit variabler Übersetzung zwischen dem Motor und den Rädern, so daß das Motor- bzw. Maschinendrehmoment mit den angetroffenen Laufgeschwindigkeiten und Lasten abgestimmt werden kann. Weiters muß eine bestimmte Art von Kupplung vorgesehen sein, so daß der Motor mechanisch von den Rädern entkoppelt werden kann, was es dem Fahrzeug ermöglicht zu stoppen, während der Motor noch läuft, und einen gewissen Schlupf des Motors in bezug auf den Antriebszug ermöglicht, während von einem Halt gestartet wird. Es würde nicht praktikabel bzw. praktisch sein, eine Diesellokomotive beispielsweise mit einem Mehrganggetriebe oder einer Kupplung zu versehen. Dementsprechend wird die zusätzliche Komplexität des Generators und der elektrischen Fahr- bzw. Traktionsmotoren akzeptiert. Elektrische Fahrmotoren erzeugen ein volles Drehmoment bei null U/min und somit können sie direkt mit den Rädern verbunden sein bzw. werden; wenn es gewünscht ist, daß der Zug beschleunigen sollte, wird der Dieselmotor einfach gedrosselt, um die Generatorausgabe zu erhöhen, und der Zug beginnt sich zu bewegen.
Dasselbe Antriebssystem kann in einem kleineren Fahrzeug, wie einem Auto oder einem Lastkraftwagen angewandt werden, jedoch hat es zahlreiche bestimmte Nachteile in dieser Anwendung. Insbesondere und wie dies im Detail unten im Zusammenhang mit 1 und 2 diskutiert wird, ist es gut bekannt, daß eine Benzin- oder andere Verbrennungs-Kraftmaschine am effizientesten ist, wenn sie nahezu ihr maximales Ausgabedrehmoment produziert. Typischerweise ist die Zahl von Diesellokomotiven an einem Zug in Übereinstimmung mit der Gesamttonnage, die bewegt werden muß, und den Graden bzw. Steigungen, die überwunden werden müssen, so ausgewählt, daß alle Lokomotiven bei nahezu vollständiger Drehmomentproduktion bzw. -erzeugung betrieben werden können. Darüber hinaus tendieren derartige Lokomotiven dazu, bei stetigen Geschwindigkeiten für lange Zeitdauern zu laufen bzw. betrieben zu werden. Es wird somit eine bemerkenswert effiziente Kraftstoffverwendung erreicht. Jedoch würde ein derartiges Direktantriebsfahrzeug keine gute Kraftstoffeffizienz in einer typischen Autoverwendung erreichen, welche zahlreiche kurze Fahrten, häufige Stops im Verkehr, erstreckten Betrieb bei geringer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und dgl. bedingen.
Sogenannte "Serien-Hybrid"-Elektrofahrzeuge wurden für eine Kraftfahrzeug- bzw. Autoverwendung vorgeschlagen, wobei Batterien als Energiespeicher-Vorrichtungen verwendet werden, so daß eine Verbrennungs-Kraftmaschine, die vorgesehen bzw. Verfügung gestellt ist, um einen Generator zu treiben, in ihrem effizientesten Brennstoffausgabe-Leistungsbereich betrieben werden kann, während es immer noch dem (den) elektrischen Fahrmotor bzw. -motoren ermöglicht wird, das Fahrzeug wie erforderlich zu betreiben. So kann der Motor durch ein Bereitstellen von Drehmoment zu einem Generator belastet werden, welcher die Batterien ladet, während elektrische Leistung zu dem (den) Fahrmotor(en), wie erforderlich, zugeführt wird, um effizient zu arbeiten. Dieses System überwindet die Beschränkungen von Elektrofahrzeugen, die oben in bezug auf den limitierten Bereich und die langen Ladezeiten angemerkt wurden. So wird im Vergleich mit einem konventionellen Fahrzeug, wobei die Verbrennungs-Kraftmaschine Drehmoment direkt zu den Rädern liefert, in einem Serien-Hybrid-Elektrofahrzeug Drehmoment von dem Motor zu den Rädern über einen seriell verbundenen Generator, der als Batterieladeeinheit verwendet wird, die Batterie und den Fahrmotor abgegeben. Der Energietransfer zwischen diesen Komponenten verbraucht wenigstens etwa 25 % Motorleistung. Weiters tragen derartige Komponenten wesentlich zu den Kosten und dem Gewicht des Fahrzeugs bei; insbesondere ein Elektromotor, der fähig ist, ausreichend Drehmoment zum Erfüllen aller erwarteten Anforderungen zur Verfügung stellen kann, z.B. um eine ausreichende Leistung unter Beschleunigung, während eines Bergfahrens und dgl. zur Verfügung zu stellen, ist ziemlich schwer und teuer. So waren Serien-Hybrid-Fahrzeuge nicht unmittelbar erfolgreich.
Eine vielversprechendere "Parallel-Hybrid"-Annäherung ist in US-Patenten Nr. 3,566,717 und 3,732,751 von Berman et al. gezeigt. In Berman et al werden eine Verbrennungs-Kraftmaschine und ein Elektromotor durch einen komplexen Getriebezug so abgestimmt, daß beide Drehmomente direkt auf die Räder zur Verfügung stellen können, wobei das Fahrzeug in verschiedenen unterschiedlichen Arten bzw. Moden betrie ben wird. Wenn die Ausgabe bzw. der Abtrieb der Verbrennungs-Kraftmaschine mehr als notwendig ist, um das Fahrzeug anzutreiben ("erste Art einer Betätigung bzw. eines Betriebs"), so läuft der Motor mit konstanter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und überschüssige Leistung wird durch einen ersten Motor/Generator ("Beschleuniger") in elektrische Energie zur Speicherung in einer Batterie umgewandelt. Im "Betrieb zweiter Art" treibt die Verbrennungs-Kraftmaschine die Räder direkt und wird gedrosselt. Wenn mehr Leistung erforderlich ist, als der Motor zur Verfügung stellen kann, stellt ein zweiter Motor/Generator oder "Drehmomentlieferant", zusätzliches Drehmoment, wie erforderlich, zur Verfügung.
Berman et al zeigen somit zwei gesonderte elektrische Motor/Generatoren, die gesondert durch die Verbrennungs-Kraftmaschine mit Leistung versorgt sind; der "Beschleuniger" ladet die Batterien, während der "Drehmomentlieferant" das Fahrzeug nach vorwärts in dem Verkehr antreibt. Diese Anordnung ist eine Quelle zusätzlicher Komplexität, Kosten und Schwierigkeit, da zwei gesonderte Arten bzw. Moden einer Motor- bzw. Maschinensteuerung bzw. -regelung erforderlich sind. Darüber hinaus muß der Betätiger den Übergang zwischen den unterschiedlichen bzw. mehreren Arten des Betriebs steuern bzw. regeln. Ein derartiges komplexes Fahrzeug ist für den Automobilmarkt nicht geeignet. Automobile, die für eine Massenproduktion gedacht sind, können nicht komplizierter zum Betreiben sein als konventionelle Fahrzeuge, und müssen im wesentlichen "mißbrauchssicher" sein, d.h. gegenüber Zerstörung widerstandsfähig sein, welche durch einen Betätigerfehler bewirkt werden könnte. Weiters erscheint der Getriebezug, der von Berman et al gezeigt ist, sehr komplex und schwierig ökonomisch bzw. wirtschaft lich herzustellen. Berman et al deuten auch an, daß ein oder sogar zwei Getriebe mit variablen Gängen erforderlich sein können; siehe z.B., Spalte 3, Zeilen 19–22 und 36–38 des Patents 3,566,717, und Spalte 2, Zeilen 53–55 des Patents 3,732,751.
Lynch et al Patent 4,165,795 zeigt auch einen frühen Parallel-Hybrid-Antrieb. Lynch argumentiert, daß eine maximale Kraftstoffeffizienz realisiert werden kann, wenn eine relativ kleine Verbrennungs-Kraftmaschine zur Verfügung gestellt wird, so daß, wenn der Motor bei einer effizienten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl betrieben wird, er ungefähr die mittlere Leistung produziert, die über eine typische Mission bzw. einen typischen Verbrauch erforderlich ist. Das gegebene Beispiel ist jenes eines Motors, der 25 PS maximal und 17 PS bei seiner effizientesten Drehzahl, etwa 2500 U/min, produziert. Dieser ist mit einem Elektromotor-Generator von etwa 30 PS-Spitze zu kombinieren. Dieses Fahrzeug erfordert ein Getriebe mit variabler Übersetzung, um eine vernünftige bzw. brauchbare Leistung zu erreichen. Es scheint, daß der Motor kontinuierlich bei einer gleichbleibenden Drehzahl laufen soll, wobei zusätzliches Drehmoment durch den Motor zur Verfügung gestellt wird, wenn dies erforderlich ist, und überschüssiges Drehmoment, das durch den Motor erzeugt ist, zum Laden der Batterien verwendet wird. In einer ersten Ausbildung wird das Drehmoment, das durch den Motor zur Verfügung gestellt ist, zu den Antriebsrädern durch den Motor übertragen, während in einer zweiten Ausbildung ihre entsprechenden Positionen umgekehrt sind.
Nishida, US-Patent 5,117,931, zeigt ein Parallel-Hybrid-Fahrzeug, wo Drehmoment von einem Elektromotor mit Drehmo ment von einer Verbrennungs-Kraftmaschine in einer "Drehmomentübertragungs-Einheit" kombiniert werden kann, umfassend gepaarte bzw. paarweise Kegelradgetriebe bzw. -ritzel und Mittel zum Steuern bzw. Regeln der relativen Rotationsgeschwindigkeiten des Motors und der Maschine, so daß der Motor zum Starten der Maschine verwendet werden kann, übermäßiges Drehmoment von der Maschine (durch Laden einer Batterie) absorbiert, oder zusätzliches antreibendes bzw. Antriebsdrehmoment zur Verfügung stellt. Ein Getriebe mit variabler Übersetzung bzw. variablen Gängen ist zwischen der Drehmomentübertragungs-Einheit und den Antriebsrädern gekoppelt. Sowohl die Drehmomentübertragungs-Einheit als auch das Getriebe mit variablen Gängen sind komplexe, schwere und teure Komponenten, deren Verwendung vorzugsweise vermieden werden sollte.
Helling, US-Patent 3,923,115, zeigt auch ein Hybridfahrzeug, das eine Drehmomentübertragungs-Einheit zum Kombinieren von Drehmoment von einem Elektromotor und einer Verbrennungs-Kraftmaschine aufweist. Jedoch sind in Helling die relativen Rotationsgeschwindigkeiten der Motor- und der Maschineneingabewellen festgelegt; ein Schwungrad ist vorgesehen, um überschüssige mechanische Energie zu speichern, ebenso wie eine Batterie, um überschüssige elektrische Energie zu speichern. Albright Jr. et al, Patent 4,588,040, zeigen ein anderes Hybridantriebsschema unter Verwendung eines Schwungrads zusätzlich zu Batterien, um überschüssige Energie zu speichern; verschiedene komplizierte, mechanische Verbindungen sind zwischen den verschiedenen Komponenten vorgesehen. Kondensatoren wurden auch für eine Energiespeicherung vorgeschlagen, siehe Bates et al, US-Patent 5,318,142.
Fjällström, US-Patent 5,120,282, zeigt einen Parallel-Hybrid-Antriebszug, wobei Drehmoment von zwei Elektromotoren mit Drehmoment kombiniert wird, das durch eine Verbrennungs-Kraftmaschine gebildet ist; die Kombination wird durch eine komplexe Anordnung von gepaarten Planetengetriebesätze, zur Verfügung gestellt, und nicht spezifizierte Steuer- bzw. Regelmittel sind vermeintlich dafür da, um fähig zu sein, eine Änderung einer Fahrgeschwindigkeit ohne ein Getriebe mit variabler Übersetzung zu ermöglichen bzw. zu erlauben.
Hunt, US-Patente Nr. 4,405,029 und 4,470,476, offenbaren auch parallele bzw. Parallel-Hybride, die komplexe Getriebeanordnungen erfordern, beinhaltend Getriebe mit mehreren Gängen. Spezifischer offenbaren die Hunt Patente verschiedene Ausbildungen von Parallel-Hybrid-Fahrzeugen. Hunt deutet an (siehe Spalte 4, Zeilen 6–20 des '476 Patents), daß ein Elektromotor das Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten bis zu 20 Meilen/h antreiben kann, und eine Verbrennungs-Kraftmaschine für Geschwindigkeiten über 20 Meilen/h verwendet wird, während in "bestimmten Geschwindigkeitsbereichen, wie von 15–30 Meilen/h, beide Leistungsquellen mit Energie versorgt sein können... Zusätzlich könnten beide Leistungsquellen unter Schwerlastbedingungen verwendet werden." Hunt deutet auch an, daß das "Fahrzeug mit einer automatischen Umschalt- bzw. Wechselvorrichtung versehen sein könnte, welche automatisch von der elektrischen Leistungsquelle zu der Verbrennungskraftmaschinen-Leistungsquelle wechselt, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs" (Spalte 4, Zeilen 12–16).
Jedoch erfüllt das Hunt-Fahrzeug nicht die Ziele der vorliegenden Erfindung, wie sie unten im Detail diskutiert werden. Hunt's Fahrzeug erfordert in jeder Ausbildung ein konventionelles händisches oder automatisches Getriebe. Siehe Spalte 2, Zeilen 6–7. Darüber hinaus ist die Verbrennungs-Kraftmaschine mit dem Getriebegehäuse (wobei Drehmoment von der Verbrennungs-Kraftmaschine und dem Elektromotor kombiniert wird) durch eine "Fluidkupplung oder einen Drehmomentwandler konventioneller Struktur bzw. Konstruktion" verbunden. Spalte 2, Zeilen 16–17. Derartige Getriebe und Fluidkupplungen oder Drehmomentwandler sind sehr ineffizient, sind schwer, voluminös und teuer und sind gemäß einem Ziel der vorliegenden Erfindung zu eliminieren, wie dies wiederum unten im Detail diskutiert werden wird.
Weiters involvieren bzw. bedingen die primären Mittel einer Batterieaufladung, wie sie durch Hunt diskutiert ist, eine weitere unwünschenswerte Komplexität, nämlich eine Turbine, die den Elektromotor in Generatorkonfiguration antreibt. Die Turbine wird durch Abfallwärme von der Verbrennungs-Kraftmaschine angetrieben. Siehe Spalte 3, Zeilen 10–60. Hunt's Verbrennungs-Kraftmaschine ist auch mit einer Lichtmaschine als eine zusätzliche Batterieladefähigkeit ausgestattet, was noch weitere Komplexität hinzufügt. Es ist somit klar, daß Hunt kein Hybridfahrzeug lehrt, das die Ziele der vorliegenden Erfindung erfüllt, d.h. ein Hybridfahrzeug, das mit konventionellen Fahrzeugen in bezug auf die Leistung, Kosten und Komplexität konkurrenzfähig ist, während im wesentlichen eine verbesserte Kraftstoffeffizienz erreicht wird.
Kawakatsu, US-Patente Nr. 4,305,254 und 4,407,132, zeigt ein Parallel-Hybrid, das eine einzige Verbrennungs-Kraftmaschine, die mit den Antriebsrädern durch ein konventionelles Getriebe mit variabler Übersetzung gekoppelt ist, einen Elektromotor und eine Lichtmaschine involviert, um eine effiziente Benutzung der Verbrennungs-Kraftmaschine zu ermöglichen. Wie in der Offenbarung von Hunt ist die Maschine gedacht, um in einem relativ effizienten Bereich von Maschinengeschwindigkeiten bzw. Motordrehzahlen betrieben zu werden; wenn sie mehr Drehmoment als erforderlich produziert, um das Fahrzeug anzutreiben, wird der Überschuß verwendet, um die Batterien zu laden; wenn die Maschine unzureichendes Drehmoment zur Verfügung stellt, wird der Motor ebenso mit Energie versorgt.
Ein weiteres Kawakatsu Patent Nr. 4,335,429 zeigt ein Hybridfahrzeug, welches in diesem Fall eine Verbrennungs-Kraftmaschine und zwei Motor/Generator-Einheiten umfaßt. Ein erster größerer Motor/Generator, der durch eine Batterie angetrieben ist, wird verwendet, um zusätzliches Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wenn jenes, das durch die Maschine zur Verfügung gestellt wird, unzureichend ist; der größere Motor/Generator wandelt auch überschüssiges Drehmoment, das durch die Maschine zur Verfügung gestellt wird, in elektrische Energie um, die durch die Batterie zu speichern ist, und wird in einem regenerativen Bremsmodus verwendet. Der zweite kleinere Motor/Generator wird in ähnlicher Weise verwendet, um zusätzliches Drehmoment und zusätzliches regeneratives Bremsen zur Verfügung zu stellen, falls dies erforderlich ist.
Spezifischer behauptet bzw. versichert das letztere Kawakatsu Patent, daß ein einziger Elektromotor, welcher dimensioniert ist, um ausreichend Drehmoment zur Verfügung zu stellen, um das Fahrzeug anzutreiben, nicht fähig wäre, ausreichend regenerative Bremskraft zur Verfügung zu stellen; siehe Spalte 1, Zeile 50 – Spalte 2, Zeile 8. Dement sprechend stellt Kawakatsu zwei gesonderte Motor/Generatoren, wie festgehalten, zur Verfügung; ein gesonderter Maschinenstartmotor ist ebenfalls zur Verfügung gestellt. Siehe Spalte 6, Zeilen 22–23. In der gezeigten Ausbildung ist der größere Motor/Generator mit der Radantriebswelle verbunden, während die Maschine und der kleinere Motor/Generator mit den Rädern durch einen komplexen Mechanismus verbunden sind, welcher drei gesondert steuer- bzw. regelbare Kupplungen umfaßt. Siehe Spalte 5, Zeilen 50–62.
Zahlreiche Patente offenbaren Hybridfahrzeugsantriebe, die dazu tendieren, in eine oder mehrere der oben diskutierten Kategorien zu fallen. Eine Anzahl von Patenten offenbart Systeme, wobei von einem Betätiger gefordert wird, zwischen elektrischer und Verbrennungskraft-Betätigung auszuwählen; beispielsweise ist bzw. wird ein Elektromotor zum Betrieb innerhalb von Gebäuden vorgesehen, wo Abgase gefährlich sein würden und eine Verbrennungs-Kraftmaschine wird für eine Betätigung bzw. einen Betrieb außerhalb bzw. im Freien vorgesehen. Es ist auch bekannt, ein Hybridfahrzeug vorzuschlagen, umfassend einen Elektromotor zur Verwendung bei niedrigen Geschwindigkeiten und eine Verbrennungs-Kraftmaschine zur Verwendung bei höherer Geschwindigkeit. Der Stand der Technik legt auch die Verwendung von beiden nahe, wenn ein maximales Drehmoment erforderlich ist. In zahlreichen Fällen treibt der Elektromotor einen Satz von Rädern und die Verbrennungs-Kraftmaschine treibt einen unterschiedlichen Satz. Siehe allgemein Shea (4,180,138); Fields et al. (4,351,405); Kenyon (4,438,342); Krohling (4,593,779); und Ellers (4,923,025).
Zahlreiche dieser Patente zeigen Hybridfahrzeugantriebe, wobei ein Getriebe mit variablen Gängen erforderlich ist, wie dies zahlreiche zusätzliche Literaturstellen offenbaren. Ein Getriebe, wie es oben erwähnt ist, ist typischerweise erforderlich, wo die Verbrennungs-Kraftmaschine und/oder der Elektromotor nicht fähig sind, ausreichend Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zur Verfügung zu stellen. Siehe Rosen (3,791,473); Rosen (4,269,280); Fiala (4,400,997); und Wu et al. (4,697,660). Kinoshita (3,970,163) zeigt ein Fahrzeug dieser allgemeinen Art, wobei eine Gasturbinenmaschine mit den Straßenrädern durch ein Dreigang-Getriebe gekoppelt ist; ein Elektromotor ist vorgesehen, um zusätzliches Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zur Verfügung zu stellen.
Für weitere Beispiele von Serien-Hybrid-Fahrzeugen, wie sie allgemein oben diskutiert sind, siehe Bray (4,095,664); Cummings (4,148,192); Monaco et al. (4,306,156); Park (4,313,080); McCarthy (4,354,144); Heidemeyer (4,533,011); Kawamura (4,951,769); and Suzuki et al. (5,053,632). Verschiedene dieser richten sich auf spezifische Probleme, die bei der Herstellung oder Verwendung von Hybridfahrzeugen auftreten, oder auf spezifische behauptete Designverbesserungen. Beispielsweise adressiert Park bestimmte Besonderheiten von Batterielade- und -entladecharakteristika, während McCarthy ein komplexes Antriebssystem zeigt, das eine Verbrennungs-Kraftmaschine involviert, die zwei Elektromotoren antreibt; das Drehmoment, das durch die Letzteren generiert bzw. erzeugt ist, wird in einem komplexen Differential kombiniert, das kontinuierlich variable Übersetzungs-Verhältnisse bzw. Getriebeverhältnisse zur Verfügung stellt. Heidemeyer zeigt ein Verbinden einer Verbrennungs-Kraftmaschine mit einem Elektromotor durch eine erste Rei bungskupplung und ein Verbinden des Motors mit einem Getriebe bzw. einer Übertragung durch eine zweite Reibungskupplung.
Andere Patente von allgemeiner Relevanz für diesen Gegenstand beinhalten Toy (3,525,874), welcher ein Serien-Hybrid zeigt, das eine Gasturbine als Verbrennungs-Kraftmaschine verwendet; Yardney (3,650,345), der eine Verwendung eines mit Druckluft betriebenen oder eines ähnlichen mechanischen Starters für die Verbrennungs-Kraftmaschine eines Serien-Hybrids zeigt, so daß Batterien mit beschränkter Stromkapazität verwendet werden könnten; und Nakamura (3,837,419), Verbesserungen an einer Thyristor-Batterielade- und Motorantriebsschaltung adressiert. Etwas weiter entfernt, jedoch von allgemeinem Interesse, sind die Offenbarungen von Deane (3,874,472); Horwinski (4,042,056); Yang (4,562,894); Keedy (4,611,466); und Lexen (4,815,334); Mori (3,623,568); Grady, Jr. 3,454,122); Papst (3,211,249); Nims et al. (2,666,492); und Matsukata (3,502,165). Zusätzliche Literaturstellen, die Parallel-Hybrid-Fahrzeug-Antriebssysteme zeigen, beinhalten Froelich (1,824,014) und Reinbeck (3,888,325). US-Patent Nr. 4,578,955 von Medina zeigt ein Hybridsystem, wobei eine Gasturbine verwendet wird, um einen Generator zu treiben, wie dies für ein Laden von Batterien erforderlich ist. Von speziellem Interesse für bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung ist, daß Medina offenbart, daß die Batteriepackung eine Spannung in dem Bereich von 144, 168 oder 216 Volt aufweisen sollte und daß der Generator Strom in dem Bereich von 400 bis 500 Ampere liefern sollte. Der Fachmann wird erkennen, daß diese hohen Ströme wesentliche Widerstands-Heizverluste involvieren und zusätzlich erfordern, daß alle elektrischen Verbindungen aus positiven mechanischen Mitteln, wie Bolzen und Muttern oder durch Schweißen ausgebildet sind. Spezifischer können aus Gründen der Sicherheit und in Übereinstimmung mit der industriellen Praxis Ströme über etwa 50 Ampere nicht durch konventionelle einstreckbare Verbinder geführt bzw. geleitet werden, welche aus Gründen der Einfachheit bzw. Bequemlichkeit und Ökonomie bzw. Wirtschaftlichkeit bevorzugt sind, sondern müssen durch schwerere, teurere und wenigere angenehme festgelegte Verbinder geleitet werden (wie sie bei konventionellen Starter- und Batteriekabel-Verbindungen verwendet werden). Dementsprechend würde es wünschenswert sein, den Elektromotor eines Hybridfahrzeugs bei niedrigeren Strömen zu betreiben.
US-Patent 5,765,656 von Weaver zeigt auch ein Serien-Hybrid, wobei eine Gasturbine als die Verbrennungs-Kraftmaschine verwendet wird; Wasserstoff ist der bevorzugte Kraft- bzw. Brennstoff.
US-Patent Nr. 4,439,989 von Yamakawa zeigt ein System, wobei zwei unterschiedliche Verbrennungs-Kraftmaschinen zur Verfügung gestellt sind, so daß nur eine laufen muß, wenn die Last bzw. Belastung niedrig ist. Diese Anordnung würde komplex und teuer herzustellen sein.
Eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Aspekten von Hybridfahrzeugantrieben kann in Kalberlah, "Electric Hybrid Drive Systems for Passenger Cars and Taxis", SAE Paper Nr. 910247 (1991) gefunden werden. Kalberlah vergleicht zuerst "unmittelbare" elektrische Serien-Hybrid- und Parallel-Hybrid-Antriebszüge und schließt, daß Parallel-Hybride bevorzugt sind, zumindest, wenn sie für eine allgemeine Verwendung gedacht sind (d.h. unmittelbare elektrische Fahrzeuge können unter bestimmten engen Bedingungen eines Stadtfahrens bei niedriger Geschwindigkeit in beschränktem Bereich verwendbar bzw. nützlich sein). Kalberlah vergleicht dann verschiedene Formen von Parallel-Hybriden in bezug auf seine 4 und schließt, daß die praktikabelste Anordnung eine ist, in welcher eine Verbrennungs-Kraftmaschine ein erstes Paar von Rädern antreibt und ein Elektromotor das zweite; genauer zeigt Kalberlah, daß eine mechanische Kombination des Drehmoments von einer Verbrennungs-Kraftmaschine und einem Elektromotor nicht praktikabel bzw. unpraktisch ist.
Gardner, US-Patente 5,301,764 und 5,346,031, folgt den Lehren von Kalberlah dahingehend, daß Gardner ein gesondertes Antreiben an zumindest zwei Paaren von Rädern zeigt; ein Paar wird durch einen ersten Elektromotor angetrieben, und das zweite durch einen zweiten Elektromotor oder alternativ durch eine kleine Verbrennungs-Kraftmaschine. Drei unterschiedliche Kupplungen sind zur Verfügung gestellt, um zu erlauben, daß verschiedene Quellen von Antriebsdrehmoment mit den Rädern und einem Generator in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus des Fahrzeugs verbunden werden. Die Verbrennungs-Kraftmaschine läuft kontinuierlich und stellt das Antriebsdrehmoment zur Verfügung, wenn das Fahrzeug sich in einem Cruise- bzw. Landstraßenmodus befindet; zu anderen Zeiten wird sie verwendet, um die Batterien zu laden, die die Elektromotoren treiben.
Bullock, "The Technological Constraints of Mass, Volume, Dynamic Power Range and Energy Capacity on the Viability of Hybrid and Electric Vehicles", SAE Paper Nr. 891659 (1989) stellt eine detaillierte theoretische Analyse von Elektrofahrzeugen in bezug auf die Lasten darauf und eine sorgfältige Analyse der verschiedenen Batteriearten zur Verfügung, die damals verfügbar sind bzw. waren. Bullock schließt, daß ein Fahrzeug, das zwei Elektromotoren unterschiedlicher Charakteristika bzw. Merkmale besitzt, die Räder durch ein Getriebe mit variablen Gängen antreibt, optimal für eine Verwendung in einem Auto sein würde; siehe die Diskussion von 8. Bullock schlägt auch die Verwendung einer Verbrennungs-Kraftmaschine zum Antreiben eines Batterieladens vor, jedoch adressiert er nicht ein Kombinieren des Maschinendrehmoments mit jenem von den Motoren; siehe Seiten 24–25.
Weitere relevante Papiere sind in Electric and Hybrid Vehicle Technology, Vol. SP-915, herausgegeben durch SAE im Februar 1992 gesammelt. Siehe auch Wouk, "Hybrids: Then and Now"; Bates, "On the road with a Ford HEV", und King et al, "Transit Bus takes the Hybrid Route", alle in IEEE Spectrum, Vol. 32, 7, (Juli 1995).
Urban et al, US-Patent 5,667,029, zeigen zwei Ausbildungen von Parallel-Hybriden; eine erste Ausbildung ist in 1–9 und 11 gezeigt und eine zweite in 12–17. Beide Ausbildungen haben zahlreiche gemeinsame Merkmale, welche ähnliche Betriebsarten beinhalten. Bezugnehmend auf die erste Ausbildung stellt eine Verbrennungs-Kraftmaschine Drehmoment an die Straßenräder oder an einen Generator zur Verfügung; zwei Elektromotoren können Drehmoment an die Straßenräder zur Verfügung stellen oder Batterien während einem regenerativen Bremsen laden. Drehmoment von der Maschine und den Motoren wird an der Eingabewelle zu einem Getriebe variablem Verhältnis kombiniert. Überlaufkupplungen sind zur Verfügung gestellt, um es beispielsweise dem Maschinendrehmoment zu ermöglichen, daß es an die Straßenräder angelegt wird, ohne auch die Motoren zu drehen.
Wie dies in Spalte 6, Zeilen 25–54 angedeutet ist, sind bzw. werden bestimmte Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebs- bzw. Betätigungsarten automatisch in Antwort auf die Position des Gas- bzw. Beschleunigungspedals ausgeführt; beispielsweise, wenn der Betätiger das Pedal nicht über einen gegebenen Punkt durchtritt, wird nur die Verbrennungs-Kraftmaschine angewandt bzw. eingesetzt, um das Fahrzeug anzutreiben; wenn der Betätiger das Pedal vollständiger durchtritt, werden auch die Elektromotoren erregt bzw. mit Energie versorgt. Andere Änderungen in dem Betriebsmodus müssen durch den Betätiger direkt durchgeführt werden; beispielsweise kann das Fahrzeug als "ein unmittelbares elektrisches" Fahrzeug verwendet werden, z.B. für kurzdauernde Fahrten, indem der Betätiger eine geeignete Steuer- bzw. Regeltätigkeit ausführt. Siehe Spalte 7, Zeilen 49–56.
Das Design von Urban et al scheint an einer Anzahl von signifikanten Defekten bzw. Nachteilen zu leiden. Zuerst wird für die Verbrennungs-Kraftmaschine festgehalten, daß sie alles Drehmoment zur Verfügung stellt, das für ein Beschleunigen des Fahrzeugs auf eine Fahrgeschwindigkeit unter normalen Umständen erforderlich ist (siehe Spalte 5, Zeilen 3–10), und auch um das Fahrzeug während eines Fahrens auf der Landstraße bzw. bei gleichbleibender Geschwindigkeit anzutreiben (siehe Spalte 6, Zeilen 48–54). Die Elektromotoren sind nur während einer schnellen Beschleunigung oder beim Bergfahren zu verwenden; Spalte 5, Zeilen 10–13. Von einer 20 PS-Maschine, die durch ein Getriebe mit kontinuierlich variablem Verhältnis und einen Drehmomentwandler betätigt ist, wird behauptet, für diesen Zweck geeignet bzw. adäquat zu sein. Derartige Komponenten sind klar komplex und teuer; weiters sind Drehmotorwandler notorisch ineffizient. Darüber hinaus würde, indem die Verbrennungs-Kraftmaschine als die einzige Leistungsquelle für ein Fahren bei geringer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl verwendet wird, sie es erfordern, daß sie bei langsamen Geschwindigkeiten, beispielsweise bei Verkehrslichtern bzw. Ampeln gefahren wird, was sehr ineffizient und hoch umweltverschmutzend ist. (Verschiedene zusätzliche Literaturstellen legen nahe, daß überschüssiges Drehmoment verwendet werden kann, um Batterien zu laden; wenn diese in das Urban-System aufgenommen wurden, könnte die Maschine bei einem sinnvoll effizienten Ausgabeniveau laufen, während das Fahrzeug stationär war, wobei dies jedoch zu einem hohen Niveau an Geräuschen und Vibrationen führen würde. In jedem Fall scheint Urban diese Möglichkeit nicht ins Auge zu fassen).
Andererseits legt Urban nahe bzw. schlägt vor, daß das Fahrzeug als ein "unmittelbares elektrisches" unter Niedriggeschwindigkeits-Bedingungen betrieben werden kann, wobei dies jedoch erfordert, daß der Betätiger eine explizite Steuer- bzw. Regeleingabe tätigt; diese Komplexität ist in einem Fahrzeug nicht akzeptabel, das in Mengen verkauft werden soll, wie dies erforderlich sein würde, um die von Urban angegebenen Ziele einer Reduktion einer atmosphärischen Verunreinigung bzw. Umweltverschmutzung und eines reduzierten Energieverbrauchs zu erreichen. Wie festgehalten, muß eine Hybrid-Fahrzeug-Betätigung essentiell "ungefährlich" bzw. "mißbrauchsicher" oder "transparent" für den Benutzer sein, um irgendeine Chance auf kommerziellen Erfolg zu besitzen.
Urban's zweite Ausbildung ist mechanisch einfacher, indem sie einen einzigen "Dynamotor" verwendet bzw. einsetzt, durch welchen Drehmoment von der Maschine zu dem Getriebe mit variablem Verhältnis übertragen wird, jedoch leidet sie an denselben Betätigungsdefekten bzw. Betriebsmängeln.
Ein zweites Patent 5,704,440 von Urban et al ist auf das Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs des '029 Patents gerichtet und leidet an denselben Nachteilen bzw. Unzulänglichkeiten.
Verschiedene Artikel beschreiben zahlreiche Generationen von Toyota Motor Company Hybridfahrzeugen, die ausführten, daß sie bald kommerziell verfügbar sein sollten. Siehe beispielsweise Yamaguchi, "Toyota readies gasoline/electric hybrid system", Automotive Engineering, Juli 1997, Seiten 55–58; Wilson, "Not Electric, Not Gasoline, But Both", Autoweek, 2. Juni, 1997, Seiten 17–18; Bulgin, "The Future Works, Quietly", Autoweek 23. Februar, 1998, Seiten 12 und 13; und "Toyota Electric and Hybrid Vehicles", eine Toyota-Veröffentlichung. Eine detailliertere Diskussion der Toyota-Fahrzeugantriebe ist in Nagasaka et al., "Development of the Hybrid/Battery ECU for the Toyota Hybrid System", SAE Papier 981122 (1998), Seiten 19–27 zu finden. Entsprechend dem Artikel von Wilson beschreibt Toyota dieses Fahrzeug als ein "Serien-Parallel-Hybrid", unabhängig von der angewendeten Bezeichnung scheint sein Antriebsstrang bzw. seine Kraftübertragung analog zu jenem der Berman-Patente zu sein, die oben beschrieben sind, d.h. Drehmoment von einem oder sowohl von der Verbrennungs-Kraftmaschine als auch einem Elektromotor werden steuer- bzw. regelbar in einem "Leistungssplit-Mechanismus" kombiniert und zu den Antriebsrädern durch ein Planetengetriebe übertragen, das die Funktionalität eines Getriebes mit variabler Übersetzung besitzt. Siehe den Nagasaka-Artikel auf Seiten 19–20.
Furutani, US-Patent 5,495,906, beschreibt ein Fahrzeug, das eine Verbrennungs-Kraftmaschine, die einen ersten Satz von Rädern durch ein Getriebe mit variabler Übersetzung antreibt, und einen Elektromotor aufweist, der einen zweiten Satz von Rädern antreibt. Die Maschine ist offensichtlich dazu gedacht, um kontinuierlich zu laufen; bei niedrigen Geschwindigkeiten treibt sie einen Generator, um Batterien zu laden, die Energie für den Motor zur Verfügung stellen, und bei höheren Geschwindigkeiten treibt die Maschine oder sowohl die Maschine als auch der Motor das Fahrzeug. Unter bestimmten Umständen kann das Getriebe nicht erforderlich sein; vergleiche beispielsweise Spalte 3, Zeilen 4–8 mit Spalte 5, Zeilen 59–64.
US-Patent 5,842,534 von Frank zeigt ein "Ladungsentleerungs"-Steuer- bzw. Regelverfahren für Hybridfahrzeuge; in diesem Schema wird die Verbrennungs-Kraftmaschine im wesentlichen nur dann verwendet, wenn der Zustand der Batterien derart ist, daß das Fahrzeug ansonsten nicht einen Wiederaufladepunkt erreichen kann. Siehe Spalte 3, Zeilen 50–55. Im Normalbetrieb werden die Batterien von einer externen Leistungsquelle wieder aufgeladen. Frank diskutiert auch die Doppelmodus-Bremspedalbetätigung, wobei mechanische Bremsen zusätzlich zu einem regenerativen Bremsen in Eingriff gelangen, wenn das Pedal über einen vorab festgelegten Punkt durchgetreten wird.
US-Patent 5,823,280 von Lateur et al zeigt ein Parallel-Hybrid, wobei die Wellen einer Verbrennungs-Kraftmaschine und eines ersten und zweiten Elektromotors alle koaxial sind; die Maschine ist bzw. wird mit dem ersten Motor durch eine Kupplung verbunden, und der erste Motor mit dem zweiten Motor durch ein Planetengetriebe, was es den Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Motoren ermöglicht, so variiert zu werden, um sie in ihrem effizientesten Bereich zu betreiben. Siehe Spalte 4, Zeile 57 – Spalte 5, Zeile 60.
US-Patent 5,826,671 von Nakae et al zeigt ein Parallel-Hybrid, wobei Drehmoment von einer Verbrennungs-Kraftmaschine mit jenem von einem Motor in einem Planetengetriebe kombiniert wird; eine Kupplung ist dazwischen vorgesehen. Die spezifische Erfindung bezieht sich auf ein Abtasten bzw. Erfassen von Maschinen-Erwärmungsbedingungen, um eine Emission von nicht-verbranntem Kraftstoff zu limitieren und somit Emissionen zu verringern.
US-Patent 5,846,155 von Taniguchi et al zeigt ein Parallel-Hybrid, wobei Drehmoment von einer Verbrennungs-Kraftmaschine und einem Motor neuerlich in einem Planetengetriebe kombiniert wird; die spezifische Verbesserung scheint die Verwendung eines kontinuierlich variablen Getriebes zu sein.
Es wird dem Fachmann in der Technik offensichtlich sein, daß es signifikante Beschränkungen gibt, die in der Verwendung von Planetengetrieben als ein Mittel zum Verbinden unterschiedlicher Quellen, z.B. einer Verbrennungs-Kraftmaschine und eines Elektromotors, mit den Antriebsrädern eines Fahrzeugs inhärent sind, insbesondere daß, außer das Planetengetriebe ist bzw. wird effektiv verriegelt (ein Widerspruch bzw. Unsinn zu seiner Verwendung als ein kontinuierlich variables Getriebe, z.B. in dem Toyota-Fahrzeug), es zu einer additiven Kombination von Wellengeschwindigkei ten bzw. -drehzahlen, jedoch nicht des Ausgabedrehmoments fähig ist. Es ist somit der prinzipielle Vorteil des Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs, eine additive Kombination des Ausgabedrehmoments von sowohl dem Elektromotor als auch der Verbrennungs-Kraftmaschine nur verfügbar bzw. erhältlich, wenn das Planetengetriebe verriegelt ist. Diese Tatsache wird beispielsweise durch Lateur in Spalte 6, Zeile 27 erkannt.
Zusätzliche Offenbarungen von möglichem Interesse beinhalten US-Patent 5,845,731 von Buglione et al; dieses Patent wurde am 8. Dezember 1998 erteilt und ist daher nicht notwendigerweise als eine Literaturstelle gegen die Ansprüche der vorliegenden Erfindung verfügbar bzw. anwendbar. Der grundsätzliche Antriebsstrang, der in Buglione et al gezeigt ist, beinhaltet eine Verbrennungs-Kraftmaschine 12, die durch eine erste Kupplung 18 mit einem ersten Elektromotor 20 gekoppelt bzw. gekuppelt ist, mit einem zweiten Elektromotor 26 durch eine zweite Kupplung 24 gekuppelt bzw. gekoppelt ist; die Räder sind (offensichtlich, siehe Spalte 3, Zeile 8) durch den zweiten Motor 26 angetrieben. Das Gesamt-Hybrid-Betätigungsschema, das durch Buglione et al zur Verfügung gestellt ist, ist in 4 illustriert. Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann bzw. können einer oder beide Motoren verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben, wobei die Maschine ausgeschaltet ist, frei läuft oder läuft, um einen Motor als einen Generator anzutreiben. Während einem Niedriggeschwindigkeits-Fahren treibt der zweite Motor das Fahrzeug, während bei einem Hochgeschwindigkeits-Fahren die Maschine das Fahrzeug treibt. Wenn eine Beschleunigung bei hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, können die Maschine und beide Motoren verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Buglione et al deuten auch an, daß ein Getriebe variabler Übersetzung unnotwendig sein kann, Spalte 3, Zeile 9, und daß der erste Motor verwendet werden kann, um die Maschine zu starten, Spalte 4, Zeilen 8–15.
US-Patent 5,586,613 von Ehsani, welches ein "elektrisches Spitzen-Hybrid"-Fahrzeug zeigt, ist auch von Interesse. Ehsani's Fahrzeug ist in zahlreichen Ausbildungen gezeigt; in jeder ist offensichtlich eine Maschine kontinuierlich anzutreiben, wobei übermäßiges Drehmoment verwendet wird, um die Batterien zu laden, und ein oder mehrere Motor(en) verwendet wird bzw. werden, um zusätzliches Antriebs-Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wenn das Maschinen-Ausgangsdrehmoment nicht adäquat ist. Ein Getriebe ist in einigen Ausbildungen des Ehsani-Fahrzeugs vorgesehen. Eine Ausbildung, die zwei Motoren involviert, ist in 7 gezeigt und kann, wie in dem Text in Spalte 9, Zeilen 4–5 diskutiert, modifiziert werden. 7 selbst zeigt ein Antreiben eines ersten Satzes von Rädern durch eine erste "elektrische Maschine", d.h. einen Motor, der zu einem Betrieb als ein Generator fähig ist. Diese Antriebsanordnung ist unabhängig von einer zweiten Antriebsanordnung, wodurch ein zweiter Satz von Rädern durch eine Maschine angetrieben ist, die durch eine erste Kupplung mit einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist, die mit dem zweiten Satz von Rädern durch eine zweite Kupplung gekoppelt ist. Ehsani legt in Spalte 9, Zeilen 4–5 nahe, daß die Antriebswelle, die ansonsten an die erste elektrische Maschine gekoppelt ist, auch durch die Maschine angetrieben sein könnte. Obwohl es nicht explizit gemacht ist, daß die erste elektrische Maschine beizubehalten ist, scheint dies wahrscheinlich; anders würde die modifizierte Ausbildung von 7 dieselbe wie in Ehsani's 1 sein, die dahingehend modi fiziert ist, daß alle vier Räder durch eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben sind.
Diese Anmeldung diskutiert eine Anzahl von Verbesserungen gegenüber und Entwicklungen an den Hybridfahrzeugen, die in dem US-Patent 5,343,970 (das "'970 Patent") des Erfinders geoffenbart sind, welches hierin durch diese Bezugnahme aufgenommen ist. Wo Unterschiede nicht erwähnt sind, ist davon auszugehen, daß die Spezifika bzw. Merkmale des Fahrzeugdesigns, das in dem '970 Patent gezeigt ist, auf die Fahrzeuge ebenfalls anwendbar sind, die hier gezeigt sind. Die Diskussion des '970 Patents ist hier nicht gedacht, um den Rahmen der Ansprüche zu limitieren.
Allgemein gesprochen offenbart das '970 Patent Hybridfahrzeuge, wobei eine steuer- bzw. regelbare Drehmomentübertragungs-Einheit vorgesehen ist, die fähig ist, Drehmoment zwischen einer Verbrennungs-Kraftmaschine, einem Elektromotor und den Antriebsrädern des Fahrzeugs zu transferieren bzw. zu übertragen. Die Richtung eines Drehmoment-Transfers bzw. einer Übertragung ist durch einen Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt, der auf die Betriebsart des Fahrzeugs anspricht, um einen hoch effizienten Betrieb über eine weite Vielzahl von Betriebs- bzw. Betätigungsbedingungen zur Verfügung zu stellen, und während gleichzeitig eine gute Leistung zur Verfügung gestellt wird. Der Energiefluß – entweder elektrische Energie, die in einer im wesentlichen Batteriebank gespeichert ist, oder chemische Energie, die als verbrennbarer Kraft- bzw. Brennstoff gespeichert ist, wird in gleicher Weise durch den Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt.
Beispielsweise stellt gemäß dem Betriebsschema des Hybridfahrzeugs, das in dem '970er Patent geoffenbart ist, der Elektromotor bei einem Niedriggeschwindigkeits-Stadtfahren das gesamte Drehmoment, das erforderlich ist, in Antwort auf Energie zur Verfügung, die von der Batterie fließt. Im Hochgeschwindigkeits-Autobahnfahren, wo die Verbrennungs-Kraftmaschine effizient betrieben werden kann, stellt diese typischer- bzw. üblicherweise das gesamte Drehmoment zur Verfügung; zusätzliches Drehmoment kann durch den Elektromotor, falls erforderlich, für ein Beschleunigen, Bergfahren oder Überholen zur Verfügung gestellt werden. Der Elektromotor wird auch verwendet, um die Verbrennungs-Kraftmaschine zu starten, und kann als ein Generator durch eine geeignete Verbindung ihrer Wicklungen mit einem Festkörper-Mikroprozessor gesteuerten Inverter betrieben werden. Beispielsweise wird, wenn der Ladungszustand der Batteriebank relativ leer ist, z.B. nach einer längeren Zeitdauer eines lediglichen Batteriebetriebs bei einem Stadtfahren, die Verbrennungs-Kraftmaschine gestartet und fährt den Motor zwischen 50 und 100 % seiner maximalen Drehmomentausgabe, um effizient die Batteriebank zu laden. In gleicher Weise kann während eines Bremsens oder eines Bergabfahrens die kinetische Energie des Fahrzeugs in gespeicherte elektrische Energie durch ein regeneratives Bremsen umgekehrt bzw. umgewandelt werden.
Der Hybrid-Antriebsstrang, der im '970er Patent gezeigt ist, hat zahlreiche Vorteile im Hinblick auf den Stand der Technik, welche durch die vorliegende Erfindung beibehalten sind. Beispielsweise ist der elektrische Antriebsmotor mit relativ hoher Leistung ausgestattet ausgewählt, spezifisch gleich oder größer als jene der Verbrennungs-Kraftmaschine, und um hohe Drehmomentausgabe-Charakteristika bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zu besitzen; dies erlaubt, daß das konventionelle Mehrgangs-Fahrzeuggetriebe eliminiert wird. Verglichen mit dem Stand der Technik sind bzw. werden die Batteriebank, Motor/Generator und zugehörige Leistungsschaltung bei relativ hoher Spannung und relativ niedrigem Strom betrieben, was Verluste aufgrund von resistivem Heizen reduziert und eine Komponentenauswahl und Verbindung vereinfacht.
Es kann somit gesehen werden, daß, während der Stand der Technik, beinhaltend das '970er Patent klar die Erwünschtheit eines Betreibens einer Verbrennungs-Kraftmaschine in ihrem effizientesten Betriebsbereich offenbart, und daß eine Batterie vorgesehen sein kann, um Energie zu speichern, die einem Elektromotor zuzuführen ist, um die Last an der Verbrennungs-Kraftmaschine auszugleichen, ein wesentlicher Raum für eine Verbesserung verbleibt. Insbesondere ist es gewünscht, die Betriebsflexibilität eines parallelen Hybridsystems zu erhalten, während die Systembetriebs-Parameter optimiert werden und ein im wesentlichen vereinfachtes Parallel-Hybrid-System verglichen mit jenen, die im Stand der Technik gezeigt sind, zur Verfügung gestellt wird, wobei wiederum das '970er Patent mitumfaßt bzw. beinhaltet ist.
US 5,842,534 offenbart ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln des Betriebs eines Hybridfahrzeugs, welches in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Arten in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1 betreibbar ist.
JP 2-007702U offenbart ein Hybridfahrzeug mit einer Maschine, die direkt mit einem ersten Elektromotor gekoppelt ist, welcher als ein Generator verwendet ist. Die Maschine und der erste Elektromotor können über eine Kupplung mit einem zweiten Elektromotor und den Antriebsrädern eines Fahrzeugs bzw. Autos gekoppelt sein. Die Maschine wird kontinuierlich auf ihrem höchsten Effizienzpunkt betrieben.
DE 4444545 offenbart ein Hybridfahrzeug mit paralleler Verbrennungs-Kraftmaschine und Elektro-Generator-Antrieb. Ein Elektromotor kann verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben oder, wenn er von dem Fahrzeugantrieb entkoppelt ist, um die Batterie wieder aufzuladen.
Ziele der Erfindung
Es ist ein Ziel bzw. Gegenstand der Erfindung, ein verbessertes Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches eine wesentlich verbesserte Kraft- bzw. Brennstoffökonomie und reduzierte umweltverschmutzende Emissionen verglichen mit gegenwärtigen Verbrennungskraftmaschinen- und Hybridfahrzeugen realisiert, während es nicht an signifikanten Nachteilen in der Leistung, Betriebsbequemlichkeit, Kosten, Komplexität oder Gewicht leidet.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches eine wesentlich verbesserte Brennstoffökonomie und reduzierte umweltverschmutzende Emissionen, verglichen mit gegenwärtigen Verbrennungskraftmaschinen- und Hybridfahrzeugen zur Verfügung stellt, welches effizient durch einen Betreiber, der mit konventionellen Fahrzeugen vertraut ist, ohne spezielles Training betrieben werden kann, und während keinerlei Modifikation der bestehenden Infrastruktur erforderlich ist, die über die Jahre für die Unterstützung bzw. Versorgung von konventionellen Fahrzeugen entwickelt wurde.
Spezifischer ist es ein Ziel der Erfindung, ein derartiges verbessertes Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welches mit gegenwärtigen weit verbreitet verfügbarem Kraftstoff arbeitet und Batterien verwendet, die bereits gut verstanden werden und weit verbreitet verfügbar sind, so daß der Betätiger keine neuen Fahrtechniken lernen, mit neuen Kraftstoffzufuhr-Anordnungen umgehen muß, noch gezwungen ist, aufmerksam die Batterien zu warten, die komplexe neue Techniken bzw. Technologien anwenden.
Es ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Serien-Parallel-Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, wobei eine Verbrennungs-Kraftmaschine und zwei gesondert gesteuerte bzw. geregelte Elektromotoren gesondert oder gleichzeitig Drehmoment auf die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen können, die so gesteuert bzw. geregelt sind, um eine maximale Kraftstoffeffizienz bzw. -nutzung bei keinem Nachteil für die Bequemlichkeit, Leistung oder Kosten zu realisieren.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein -Serien-Parallel-Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, umfassend zwei Elektromotoren, die gemeinsam eine Ausgabeleistung gleich wenigstens 100 Prozent der Nenn-Ausgabeleistung der Verbrennungs-Kraftmaschine liefern, und noch bevorzugter bis zu etwa 150–200 Prozent davon, so daß die Maschine unter im wesentlichen optimalen Bedingungen arbeitet, um eine im wesentlichen Kraftstoffökonomie bzw. -wirtschaftlichkeit und eine reduzierte Emission von unerwünschten Verunreinigungen beim Betrieb zu realisieren.
Spezifischer ist es ein Ziel der Erfindung, ein Serien-Parallel-Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, wobei die Verbrennungs-Kraftmaschine dimensioniert ist, um effizient die mittlere bzw. durchschnittliche Leistung zur Verfügung zu stellen, die für einen Betrieb bei moderaten und Autobahn-Geschwindigkeiten erforderlich ist, mit zwei gesondert gesteuerten bzw. geregelten Elektromotoren, die gemeinsam dimensioniert sind, um die zusätzliche Leistung zu liefern, die für eine Beschleunigung und ein Bergfahren erforderlich ist.
Es ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein Serien-Parallel-Hybrid-Elektro-Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, wobei der Elektromotor und Batterieladeschaltungen bei nicht mehr als etwa 30–50 Ampere kontinuierlichem Strom arbeiten (obwohl signifikant größere Ströme für kurze Zeit unter Spitzenlastbedingungen fließen können), wodurch die Widerstandsheizverluste stark reduziert sind, und wodurch eine billige und einfache elektrische Herstellung und Anschluß- bzw. Verbindungstechniken angewandt werden können.
Es ist ein spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Hybridantriebssystem für Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen, welches nicht die steuer- bzw. regelbare Drehmoment-Transfereinheit bzw. -Übertragungseinheit erfordert, die in dem '970er Patent gezeigt ist, während die funktionellen Vorteile des Hybridfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, das in dem '970er Patent gezeigt ist.
Es ist ein weiterer spezifischer Gegenstand der Erfindung, eine Steuer- bzw. Regelstrategie zur Verfügung zu stellen, welche den Hybrid-Antriebsstrang steuert bzw. regelt, um differenziert bzw. verschieden auf gegebene, momentane Steuer- bzw. Regeleingaben in Abhängigkeit von kürzlichen Steuer- bzw. Regeleingaben zu antworten, um beispielsweise zwischen einem vorsichtigen bzw. sanften und einem aggressiven Drücken bzw. Niedertreten des Gas- bzw. Beschleunigungspedals durch den Betätiger zu unterscheiden.
Es ist ein spezifischerer Gegenstand der Erfindung, die Steuer- bzw. Regelflexibilität anzuwenden, die durch den verbesserten Hybrid-Antriebsstrang der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, um ein Starten der Maschine bei vergleichsweise hohen Umdrehungszahlen zu ermöglichen, während die Kraftstoff/Luft-Mischung gesteuert bzw. geregelt wird, die während dem Starten zugeführt wird, die Maschine gedrosselt wird, und ein vorerhitzter katalytischer Wandler bzw. Katalysator zur Verfügung zu gestellt wird, die Emission von nicht verbrannten Kraftstoff minimiert wird und weiters die Kraftstoffökonomie verbessert wird.
Es ist ein noch spezifischerer Gegenstand der Erfindung, die Steuer- bzw. Regelflexibilität anzuwenden bzw. einzusetzen, die durch den verbesserten Hybrid-Antriebsstrang der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, um eine Ver- bzw. Anwendung eines Motors zu ermöglichen, der ein im wesentlichen konstantes Drehmoment bis zu einer Basisgeschwindigkeit bzw. -drehzahl ausbildet, und eine im wesentlichen konstante Leistung danach, wenn die Maschine den Motor startet, so daß ein Drehmoment, das dabei ausgebildet bzw. erzeugt wird, auch zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann.
Andere Aspekte und Ziele der Erfindung werden im Verlaufe der unten stehenden Diskussion offensichtlich werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Wie oben diskutiert, offenbart das '970er Patent Hybridfahrzeuge, wobei eine steuer- bzw. regelbare Drehmoment-Übertragungseinheit zur Verfügung gestellt ist bzw. wird, die fähig ist, ein Drehmoment zwischen einer Verbrennungs-Kraftmaschine, einem Elektromotor und den Antriebsrädern des Fahrzeugs zu übertragen. Siehe 3–11 davon. Die Richtung des Drehmomenttransfers bzw. der -übertragung ist bzw. wird durch einen Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt, der auf die Art bzw. den Modus des Betriebs des Fahrzeugs anspricht, um einen hoch effizienten Betrieb über eine große Vielzahl von Betriebsbedingungen zur Verfügung zu stellen, und während eine gute Leistung zur Verfügung gestellt wird. Der Energiefluß – entweder elektrische Energie, die in einer im wesentlichen Batteriebank gespeichert ist, oder chemische Energie, die als verbrennbarer Kraftstoff gespeichert ist – ist in ähnlicher Weise durch den Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die steuer- bzw. regelbare Drehmoment-Übertragungseinheit, die in dem '970er Patent gezeigt ist, eliminiert bzw. entfernt, indem der einzige Elektromotor, der darin gezeigt ist, durch zwei gesonderte Motoren ersetzt ist, die beide als Generatoren und als Fahr- bzw. Traktionsmotoren betreibbar sind, wenn dies passend bzw. geeignet ist. Siehe 3 und 4 davon. Die Maschine ist mit den Antriebsrädern durch eine Kupplung verbunden, die durch den Mikroprozessor betätigt ist, welcher auf die Art des Fahrzeugsbetriebs und auf eingegebene bzw. Eingabebefehle anspricht, die durch den Betätiger des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden. Wie in dem '970er Patent ist bzw. wird eine Verbrennungs-Kraftmaschine zur Verfügung gestellt, die so dimensioniert ist, um ausreichend Drehmoment zu liefern bzw. zur Verfügung zu stellen, um für den Bereich der Fahrgeschwindigkeiten adäquat zu sein, die gewünscht sind, und wird verwendet zum Batterieladen, falls dies erforderlich ist. Ein "Fahr"- bzw. "Traktions"-Motor relativ hoher Leistung ist direkt mit der Abtriebswelle des Fahrzeugs verbunden; der Fahrmotor stellt Drehmoment zur Verfügung, um das Fahrzeug in Niedriggeschwindigkeits-Situationen anzutreiben, und stellt zusätzliches Drehmoment zur Verfügung, wenn dies erforderlich ist, beispielsweise zum Beschleunigen, Überholen, oder Bergfahren während eines Hochgeschwindigkeitsfahrens usw.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Startermotor relativ niedriger Leistung zur Verfügung gestellt und kann verwendet werden, um Drehmoment zur Verfügung zu stellen, welches das Fahrzeug antreibt, wenn dies erforderlich ist. Dieser zweite Motor ist direkt mit der Verbrennungs-Kraftmaschine zum Starten der Maschine verbunden. Anders als ein üblicher Startermotor, welcher eine Verbrennungs-Kraftmaschine bei niedriger Drehzahl dreht (z.B. 60–200 U/min), um zu starten, wobei dies ein Vorsehen einer reichen bzw. angereicherten Kraftstoff/Luft-Mischung zum Starten erfordert, dreht der Startermotor gemäß der vorliegenden Erfindung die Maschine bei relativ hohen Drehzahlen, z.B. 300 U/min zum Starten; dies erlaubt ein Starten der Maschine mit einer bedeutend kraftstoffärmeren Kraftstoff/Luft-Mischung als dies üblich ist, was signifikant unerwünschte Emissionen reduziert und die Kraftstoffökonomie beim Start verbessert. Ein katalytischer Wandler, der zur Verfügung gestellt ist, um katalytisch nicht verbrannten Kraftstoff in dem Maschinenauspuff zu zersetzen bzw. zu verbrennen, ist bzw. wird auf eine effektive Arbeitstemperatur vor einem Starten der Maschine vorgeheizt, wobei dies weiters Emissionen verringert.
In der im Detail diskutierten Ausbildung ist der Startermotor direkt mit der Maschine verbunden und diese Kombination ist verbunden mit dem Fahrmotor durch eine Kupplung für einen Transfer eines Drehmoments; die Abtriebswelle des Fahrmotors ist dann mit den Straßenrädern des Fahrzeugs verbunden. In anderen Ausbildungen kann die Maschinen/Startermotor-Kombination mit einem ersten Satz von Straßenrädern durch eine Kupplung verbunden sein, wobei der Fahrmotor mit einem anderen Satz von Straßenrädern direkt verbunden ist; in einer weiteren Ausbildung können mehrere Fahrmotoren zur Verfügung gestellt sein. In jedem Fall ist die Maschine steuer- bzw. regelbar von den Straßenrädern durch eine Steuerung bzw. Regelung der Kupplung getrennt. Ein Eingriff der Kupplung ist bzw. wird durch den Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt, z.B. Steuern bzw. Regeln eines elektrischen oder hydraulischen Stellglieds bzw. einer Betätigungsvorrichtung, das (die) auf den Zustand einer Betätigung bzw. eines Betriebs des Fahrzeugs und die gegenwärtige Betätigereingabe anspricht.
Beispielsweise während dem Niedriggeschwindigkeits-Betrieb wird die Kupplung außer Eingriff gebracht, so daß die Maschine von den Rädern gelöst ist; das Fahrzeug wird dann als ein "unmittelbares" Elektroauto betrieben, d.h., Leistung wird aus der Batteriebank entnommen und zu dem Fahrmotor zugeführt. Sollten die Batterien relativ entladen werden (z.B. auf 50 % einer vollen Ladung entladen werden), wird der Startermotor verwendet, um die Verbrennungs-Kraftmaschine zu starten, welche dann bei hoher Drehmomentausga be läuft (z.B. zwischen 50–100 % ihres maximalen Drehmoments) für eine effiziente Verwendung von Kraftstoff und der Startermotor wird als ein Hochausgabegenerator betrieben, um die Batteriebank wieder aufzuladen.
In gleicher Weise startet, wenn der Betätiger mehr Leistung anfordert als von dem Fahrmotor allein verfügbar ist, z.B. bei einem Beschleunigen auf einer Autobahn, startet der Startermotor die Verbrennungs-Kraftmaschine; wenn sie eine Motordrehzahl erreicht, bei welcher sie ein verwendbares Drehmoment produziert, gelangt die Kupplung in Eingriff, so daß die Maschine und der Startermotor zusätzliches Drehmoment zur Verfügung stellen können. Wie oben erwähnt, wird die Maschine bei relativ hoher Drehzahl zum Starten gedreht, so daß die Maschine schnell eine verwendbare Drehzahl erreicht.
Wie in dem '970er Patent ist die Maschine so dimensioniert, daß sie ausreichend Leistung zum Aufrechterhalten des Fahrzeugs in einem Bereich von geeigneten Autobahn-Fahrgeschwindigkeiten zur Verfügung stellt, während sie in einem Drehmomentbereich betrieben wird, um eine gute Kraftstoffeffizienz zur Verfügung zu stellen; wenn zusätzliche Leistung dann erforderlich ist, z.B. zum Bergauffahren oder Überholen, können der Fahr- und/oder Startermotor in Eingriff gebracht werden, falls dies erforderlich ist. Beide Motoren können als Generatoren betrieben werden, z.B. um die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Leistung während eines Bergabfahrens oder eines Verzögerns zu transformieren. Ebenso wie in dem '970er Patent ist die Spitzenleistung der zwei Motoren gemeinsam wenigstens gleich der Nennleistung der Maschine, wie dies notwendig ist, um eine gute Leistung ohne Anwenden bzw. Verwenden eines Getriebes mit variablen Gängen oder dem Äquivalent zur Verfügung zu stellen.
In jedem dieser Aspekte des Betriebs des Fahrzeugs und wie in dem '970er Patent muß der Betätiger des Fahrzeugs nicht die Hybridart des Fahrzeugs während seines Betriebs berücksichtigen, sondern stellt einfach Steuer- bzw. Regeleingaben durch eine Betätigung des Beschleunigungs- und Bremspedals zur Verfügung. Der Mikroprozessor bestimmt den geeigneten Zustand eines Betriebs des Fahrzeugs, basierend auf diesen und anderen Eingaben und steuert bzw. regelt die verschiedenen Komponenten des Hybrid-Antriebsstrang entsprechend.
Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, einen oder beide Motoren, bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen als die Maschine zu betreiben, so daß jeder betreffend die dafür bestehenden Anforderungen optimiert werden kann. Spezifischer können Motoren allgemein kleiner gemacht werden, wenn sie bei relativ hohen Umdrehungszahlen betrieben werden können. Motoren, die bei 9000–18,000 U/min arbeiten, scheinen für die vorliegende Anwendung geeignet. Jedoch würde ein Betreiben der Verbrennungs-Kraftmaschine bei dieser Drehzahl wahrscheinlich zu unerwünschten Niveaus eines Geräusches und einer Vibration führen; und könnte ihre Leistungscharakteristika in einer unerwünschten Weise beschränken bzw. verschlechtern. Dementsprechend kann beispielsweise der Startermotor die Maschine durch ein Ritzel antreiben, welches einem größeren gezahnten Schwungrad, wie normal, kämmt. In gleicher Weise kann es wünschenswert sein, den Fahrmotor als eine Einheit relativ hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zur Verfügung zu stellen, welche die Straßenräder durch eine Ketten-, Band- bzw. Riemen- oder Getriebereduktions- bzw. Untersetzungseinheit antreibt. In der gegenwärtig bevorzugten Ausbildung ist der Startermotor als ein "Flachbahn-" oder "Scheibenläufer"-Motor konfiguriert, der im wesentlichen das Schwungrad der Maschine ausbildet und bei Maschinendrehzahl rotiert, während der Fahrmotor ein Induktionsmotor mit bedeutend höherer Drehzahl ist, der mit der Fahrzeug-Antriebswelle durch eine Kettenantriebs-Reduktionseinheit verbunden ist. Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie es oben festgehalten wurde, die Maschine und die zwei Motoren bei derselben Drehzahl zu betreiben, wenn die Kupplung in Eingriff ist, was Vorgelege- bzw. Zwischengetriebezüge und ähnliche mechanische Komponenten und die begleitenden Kosten, Komplexität, Gewicht, hörbaren Geräusche und Reibungsverluste vermeidet, die durch ihre Verwendung bewirkt werden.
Jedoch sind in allen Fällen die Drehzahlen der zwei Motoren und der Maschine in bezug aufeinander und auf die Drehzahl der Straßenräder festgelegt; keine Mehrfachgang-Getriebe zwischen den Motoren und der Maschine und den Straßenrädern sind durch den Hybrid-Antriebsstrang der Erfindung erforderlich.
Andere Verbesserungen, die gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt sind, beinhalten ein Bereitstellen der Batterien von in zwei Serien verbundenen bzw. angeschlossenen Batteriebänken, wobei das Fahrzeugchassis mit den Batterien an einem zentralen Punkt zwischen den Bänken verbunden ist. Dieses Verbindung am "zentralen Punkt des Chassis" reduziert die Spannung zwischen verschiedenen Schaltkreisen bzw. Schaltungskomponenten und dem Fahrzeug-Chassis bzw. der Fahrzeugkarosserie um die Hälfte, was signifikant die elektrische Isolation, die erforderlich ist, reduziert und derartige Gegenstände, wie Wärmesenken von Leistungshalbleitern vereinfacht, die in der Inverterschaltung verwendet sind. Ein Bereitstellen von zwei Batteriebänken und doppelten bzw. zwei Elektromotoren, wie oben, stellt auch einen Grad an Redundanz zur Verfügung, welche ein Versagen von bestimmten Komponenten ohne Verlust einer Fahrzeugfunktion ermöglicht.
In der bevorzugten Ausbildung sind sowohl der Fahr- als auch Startermotor Wechselstrom-Induktionsmotoren von vier oder mehr Phasen und die begleitende Leistungsschaltung stellt Strom von mehr als drei, vorzugsweise fünf Phasen zur Verfügung, was es dem Fahrzeug ermöglicht, selbst nach einem Versagen von einer oder mehreren Komponente(n) zu funktionieren. Diese Motoren und die Inverter/Ladeeinheiten, die diese antreiben, sollten so gewählt und betätigt werden, daß die Motoren Drehmomentausgabe-Charakteristika besitzen, die als eine Funktion der Umdrehungszahl variieren, wie dies in 14 des '970er Patents illustriert ist; d.h. die Motoren sollten ein im wesentlichen konstantes Drehmoment bis zu einer Basisgeschwindigkeit bzw. -drehzahl produzieren und sollten im wesentlichen konstante Leistung bei höheren Geschwindigkeiten produzieren. Das Verhältnis der Basis- zu der Maximaldrehzahl kann zwischen etwa 3 und 1 und etwa 6 bis 1 variieren. Im Vergleich stellen die seriengewickelten DC-Motoren bzw. Gleichstrommotoren, die üblicherweise als Maschinen-Startermotoren verwendet werden, ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung, jedoch nur sehr geringe Drehzahl; ihre Drehmomentausgabe fällt momentan bei höheren Drehzahlen ab. Derartige konventionelle Startermotoren würden in dem vorliegenden System nicht zufriedenstellend sein.
Während eines Betriebs in einem im wesentlichen gleichbleibenden Zustand, z.B. während einer Fahrt auf einer Autobahn, betreibt das Steuer- bzw. Regelsystem die Maschine bei variierenden Drehmoment-Ausgabeniveaus in Antwort auf Befehle des Betreibers bzw. Betätigers. Der Bereich von zulässigen Maschinendrehmoment-Ausgabeniveaus ist auf den Bereich beschränkt, in welchem die Maschine eine gute Kraftstoffeffizienz liefert. Wo die Fahrzeug-Drehmomenterfordernisse die maximale effiziente Drehmomentausgabe der Maschine übersteigen, z.B. während eines Überholens oder eines Bergauffahrens, werden einer oder beide der Elektromotoren mit Energie versorgt, um zusätzliches Drehmoment zu liefern; wo die Fahrzeug-Drehmomenterfordernisse weniger als das minimale Drehmoment sind, das effizient durch die Maschine zur Verfügung gestellt wird, z.B. während eines Leerlauffahrens, Bergabfahrens oder während eines Bremsens, wird das überschüssige Maschinendrehmoment verwendet, um die Batterien zu laden. Ein regeneratives Laden kann gleichzeitig ausgeführt werden, wenn bzw. da Drehmoment von der Maschine und die kinetische Energie des Fahrzeugs beide entweder einen oder beide Motoren im Generatormodus antreiben. Die Änderungsgeschwindigkeit bzw. -rate des Drehmoments, das durch die Maschine ausgegeben bzw. abgegeben wird, kann in Übereinstimmung mit dem Batterieladungszustand gesteuert bzw. geregelt werden.
Das Fahrzeug wird auf unterschiedliche Arten in Abhängigkeit von seinen momentanen Drehmoment-Erfordernissen und dem Zustand einer Ladung der Batterie und anderen Betriebsparametern betrieben. Die Art bzw. der Modus des Betriebs wird durch den Mikroprozessor ausgewählt in Antwort auf eine Steuer- bzw. Regelstrategie, die unten im Detail dis kutiert werden wird; die Werte der erfaßten Parameter, in Antwort auf welche der Betriebsmodus gewählt wird, kann in Abhängigkeit von der kürzlichen Vergangenheit oder nach einer Analyse durch den Mikroprozessor von täglich wiederholten Fahrten variieren, und kann auch eine Hysterese zeigen, so daß der Betriebsmodus nicht wiederholt einfach umgeschaltet wird, da einer der erfaßten Parameter um einen definierten festgelegten bzw. Einstellpunkt fluktuiert.
Die obigen und noch weitere Ziele bzw. Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung einer spezifischen Ausbildung davon offensichtlich werden, insbesondere wenn sie gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wird, wobei gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren verwendet werden, um ähnliche bzw. gleiche Komponenten zu bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird besser verstanden, wenn auf die beiliegenden Zeichnungen bezug genommen wird, in welchen:
1 ein Ausdruck von abgegebener bzw. Ausgabeleistung gegenüber Drehzahl (U/min) für eine typische Verbrennungs-Kraftmaschine ist, die einen relativen Kraftstoffverbrauch der Maschine in Gallonen/PS-Stunde zeigt, wie sie in einem konventionellen Automobil verwendet wird;
2 ein analoger Ausdruck ist, der einen Betrieb einer relativ kleinen Verbrennungs-Kraftmaschine zeigt, die in der vorliegenden Erfindung unter Umständen ähnlich zu den in 1 gezeigten verwendet wird;
3 ein schematisches Diagramm der prinzipiellen Komponenten einer ersten Ausbildung des Hybridfahrzeug-Antriebssystem gemäß der Erfindung zeigt;
4 ein Blockdiagramm der prinzipiellen bzw. Hauptkomponenten des Antriebssystems der Erfindung in einer zweiten Ausbildung zeigt, welche sich in bestimmten mechanischen Anordnungen von jener von 3 unterscheidet, und verschiedene Steuer- bzw. Regelsignale illustriert, die in beiden Ausbildungen zur Verfügung gestellt sind;
5 ein teilweises schematisches Diagramm der Batteriebank, des Inverters und der Motorschaltung zeigt;
6 ein Diagramm ist, das unterschiedliche Arten des Fahrzeugs-Antriebsstrangs-Betriebs zeigt, das auf einer dreidimensionalen Darstellung gedruckt ist, die illustriert, daß die Art eines Fahrzeugbetriebs eine Funktion des Ladungszustands der Batteriebank, der momentanen Straßenlast und der Zeit ist;
7, welche 7(a)–(c) umfaßt und sich über zwei Blätter erstreckt, ein Zeit-Diagramm ist, das Straßenlast, Maschinen-Drehmomentausgabe, den Ladungszustand der Batteriebank und einen Maschinenbetrieb als Funktion der Zeit zeigt, wodurch eine typische Steuer- bzw. Regelstrategie illustriert wird, die während eines Langsamgeschwindigkeits-Stadtfahrens, Autobahnfahrens und Fahrens mit erstreckter erhöhter Last verwendet wird;
8, welche 8(a)–(d) umfaßt, Diagramme sind, die den Fluß von Drehmoment und von Energie unter den Komponenten des Hybrid-Antriebsstrangs der Erfindung in verschiedenen Arten des Betriebs zeigt;
9 ein vereinfachtes Flußdiagramm des Algorithmus ist, welcher durch den Mikroprozessor angewandt bzw. verwendet wird, um die Kontroll- bzw. Steuer- bzw. Regelstrategien zu implementieren, die durch das Fahrzeug gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt sind;
9(a) ein Flußdiagramm einer Maschinenstart-Subroutine ist, welche in dem Flußdiagramm von 9 angewandt wird;
9(b) eine abgeänderte Version von einem der Schritte des Flußdiagramms von 9 ist, welche eine Modifikation an der Fahrzeugsteuer- bzw. Regelstrategie implementiert;
9(c) eine alternative Version eines anderen der Schritte des Flußdiagramms von 9 ist, die in gleicher Weise eine Modifikation an der Fahrzeugsteuer- bzw. Regelstrategie implementiert;
10 die bevorzugten Drehmoment-gegen-Geschwindigkeits-Charakteristika des elektrischen Starter- und Fahrmotors und der Verbrennungs-Kraftmaschine zeigt;
11 ein schematisches Diagramm ähnlich zu 3 ist, das eine alternative Ausbildung des Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs gemäß der Erfindung illustriert, wobei die Maschine mit einem Turbolader versehen ist, welcher steuer- bzw. regelbar betreibbar ist, so daß er nur angewandt wird, wenn dies erforderlich ist;
12 ein dreidimensionales Diagramm vergleichbar mit 6 ist, welches die Arten eines Betriebs des turbogeladenen Hybridfahrzeugs von 11 zeigt; und
13 ein Zeitdiagramm ähnlich zu 7 ist, das neuerlich 13(a)–(c) umfaßt, die sich über zwei Blätter erstrecken, und eine typische Arbeitsweise des turbogeladenen Hybridfahrzeugs von 11 illustrieren.
Beschreibung der bevorzugten Ausbildungen
Indem spezifisch auf 1 Bezug genommen wird, welche hier aus dem '970er Patent der Bequemlichkeit halber reproduziert ist, repräsentiert Kurve 10 die abgegebene bzw.
Ausgabeleistung gegenüber Maschinendrehzahl (U/min) einer typischen funkengezündeten Diesel-Verbrennungs-Kraftmaschine, wie sie mit einem Automatikgetriebe in einem typischen Sedan bzw. Fahrzeug mit 3.300 Pfund verwendet wird. Wie dies gesehen werden kann, ist die maximal verfügbare Leistung etwa 165 PS bei etwa 5.000 U/min. Ebenfalls in 1 durch Kurve 12 gezeigt sind die mittleren bzw. durchschnittlichen Leistungserfordernisse eines derartigen Fahrzeugs. Punkte C, S und H auf Kurve 12 zeigen einen mittleren Kraftstoffverbrauch in der Stadt, im Freiland bzw. beim Autobahnfahren. Punkt C auf Kurve 12 zeigt, daß die mittlere erforderliche Leistung beim typischen Stadtfahren weniger als 5 PS ist. Punkt S zeigt, daß die mittlere Leistung, die beim Landstraßenfahren verbraucht wird, 10 PS ist, und Punkt H zeigt, daß die Leistung, die für das Autobahnfahren bei gleichbleibender Geschwindigkeit erforderlich ist, nur etwa 30 PS ist. So ist das Fahrzeug verschwenderisch übermäßig mit Leistung zu allen Zeiten mit Ausnahme während eines Beschleunigens oder Bergfahrens ausgestattet.
1 umfaßt bzw. beinhaltet auch Kurven mit gepunkteter Linie, die den relativen Kraftstoffverbrauch der Maschine zeigen. Wie dies gesehen werden kann, wird eine vernünftige Kraftstoffeffizienz, d.h. weniger als etwa 105 Prozent relativer Kraftstoffverbrauch (wobei 100 % ideal sind) nur dann erreicht, wenn die Maschine zwischen etwa 2.000 und 4.000 U/min betrieben wird und wenn sie zwischen etwa 75 und 150 PS produziert. 1 zeigt somit, daß die typische Verbrennungs-Kraftmaschine mit vernünftiger Effizienz nur dann betrieben wird, wenn sie zwischen etwa 50 und etwa 90 % ihrer maximalen Ausgabeleistung erzeugt. Das typische Automobil erfordert derartige wesentliche Leistung nur un ter Bedingungen von extremer Beschleunigung oder von Bergauffahren.
Dementsprechend wird erkannt bzw. geschätzt werden, daß die typische Maschine nur während relativ kurzer Intervalle effizient betrieben wird; spezifischer verbrauchen bei niedrigen Leistungsabgaben Verluste aufgrund von Reibung und Pumpen größere Anteile des gesamten Drehmoments der Maschine, so daß ein niedrigerer Anteil verfügbar ist, um das Fahrzeug anzutreiben. Wie dies gesehen werden kann, ist bei einem typischen Autobahnfahren, welches durch Punkt H auf Kurve 12 gezeigt ist, der relative Kraftstoffverbrauch in der Größenordnung von 190 Prozent von jenem, welcher während dem effizientesten Betrieb der Maschine erforderlich ist. Die Situation ist noch schlechter im Landstraßenfahren, wo der relative Brennstoffverbrauch nahe 300 Prozent des effizientesten Werts ist, und beim Stadtfahren, wo der relative Brennstoffverbrauch nahezu 350 Prozent von jenem ist, der für den effizientesten Betrieb erforderlich ist.
1 zeigt somit, daß eine Verbrennungs-Kraftmaschine, die ausreichend Pferdestärken für eine adäquate Beschleunigung und für eine Bergauffahr-Tätigkeit besitzt, in bezug auf die Lasten, die während dem meisten normalen Antreiben in Betracht gezogen sind, derart überdimensioniert sein muß, daß die Maschine in ihrem Kraftstoffverbrauch stark ineffizient ist. Wie festgehalten, zeigt 1 weiters, daß nur etwa 30 Pferdestärken für ein Fahren auf der Autobahn selbst in einem relativ großen Auto erforderlich sind.
2 (wiederum aus dem '970er Patent der Einfachheit halber reproduziert) ist ähnlich zu 1 und illustriert die Betriebscharakteristika desselben Autos mit 3.300 Pfund, wenn es mit einer relativ kleinen Maschine betrieben wird, die eine maximale Pferdestärken-Nennleistung von etwa 45 PS bei 4.000 U/min besitzt. Das Leistungserfordernis des Fahrzeugs während eines Autobahnfahrens, das durch Punkt H auf Kurve 14 gezeigt ist, ist in dem Zentrum des effizientesten Betriebsbereichs der Maschine. Jedoch besteht, selbst bei dieser kleinen Maschine, die somit für ein Autobahnfahren optimiert ist, ein wesentlicher Spalt zwischen der Maschinenbetriebs-Leistungslinie 16 und der Linie 14 eines mittleren Leistungs-Erfordernisses. D.h., selbst diese kleine Maschine erzeugt wesentlich mehr Leistung bei niedriger Drehzahl, als dies für ein Stadtfahren (Punkt C) oder ein Landstraßenfahren (Punkt S) erforderlich ist. Dementsprechend verbleiben, selbst bei einer kleinen Maschine, welche für ein Autobahnfahren geeignet dimensioniert ist, wesentliche Ineffizienzen bei niedrigeren Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten. Darüber hinaus wird ein derartiges Fahrzeug eine nicht zufriedenstellende Beschleunigung und Bergauffahr-Fähigkeit besitzen. Daher ist die Antwort nicht einfach, große Verbrennungs-Kraftmaschinen durch kleinere Verbrennungs-Kraftmaschinen zu ersetzen.
Der Stand der Technik erkennt, daß es wesentliche Vorteile zu erzielen gibt, indem die Merkmale bzw. Vorteile einer Diesel- und einer anderen Verbrennungs-Kraftmaschine mit jenen eines Elektromotors kombiniert werden, der durch eine Batterie läuft, die durch die Verbrennungs-Kraftmaschine geladen wird. Jedoch hat der Stand der Technik versagt, eine Lösung zur Verfügung zu stellen, welche direkt preis- und leistungskonkurrenzfähig mit Fahrzeugen ist, welche gegenwärtig auf dem Markt sind; darüber hinaus muß, damit ein derartiges Fahrzeug kommerziell erfolgreich sein kann, es auch nicht komplexer zu betreiben sein als bestehende Fahrzeuge.
Wie dies oben angedeutet wurde, haben "unmittelbare" Elektrofahrzeuge, d.h. Fahrzeuge, die elektrische Fahrmotoren und Batterien besitzen, die eine Wiederaufladung am Ende von jeder Tagesbenutzung erfordern, keinen ausreichenden Bereich und erfordern zu viel Zeit zum Wiederaufladen, um vollständig konventionelle Autos zu ersetzen. Weiters sind die Betriebskosten von derartigen Fahrzeugen nicht konkurrenzfähig mit mit Verbrennungs-Kraftmaschinen betriebenen Fahrzeugen, die mit Kraftstoffen betrieben werden, die von erneuerbaren Ressourcen, wie beispielsweise Ethanol abgeleitet sind, und sind noch weniger konkurrenzfähig mit dieselbetriebenen Autos.
Eine erste Art von Serien-Hybrid-Fahrzeugen, die eine Dieselmaschine umfassen, die einen Generator treibt, der eine Batterie lädt, die einen Elektro-Fahrmotor treibt, ist in einer Beschleunigungs- und Bergauffahr-Fähigkeit beschränkt, außer der Elektromotor ist sehr groß, teuer und voluminös ausgebildet. Die alternative Serien-Hybrid-Näherung, die eine Übertragung bzw. ein Getriebe zwischen einen relativ kleineren Elektromotor und den Rädern involviert, und das für ein schnelles Beschleunigen erforderliche Drehmoment zur Verfügung zu stellen, verliert den Vorzug von Einfachheit, der durch eine Eliminierung eines Mehrgang-Getriebes erhalten wurde. Diese Fahrzeuge versagen, die Vorteile zu realisieren, die durch das Parallel-Hybrid-System zur Verfügung gestellt sind, in welchem sowohl eine Verbrennungs-Kraftmaschine als auch ein Elektromotor-Drehmoment für die Räder, sofern erforderlich, zur Verfügung stellen.
Jedoch (abweichend von dem '970er Patent) versagt der Stand der Technik betreffend Parallel-Hybrid-Fahrzeuge ein System zu offenbaren, welches ausreichend einfach für eine ökonomische Herstellung ist. Die Technik hat weiters versagt beim Lehren des optimalen Betriebsverfahrens eines Parallel-Hybrid-Fahrzeugs. Darüber hinaus lehrt die Technik betreffend Parallel-Hybride (neuerlich abweichend von dem '970er Patent) nicht die geeigneten Betriebsparameter, die anzuwenden sind, betreffend die relativen Leistungsausgaben der Verbrennungs-Kraftmaschine und des Elektromotors; die Art des anzuwendenden Elektromotors; die Frequenz-Spannungs- und Stromcharakteristika des Motor/Batterie-Systems; die geeignete Steuer- bzw. Regelstrategie, die unter verschiedenen Bedingungen einer Verwendung anzuwenden ist; und Kombinationen davon.
Wie dies in dem '970er Patent unter Bezugnahme auf 1 und 2 davon gezeigt ist, und neuerlich wie oben, arbeiten typische moderne Autos bei sehr niedriger Effizienz, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, daß Verbrennungs-Kraftmaschinen sehr ineffizient sind mit Ausnahme, wenn sie nahe ihrer Spitzendrehmoment-Ausgabe arbeiten; diese Bedingung ist nur sehr selten erfüllt. (Dasselbe gilt in größerem oder kleinerem Ausmaß für andere Straßenfahrzeuge, die durch Verbrennungs-Kraftmaschinen angetrieben sind). Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung des '970er Patents wird eine wesentlich verbesserte Effizienz beim Betrieb der Verbrennungs-Kraftmaschine nur bei relativ hohen Drehmoment-Ausgabeniveaus bzw. -pegeln erreicht, typischerweise wenigstens 35 % und vorzugsweise wenigstens 50 % des Spitzendrehmoments. Wenn die Fahrzeugsbetriebsbedingungen Drehmomente von dieser ungefähren Größe bzw. Größenordnung er fordern, wird die Maschine verwendet, um das Fahrzeug anzutreiben; wenn weniger Drehmoment erforderlich ist, treibt ein Elektromotor, der durch elektrische Energie angetrieben ist, die in einer im wesentlichen Batteriebank gespeichert ist, das Fahrzeug; wenn mehr Leistung erforderlich ist, als entweder durch die Maschine oder den Motor zur Verfügung gestellt wird, werden beide gleichzeitig betrieben. Dieselben Vorteile werden durch das System gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt, wobei weitere Verbesserungen und Ergänzungen unten im Detail beschrieben sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung des '970er Patents ist die Verbrennungs-Kraftmaschine eines Hybridfahrzeugs dimensioniert, um adäquate Leistung für ein Autobahnfahren, vorzugsweise mit einiger Zusatzleistung in Reserve, zur Verfügung zu stellen, so daß die Verbrennungs-Kraftmaschine nur in ihrem effizientesten Betriebsbereich arbeitet. Der Elektromotor, welcher im wesentlichen gleich effizient bei allen Betriebsgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen ist, wird verwendet, um zusätzliche Leistung, falls erforderlich, für eine Beschleunigung und ein Bergauffahren zur Verfügung zu stellen, und wird verwendet, um alle Leistung bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zur Verfügung zu stellen, wo die Verbrennungs-Kraftmaschine insbesondere ineffizient ist, z.B. im Verkehr.
Wie dies oben angedeutet ist, offenbart diese Anmeldung bestimmte Modifikationen, Verbesserungen und Ergänzungen bzw. Weiterbildungen der Hybridfahrzeuge, die in dem US-Patent 5,343,970 des Erfinders gezeigt sind; wo, wenn nichts anderes ausgeführt ist, das Design des Fahrzeugs der vorliegenden Erfindung ähnlich zu jenem ist, das in dem '970er Patent gezeigt ist. Komponenten, die in dieser Anmeldung und dem '970er Patent gleich bezeichnet bzw. numeriert sind, sind funktionell ähnlich in den entsprechenden Systemen, wobei Detailunterschiede wie festgehalten sind. Die Vorteile des Systems, die in dem '970er Patent in bezug auf dem Stand der Technik gezeigt sind, werden auch mit jenem der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt, wobei weitere Verbesserungen durch die Letztere zur Verfügung gestellt sind, wie dies hier detailliert wird.
In dem System des '970er Patents wird Drehmoment von einem oder beiden der Maschine und dem Motor auf die Antriebsräder des Fahrzeugs durch eine seuer- bzw. regelbare Drehmoment-Übertragungseinheit transferiert bzw. übertragen. Diese Einheit erlaubt es auch, Drehmoment zwischen dem Motor und der Maschine zu übertragen, um die Maschine zu starten, und zwischen den Rädern und dem Motor für ein regeneratives Batterieladen während eines Verzögerns bzw. Abbremsens des Fahrzeugs. Diese Einheit, obwohl sie vollständig praktisch ist, umfaßt Ritzel bzw. Getriebe für einen Leistungstransfer, welche unvermeidbar eine Quelle von hörbaren Geräuschen und Reibungsverlusten sind. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die steuer- bzw. regelbare Drehmoment-Übertragungseinheit eliminiert. Stattdessen sind bzw. werden zwei Elektromotoren zur Verfügung gestellt, die jeweils gesondert durch eine Mikroprozessor-Steuer- bzw. -Regeleinheit gesteuert bzw. geregelt sind, die auf Betätigerbefehle und abgetastete bzw. erfaßte Betriebsbedingungen anspricht.
In diesem Zusammenhang soll verstanden werden, daß die Ausdrücke "Mikroprozessor" und "Mikroprozessor-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung" bzw. "Mikroprozessor-Controller" untereinander austauschbar durch die vorliegende Anmeldung ver wendet sind, und es ist weiters zu verstehen, daß diese Ausdrücke, wie sie hier verwendet sind bzw. werden, verschiedene Arten von computerunterstützten Steuer- bzw. Regelvorrichtungen umfassen, die nicht immer als "Mikroprozessoren" per se bezeichnet sind, wie Computer selbst, die Mikroprozessoren inkorporieren, digitale Signal-Prozessoren, Fuzzy-Logik-Steuer- bzw. -Regeleinrichtungen, Analogcomputer und Kombinationen davon. Kurz gesagt ist jede Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die fähig ist, eingegebene bzw. Eingabeparameter und Signale zu überprüfen und die Betriebsart des Fahrzeugs gemäß einem gespeicherten Programm zu steuern bzw. zu regeln, wie dies unten im Detail diskutiert werden wird als ein "Mikroprozessor" oder eine "Mikroprozessor-Steuer- bzw. -Regeleinheit", wie hier verwendet, zu betrachten. Weiters können die elektronische Kraftstoffeinspritzung und die elektronischen Motor- bzw. Maschinenmanagement-Vorrichtungen, die in 3 und 4 als gesonderte Elemente gezeigt sind, auch innerhalb des "Mikroprozessors" oder "der Mikroprozessor-Steuer- bzw. -Regeleinheit" integriert sein, wie dies hier beschrieben ist.
3 der vorliegenden Anmeldung zeigt eine erste Ausbildung der vorliegenden Erfindung, während 4, die unten diskutiert wird, eine zweite Ausbildung zeigt, die bestimmte alternative mechanische Anordnungen illustriert; insgesamt sind zwei Ausbildungen sehr ähnlich und funktionell sind sie im wesentlichen identisch. 11, die ebenfalls unten diskutiert werden wird, illustriert eine weitere Ausbildung.
In der Ausbildung von 3 ist ein Fahr- bzw. Traktionsmotor 25 direkt mit dem Fahrzeugdifferential 32 und dann mit den Straßenrädern 34 verbunden. Ein Startermotor 21 ist direkt mit der Verbrennungs-Kraftmaschine 40 verbunden. Die Motoren 21 und 25 fungieren als Motoren oder Generatoren durch einen geeigneten Betrieb der entsprechenden Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27, welche zwischen den Motoren und der Batteriebank 22 angeschlossen sind. Gegenwärtig sind im wesentlichen konventionelle Bleisäurebatterien für die Batteriebank 22 bevorzugt, da diese weit verbreitet verfügbar sind und gut verstanden werden. Es können jedoch auch fortgeschrittenere Batterien verwendet werden, wenn und falls sie weit verbreitet verfügbar und ökonomisch bzw. wirtschaftlich konkurrenzfähig sind.
Die Motoren 21 und 25 sind steuer- bzw. regelbar für einen Drehmomenttransfer durch eine Kupplung 51 verbunden, die mechanisch die Wellen 15 und 16 der Motoren 21 bzw. 25 miteinander verbindet bzw. verriegelt. Wie dies unten im Zusammenhang mit 4 diskutiert wird, ist bzw. wird Mikroprozessor ("μP") 48 mit Signalen versehen bzw. versorgt, die für die Drehzahlen der Wellen 15 und 16 hinweisend bzw. repräsentativ sind und steuert bzw. regelt einen Betrieb der Maschine 40, des Motors 21 und Motors 25, wie notwendig, um sicherzustellen, daß die Wellen mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit bzw. Drehzahl rotieren, bevor die Kupplung 51 eingreift. Dementsprechend muß die Kupplung 51 nicht notwendigerweise eine übliche Autoreibungskupplung sein (wie dies schematisch in 1 dargestellt bzw. illustriert ist), wie sie üblicherweise zur Verfügung gestellt wird, um ein exzessives relatives Gleiten bzw. Rutschen zu ermöglichen, bevor die Wellen vollständig im Eingriff sind. Genauer muß, da ein Gleiten bzw. Schlupf der Kupplung 51 nicht erforderlich ist, um das Fahrzeug ausgehend von der Ruhe anzutreiben, wie dies bei konventionellen Fahrzeugen der Fall ist, die Kupplung 51 keinen exzessiven Schlupf er lauben, wenn sie in Eingriff gelangt. In einigen Fällen kann es zufriedenstellend bzw. ausreichend sein, eine Kupplung 51 als eine einfache selbstausrichtende mechanische Verriegelung (wie dies in 4 gezeigt ist) zur Verfügung zu stellen, wobei eine positive mechanische Verbindung zwischen den Wellen 15 und 16 bei bzw. nach einem Eingriff hergestellt wird. Eine derartige mechanische Verriegelung untereinander ist viel einfacher und weniger teuer als eine Reibungskupplung. In jedem Fall wird die Kupplung 51 durch den Mikroprozessor 48 betätigt, z.B. durch ein bekanntes elektrisches oder hydraulisches Stellglied 53 bzw. eine Betätigungseinrichtung, gemeinsam mit den anderen Komponenten des Systems in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Fahrzeugs und den Eingabebefehlen des Betreibers.
Die entsprechenden Positionen des Motors 21 und der Maschine 40 in bezug auf die Kupplung 51, den Motor 25 und die Räder 34 könnten umgekehrt werden, verglichen mit ihren Positionen in 3 und 4, ohne die Funktion des Systems zu beeinflussen, obwohl, wenn die Maschine 40 dann eine Drehmomentübertragungs-Verbindung an beiden Enden ihrer Kurbelwelle erfordern würde, eine gewisse zusätzliche Komplexität resultieren.
Wie dies in 4 gezeigt ist, können Wellencodiereinrichtung 18 und 19 auf den Wellen 15 und 16 des Startermotors 21 bzw. des Fahrmotors 25 festgelegt bzw. montiert sein, um Signale an den Mikroprozessor 48 zur Verfügung zu stellen, die für die relativen Drehzahlen der Wellen und ihre entsprechenden Rotationspositionen repräsentativ sind. Derartige Wellencodiereinrichtungen sind gut bekannt und kommerziell verfügbar. Alternativ können Signale, die für die Drehzahlen der Wellen hinweisend bzw. anzeigend sind, von den Inverter-Steuer- bzw. -Regelsignalen in Übereinstimmung mit gut bekannten Prinzipien einer Steuerung bzw. Regelung von "sensorlosen" Motorantrieben (siehe beispielsweise Bose, "Power Electronics and Variable Frequency Drives", IEEE, 1996) abgeleitet werden. Jedoch wird ein Vorsehen von Codiereinrichtungen 18 und 19 bessere Niedrigdrehzahl-Drehmoment-Charakteristika des Motors 21 und 25 und somit eine Reduktion in den Kosten ermöglichen.
Indem er so mit Signalen versorgt wird, die für die Drehzahlen der Wellen 15 und 16 hinweisend sind, steuert bzw. regelt der Mikroprozessor 48 die Arbeitsweise der Maschine 40, des Motors 21 und Motors 25, wie notwendig, um sicherzustellen, daß die Wellen mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit bzw. Drehzahl rotieren, bevor die Kupplung 51 eingreift; daher muß die Kupplung 51 nicht eine übliche Autoreibungskupplung sein (wie dies schematisch in 3 illustriert ist), wie sie konventionell zur Verfügung gestellt wird, um ein extensives Gleiten bzw. Schlupfen zu ermöglichen, bevor die Wellen vollständig in Eingriff sind. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung und insbesondere, wenn der Mikroprozessor fähig gemacht wird sicherzustellen, daß die Wellen 15 und 16 eine gewünschte relative Winkelbeziehung zeigen bzw. tragen, kann die Kupplung 51 stattdessen eine einfache, relativ billige selbstausrichtende mechanische Verriegelung sein (wie dies schematisch in 4 illustriert ist), wobei eine positive mechanische Verbindung zwischen den Wellen 15 und 16 nach bzw. bei einem Eingriff durchgeführt wird.
4 zeigt auf zusätzliche Signale, die dem Mikroprozessor 48 sowohl in der Ausbildung von 3 als auch 4 zur Verfügung gestellt werden. Diese umfassen bzw. beinhal ten Betätigereingabebefehle, typischerweise Beschleunigung, Richtung, Verzögerung bzw. Abbremsung und "Fahrmodus"-Befehle, wie dies gezeigt ist. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsbefehle können durch positionsabtastende bzw. -erfassende Encoder bzw. Codiereinrichtung 71 und 72 (3) zur Verfügung gestellt werden, (welche als Rheostate, Hall-Effekt-Sensoren oder anders ausgebildet sein können), verbunden mit dem Mikroprozessor 48 durch Leitungen 67 und 68, um den Mikroprozessor von den Befehlen des Betätigers zu informieren, die auf eine Bewegung des Beschleunigungs- und Bremspedals 69 bzw. 70 ansprechen. Der Mikroprozessor überwacht die Geschwindigkeit bzw. Rate, mit welcher der Betätiger die Pedale 69 und 70 durchtritt, ebenso wie den Grad, auf welchen die Pedale 69 und 70 durchgetreten sind. Der Betätiger kann auch ein "Cruise- bzw. Fahr-Modus"-Signal zur Verfügung stellen, wie dies angezeigt bzw. angedeutet ist, wenn eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht wurde. Der Mikroprozessor verwendet diese Information und andere Signale, die zur Verfügung gestellt sind, wie dies hier diskutiert ist, in Übereinstimmung mit der Betriebsstrategie, die im Detail unten im Zusammenhang mit 6–9 diskutiert ist, um einen Betrieb des Fahrzeugs gemäß der Erfindung durch geeignete Steuer- bzw. Regelsignale geeignet zu steuern bzw. zu regeln, die durch ihre verschiedenen Komponenten zur Verfügung gestellt sind.
Beispielsweise wird angenommen, daß das Fahrzeug im Stadtverkehr für einige Zeit betrieben wurde, d.h. unter Batterieleistung alleine. Typischerweise wird der Betreiber nur das Gas- bzw. Beschleunigungspedal 69 nur geringfügig durchtreten, um in dem Verkehr zu fahren. Wenn der Betätiger dann das Beschleunigungspedal 69 signifikant weiter durchtritt, als er oder sie es beispielsweise die vorherge henden Male getan hat, als eine Beschleunigung gefordert war, kann dies als ein Hinweis genommen werden, daß eine Menge an Drehmoment, welche effizient durch die Maschine 40 zur Verfügung gestellt werden kann, kurz erforderlich sein wird; der Mikroprozessor wird dann die Sequenz beginnen, wodurch der Startermotor 21 verwendet werden wird, um die Maschine 40 zu starten.
Nach bzw. bei Beginn der Maschinenstartsequenz wird zuerst eine Heizeinrichtung 63 (3) verwendet, um einen katalytischen Wandler 64 vorzuheizen, der in dem Maschinenabgassystem 62 vorgesehen ist, so daß jeglicher Brennstoff, welcher während einem Start und einem nachfolgenden Fahren der Maschine 40 nicht verbrannt wird, katalytisch verbrannt wird, was eine Emission von unerwünschten Verunreinigungen reduziert. Ein Temperatursensor 102 ist vorzugsweise zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen, daß die Maschine nicht gestartet wird, bis das katalytische Material auf eine effektive Arbeitstemperatur erhitzt ist. Wie dies oben festgehalten ist, wird ein Maschinenstarten vorzugsweise durchgeführt, wobei die Maschine bei einer höheren Drehzahl dreht als üblich, so daß das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nur geringfügig (z.B. 20 %), reicher als stöchiometrisch sein muß. Als ein Ergebnis werden nur sehr beschränkte Mengen an verunreinigenden Materialien während einem Maschinenstarten emittiert. Im Vergleich wird in konventionellen Fahrzeugen ein sehr signifikanter Anteil der gesamten, verunreinigenden Substanzen während jeglicher Fahrt während den ersten 30–60 Sekunden eines Betriebs aufgrund der extrem reichen Mischungen emittiert, die normalerweise während des Startens zugeführt werden, und aufgrund der Ineffektivität des Katalysators, bis er durch das Abgas aufgeheizt wurde.
Wenn der Betätiger das Pedal 69 schnell durchtritt, was ein momentanes Erfordernis für eine volle Beschleunigung zeigt bzw. andeutet, kann der Vorheizschritt weggelassen werden; jedoch kann es eine bevorzugte Alternative sein, es den Fahr- bzw. Traktions- und Startermotoren zu erlauben, bei oder geringfügig über ihrer theoretischen bzw. Nenn-Leistung betrieben zu werden, was ein adäquates Drehmoment für einen kurzen Zeitraum zur Verfügung stellt, der ausreichend ist, um es dem Katalysator zu ermöglichen, erwärmt zu werden und die Maschine zu starten.
In gleicher Weise kann, wenn der Betätiger das Bremspedal 70 relativ sanft bzw. vorsichtig durchtritt, das gesamte Bremsen durch ein regeneratives Laden der Batterien zur Verfügung gestellt sein; wenn der Betätiger statt dessen aggressiv auf das Bremspedal 70 tritt und/oder das Bremspedal 70 über einen vorbestimmten Punkt durchtritt, werden sowohl mechanisches als auch regeneratives Bremsen zur Verfügung gestellt. Ein mechanisches Bremsen wird auch bei langen Bergabfahrten zur Verfügung gestellt, wenn die Batterien voll geladen sind, und im Notfall.
Zusätzlich zur Maschinen- und Startermotor-Drehzahl und Fahrmotor-Drehzahl, die durch die Wellencodiereinrichtung 18 und 19, wie oben diskutiert, überwacht sind bzw. werden, werden Batteriespannung, Batterieladeniveau und Umgebungstemperatur auch entweder direkt überwacht oder aus überwachten Variablen abgeleitet. In Antwort auf diese Eingaben und die Betätigereingaben führt die Mikroprozessor-Steuer- bzw. -Regeleinheit 48 ein Steuer- bzw. Regelprogramm durch (siehe das Hoch-Niveau-Flußdiagramm eines beispielhaften bzw. exemplarischen Steuer- bzw. Regelprogramms, das als 9 zur Verfügung gestellt ist) und stellt Ausgabe- Steuer- bzw. -Regelsignale an die Maschine 40 durch Befehle, die zu ihrer elektronischen Kraftstoffeinspritz-Einheit (EFI) 56 und dem elektronischen Maschinenmanagement-System (EEM) 55 gesandt werden und zu dem Startermotor 21, der Kupplung 51, den Fahrmotor 25, Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27 und anderen Komponenten zur Verfügung gestellt werden.
Wie dies in 4 angedeutet ist, erlauben es die Steuer- bzw. Regelsignale, die den Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27 durch den Mikroprozessor 48 zur Verfügung gestellt sind, eine Steuerung bzw. Regelung des Stroms (als I repräsentiert bzw. dargestellt), der Rotationsrichtung des Motors 25 (als +/– dargestellt), was ein Reversieren bzw. Rückwärtsfahren des Fahrzeugs ermöglicht, und der Frequenz eines Schaltens (als f dargestellt), ebenso wie eine Steuerung bzw. Regelung der Betätigung bzw. des Betriebs der Motoren 21 und 25 in dem Motor oder Generator-Modus. Die Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27 sind gesondert gesteuert bzw. geregelt, um einen unabhängigen Betrieb der Motoren 21 und 25 zu ermöglichen. Der Inverter/Ladeeinheitsbetrieb wird weiter unten im Zusammenhang mit 5 diskutiert.
Wie oben festgehalten, differieren die Ausbildungen der 3 und 4 des Systems der Erfindung in bestimmten mechanischen Anordnungen, die gedacht sind, um Variationen innerhalb des Rahmens der Erfindung zu illustrieren, und 4 stellt auch ein größeres Detail betreffend die spezifischen Steuer- bzw. Regelsignale zur Verfügung, die zwischen verschiedenen Elementen des Systems passieren.
Indem auf die unterschiedlichen mechanischen Anordnungen bezug genommen wird, wird beobachtet, daß in 3 die Wellen der Motoren 21 und 25 als koaxial mit jener der Maschine 40 illustriert sind; dies ist selbstverständlich die einfachste Anordnung, und würde jedoch erfordern, daß die Maschine 40 und der Startermotor 21 mit derselben Drehzahl zu allen Zeiten rotieren, und mit derselben Geschwindigkeit bzw. Drehzahl wie der Fahrmotor 25, wenn die Kupplung 51 in Eingriff ist. Wie oben festgehalten, kann es bevorzugt sein, Motoren 21 und 25 auszubilden bzw. zu entwerfen, die maximale Drehzahlen von 9000–15.000 U/min haben, so daß sie kleiner, leichter und weniger teuer als langsam laufende bzw. rotierende Motoren gemacht werden könnten. Jedoch wird ins Auge gefaßt, daß eine bevorzugte maximale Drehzahl für die Maschine 40 6000 U/min ist, da Verbrennungs-Kraftmaschinen, die bei wesentlich höheren Drehzahlen laufen, schnell verschleißen und dazu tendieren, ein begrenztes Drehmoment bei niedriger Drehzahlen zu besitzen und da Maschinengeräusche und -vibrationen höherer Frequenz auch schwierig zu absorbieren sein können. Es liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung, die Motoren koaxial mit der Maschinenwelle zur Verfügung zu stellen, wie dies in 3 illustriert ist, jedoch ein(en) Planetengetriebesatz (-sätze) zwischen den Wellen von entweder einem oder beiden des Fahrmotors 25 als auch des Startermotors 21 und der Abtriebswelle zur Verfügung zu stellen, um unterschiedliche Maschinen- und Motorendrehzahlen zu erlauben.
4 illustriert eine alternative Konstruktion, die auch unterschiedliche Maschinen- und Motordrehzahlen erlaubt. In diesem Fall ist die Abtriebswelle des Startermotors 21 gezeigt, daß sie mit jener der Maschine 40 durch Geradstirnräder 52 verbunden ist, und der Fahrmotor 25 mit der Abtriebswelle 55 durch einen Kettentrieb verbunden ist, wie dies bei 54 angedeutet ist. Zahlreiche andere Anordnungen werden dem Fachmann offensichtlich sein. Jedoch gibt es in jedem Fall kein Getriebe mit variabler Übersetzung zwischen den Drehmomentquellen – d.h. den Motoren 21 und 25 und der Maschine 40 – und den Straßenrädern 34.
Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, den Fahrmotor mit einem Satz Rädern zu verbinden und die Kombination der Maschine 40 und des Startermotors 21 mit einem anderen Satz von Rädern durch eine Kupplung 51 zu verbinden, wodurch ein vierradgetriebenes Fahrzeug mit unterschiedlichen Leistungsquellen für die abwechselnden Paare von Rädern zur Verfügung gestellt wird. In dieser Ausbildung wird das Drehmoment von dem Fahrmotor 25 effektiv mit jenem der Maschine 40 (und von dem Startermotor 21, wenn er als eine Quelle von Antriebsdrehmoment verwendet wird) durch die Straßenoberfläche kombiniert statt durch mechanische Verbindung wie in der Ausbildung von 3 und 4. Eine weitere Alternative würde es sein, ein komplettes System wie in 3, das ein Paar von Straßenrädern treibt, und einen gesonderten Fahrmotor zur Verfügung zu stellen, der ein zweites Paar von Straßenrädern treibt. Beide Ausbildungen sind innerhalb des Rahmens der Erfindung und die Steuer- bzw. Regelstrategie ist im wesentlichen dieselbe für beide.
Andere Elemente der Systeme, wie sie in 3 und 4 illustriert sind, sind allgemein in dem '970er Patent diskutiert, beinhaltend die Zufuhr von Kraftstoff 36 von dem Tank 38, Luftfilter 60 und Drossel 61.
Eine Steuerung bzw. Regelung der Maschine 40 durch den Mikroprozessor 48 wird durch Steuer- bzw. Regelsignale durchgeführt, die an die elektronische Kraftstoffeinspritz-(EFI)-Einheit 56 und die elektronische Maschinen- Management-(EEM)-Einheit 55 zur Verfügung gestellt werden; eine Steuerung bzw. Regelung eines Startens der Maschine 40 und ein Verwenden von entweder einem oder beiden des Startermotors 21 und des Fahrmotors 25 als Motoren, die ein Antriebsdrehmoment zur Verfügung stellen, oder als Generatoren, die einen Wiederaufladestrom an die Batteriebank 22 zur Verfügung stellen, wird durch den Mikroprozessor 48 durch Steuer- bzw. Regelsignale durchgeführt, die den Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27 zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer Verzögerung, beispielsweise während Bergabfahrten oder sofern erforderlich für ein Bremsen oder wenn die momentanen Maschinendrehmomentausgabe die gegenwärtigen Erfordernisse des Fahrzeugs an Drehmoment übersteigen, wird bzw. werden entweder ein oder beide Motoren 21 und 25 als Generatoren betrieben, welches ein regeneratives Wiederaufladen der Batteriebank 22 nachweist. 7, die unten diskutiert wird, illustriert diesen Aspekt des Betriebs des Fahrzeugs der Erfindung in weiterem Detail.
Somit wird, wie dies oben ausgeführt wird, wenn der Mikroprozessor 48 ein fortgesetztes Betätigererfordernis für zusätzliche Leistung detektiert, wie während eines Übergangs von langsamer Geschwindigkeit zu Autobahnbetrieb oder während des Messens der Geschwindigkeit bzw. Rate, mit welcher der Operator bzw. Betreiber das Gaspedal 69 durchtritt, die Maschine 40 unter Verwendung des Startermotor 21 gestartet und auf Drehzahl gebracht, bevor die Kupplung 51 eingreift, um einen glatten Übergang bzw. ein sanftes Schalten sicherzustellen. Wenn Fahrgeschwindigkeit erreicht wird (wie dies durch Überwachen der Betätigerbefehle bestimmt wird), wird die Leistung zu dem Fahrmotor 25 (und zu dem Startermotor 21, wenn er auch für ein Beschleunigen des Fahrzeugs verwendet wurde) stufenweise bzw. zunehmend reduziert. Das Vorsehen der Kupplung 51 und des gesonderten Startermotors 21 vereinfach, verglichen mit der Verwendung des einzigen Fahrmotors zum Starten der Maschine 40, während gleichzeitig das Fahrzeug beschleunigt wird, d.h. wie in dem '970er Patent, die Steuerungs- bzw. Regelungsanordnungen etwas.
In einer insbesondere bevorzugten Ausbildung können beide Motoren 21 und 25 und die Kupplung 51 in einem einzigen abgedichteten Gehäuse zur Verfügung gestellt sein, welches möglicherweise in Öl zum Kühlen und als Schutz vor Staub und dgl. badet. Es ist auch bekannt, Hilfsmotoren, wie konventionelle Startermotoren zu steuern bzw. zu regeln, um Drehmoment so hinzuzufügen oder zu absorbieren, daß es durch eine assoziierte bzw. zugeordnete Verbrennungs-Kraftmaschine zur Verfügung gestellt ist, um eine Vibration zu dämpfen, die durch eine Fluktuation von Drehmoment bewirkt ist, das durch die Maschine zur Verfügung gestellt ist; indem dies hier durchgeführt wird, indem entweder einer oder beide der Motoren 21 und 25 verwendet werden, liegt dies innerhalb des Rahmens der Erfindung und ist durch die direkte bzw. Direktverbindung der Maschine 40 mit den Antriebsrädern durch die Motoren 21 und 25 entsprechend der Erfindung vereinfacht.
Das Vorsehen der Kupplung 51 und des gesonderten Startermotors 21 erlaubt auch, daß eine andere wichtige Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird, nämlich das Starten der Maschine 40 bei hoher Drehzahl, z.B. etwa 300 U/min, verglichen mit den Starts bei 60–200 U/min, die konventionellerweise zur Verfügung gestellt werden. Wie dies in der Technik allgemein bekannt ist (siehe Simanaitis, "What goes around comes around", Road & Track, November 1998, Seite 201), erlaubt ein Starten bei hohen Drehzahlen ein wesentliches Eliminieren der üblichen Notwendigkeit eines Bereitstellens einer kraftstoffreichen Luft/Kraftstoff-Mischung, um die Maschine 40 zu starten, was eine Emission von nicht-verbranntem Kraftstoff reduziert und die Brennstoffökonomie beim Start, insbesondere vom Kaltstart verbessert.
Spezifischer wird bei konventionellen Starts mit niedriger Drehzahl eine reiche Mischung, umfassend bis zu einer Größenordnung von 6 bis 7 mal der stöchiometrischen Menge an Kraftstoff zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen, daß sich ein gewisser Anteil des Kraftstoffs in der Dampfphase befindet, da nur Kraftstoff in der Dampfphase durch einen Funken gezündet werden kann. Der größte Teil des überschüssigen Kraftstoffs kondensiert als Flüssigkeit auf den kalten Zylinderwänden und wird somit, wenn überhaupt, nicht effizient verbrannt und wird unmittelbar nicht verbrannt emittiert. Im Vergleich dazu ist bei hohen Startdrehzahl entsprechend der Erfindung eine Turbulenz in der Verbrennungskammer ausreichend, um die Anwesenheit von Dampf sicherzustellen, so daß eine nahe stöchiometrische Mischung, typischerweise nur 1,2 mal die stöchiometrische Menge an Kraftstoff enthaltend, in der Maschine 40 während der Startphase zur Verfügung gestellt werden kann. Das Vermeiden von reichen bzw. angereicherten Mischungen beim Starten reduziert signifikant die Emission von nichtverbranntem Kraftstoff – da der größte Teil des Kraftstoffs, der einer konventionellen Maschine beim Start zur Verfügung gestellt wird, unmittelbar nicht-verbrannt ausgestoßen wird – und stellt eine gewisse Verbesserung in der Kraftstoffeffizienz zur Verfügung.
Weiters wird, wie oben festgehalten wird, wann immer es möglich ist – d.h., wann immer die Maschine gestartet wird, mit Ausnahme, wenn unmittelbares volles Drehmoment durch den Benutzer angefordert wird – ein katalytischer Wandler 64 auf eine effiziente Arbeitstemperatur von wenigstens 350 °C vor einem Starten der Maschine vorgeheizt, um selbst diese relativ kleine Emission von nicht-verbranntem Kraftstoff zu verhindern.
So ist die erste Bertachtung bzw. Berücksichtigung beim Auswählen des Drehmoments des Startermotors 21 jene, daß er fähig ist, die Maschine 40 auf etwa 300 U/min für ein Starten zu drehen, und daß er fähig ist, wenigstens etwa 30 % der maximalen Maschinendrehmoment-Ausgabe zu akzeptieren, wenn er als Generator betrieben wird, so daß die Maschine effizient verwendet werden kann, wenn die Batteriebank während ausgedehntem Niedrig- bzw. Langsamgeschwindigkeits- bzw. -drehzahl-Betrieb geladen wird; die Hauptberücksichtigung bei der Spezifikation des Drehmoments der Maschine 40 ist jene, daß sie ausreichend Leistung für ein Autobahnfahren zur Verfügung stellt, während sie bei hoher Effizienz betrieben wird, d.h. daß ihre maximale Leistungsausgabe ausreichend ist, um in einem Bereich von gewünschten Fahrgeschwindigkeiten zu fahren; und die prinzipielle Betrachtung, die die Leistung definiert, die von dem Fahrmotor 25 erforderlich ist, ist jene, daß er ausreichend leistungsfähig ist, um eine adäquate Beschleunigung in Kombination mit der Maschine 40 und dem Startermotor 21 zur Verfügung zu stellen. Anders ausgeführt, sollte die gesamte Leistung, die von allen diesen ein Drehmoment produzierenden Komponenten zur Verfügung gestellt wird, wenigstens gleich wie oder vorzugsweise die Spitzenleistung übersteigen, die durch die Verbrennungs-Kraftmaschinen von konventionellen Fahrzeugen mit ähnlicher gedachter Verwendung zur Verfügung gestellt wird, beide gemessen an den Rädern. Darüber hinaus sollte, wie dies in dem '970er Patent ausgeführt wird, das Gesamtdrehmoment, das durch die Motoren 21 und 25 zur Verfügung gestellt wird, wenigstens gleich jenem sein, das durch die Maschine 40 erzeugt wird, um eine adäquate Niedriggeschwindigkeits-Leistung mit dem Motor alleine zur Verfügung zu stellen, und ohne das Erfordernis eines Getriebes mit variabler Übersetzung.
Zur selben Zeit sind die Motoren 21 und 25 auch dimensioniert, um fähig zu sein, im wesentlichen die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs zurückzugewinnen, wenn sie als Generatoren in dem regenerativen Bremsmodus betätigt bzw. betrieben werden. Ein insbesondere hoher Anteil der kinetischen Energie des Fahrzeugs kann während eines Niedriggeschwindigkeits-Betriebs rückgewonnen werden; verglichen mit einem Hochgeschwindigkeits-Betrieb, wo Luftwiderstand und Straßenreibung einen relativ großen Anteil der gesamten, erforderlichen Energie verbrauchen, wird im Niedriggeschwindigkeits-Betrieb viel Energie durch konventionelle Fahrzeuge als Wärme verloren, die während des Bremsens abgegeben bzw. freigesetzt wird.
Indem die obigen Betrachtungen gegeben sind, sind das Folgende typische Leistungs-Spezifikationen für die Maschine 40, den Startermotor 21 und Fahrmotor 25 eines 3000 Pfund-Fahrzeugs, das eine Leistung etwa äquivalent jener eines "mittelgroßen" Sedan einer US-Herstellung aufweist. Es sollte verstanden werden, daß in diesen Spezifikationen auf die Nennleistung, die kontinuierlich durch die Maschine produziert wird, nicht auf die Nennspitzenleistung der Mo toren bezug genommen wird, wie dies allgemein in der Technik üblich ist. Weiters sind die Motoren unter Annahme der Direktantriebsausbildung von 3 spezifiziert; wenn die Motoren bei höheren Drehzahlen laufen, würden ihre Nennleistungen bzw. technischen Daten entsprechend bestimmt werden.
Maschine 40: 40 bis 50 PS bei 6000 U/min
Startermotor 21: 10–15 PS bei etwa 1500 U/min und höheren Drehzahlen
Fahrmotor 25: 50–75 PS von 1500 bis 6000 U/min.
Derselbe Startermotor würde für einen größeren, 4000 Pfund Sedan zufriedenstellend sein, jedoch würde die Maschine typischerweise 70–90 PS bei 6000 U/min zur Verfügung stellen und der Fahrmotor 75–100 PS.
In beiden Fällen sollte die Gesamtleistung, die von den Elektromotoren gemeinsam zur Verfügbarkeit steht, gleich sein wie und vorzugsweise die maximale Leistung überschreiten, die von der Maschine verfügbar ist.
In dem Hybridfahrzeug der Erfindung, welches wie festgehalten, kein komplexes, schweres und teures Getriebe mit variabler Übersetzung erfordert, würden diese Komponenten eine Beschleunigung bedeutend besser als jene von typischerweise gleich dimensionierten Autos einer US-Herstellung zur Verfügung stellen, gemeinsam mit bedeutend besserer Kraftstoffökonomie und wesentlich reduzierten Emissionen von Verunreinigungen bzw. verunreinigenden Substanzen. Es wird offensichtlich bzw. augenscheinlich sein, daß diese Spezifikationen über relativ breite Bereiche in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung des Fahrzeugs der Erfindung variieren können und nicht konstruiert sein sollen, um den Rahmen der Erfindung zu beschränken.
Wie oben angedeutet, sind in der bevorzugten Ausbildung sowohl der Startermotor als auch der Fahrmotor, AC- bzw. Wechselstrominduktionsmotoren, obwohl andere Arten auch verwendet werden können. Diese Motoren und die Inverter/Ladeeinrichtungen, die sie in Antwort auf Steuer- bzw. Regelsignale von dem Mikroprozessor kontrollieren bzw. steuern bzw. regeln (wie dies weiter unten diskutiert werden wird), sollten derart gewählt und betätigt werden, daß die Motoren Drehmomentausgabe-Charakteristika besitzen, die als eine Funktion der Drehzahl variieren, wie dies durch Kurve A in 10 illustriert ist. D.h., die Motoren werden durch die Inverter/Ladeeinrichtungen in Antwort auf Steuer- bzw. Regelsignale von dem Mikroprozessor betrieben, um ein konstantes Drehmoment bis zu einer Basisdrehzahl C typischerweise 1500 U/min für einen Motor zu produzieren, der eine Höchstdrehzahl von 6000 U/min besitzt, wie dies in der Direktantriebsausbildung von 3 angewandt ist, und sollten eine konstante Leistung bei höheren Drehzahlen erzeugen; dementsprechend fällt das Drehmoment bei Drehzahlen über der Basisdrehzahl C ab, wie dies gezeigt ist. Das Verhältnis der Basis- zu maximaler Drehzahl 4.1 in diesem Beispiel kann zwischen etwa 3 zu 1 und etwa 6 zu 1 variieren. Diese Drehmomentausgabe-Charakteristik erlaubt es im wesentlichen dem Fahrzeug der Erfindung, ziemlich akzeptable Leistungen, insbesondere Beschleunigung zur Verfügung zu stellen, ohne das Gewicht, die Komplexität und die Kosten eines Getriebes mit variabler Übersetzung.
Im Vergleich stellen die seriengewickelten Gleichstrommotoren, die üblicherweise als Fahrzeugmotor-Startermotoren verwendet werden, ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung, jedoch nur bei sehr niedrigen Drehzahlen; ihre Drehmomentausgabe fällt momentan bei höheren Drehzahlen ab. Derartige konventionelle Startermotoren würden in dem vorliegenden System nicht zufriedenstellend sein.
10 zeigt auch die Drehmomentkurve einer typischen Verbrennungs-Kraftmaschine bei B; wie festgehalten ist, ist das Drehmoment null bei null U/min; so daß eine Kupplung, die ein Gleiten bzw. einen Schlupf erlaubt, erforderlich ist, um es der Maschine zu erlauben, das Fahrzeug von der Ruhe wegzubewegen. 10 zeigt bei D typische Kurven für ein Drehmoment, wie es an den Rädern eines Fahrzeugs gemessen wird, das durch eine typische Verbrennungs-Kraftmaschine angetrieben wird, die das Fahrzeug durch ein Vierganggetriebe treibt, das verwendet wird, um zusätzliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen zur Verfügung zu stellen; die vertikalen Abstände zwischen Abschnitten der Kurve D stellen die Änderungen in dem Gang- bzw. Getriebeverhältnis dar, d.h. das Fahrzeug wird geschaltet, um sich zwischen den Abständen der Kurve D zu bewegen. Die gewünschten Drehmoment-Charakteristika der Starter- und Fahrmotoren, die oben diskutiert sind, erlauben es dem Fahrzeug der Erfindung, eine Niedriggeschwindigkeits-Leistung zur Verfügung zu stellen, die mit der eines konventionellen Fahrzeugs vergleichbar ist oder besser ist, während die Notwendigkeit eines Getriebes mit variabler Übersetzung eliminiert ist.
Das Verhältnis zwischen der Basisdrehzahl und der maximalen Drehzahl der Motoren, wie sie so beschrieben sind, ist somit mit dem Verhältnis zwischen dem niedrigsten und höchsten Gang eines konventionellen Getriebes vergleichbar; für Personenkraftwagen ist das letztere Verhältnis typischer weise zwischen 3 und 4 : 1, so daß das Maschinendrehmoment relativ gut mit der Straßenlast über einen vernünftigen Bereich von Straßengeschwindigkeiten abgestimmt ist. ("Overdrive", höhere Gänge sind manchmal zur Verfügung gestellt, um eine Motor- bzw. Maschinendrehzahl während eines Autobahnfahrens zu reduzieren, was diesen Bereich etwas verbreitet, jedoch typischerweise keine adäquate Beschleunigung erlaubt). Selbstverständlich ist es, wenn es gewünscht ist, den Hybridfahrzeugs-Antriebsstrang und die Steuer- bzw. Regelstrategie der Erfindung in einem Fahrzeug anzuwenden, das einen weiteren Bereich von Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen erfordert, (z.B. schwere Lastkraftfahrzeuge können mehrere Getriebegehäuse aufweisen, die es dem Fahrer erlauben, zwischen 18 oder noch mehr Gangverhältnissen zu wählen, was es ermöglicht, daß das maximale Drehmoment der Maschine in einem sehr weiten Bereich von Straßengeschwindigkeiten verfügbar zu sein), innerhalb des Rahmens der Erfindung, wo dies nicht durch die beiliegenden Ansprüche ausgeschlossen ist, auch ein Getriebe mit variablem Verhältnis zur Verfügung zu stellen. Jedoch sollte dies nicht in bezug auf Personenkraftwagen, leichte Lastkraftfahrzeuge und ähnliche Fahrzeuge erforderlich sein.
Wie dies oben diskutiert ist, ist es, während es innerhalb des Rahmens der Erfindung ist, die Motoren 21 und 25 und die Verbrennungs-Kraftmaschine 40 bei derselben maximalen Drehzahl so zu betreiben, daß kein Getriebe bzw. Schalten erforderlich ist, um diese Elemente zu koppeln, ist es gegenwärtig bevorzugt, daß wenigstens der Fahrmotor 25 eine maximale Drehzahl besitzt, die wesentlich höher als jene der Verbrennungs-Kraftmaschine 40 ist; die Abtriebswelle des Motors 25 ist mit den Straßenrädern durch eine Kettenantriebs-Reduktionseinheit verbunden, wie dies in 4 angedeutet ist. Die maximale Drehzahl der Verbrennungs-Kraftmaschine ist vorzugsweise auf die Größenordnung von 6000 U/min beschränkt, um Verschleiß, Rauschen und Vibration zu begrenzen bzw. zu beschränken, welche mit höheren Betriebsdrehzahlen ansteigen und da Maschinen, die zu einem Betrieb bei höheren Drehzahlen fähig sind, dazu tendieren, enge Bereiche von Drehzahlen zu besitzen, innerhalb welcher sie ein wesentliches Drehmoment ausbilden; die letztere Charakteristik würde in einem Fahrzeug nicht wünschenswert sein, das kein Getriebe mit variabler Übersetzung besitzt und das gedacht ist, um nur durch die Verbrennungs-Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung angetrieben zu fahren.
Im Vergleich erlaubt ein Betreiber der Motoren 21 und 25 bei maximalen Drehzahlen von 9.000–18.000 U/min, daß sie kleiner sind, leichter und weniger teuer sind; ob dieser Vorteil die zusätzliche Komplexität von Ketten-, Getriebe- oder Bandantrieben oder anderen mechanischen Mitteln überwindet, die eine Kombination eines Drehmoments von den Motoren mit jenem der Maschine ermöglichen, ist eine Sache einer Konstruktionsauswahl, die von einem Modell des Fahrzeugs zu dem nächsten variieren kann. Beide sind daher innerhalb der vorliegenden Erfindung. Wenn jede der ein Drehmoment erzeugenden Komponenten (d.h. die Maschine 40 und der Starter- und Fahrmotor 21 und 25) bei derselben Geschwindigkeit zu betreiben ist, ist eine maximale Drehzahl von etwa 6000 U/min bevorzugt, da dies einen guten Kompromiß zwischen Kosten, Gewicht und Größe der Schlüsselkomponenten darstellt.
Wie dies oben diskutiert ist, ist es bevorzugt, daß die Motoren 21 und 25 mehr als zwei Pole besitzen und daß sie durch Strom betrieben werden, der über mehr als drei Phasen angelegt wird, so daß ein Versagen von einigen Komponenten – wie den Leistungshalbleitern, die in den Inverter/Ladeeinheiten verwendet werden, wie dies unten diskutiert werden wird – ohne ein Totalversagen oder einen totalen Ausfall des Fahrzeugs toleriert werden kann. Es ist auch gewünscht, daß die Batteriebank in zwei unterteilt ist, wobei das Fahrzeugchassis zwischen diesen angeschlossen ist, was die Spannung zwischen gegebenen Komponenten und der Fahrzeugkarosserie halbiert und somit ihre Konstruktion, Isolierung und Verbindung erleichtert. 5 zeigt ein partielles bzw. teilweises, schematisches Diagramm einer Schaltung, die diese Attribute zur Verfügung stellt.
Die Funktionen der Inverter/der Ladeeinrichtungen 23 und 27 (wobei gesonderte Inverter/Ladeeinheiten erforderlich sind, um einen unabhängigen Betrieb der Motoren 21 und 25 zu ermöglichen) beinhalten eine Steuerung bzw. Regelung der Motoren 21 und 25, um als Motoren oder als Generatoren zu arbeiten; einen Betrieb des Fahrmotors 25 in der entgegengesetzten Richtung, um das Fahrzeug zu reversieren; eine Umwandlung von DC bzw. Gleichstrom, der durch die Batteriebank gespeichert ist, in AC bzw. Wechselstrom für den Motorbetrieb; und eine Umwandlung von Wechselstrom, der in den Motoren induziert wird, wenn sie als Generatoren betrieben werden, in Gleichstrom für ein Batterieladen. Im wesentlichen werden ähnliche Funktionen durch die Festkörperschalt-AC/DC-Wandler 44 in dem '970er Patent zur Verfügung gestellt; wo nicht das Gegenteil ausgeführt wird, ist die Diskussion davon auf das Inverterdesign anwendbar, das in 5 hier gezeigt ist.
Wie dies in 5 illustriert ist, ist der Fahrmotor 25 als ein Fünf-Phasen-Wechselstrom-Induktionsmotor ausgebildet; der Startermotor 21, welcher nicht vollständig illustriert ist, kann, wie angedeutet, muß jedoch nicht notwendigerweise, allgemein ähnlich sein. Andere Motorarten bzw. -typen, wie permanentmagnetische, bürstenlose Gleichstrommotoren oder Synchronmotoren können auch verwendet werden. Die Motoren werden als Multi- bzw. Mehrphasenvorrichtungen betrieben, die drei Phasen oder mehr besitzen, was eine Anwendung bzw. Verwendung von kleineren und insgesamt weniger teuren Halbleitern ermöglicht und einen Betrieb selbst dann ermöglicht bzw. erlaubt, wenn einige Halbleiter versagen bzw. ausgefallen sind. Eine Verwendung von Motoren, die bei relativ hoher Frequenz betrieben werden, z.B. mehr als 60 Hz, erlaubt auch, daß Motoren einer gegebenen Leistungsausgabe kleiner sind. Wie dies in 5 gezeigt ist, ist es gegenwärtig bevorzugt, daß zumindest der Fahrmotor 25 in der "Y"- bzw. "Stern"-Anordnung, die gezeigt ist, statt in der bekannten "Delta"-Anordnung verdrahtet ist; es wurde gefunden, daß bestimmte unerwünschte Harmonische durch die "Stern"-Anordnung reduziert werden. Beide sind in der Technik gut bekannt und liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Wie dies in 5 illustriert ist, ist jede der Wicklungen 78 des Motors 25 mit einem Paar von Halbleiterschalt-Elementen 80 verbunden, die gemeinsam die Inverter/Ladeeinheit 27 ausbilden. Die Inverter/Ladeeinheit bzw. -einrichtung 27 ist entsprechend als ein Satz von zehn Leistungshalbleitern 80 konfiguriert, die durch Schaltsignale A bis J gesteuert bzw. geregelt sind, die durch einen Pulsgenerator 88 zur Verfügung gestellt werden, der auf Frequenz, Polarität und Stromsignale anspricht, die von dem Mikroprozessor 48 erhalten werden (3 und 4). Typische Betriebsfrequenzen können bis zu 200, 400 oder 600 Hz betragen; die Übertragung von Leistung zwischen der Batteriebank 22 und den Motoren 21 und 25 wird dann durch eine Pulsbreitenmodulation gesteuert bzw. geregelt, d.h. durch ein Steuern bzw. Regeln der Halbleiter 80, um während Bereichen der Leistungs-Wellenform zu leiten, wobei die Dauer der leitenden Teile bzw. Bereiche in Übereinstimmung mit der erforderlichen Leistung variiert. Die Halbleiter 80 können von jeder Art sein, die für ein Handhaben von relativ hohen Spannungen und Strömen geeignet ist; zufriedenstellende bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind gegenwärtig verfügbar und werden gegenwärtig bevorzugt. Wie üblich, ist jeder der Halbleiter 80 durch eine Umpolungsgleichrichterdiode 82 parallel geschaltet.
Die Ausbildung der Inverter/Ladeeinheiten 23 und 27 und des Pulsgenerators 88 zum Bereitstellen von geeigneten Steuer- bzw. Regelsignalen A bis T, so daß die Inverter/Ladeeinheiten die Funktionen ausführen, die oben aufgelistet sind, ist innerhalb des Wissens in der Technik; siehe neuerlich beispielsweise Bose, "Power Electronics and Variable Frequency Drives", IEEE, 1996.
Der Strom, der aus der Batteriebank 22 während eines Langzeitbetriebs des Fahr- und Startermotors entnommen bzw. gezogen wird, um das Fahrzeug anzutreiben, sollte auf 30–50 Ampere beschränkt sein, um die Größe der Leiter und anderer erforderlicher Komponenten zu reduzieren, wie dies im '970er Patent diskutiert ist; diese Komponenten sind ausreichend, um Ströme bis zu 200 Ampere zu tragen bzw. zu leiten, wie dies während der Volleistungs-Beschleunigung angetroffen werden kann, da diese Bedingung bzw. dieser Zustand nicht mehr als 10–15 Sekunden dauern wird.
Wie angedeutet, umfaßt die Batteriebank 22 zwei im wesentlichen gleiche Batterieanordnungen 84; in einer Ausbildung wird jede Batterieanordnung acht 48-Volt-Batterien umfassen, so daß 384 Volt durch jede zur Verfügung gestellt werden. Die Batterieanordnungen 84 sind in Serie verbunden, so daß 768 Volt quer über die Schaltungs-"Schienen" 86, 88 zur Verfügung gestellt werden. Jedoch wird die Fahrzeugchassis-Verbindung von zwischen den in Serie verbundenen Batterieanordnungen entnommen, so daß nur 384 Volt zwischen jeglichen gegebenen Schaltungskomponenten und dem Fahrzeugchassis vorliegen; d.h. diese "Mittelpunktchassis"-Verbindung reduziert signifikant verschiedene Isolations- und Wärmesenkenerfordernisse. Spezifischer können die Leiter, Verbinder, Relais, Schalter und ähnliche Elemente sein, wie sie durch die National Electrical Manufacturers' Association (NEMA) für einen 600 Volt-Betrieb zugelassen sind; derartige Elemente sind weit verbreitet verfügbar und können viel leichter angewandt bzw. eingesetzt werden und sind viel weniger teuer als jene, die für ein kontinuierliches Tragen von Strom von beispielsweise 300 Volt und 300 Ampere erforderlich sind.
Vorzugsweise sind, wie dies durch 5(a) angedeutet ist, welche ein Detail eines Teils bzw. Abschnitts der Batterieanordnungen 84 illustriert, die 48-Volt-Batterien 85 durch normalerweise offene Relais 87 so verbunden bzw. angeschlossen, daß die Batterien 85 voneinander unter Failsafe- bzw. Ausfalls-Sicherheitsbedingungen isoliert sind; beispielsweise wird, wenn das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt ist, Leistung zu den Relais unterbrochen, so daß die maximale offene Spannung irgendwo in dem Fahrzeug 48 Volt beträgt, was die Feuergefahr reduziert. In ähnlicher Weise öffnen die Relais, wenn die Fahrzeug-"Zündung" durch den Betätiger ausgeschaltet ist bzw. wird.
Es wird nun auf die detaillierte Diskussion der erfinderischen Steuer- bzw. Regelstrategie übergegangen, gemäß welcher die Hybridfahrzeuge der Erfindung betätigt bzw. betrieben werden; wie in dem Fall des Hybridfahrzeugsystems, das in dem '970er Patent gezeigt ist, und wie dies in weiterem Detail unten diskutiert werden wird, wird das Fahrzeug gemäß der Erfindung in verschiedenen Arten in Abhängigkeit von dem erforderlichen Drehmoment, dem Ladungszustand der Batterien und anderen Variablen betrieben. In dem Folgenden werden die Beziehungen bzw. Zusammenhänge zwischen diesen Arten bzw. Moden unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen Techniken illustriert, um das vollständige Verständnis des Lesers von verschiedenen Aspekten der Fahrzeug-Steuer- bzw. -Regelstrategie sicherzustellen; einige dieser werden in einer Illustrationsform klarer gesehen werden als andere.
6 illustriert verschiedene Arten eines Fahrzeugbetriebs in bezug auf die Beziehung zwischen den momentanen Drehmoment-Erfordernissen des Fahrzeugs oder der "Straßenlast", dem Zustand der Ladung der Batteriebank 22, und der Zeit, während 7 eine Änderung in und die Beziehung zwischen Straßenlast, Maschinendrehmoment-Ausgabe und dem Ladungszustand der Batteriebank über die Zeit zeigt, d.h., während einer beispielhaften Fahrt. 8(a)–(d) zeigen vereinfachte schematische Diagramme des Fahrzeugs der Erfindung in seinen prinzipiellen Betriebsarten, welche den Energiefluß in der Form von Elektrizität oder verbrennbarem Kraftstoff durch strich-punktierte Linien und den Fluß von Drehmoment durch strichlierte Linien zeigen. Schließlich stellt 9 ein Hochniveau-Flußdiagramm zur Verfügung, das die prinzipiellen Entscheidungspunkte in dem Algorithmus zeigt, gemäß welchem der Mikroprozessor die verschiedenen Komponenten des Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs gemäß der Erfindung betreibt, und 9(a)–(c) zeigen Details und Modifikationen davon.
Wie festgehalten, ist die bevorzugte Steuer- bzw. Regelstrategie der Erfindung in mehreren unterschiedlichen Wegen durch 6–9 illustriert. Dieselben spezifischen numerischen Beispiele für verschiedene signifikante Steuer- bzw. Regelvariable, Datenmerkmale und dgl. werden überall für die Klarheit verwendet. Es wird verstanden werden, daß diese Beispiele normalerweise als Bereiche ausgedrückt werden würden; obwohl Bereiche nicht in dem Folgenden verwendet werden, um die Diskussion zu vereinfachen, sollte es verstanden werden, daß diese numerischen Beispiele durchgehend lediglich exemplarisch bzw. beispielhaft sind und daß die Erfindung nicht auf die exakten Werte der Steuer- bzw. Regelvariablen, die hier angeführt sind, zu begrenzen ist.
Weiters sollte realisiert werden, daß bestimmte dieser Steuer- bzw. Regelvariablen nicht auf spezifische Ziffern bzw. Zahlen beschränkt werden müssen; in einigen Fällen können die Entscheidungspunkte "Fuzzy" sein, d.h. eine sogenannte "Fuzzy-Logik" kann angewandt werden, so daß, während das Betriebsschema seine Gesamtcharakteristika beibehält, die spezifischen Werte, gegen welche die Steuer- bzw. Regelvariablen und Datenwerte in der Implementierung der Steuer- bzw. Regelstrategie gemäß der Erfindung getestet werden, von Zeit zu Zeit variieren können. Beispiele dieser Praxis -- was in vielen Umständen dazu führt, daß gewisse spezifische Werte in Abhängigkeit von anderen Datenmerkmalen modifiziert werden, die nicht im Detail diskutiert sind, oder die tatsächlichen Benutzungsmuster des Fahrzeugs über die Zeit überwacht werden -- sind unten gegeben.
Indem diese zahlreichen unterschiedlichen Erläuterungen der Beziehung zwischen den verschiedenen Betriebsarten des Fahrzeugs der Erfindung, und spezifisch diese unterschiedlichen Erläuterungen der Kombinationen von Bedingungen gegeben werden, worauf in Antwort der Mikroprozessor eine Arten- bzw. Modusauswahl steuert bzw. regelt, wird ein Fachmann in der Technik keine Schwierigkeit haben, die Erfindung zu implementieren.
Wie erwähnt, wird während eines Niedriggeschwindigkeitsbetriebs, wie in dem Stadtverkehr, das Fahrzeug als ein einfaches Elektroauto betrieben, wo jegliches Drehmoment auf die Straßenräder 34 durch den Fahrmotor 25 zur Verfügung gestellt ist, der mit elektrischer Energie arbeitet, die von der Batteriebank 22 zugeführt ist. Dies wird als "Modus I"-Betrieb (siehe 6) bezeichnet und ist in 8(a) illustriert. Dieselben Energie- und Drehmomentpfade können auch unter Notfallumständen verwendet werden, die als Modus III-Betrieb bezeichnet werden, wie dies unten diskutiert ist.
Während sie bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen betrieben wird, z.B. wenn die Fahrzeugdrehmoment-Erfordernisse ("Straßenlast" oder "RL") weniger als 30 % der maximalen Maschinendrehmoment-Ausgabe ("MTO") sind, läuft die Maschine 40 nur, falls dies erforderlich ist, um die Batteriebank 22 zu laden. Der Startermotor 21 wird zuerst ver wendet, um die Maschine 40 zu starten, und wird dann als ein Generator durch einen geeigneten Betrieb der Inverter/Ladeeinheit 23 betrieben, so daß ein Ladestrom zu der Batteriebank 22 fließt. Dementsprechend ist die Kupplung 51 außer Eingriff, so daß die Straßengeschwindigkeit des Fahrzeugs von der Maschinengeschwindigkeit bzw. -drehzahl 40 unabhängig ist; die Maschine 40 kann so bei einem relativ hohen Ausgabedrehmomentniveau aus Gründen einer Kraftstoffeffizienz betrieben werden. Dieser "Modus II"-Betrieb ist in 8(b) illustriert; wie angedeutet, ist die Kupplung 51 außer Eingriff, so daß der Maschinenbetrieb zum Laden der Batteriebank 22 durch den Startermotor 21 und ein Antrieb des Fahrzeugs durch den Fahrmotor 25 vollständig unabhängig voneinander sind.
Wie in dem '970er Patent, ist die Maschine 40 so dimensioniert, daß ihr maximales Drehmoment ausreichend ist, um das Fahrzeug in einem Bereich von gewünschten Fahrgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen anzutreiben; dieses Erfordernis stellt sicher, daß die Maschine bei hoher Effizienz während normalem Autobahnfahren betrieben wird. Daher steuert bzw. regelt, wenn ein erfaßter Anstieg in der Straßenlast (z.B. durch ein fortgesetztes Erfordernis des Betätigers für mehr Leistung) anzeigt, daß sich der bevorzugte Betriebsmodus von einem Niedriggeschwindigkeits- zu einem Autobahnfahrbetrieb ändert, der den Startermotor 21 über die Inverter/Ladeeinheit 23, um die Maschine 40 zu starten. Wenn die Maschine 40 im wesentlichen auf Geschwindigkeit bzw. Drehzahl ist, greift die Kupplung 51 ein, so daß die Maschine 40 die Straßenräder 34 durch die Wellen der Motoren 21 und 25 antreibt. Wenn der Betätiger den Druck auf das Beschleunigungspedal losläßt, wobei dies anzeigt, daß eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht wurde, wird der Fahrmotor 25 entsprechend leistungsfrei gemacht. Der Autobahnfahrmodus wird als "Modus IV"-Betrieb bezeichnet und der Fluß an Energie und Drehmoment sind, wie in 8(c) illustriert.
Wenn zusätzliches Drehmoment während eines Autobahnfahrens, z.B. zum Beschleunigen oder Bergauffahren erforderlich ist, können einer oder beide Motoren 21 und 25 mit Leistung versorgt werden. Dieser "Modus V"-Betrieb ist in 8(d) illustriert; Energie fließt vom Tank 38 zur Maschine 40 und von der Batteriebank 22 zu dem Fahrmotor 25 und möglicherweise auch zu dem Startermotor 21; Drehmoment fließt von einem oder beiden Motoren und der Maschine zu den Rädern 34.
Der Energiefluß während eines Batterieladens ist nicht per se in 8 illustriert, wird jedoch durch den Fachmann verstanden werden und ist weiter unten beschrieben. Beispielsweise wird, wenn die momentane Drehmomentausgabe der Maschine die Straßenlast übersteigt, der Startermotor 21 als eine Ladeeinrichtung betrieben, was Wiederaufladestrom zu der Batteriebank zuführt. In gleicher Weise kann bzw. können, wenn die Straßenlast dazu tendiert, nach unten zu gehen oder negativ ist, entweder der Fahrmotor oder der Startermotor oder beide als regenerative Ladeeinheit bzw. -einrichtung betrieben, welche Wiederaufladestrom zu der Batteriebank zuführt; ein Bremsen kann in gleicher Weise in Antwort auf einen geeigneten Betätigerbefehl ausgeführt werden.
6 ist, wie dies oben angedeutet ist, ein Diagramm, das verschiedene Arten eines Betriebs des Betriebfahrzeug-Antriebsstrangs der Erfindung illustriert; die Betriebsarten, die durch die Bezugszeichen I–V angedeutet sind, sind auf einer dreidimensionalen Darstellung ausgedruckt, wobei dies illustriert, daß die Art bzw. der Modus des Fahrzeugbetriebs, wie er durch den Mikroprozessor 48 gesteuert bzw. geregelt ist, eine Funktion des Ladungszustands der Batteriebank, der momentanen Straßenlast und der Zeit ist. 7, die unten diskutiert wird, illustriert weiters die erfinderische Art des Fahrzeugbetriebs.
6 zeigt auf einer Achse den Zustand der Batterieladung, die sich von 70 % am Ursprung zu einem Minimalwert erstreckt, der bei 30 % gezeigt ist. Normalerweise werden die Batterien auf wenigstens 30 % einer vollen Beladung gehalten. Vorzugsweise wird die Batteriebank nicht auf mehr als 70 % ihrer theoretischen vollen Kapazität geladen; wenn eine Anzahl von in Serie verbundenen Batterien alle auf 100 % ihrer Nominalvolladung geladen sind, würden einige aufgrund einer Herstellungsänderung, einer lokalen Temperaturänderung und dgl. überladen werden, was ihre Lebensdauer signifikant verkürzen würde. Darüber hinaus ist ein häufiges Wiederaufladen von jeglicher individueller Batterie auf 100 % ihrer theoretischen Kapazität ebenfalls nachteilig für die Batterielebensdauer.
Für die Straßenlast ist in 6 auf einer zweiten Achse gezeigt, wie sie von 0 im Ursprung bis 200 % der maximalen Drehmomentausgabe der Maschine variiert. (Negative Straßenlast, die während Bergabfahrten oder unter Bremsen auftritt, ist in 6 aufgrund der Schwierigkeit der Illustration nicht gezeigt. Dieser Umstand wird im Zusammenhang mit 7 unten diskutiert). Die Zeit ist auf der dritten Achse gezeigt, die sich von einem beliebigen Punkt am Ursprung erstreckt; d.h. 6 zeigt die Art des Fahrzeugbe triebs über die nächste kurze Zeitdauer (in der Größenordnung von 30–60 Sekunden) von einem gegenwärtigen Augenblick im Ursprung. Anders ausgeführt, steuert bzw. regelt gemäß einem Aspekt der Erfindung der Mikroprozessor 48 den Fahrzeugbetriebsmodus zu jedem gegebenen Zeitpunkt in Abhängigkeit von der "kürzlichen Geschichte" ebenso wie von der momentanen Straßenlast und dem Batterieladungszustand.
Spezifischer zeigt 6, daß während eines Stadtfahrens (Modus I), das in diesem Beispiel als Fahren definiert ist, wo die momentanen Drehmoment-Erfordernisse des Fahrzeugs oder die "Straßenlast" bis zu 30 % des maximalen Maschinendrehmoments betragen, wird das Fahrzeug als ein "unmittelbares Elektro"-Auto betrieben, wobei die Kupplung außer Eingriff ist und Energie von der Batteriebank 22 verwendet wird, um den Fahrmotor 25 mit Leistung zu versorgen, um das Fahrzeug anzutreiben, solange die Batterie zwischen 50 und 70 % ihrer voller Ladung geladen bleibt. Wenn die Ladung auf unter einen gegebenen Wert fällt, welcher über die Zeit variieren kann, wie dies durch die gekrümmte Linie angezeigt ist, die das Ausmaß des Modus II definiert, wird in Modus II eingetreten, wie dies angedeutet ist, die Maschine wird gestartet und der Startermotor 21 wird als ein Generator betrieben, um die Batterie auf im wesentlichen volle Ladung zu laden. Wie in Modus III angedeutet, kann ein Betrieb des Fahrzeugs als ein Elektroauto auch erlaubt sein, wenn die Batterie unter 40 % voller Ladung fällt, beispielsweise wenn ein Fehler in der Maschine oder in dem Ladesystem besteht, jedoch nur auf einer Notfallbasis; eine derartige tiefe bzw. Tiefentladung ist für die Batterielebensdauer nachteilig bzw. schädlich.
Während eines Autobahnfahrens, Bereich IV, wo die Straßenlast zwischen etwa 30 % und 100 % der maximalen Maschinendrehmoment-Ausgabe ist, wird die Maschine allein zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet. Dementsprechend veranlaßt, wenn der Mikroprozessor detektiert, daß ein Übergang zwischen Bereichen I und IV erforderlich ist (z.B. kann der Mikroprozessor effektiv die Straßenlast durch Überwachen der Antwort des Fahrzeugs auf den Betätigerbefehl für mehr Leistung bestimmen), er den Startermotor 21, die Maschine 40 mit relativ hoher Drehzahl zu drehen; wenn eine gewünschte Startdrehzahl üblicherweise 300 U/min erreicht ist, werden die elektronische Maschinenmanagement-Einheit 55 und die elektronische Kraftstoffeinspritz-Einheit 56 gesteuert bzw. geregelt, um die Zündkerzen zu zünden und Kraftstoff zuzuführen, wodurch die Maschine gestartet wird. So erlaubt ein Starten der Maschine bei relativ hohen Drehzahlen, daß eine nahezu stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Mischung verwendet wird, verglichen mit den viel reicheren Mischungen, die normalerweise für ein Starten verwendet werden. Emissionen von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen sind bzw. werden somit wesentlich reduziert und die Kraftstoffökonomie ist verbessert.
Wenn die Drehzahl der Maschinenausgabe- bzw. -abtriebswelle im wesentlichen mit jener des Fahrmotors 25 übereinstimmt, greift die Kupplung 51 ein; die Leistung, die durch den Motor 25 erzeugt wird, wird reduziert, wenn jene, die durch die Maschine 40 erzeugt wird, erhöht wird, so daß der Übergang zwischen dem Modus I und IV glatt ist und im wesentlichen durch den Betätiger nicht detektiert wird. Wenn der Betätiger den Druck auf das Gaspedal 69 reduziert, was anzeigt, daß die gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht wurde, wird die Leistung zum Motor 25 auf null reduziert.
Wenn der Betätiger dann zusätzliche Leistung anfordert, z.B. für ein Beschleunigen oder Überholen, wird in Bereich V eingetreten, d.h. wenn der Mikroprozessor detektiert, daß die Straßenlast 100 % der maximalen Maschinendrehmoment-Ausgabe übersteigt, steuert bzw. regelt er die Inverter/Ladeeinheit 27 so, daß Energie von der Batteriebank 22 zu dem Fahrmotor 25 fließt, was Drehmoment zur Verfügung stellt, welches das Fahrzeug zusätzlich zu jenem antreibt, das durch die Maschine 40 zur Verfügung gestellt wird. Der Startermotor 21 kann in gleicher Weise gesteuert bzw. geregelt werden, um Antriebsdrehmoment zur Verfügung zu stellen.
Wie oben angedeutet, betreibt während eines Autobahnfahrens, wo das Drehmoment, das zum Antreiben des Fahrzeugs erforderlich ist, wie durch die Betätigerbefehle angedeutet variiert, das Steuer- bzw. Regelsystem die Maschine an entsprechend sich ändernden Drehmomentausgabe-Niveaus. Der Bereich von zulässigen Maschinendrehmomentausgabe-Niveaus wird auf den Bereich beschränkt, in welchem die Maschine eine gute Kraftstoffeffizienz liefert. Wo das momentane Drehmomenterfordernis der Maschine die maximale effiziente Drehmomentausgabe der Maschine übersteigt, z.B. während eines Überholens oder Bergauffahrens, wird bzw. werden einer oder beide Elektromotor(en) mit Energie versorgt, um zusätzliches Drehmoment zur Verfügung zu stellen; wo die Fahrzeugdrehmoment-Erfordernisse weniger als das Drehmoment sind, das durch die Maschine erzeugt wird, z.B. während eines Überlandfahrens oder Bergabfahrens oder während eines Bremsens, wird das überschüssige Maschinendrehmoment verwendet, um die Batterien aufzuladen. Ein regeneratives La den kann gleichzeitig auftreten, wenn Drehmoment von der Maschine und Rückgewinnung von kinetischer Energie des Fahrzeugs beide einen oder beide Motoren antreiben, die in dem Generatormodus betrieben sind. Die Änderungsgeschwindigkeit bzw. -rate der Drehmomentausgabe durch die Maschine kann gesteuert bzw. geregelt zu sein, um Emissionen zu reduzieren, und in Übereinstimmung mit dem Ladungszustand der Batteriebank. 7 illustriert diese Beziehungen bzw. Zusammenhänge.
Wie dies oben erwähnt ist, ist 7, welche 7(a)–(c) umfaßt und sich über zwei Blätter erstreckt, ein Zeitdiagramm, das die Beziehung zwischen Straßenlast, Maschinen-Drehmomentausgabe, dem Ladungszustand der Batteriebank und einem Betrieb der Maschine zeigt, wie diese über die Zeit während eines Niedriggeschwindigkeits-Stadtfahrens, Autobahnfahrens und erstreckten Hochlastfahren variieren, wodurch weiter die Steuer- bzw. Regelstrategie illustriert wird, die gemäß der Erfindung angewandt wird.
7(a) zeigt das momentane Drehmomenterfordernis des Fahrzeugs, d.h. die "Straßenlast" durch eine durchgezogene Linie, und das momentane Ausgabedrehmoment der Maschine durch eine strichlierte Linie, wie diese mit der Zeit variieren. (Das momentane Ausgabedrehmoment der Maschine ist in 7(c) der Klarheit halber wiederholt und damit deutlich bestimmte zusätzliche Aspekte der erfinderischen Steuer- bzw. Regelstrategie gezeigt werden.) Die Straßenlast ist als eine Funktion der maximalen Drehmomentausgabe der Maschine ausgedrückt. Wo die Straßenlast das momentane Ausgabedrehmoment der Maschine übersteigt, stellen die kreuzweise schraffierten Bereiche zwischen diesen zwei Li nien Drehmoment dar, welches durch den Fahr- und/oder Startermotor zur Verfügung gestellt ist; wo die Straßenlast weniger als das momentane Ausgabedrehmoment der Maschine ist, stellen die kreuzweise schraffierten Bereiche ein Laden der Batterien dar.
Es wird erkannt bzw. geschätzt werden, daß positive Fahrzeugdrehmoment-Anfragen bzw. Anforderungen einem Fahren in einem stetigen bzw. gleichmäßigen Zustand, einer Beschleunigung, einem Bergauffahren oder dgl. entsprechen, während negative Fahrzeugdrehmoment-Erfordernisse einem Verzögern oder Bergabfahren entsprechen. Das Maschinenausgabe-Drehmoment ist auf den Bereich eines effizienten Betriebs beschränkt; wie dies in 7(a) und (c) illustriert ist, ist dieser Bereich gesteuert bzw. geregelt, um zwischen 30 % und 100 % der maximalen Maschinendrehmoment-Ausgabe zu sein ("MTO"). Wie oben erwähnt, wird erkannt werden, daß die 30 % Figur ebenso wie ähnliche Figuren bzw. Darstellungen, die hier erwähnt sind, variieren können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
In dem Beispiel eines Fahrzeugbetriebs, der in 7 gezeigt ist, wird zu Beginn das Fahrzeug nur bei Straßenlasten unter 30% MTO betrieben, d.h. im Verkehr bzw. Stadtverkehr, wie dies bei A angedeutet ist. Dementsprechend wird das gesamte erforderliche Drehmoment durch den Fahrmotor 25 zur Verfügung gestellt, und der Ladungszustand der Batteriebank 22 ("BSC"), wie dies in 7(b) illustriert ist, entspricht direkt der Straßenlast; wenn die Straßenlast negativ ist, steigt BSC an, da die Batteriebank durch ein regeneratives Bremsen geladen wird. (Änderungen in BSC sind signifikant übertrieben, um klar die gezeigten Ereignisse zu erklären.)
Bei Punkt B übersteigt die Straßenlast 30 % MTO zum ersten Mal in dieser speziellen Fahrt. Wenn dies durch den Mikroprozessor 48 detektiert wird, dreht der Startermotor 21 der Maschine 40 mit relativ hoher Drehzahl und der katalytische Wandler 64 wird vorgeheizt, was eine kurze Entnahme an BSC bewirkt, wie dies bei C gezeigt ist. Wenn die Maschine die gewünschte Startdrehzahl erreicht, z.B. 300 U/min und der Katalysator eine minimale effektive Betriebstemperatur erreicht, z.B. wenigstens etwa 350°C, wird die Maschine durch Zufuhr von Kraftstoff und Zünden ihrer Zündkerzen gestartet und die Kupplung gelangt dann in Eingriff. Da die Maschine bereits mit relativ hoher Drehzahl dreht und durch Kompression von Luft in ihren Zylindern während des Startverfahrens erwärmt wurde, beginnt sie ein verwendbares Drehmoment nahezu unmittelbar zu produzieren, wie dies bei D angedeutet ist.
Danach wird bzw. werden, wenn die Fahrzeugdrehmoment-Anforderung das momentane Maschinenausgabe-Drehmoment übersteigt, wie an Punkten E–G und P, einer oder beide von dem Fahr- und Startermotor 25 und 21 mit Leistung versorgt, um zusätzliches Drehmoment zu den Straßenrädern zur Verfügung zu stellen, d.h. das Fahrzeug wird im Modus V betrieben. Während die Straßenlast RL innerhalb des effizienten Betriebsbereichs der Maschine bleibt, z.B. während 30 % MTO > RL > 100 % von MTO, wird das Fahrzeug im Modus IV betrieben. Während dem Betrieb im Modus IV wird, wenn die momentane Maschinendrehmoment-Ausgabe das Fahrzeugdrehmoment-Erfordernis übersteigt, jedoch die Batterie relativ voll geladen ist, wie bei Punkt H, die Maschinendrehmoment-Ausgabe reduziert, um mit der Straßenlast übereinzustimmen; wenn MTO die Straßenlast übersteigt und BSC unter ein vorbe stimmtes Niveau fällt (siehe 7(b)), wie bei I und J, wird das überschüssige Drehmoment, das von der Maschine 40 verfügbar ist, verwendet, um die Batterien zu laden, wie dies bei K und L angedeutet ist (7(c)). Wenn das Drehmomenterfordernis des Fahrzeugs kleiner als die minimale zulässige Maschinendrehmoment-Ausgabe ist, wie bei M, wird die Maschine neuerlich verwendet, um die Batterien zu laden, und ein regenerierendes Bremsen wird auch durchgeführt, was weiters die Batterien lädt. Wenn die Batterien im wesentlichen voll geladen sind bzw. werden, z.B. während einer langen Bergabfahrt, wie bei N, kann die Maschine vollständig abgeschaltet werden, wie dies bei Q in 7(c) gesehen wird.
Die Änderungsgeschwindigkeit der Maschinendrehmoment-Ausgabe ist begrenzt, z.B. auf 2 % oder weniger pro Umdrehung, wie dies durch ein Anmerken angezeigt ist, daß die strichlierte Linie in 7(a), welche das momentane Maschinenausgabe-Drehmoment anzeigt, der durchgezogenen Linie nachläuft, die das momentane Drehmomenterfordernis des Fahrzeugs anzeigt. Indem so die Änderungsgeschwindigkeit bzw. -rate des Maschinenausgabe-Drehmoments beschränkt wird, ist es bevorzugt, unerwünschte Emissionen zu begrenzen und die Kraftstoffökonomie zu verbessern; d.h. da das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis sich etwas ändert, wenn sich die Last ändert, würde ein einfaches Öffnen der Drossel und ein Bewirken, daß zusätzlicher Kraftstoff beim Durchtreten des Gaspedals durch den Betreiber eingespritzt wird (wie dies typischerweise praktiziert wird), in einer nicht stöchiometrischen ineffizienten Verbrennung resultieren. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist die Änderungsgeschwindigkeit des Maschinendrehmoments beschränkt; dies stellt ausreichend Zeit für das im wesentlichen kon ventionelle elektronische Maschinenmanagement und die elektronischen Kraftstoffeinspritz-Systeme zur Verfügung, welche einen "Lambda Sensor" 104 (3) zum Überwachen des Sauerstoffgehalts des Abgasstroms als einen Hinweis einer stöchiometrischen Verbrennung umfassen, um, wenn sich die Last ändert, durch ein Beibehalten von stöchiometrischer Verbrennung und Reduzieren von Emission von nicht verbranntem Kraftstoff zu antworten.
Die maximal zulässige Änderungsgeschwindigkeit des Maschinenausgabe-Drehmoments kann auch in Übereinstimmung mit dem Ladungszustand der Batterien variiert werden; spezifischer kann es, wenn die Batterien relativ entladen sind, bevorzugt sein, das Maschinenausgabe-Drehmoment schneller auffahren zu lassen als sonst, um die Menge an elektrischer Leistung zu begrenzen, die aus den Batterien in Antwort auf einen Beschleunigungsbefehl entnommen wird. Allgemeiner ist es bevorzugt, die Maschine so zu betreiben, um die Leistungsmenge zu begrenzen, die aus den Batterien entnommen wird, da es unvermeidbare Verluste gibt, die mit der Umwandlung von Energie, die in den Batterien gespeichert ist, in Motorausgabe-Drehmoment und während des entsprechenden Wiederaufladezeitraums verbunden sind.
Wie oben erwähnt, ist 9 ein Hochniveau-Flußdiagramm der prinzipiellen bzw. Hauptentscheidungspunkte in dem Steuer- bzw. Regelprogramm, das verwendet wird, um den Modus bzw. die Art des Fahrzeugbetriebs zu steuern bzw. zu regeln. Grob gesagt, testet der Mikroprozessor erfaßte und berechnete Werte für Systemvariable ab, wie das momentane Drehmoment-Erfordernis des Fahrzeugs, d.h. die "Straßenlast" RL, die momentane Drehmomentausgabe der Maschine ITO, welche beide als ein Prozentsatz der maximalen Drehmoment ausgabe der Maschine MTO ausgedrückt sind, und den Ladungszustand der Batteriebank BSC, der als ein Prozentsatz seiner vollen Ladung ausgedrückt ist, gegen festgelegte bzw. Einstellpunkte, und verwendet die Ergebnisse der Vergleiche, um die Art des Fahrzeugbetriebs zu steuern bzw. zu regeln.
Wie oben festgehalten, können bestimmte Steuer- bzw. Regelentscheidungen, die in der erfinderischen Steuer- bzw. Regelstrategie involviert sind, die in 9 illustriert ist und hier beschrieben sind, wie sie in Antwort auf präzise Kriterien bestimmt werden (um klar die Hauptmerkmale der erfinderischen Betriebsstrategie darzustellen bzw. zu repräsentieren), stattdessen nützlicher Weise etwas "fuzzy" sein; in der vorliegenden Anmeldung soll dieser Ausdruck anzeigen, daß der Wert eines festgelegten Punkts (beispielsweise) etwas in Antwort auf die kürzliche Geschichte oder in Antwort auf aufgezeichnete Variablen variieren kann, die nicht oben diskutiert wurden. Wie oben erwähnt, ist es auch zu verstehen, daß die oben angegebenen Werte für verschiedene numerische Größen etwas variieren können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Spezifische Alternativen sind unten für Schritte, die in 9 ausgeführt sind, zur Verfügung gestellt, welche bestimmte dieser Alternativen implementieren.
Beispielsweise wird in dem Beispiel der erfinderischen Steuer- bzw. Regelstrategie, die oben diskutiert wurde, wiederholt ausgeführt, daß der Übergang von dem Niedriggeschwindigkeits-Betrieb zu einem Autobahnfahren auftritt, wenn die Straßenlast etwa gleich 30 % MTO ist. Dieser festgelegte Punkt, auf welchen in den beiliegenden Ansprüchen als "SP" und manchmal nachfolgend als den Übergangspunkt bezug genommen wird (d.h. zwischen den Betriebsarten I und IV), ist offensichtlich beliebig bzw. willkürlich und kann wesentlich, z.B. zwischen 30–50 % MTO, innerhalb des Rahmens der Erfindung variieren.
Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung für den Mikroprozessor, den Fahrzeugbetrieb über einen Zeitraum von Tagen oder Wochen zu überwachen und diesen wichtigen festgelegten Punkt in Antwort auf ein wiederholtes Fahrmuster festzulegen bzw. neuerlich festzulegen. Beispielsweise soll angenommen werden, daß der Betätiger dieselbe Route von einem dicht verbauten Vorort zu einem Arbeitsplatz jeden Morgen etwa zur selben Zeit zurücklegt; typischerweise kann die Straßenlast unter 20 % MTO für die ersten wenigen Minuten an jedem Tag verbleiben, dann zwischen 0 und 50 % MTO für einige weitere wenige Minuten variieren, da der Betätiger einige Ampeln passiert, und dann momentan auf 150 % MTO ansteigen, wenn der Betätiger auf eine Autobahn beschleunigt. Es ist innerhalb des Wissens der Technik, einen Mikroprozessor zu programmieren, um derartige tägliche Muster aufzuzeichnen und zu analysieren und die Steuer- bzw. Regelstrategie entsprechend zu adaptieren. Beispielsweise in Antwort auf ein Erkennen eines regelmäßigen Musters wie oben, kann der Übergangspunkt auf 60 % MTO eingestellt werden; dies würde wiederholte Maschinenstarts verhindern, wenn die Straßenlast 30 % MTO für jeweils wenige hundert Yard übersteigt, wie dies häufig im Vorstadtverkehr auftreten kann. In gleicher Weise kann die Maschinenstartroutine begonnen werden, nachdem dieselbe Gesamtdistanz jeden Tag durchfahren wurde.
Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, den festgelegten Punkt SP, an welchem die Straßenlast verglichen wird, um den Übergang von Modus I zu Modus IV zu regeln bzw. zu steuern, etwas "fuzzy" bzw. undeutlich zu gestalten, so daß SP von einem Vergleich einer Straßenlast von MTO zum nächsten in Abhängigkeit von anderen Variablen variieren kann. Beispielsweise kann, wie dies oben diskutiert ist, wenn während einem Niedriggeschwindigkeits-Betrieb der Betätiger das Beschleunigungspedal schnell durchtritt, dies als ein Hinweis behandelt werden, daß Vollast bzw. Volleistung in Kürze erforderlich sein wird, und der Maschinenstartbetrieb begonnen wird, bevor die Straßenlast irgendeinen bestimmten festgelegten Punkt SP erreicht.
Der Wert des Übergangspunkts kann auch in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus tatsächlich variieren, wenn die Straßenlast gleich einem gegebenen festgelegten Punkt SP ist. Es soll beispielsweise angenommen werden, daß der festgelegte Punkt, bei welchem die Art bzw. der Modus des Betriebs gesteuert bzw. geregelt ist, um sich von dem Niedriggeschwindigkeits-Modus zu dem Autobahnfahrmodus zu ändern, normalerweise auf 30 % MTO festgelegt ist, wie in den oben diskutierten Beispielen. Wenn die Verkehrsbedingungen derart wären, daß die Straßenlast um diesen Wert fluktuiert, und ein Maschinenbetrieb lediglich in Antwort auf die Straßenlast gesteuert bzw. geregelt würde, würde die Maschine wiederholt gestartet und abgeschaltet werden, wenn die Straßenlast 30 % MTO jeweils für einige hundert Yard überschritten hat und dann zurück unter 30 % MTO fällt, was häufig in einem Vorstadtverkehr passieren kann. Wiederholte Neustarts können auch auftreten, wenn die Straßenlast durchschnittlich über 30 % MTO liegt, jedoch gegebenenfalls bzw. manchmal unter diesen Wert abfällt, was bei einem Fahren mit moderater Geschwindigkeit auf ebener Straße passieren kann.
Indem die Straßenlast über die Zeit überwacht wird und sie mit unterschiedlichen festgelegten Punkten entsprechend verglichen wird, kann ein Großteil dieser nicht erwünschten wiederholten Sequenz eines Maschinenstarts und Abschaltens eliminiert werden. Es kann bevorzugt sein, mit dem Modus-IV-Betrieb nach bzw. bei dem Auftreten von differierenden Bedingungen zu beginnen; beispielsweise kann in Modus IV von Modus I nur dann eingetreten werden, nachdem die Straßenlast einen ersten niedrigeren festgelegten Punkt SP für einen ausgedehnten Zeitraum überschritten hat, so daß die Maschine für ein ausgedehntes Niedriggeschwindigkeits-Fahren laufen würde, jedoch würde die Maschine unmittelbar gestartet, wenn die Straßenlast einen höheren festgelegten Punkt SP2, z.B. 50% MTO übersteigt, wie während einer Beschleunigung auf Autobahngeschwindigkeit. In gleicher Weise könnte die Maschine vorzugsweise nur dann abgeschaltet werden, wenn die Straßenlast weniger als ein minimaler festgelegter Punkt für den Betrieb in Modus IV für eine ausgedehnte Zeitperiode ist. Indem somit eine "Hysterese" in der Modusschalt-Bestimmung zur Verfügung gestellt wird, würde dies wiederholte Maschinenstarts in bestimmten Arten eines Fahrens begrenzen. Diese Grenzwerte könnten weiter eingestellt werden, wenn das Fahrmuster klar wird, z.B. wie es durch den Mikroprozessor erkannt bzw. unterschieden wird.
In einer weiteren Verfeinerung könnte der festgelegte Punkt, bei welchem die Maschine abgeschaltet wird, wenn die Straßenlast unter den üblichen Minimalwert für Modus-IV-Betrieb abfällt, in Abhängigkeit von BSC variieren; wenn die Batterien im wesentlichen voll geladen sind, könnte die Maschine abgeschaltet werden, wenn die Straßenlast unter 30 % MTO abfällt, jedoch, wenn ihre Ladung niedriger ist, könnte die Maschine gesteuert bzw. geregelt werden, um selbst bei einem Anhalten, d.h. null Straßenlast, weiter zu laufen, um die Batterien aufzuladen. Selbstverständlich müßte die Kupplung unverändert außer Eingriff sein, wenn die Straßenlast unter 20–30 % MTO fällt, damit die Maschine mit einer effizienten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl für die Erzeugung eines Drehmoments laufen kann.
9 zeigt derart die Hauptentscheidungspunkte des Steuer- bzw. Regelprogramms, das durch den Mikroprozessor abläuft, wobei der Übergangspunkt zwischen Modus I, Niedriggeschwindigkeits-Betrieb, und Modus IV, Autobahnfahren, bei einer Straßenlast gleich 30 % MTO festgelegt ist. Beispiele sind dann für einige der verschiedenen Optionen gegeben, die oben diskutiert sind, indem verschiedene der Entscheidungspunkte mit Alternativen substituiert bzw. ersetzt sind, die unten angeführt sind. Andere fakultative Punkte, die nicht spezifisch gezeigt, jedoch hier diskutiert sind, liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Das Steuer- bzw. Regelprogramm wird bei Schritt 100 begonnen, wo der Mikroprozessor bestimmt, ob die Straßenlast RL kleiner als 30 % MTO ist. Wenn die Antwort ja ("Y") ist, wird die Kupplung außer Eingriff gebracht, falls dies notwendig ist, wie dies in Schritten 103 und 105 angedeutet ist. Der Ladungszustand der Batteriebank BSC wird dann bei Schritt 110 getestet; wenn BSC zwischen 50 und 70 % voller Ladung ist, kann das Fahrzeug für einige Zeit als ein unmittelbares bzw. ausschließliches Elektrofahrzeug betrieben werden, und es wird in Modus I entsprechend eingetreten, wie dies bei 115 angedeutet ist. Eine "Modus I"-Schleife wird dann aufgebaut bzw. eingerichtet, umfassend bzw. beinhaltend Schritte 100, 103 und 110; solange alle Bedingun gen, die in diesen Schritten getestet sind, stabil bleiben, wird das Fahrzeug weiter in Modus I betrieben.
Wenn jedoch bei Schritt 110 bestimmt wurde, daß BSC kleiner als 50 % ihres Maximalwerts ist ("N"), sollte die Maschine laufen, falls möglich, um die Batteriebank bis zu beispielsweise 75 % ihrer Maximalladung aufzuladen, wie dies bei Schritt 120 getestet wird. Wenn die Maschine bereits läuft, wie dies bei Schritt 125 getestet wird, wird die Batterie geladen, wie dies bei 130 angedeutet ist, und eine stabile "Modus II"-Schleife, wie dies bei 135 angedeutet ist, wird eingerichtet, beinhaltend Schritte 100, 103, 110, 120, 125 und 130. (Ein Normalbetrieb von Schritt 110 würde umgangen oder in diesem Modus unmöglich gemacht, um zu verhindern, daß ein Batterieladen gestoppt wird, wenn BSC 70% erreicht). Wenn die Maschine nicht läuft, wird in eine Maschinenstart-Subroutine (gesondert durch 9(a) gezeigt) eingetreten, wie dies bei Schritt 140 angedeutet ist.
In der Maschinenstart-Subroutine, beginnend mit dem 'Enter'-Block 141, wird die Kupplung, falls notwendig, bei Schritten 142–143 außer Eingriff gebracht, und die Katalysatortemperatur wird bei 145 getestet, um zu bestimmen, ob sie wenigstens etwa 350 °C beträgt; der Katalysator wird, falls notwendig, aufgeheizt, wie dies bei 150 angedeutet ist. Wenn der Katalysator geeignet aufgeheizt ist, wird die Maschine dann durch den Startermotor gedreht, bis eine gewünschte Startdrehzahl erreicht ist, wie dies durch die Schleife, beinhaltend die Blöcke 155 und 160, angedeutet ist. Wenn die Maschine ihre gewünschte Startdrehzahl erreicht, wird sie bei Schritt 165 durch Zufuhr von Kraftstoff und Zünden ihrer Zündkerzen gestartet, was die Maschinenstart-Subroutine beendet, wie dies durch den "Re turn"-Block 170 angedeutet ist. Wenn in die Maschinenstart-Subroutine von der Modus-II-Schleife eingetreten wurde, wie oben, kann die Batteriebank dann, wie bei 130 angedeutet, geladen werden.
Wenn sich bei der Durchführung von Schritt 120 zeigte, daß BSC kleiner als 40 % war, was nur nach bzw. bei einem Versagen der Maschine oder des Ladesystems auftreten würde, kann Schritt 175 ausgeführt werden; d.h. wenn 30 % < BSC < 40 %, kann das Fahrzeug in Modus III als ein Elektrofahrzeug betrieben werden, um einen Notbetrieb zur Verfügung zu stellen. Jedoch sollte dies strikt begrenzt sein, um eine Tiefentladung der Batteriebank zu vermeiden, was ihre verwendbare Lebensdauer zu verkürzen tendiert. Wie dies bei 177 angedeutet, ist das Fahrzeug vollständig unfähig bzw. bewegungslos, wenn BSC unter 30 % fällt.
Wenn für RL bestimmt wird, 30 % MTO in Schritt 100 zu übersteigen, geht das Programm zu Schritt 180, wo der Ausdruck 30 % > RL > 100 % evaluiert ist bzw. ausgewertet wird; d.h., der Mikroprozessor bestimmt, ob die Straßenlast für Autobahnfahren in Modus IV geeignet ist. Wenn ja, und wenn die Maschine läuft, wie dies bei Schritt 190 getestet wird, wird eine stabile Schleife, beinhaltend Schritte 180 und 190 eingerichtet; das System verbleibt im Modus IV, wie dies bei 185 angedeutet ist, bis sich der Zustand von einem dieser Tests verändert.
Wenn in Schritt 190 bestimmt wird, daß die Maschine nicht läuft, wird in die Maschinenstart-Subroutine, die mit Schritt 140, wie oben diskutiert, startet, eingetreten, wie dies bei 195 angedeutet ist; nach bzw. bei Rückkehr bei 200 wird die Kupplung bei 210 in Eingriff gebracht, und es wird in die Schleife, beinhaltend Schritte 180 und 190, eingetreten.
Wie festgehalten, wird in Schritt 180 bestimmt, ob RL zwischen 30 und 100 % MTO ist; wenn nicht, wird in Schritt 220 bestimmt, ob RL größer als 100 % MTO ist. Wenn ja, wird in Modus V eingetreten und der Fahrmotor (und gegebenenfalls der Startermotor) wird mit Leistung versorgt, um zusätzliches Drehmoment zur Verfügung zu stellen, das das Fahrzeug antreibt, wie dies bei 230 angedeutet ist. Eine Schleife, beinhaltend Schritte 220 und 230, wird so eingerichtet, so daß Modus V stabil bleibt, bis sich der Zustand des Tests, der in Schritt 220 ausgeführt wird, verändert.
Wenn bei der Durchführung von Schritt 220 erscheint, daß RL nun kleiner als 100 % MTO ist, wird dann in Schritt 215 bestimmt, ob RL weniger als 30 % MTO ist. Wenn ja, wird die Maschine abgeschaltet, wie dies bei 240 angedeutet ist, und das Programm kehrt zu Schritt 100 zurück; wenn nicht, wird das Programm zu Schritt 180 zurückgeführt.
Es wird erkannt bzw. geschätzt werden, daß es gemäß dem Flußdiagramm von 9 für das System möglich ist, direkt von Modus I zu Modus V zu gehen, d.h. von Schritt 100 zu Schritt 220, wenn die Straßenlast schnell von weniger als 30 % MTO auf mehr als 100 % MTO ansteigt. Indem es dem Betätiger erlaubt wird, so das System zu betreiben, ist dies ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, beispielsweise wenn eine schnelle Beschleunigung von einem Stop erforderlich ist, um sich in einen Autobahnverkehr einzureihen. Unter diesen Umständen würde die Maschine nicht während dem anfänglichen Betrieb in Modus V laufen, was einen signifikanten Verbrauch an der Batteriebank und ein Überantreiben bzw. Über drehen des Fahrmotors erforderlich macht. Dementsprechend sind Schritte äquivalent zu Schritten 190, 195 und 210 (beinhaltend die Maschinenstart-Subroutine) als Schritt 220 folgend und Schritt 230 vorhergehend zu verstehen. D.h., in dem Fall, daß Modus IV effektiv weggelassen wurde, indem direkt von Modus I zu Modus V übergegangen wird, wird die Maschine gestartet und die Kupplung so schnell wie möglich in Eingriff gebracht; diese doppelten Schritte sind der Klarheit halber nicht gezeigt.
In der obigen Diskussion von 9 wurde angenommen, daß der Übergangspunkt zwischen dem Niedriggeschwindigkeits- und Hochgeschwindigkeitsbetrieb so festgelegt ist, daß der Übergang unter allen Umständen stattfindet bzw. auftritt, wenn die Straßenlast etwa gleich 30 % MTO ist. Jedoch kann, wie dies oben diskutiert wurde, es wünschenswert sein, das System so zu betreiben, daß das Fahrzeug von dem Niedriggeschwindigkeits-Modus I zu dem Autobahnfahrmodus IV bei einer höheren Last, z.B. 50 % MTO als der Straßenlast übergeht, bei welcher in den Niedriggeschwindigkeits-Modus wiederum eingetreten wird, z.B. wenn die Straßenlast im Modus IV unter 20 % abfällt. Diese "Hysterese" des Modusschaltungspunkts – welcher beispielsweise, dem Fahrzeug ermöglicht, in Modus I bis zu Straßenlasten von bis zu 50 % MTO zu beschleunigen, jedoch nicht die Maschine abzuschalten, den Modus-IV-Betrieb zu beenden, bis die Straßenlast unter 20 % MTO fällt -- verhindert ein übermäßiges Modusschalten während Perioden einer fluktuierenden Straßenlast.
Beispielsweise im typischen Vorstadtverkehr, kann einer üblicherweise über 30 % MTO beschleunigen, was ansonsten eine normale Fahrgeschwindigkeit wäre, jedoch neuerlich kurz danach stoppen; es würde nicht effizient sein, wiederholt die Maschine zu stoppen und neu zu starten, wenn die Last um 30 % fluktuiert. Die Hysterese kann in gleicher Weise nützlich bzw. verwendbar sein, um ein nutzloses Modusschalten bei einem Fahren bei moderater Geschwindigkeit auf ebener Straße in Modus IV zu vermeiden, wenn die Straßenlast gegebenenfalls bzw. gelegentlich unter 30 % fallen kann; neuerlich würde es ineffizient sein, wiederholt die Maschine zu starten und abzuschalten.
Ein derartiges Bereitstellen unterschiedlicher Modusschaltpunkte in Abhängigkeit von der Richtung der Änderung in der Straßenlast kann leicht durch ein Überwachen der Straßenlast RL als eine Funktion der Zeit und Einnehmen bzw. Durchführen einer geeigneten Steuer- bzw. Regeltätigkeit ausgeführt werden. Beispielsweise kann, wenn das System in dem Modus I gehalten ist, bis RL die "normalen" 30 % des MTO-Modusschaltpunkts für einen Zeitraum von beispielsweise 30 Sekunden steigt, und ohne 50 % MTO zu übersteigen, das überschüssige bzw. übermäßige Modusschalten, das ansonsten wahrscheinlich im Vorstadtverkehr angetroffen wird, größtenteils vermieden werden. 9(b) zeigt einen Schritt 100', welcher den Schritt 100 in 9 ersetzt und diese "Niedriggeschwindigkeits-Hysterese" implementiert. Wie angedeutet, verbleibt das System in den Niedriggeschwindigkeits-Modus I, solange RL kleiner als 30 % MTO ist, oder bis RL 30 % MTO für mehr als 30 Sekunden übersteigt, oder 50 % MTO übersteigt; wenn eine der letzteren Bedingungen auftritt, geht das Programm zu Schritt 180, was die Modus IV-Betätigung beginnt.
In gleicher Weise kann eine Hysterese bei einem Fahren in Modus IV, damit ein übermäßiges Modusverschieben implementiert wird, welches ansonsten auftreten könnte, wenn die Straßenlast rund um einen festgelegten Modusschaltpunkt fluktuiert, einfach durch ein Bereitstellen implementiert werden, daß das System in Modus IV solange verbleibt, wie RL zwischen 30 und 100 % MTO, verbleibt, außer RL ist kleiner als RL für mehr als 30 Sekunden, oder 100 % MTO übersteigt. Dies kann, wie in 9(c) gezeigt, implementiert werden; ein überarbeiteter Schritt 215' ersetzt Schritt 215 von 9 und stellt zur Verfügung, daß, wenn sich das System in Modus IV befindet, außer RL ist kleiner als 30 % MTO für mehr als 30 Sekunden, Schritt 180 neuerlich eingetreten wird, wodurch die "Modus-IV-Schleife" beibehalten wird; wenn RL kleiner als 30 % MTO für mehr als 30 Sekunden ist, wird die Maschine bei Schritt 240 abgeschaltet, die Steuerung bzw. Regelung geht zu Schritt 100 über und es wird neuerlich in Modus I eingetreten.
Zahlreiche weitere Modifikationen an der detaillierten Steuer- bzw. Regelstrategie der Erfindung, wie sie in 6–9 illustriert wird, werden dem Fachmann offensichtlich sein und sind innerhalb des Rahmens der Erfindung. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, die Betätigung des Systems insofern zu variieren, als sie auf BSC in Übereinstimmung mit überwachten bzw. aufgezeichneten Variablen anspricht, die für die Batterietemperatur, Umgebungstemperatur und dgl. hinweisend sind; z.B. an einem heißen Tag kann es ratsam sein, das Laden der Batteriebank auf mehr als 60 % voller Ladung zu vermeiden, da dies ein Überhitzen bewirken könnte. Weiters können, wie dies oben erwähnt bzw. festgehalten ist, die Übergangspunkte zwischen den Moden I, IV und V insbesondere in Übereinstimmung mit den Betätigerbefehlen variieren, um ein maximales Ansprechen des Fahrzeugs auf Sicherheit und Einfachheit einer Benutzerakzeptanz und über Zeiträume von Tagen oder Wochen zur Verfügung zu stellen, wenn der Mikroprozessor eine detaillierte historische Aufzeichnung des Fahrzeugbenutzermusters aufbaut, von welchem eine optimierte Steuer- bzw. Regelstrategie abgeleitet werden kann.
Es kann auch möglich sein, den Mikroprozessor mit verwendbarer Steuer- bzw. Regelinformation von dem Betätiger zu versorgen, ohne daß der Benutzer bzw. Betätiger die Arbeiten des Systems im Detail verstehen muß. Beispielsweise sind Betätiger gegenwärtig gut vertraut, um eine "Fahr-Steuerung bzw. -Regelung" bzw. "automatische Temporegelung" festzulegen, wenn eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht ist; danach steuern bzw. regeln bestehende Maschinenmanagement-Systeme die momentane Maschinendrehmoment-Ausgabe in bezug auf eine Variation der Straßenlast, um die Fahrzeuggeschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten. Es würde eine einfache Sache für den Mikroprozessor sein, eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit zu akzeptieren, die so durch den Betätiger eingegeben ist, wie dies in 4 angedeutet ist. Der Betätiger würde dann von einer kontinuierlichen Drosselsteuerung bzw. -regelung enthoben sein und der Mikroprozessor würde in gleicher Weise die momentane Maschinendrehmoment-Ausgabe in bezug auf eine Variation in der Straßenlast steuern bzw. regeln, um die Fahrzeuggeschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten, beides wie üblich; jedoch gemäß der Erfindung würde der Mikroprozessor auch den Übergangspunkt so festlegen, daß das System in einem Fahrmodus IV verbleibt, bis der Betätiger das Gegenteil, z.B. durch Verlassen des Fahrmodus, angedeutet hat.
Wie dies oben diskutiert wurde, wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zusätzliche Flexibilität dem Hy bridfahrzeug verliehen, wie dies oben beschrieben ist, indem ein Turbolader 100 zur Verfügung gestellt wird, der ebenfalls durch den Mikroprozessor 48 gesteuert bzw. geregelt ist, um betrieben zu werden, wenn er in einer weiteren Verbesserung der Fahrzeugeffizienz und Fahrbarkeit nützlich ist, und nicht zu anderen Zeiten. Indem der "Turbolader-auf-Anfrage" zur Verfügung gestellt wird, erlaubt dies der Maschine, effizient in unterschiedlichen Drehmoment-Ausgabebereichen, sofern erforderlich, zu arbeiten. Im wesentlichen wird der Turbolader 100 nur angewandt bzw. eingesetzt, wenn die Fahrzeugdrehmoment-Erfordernisse, die "Straßenlast" wie oben, die normal angesaugte maximale Drehmomentkapazität der Maschine für einen relativ ausgedehnten Zeitraum T übersteigt, beispielsweise während eines ausgedehnten Hochgeschwindigkeits-Fahrens, Schleppens eines Anhängers oder Fahrens auf einen langen Berg. Wo die Straßenlast das maximale Drehmoment der Maschine für einen relativ kurzen Zeitraum von weniger als T übersteigt, wird bzw. werden der Fahrmotor (und möglicherweise auch der Startermotor) verwendet, um zusätzliches Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wie in dem '970er Patent und oben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Zeitraum T in Antwort auf den Ladungszustand der Batteriebank gesteuert bzw. geregelt; wenn die Batteriebank relativ entleert ist, wird der Turbolader früher als sonst aktiviert, um die Batteriebank beizubehalten.
Wie dies dem Fachmann gut bekannt ist, umfaßt ein Turbolader 100 (siehe 11) typischerweise zwei Turbinenräder 102 und 104 auf einer gemeinsamen Welle 106, die hier als das abgasseitige bzw. luftseitige Rad bezeichnet werden. Der Fluß von Abgas von der Maschine 40 veranlaßt, das ab gasseitige Rad 102 zum Drehen; das luftseitige Rad 104 wird durch die Welle 106 angetrieben, wobei dies Luft in den Körper des Turboladers 100 durch ein Luftfilter 110 zieht. Abfallwärme in dem Abgasstrom wird so effektiv wiedergewonnen, indem die Einlaß- bzw. Aufnahmeluft komprimiert wird, welche dann zu dem Ausgangsrohr bzw. Einlaßverteiler der Maschine 40 geleitet wird. Zusätzlicher Kraftstoff kann in der zusätzlichen Luft, die so zur Verfügung gestellt ist, verbrannt werden, so daß zusätzliches Drehmoment gebildet wird. Die komprimierte Luft kann adiabatisch durch Wärmetausch mit Umgebungsluft in dem Zwischenkühler 112, falls gewünscht, gekühlt werden, was weiters die thermische Effizienz der Maschine 40 verbessert.
In einem typischen Turboladerbetrieb ist ein "Ladedruckregelventil" 114 zur Verfügung gestellt, um den Abgasdruck zu limitieren, der auf das abgasseitige Rad 102 auftrifft, wodurch die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des luftseitigen Rads 104 beschränkt wird und der "Ladedruck" reguliert wird, der durch den Turbolader zur Verfügung gestellt wird. Das Ladedruckregelventil kann federbelastet sein, um bei einem feststehenden Ladedruck zu öffnen (wie dies typischerweise zur Verfügung gestellt wird, um die Ausgabe von turbogeladenen Rennmaschinen bzw. -motoren zu regulieren) oder kann in einer Feedback- bzw. Rückkopplungsschleife unter Verwendung des Drucks in dem Maschineneinlaßverteiler als die Steuer- bzw. Regelvariable gesteuert bzw. geregelt sein. Siehe Automotive Handbook, 2. Aufl., Robert Bosch GmbH (1986), Seite 356. Weiters wird in der konventionellen Praxis der Turbolader zu jeglichen Zeiten verwendet und das Maschinendesign ist entsprechend optimiert. Beispielsweise haben turbogeladene Benzinmotoren typischerweise Kompressionsverhältnisse von 7 oder 8 zu 1, verglichen mit 9–11 zu 1 für normale Ansaugmotoren. Keine Praxis wird gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt; der Turbolader wird durch den Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt, um nur dann, wenn notwendig bzw. erforderlich, zu arbeiten und das Maschinenkompressions-Verhältnis und andere Designparameter werden basierend auf Designkriterien ausgewählt, die relevant sind, wenn sie in dem normalen Ansaugmodus arbeiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Ladedruckregelventil 114 durch den Mikroprozessor 48 gesteuert bzw. geregelt; außer unter Umständen, wenn die Extraleistung, die durch ein Turboladen zur Verfügung gestellt wird, erforderlich ist, ist das Ladedruckregelventil 114 offen (wie dies in 1 gezeigt ist), so daß das Motorabgas im wesentlichen an dem Turbolader 100 vorbeigeführt wird. Ein Ventil 120, das auch durch den Mikroprozessor 48 gesteuert bzw. geregelt ist, kann auch in der Leitung vorgesehen sein, die die Luftseite des Turboladers 100 und das Einlaßventil 122 der Maschine verbindet, so daß die Maschine bzw. der Motor 40 Luft durch den Turbolader nur dann zieht, wenn er in Benutzung ist; ein zweites Luftfilter 124 ist dann ebenfalls zur Verfügung gestellt.
Üblicherweise wird ein Turboladen für einen Autobetrieb verwendet, damit Maschinen mit relativ kleiner Verlagerung bzw. geringem Hub hohe PS-Zahlen an dem oberen Ende ihres Betriebsbereichs erzeugen; die anderen Designparameter von derartigen Maschinen (z.B. Nockenwellenprofile) sind in gleicher Weise ausgewählt. Derartig optimierte Maschinen für hohe PS-Zahlen bei hoher Drehzahl erzeugen ein reduziertes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, d.h. sind "spitz" verglichen mit normalen Ansaugmaschinen. Ein Getriebe mit variablem Verhältnis ist wesentlich, um eine vernünftige bzw. bemerkenswerte Beschleunigung von niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen zu erhalten. Anders ausgeführt, stellt ein Turboladen, wie es üblicherweise für Autoverwendungen implementiert wird, ein relativ hohes Drehmoment am oberen Ende des Maschinendrehzahl-Bereichs zur Verfügung, jedoch relativ wenig Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen; eine derartige Maschine würde in der Praxis bzw. bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht geeignet sein. Darüber hinaus leiden turbogeladene Maschinen typischerweise an der "Turboverzögerung", d.h. einer langsamen Antwort auf einen momentanen bzw. plötzlichen Anstieg in erforderlichem Drehmoment. Wie dies weiter unten diskutiert werden wird, wird dieses spezielle Problem durch eine Verwendung des Turboladers in einem Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung beseitigt bzw. überwunden.
Der Fachmann wird erkennen, daß turbogeladene Maschinen auch in Schwerlast-Straßenfahrzeug-Anwendungen verwendet werden. wie LKWs und dgl., wobei jedoch diese Fahrzeuge Getriebe mit 12, 16 oder mehr Gängen erfordern, so daß die enge Leistungsspitze der Maschine mit der Last abgestimmt werden kann, und eine extrem schlechte Beschleunigung ebenso wie ein übermäßiges Gangwechseln und Kosten zeigen, was alles für den gewöhnlichen Fahrer nicht akzeptabel ist. So sind normale turbogeladene Maschinen bzw. Motoren sowohl von der Niedriggeschwindigkeits-Lastwagenart als auch der Hochgeschwindigkeits-Autoart nicht in der Implementierung der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend; noch würden sie es dem Fahrzeug ermöglichen, lediglich durch die Maschine beim Autobahnfahren ohne ein Getriebe mit variablem Verhältnis angetrieben zu werden, wie dies ein wichtiger Gegenstand der Erfindung ist.
Wie dies ebenfalls oben festgehalten ist, wird, wie er üblicherweise eingesetzt wird, ein Turbolader immer verwendet. Im Vergleich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Turbolader durch den Mikroprozessor 48 gesteuert bzw. geregelt, um lediglich unter spezifischen Fahrbedingungen verwendet zu werden, was es der Maschine ermöglicht, effizient in anderen Arten betrieben zu werden.
12 ist, wie dies oben angeführt ist, ein Diagramm vergleichbar mit 6. Die unterschiedlichen Betriebsarten des Hybridfahrzeugs-Antriebs der Erfindung, die hier gezeigt sind, sind identisch mit denjenigen des Fahrzeugs von 3 und 4, das in 6 illustriert ist, mit dem Zusatz des turbogeladenen Modus VI. In ähnlicher Weise ist 13 ähnlich bzw. analog zu 7, jedoch illustriert sie den Betrieb eines Fahrzeugs, beinhaltend einen "Turbolader auf Anfrage" gemäß diesem Aspekt der Erfindung.
Wie dies in 12 gezeigt ist, ist gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein weiterer Bereich VI zur Verfügung gestellt, wobei der Turbolader 100 durch den Mikroprozessor 48 aktiviert wird, wenn er detektiert, daß die Straßenlast die maximale Ausgabe der Maschine für mehr als einen Zeitraum T überstiegen hat. Typischerweise werden diese Ereignisse auftreten, wenn das Fahrzeug einen Anhänger zieht oder anders schwer beladen ist, auf einen langen bzw. hohen Berg fährt oder bei hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl für einen langen Zeitraum betrieben wird.
Spezifischer wird, wenn die Straßenlast nur die maximale Leistung der Maschine für einen kurzen Zeitraum weniger als T übersteigt, wie während einer Beschleunigung auf einer Autobahn oder während eines Überholens, der Fahrmotor ein gesetzt, um das zusätzliche erforderliche Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wie dies oben beschrieben ist. Wenn die Straßenlast die maximale Leistung der Maschine für einen größeren Zeitraum als T übersteigt, wird der Turbolader mit Energie versorgt, indem das Ladedruckregelventil 114 geschlossen wird und das Ventil 120, sofern es zur Verfügung gestellt ist, betätigt wird, um die Leitung zwischen der Luftseite des Turboladers 100 und dem Ausgangsrohr bzw. Einlaßverteiler 122 der Maschine 40 zu öffnen. Wenn sich der Turbolader auf seinen Betriebsdrehzahl-Bereich "hinaufspult", steigt das maximale Drehmoment, das durch die Maschine 40 produziert wird, und das Drehmoment, das durch den Fahrmotor 25 erzeugt wird, sinkt stufenweise ab. Diese Sequenz von Ereignissen wird weiter unten im Zusammenhang mit 13 diskutiert.
12 zeigt auch durch den Winkel der Linie, die die Regionen bzw. Bereiche V und VI in bezug auf die Ebene t = 0 trennt, daß T mit dem Zustand der Ladung der Batteriebank 22 variieren kann; wenn die Batteriebank voll beladen ist, ist T länger – d.h. Energie von der Batteriebank wird verwendet, um der Straßenlast, die über die maximale Drehmomentausgabe der Maschine für einen längeren Zeitraum hinausgeht, zu genügen – als wenn die Batteriebank relativ weniger vollständig geladen ist. Der Turbolader kann auch betrieben werden, um zusätzliche Maschinenleistung zur Verfügung zu stellen, wenn eine volle Beschleunigung erforderlich ist, z.B. nach bzw. bei einer Detektion, daß der Betätiger aggressiv das Gas- bzw. Beschleunigungspedal vollständig nach unten durchtritt.
Wie oben ausgeführt, ist 13, welche 13(a)–(c) umfaßt und sich über zwei Blätter erstreckt, ein Zeitdia gramm, das die Beziehung zwischen Straßenlast, Maschinendrehmoment-Ausgabe, Ladezustand der Batteriebank und Betrieb der Maschine im Elektroauto, in Normalausgangs- und Turbolader-Modus, wie sie über die Zeit variieren, während einem Niedriggeschwindigkeits-Stadtfahren, Autobahnfahren und erstrecktem bzw. lang andauerndem Hochlastfahren zeigt, wodurch weiters die Steuer- bzw. Regelstrategie illustriert, die gemäß der Erfindung angewandt bzw. eingesetzt wird. 13 ist im wesentlichen identisch mit 7 mit dem Zusatz einer Illustration des Betriebs des Turboladers 100, wenn die Straßenlast 100 % MTO für mehr als einen Zeitraum T übersteigt.
Derart überwacht, wie dies in 13(a) bei t₁, t₂, t₃ und t₄ gezeigt ist, der Mikroprozessor die Länge der Zeit t, während welcher die Straßenlast 100 % MTO übersteigt und vergleicht t kontinuierlich mit einem Wert T, der vorzugsweise in Übereinstimmung mit BSC variiert wird; dies ist durch die relativen Längen der Pfeile gezeigt, die T auf 13(b) markieren. Während t < T, wie bei E, F und G in 13(a), wird das überschüssige Drehmoment, das durch die Straßenlast erforderlich ist, durch einen oder beide aus dem Fahr- und Startermotor zur Verfügung gestellt, die Leistung von der Batteriebank entnehmen. Es ist festzuhalten, daß die Motoren gemeinsam so ausgelegt sind, um fähig zu sein, kontinuierlich Drehmoment bis zu wenigstens 100 % MTO zur Verfügung zu stellen, in Übereinstimmung mit dem '970er Patent; dies erlaubt es den Motoren, ein adäquates Drehmoment für eine gute Fahrzeugleistung ohne ein Getriebe mit variablem Verhältnis zur Verfügung zu stellen. Die Motoren können auch überangetrieben sein, um mehr als ihr Nenn-Drehmoment weit über 100 % MTO für kurze Zeiträume, t < T, wie bei F zur Verfügung zu stellen; wie dies festge halten ist, wird gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung, wo Drehmoment im Überschuß von MTO für einen längeren Zeitraum t > T erforderlich ist, der Turbolader aktiviert.
D.h., wenn t₄ ≥ T, wie bei P, aktiviert der Mikroprozessor den Turbolader, im wesentlichen, wie oben diskutiert, d.h. durch Schließen des Ladedruckregelventils 114 und Ventils 120 (sofern es zur Verfügung gestellt ist). Wenn der Turbolader "hinaufspult", was einige Sekunden brauchen kann, und die von ihm zur Verfügung gestellte Aufladung ansteigt, wie dies bei Q angedeutet ist, wird das Drehmoment, das durch den Fahrmotor (und möglicherweise durch den Startermotor) zur Verfügung gestellt ist, entsprechend abgesenkt, wie dies bei R angedeutet ist. Der Betätiger muß nicht erkennen oder irgendeine Tätigkeit ausführen, um die Tätigkeit des Turboladers zu beginnen; dies wird durch den Mikroprozessor in Antwort auf ein Überwachen der Straßenlast über die Zeit und den Ladungszustand der Batteriebank gesteuert bzw. geregelt.
Wie dies im Zusammenhang mit sowohl 12 als auch 13 diskutiert wurde, wird T vorzugsweise in Übereinstimmung mit BSC so variiert, daß der Turbolader relativ früher aktiviert wird, wenn BSC relativ niedrig ist; dies begrenzt die Energiemenge, die von der Batterie während des Betriebs der Maschine und des Traktionsmotors (oder beider Motoren) entnommen wird, wenn die Straßenlast 100 % MTO übersteigt, so daß BSC nicht auf einen unerwünscht niedrigen Wert abfällt.
Der Fachmann wird erkennen, daß ein Vorsehen eines durch einen Mikroprozessor gesteuerten bzw. geregelten Turboladers in einem Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung den Be trieb in einem zusätzlichen Modus erlaubt, der erhöhte Flexibilität in dem zur Verfügung gestellten Betriebsschema zur Verfügung stellt; im wesentlichen stellt der Turbolader eine größere Maschine nur dann zur Verfügung, wenn dies erforderlich ist, und nicht auf Kosten der Effizienz zu anderen Zeiten. Dies ist insbesondere signifikant, wenn die Ziele des Hybridfahrzeugs der Erfindung zu erfüllen sind. Spezifischer erlaubt zusätzlich zu den Betriebsvorteilen, die festgehalten sind, ein Vorsehen eines "Turboladers auf Anfrage" in dem Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung es der Maschine, kleiner als sonst zu sein, d.h. eine adäquate Autobahnleistung in einem Fahrzeug eines gegebenen Gewichts zur Verfügung zu stellen. Da der Startermotor/Generator dimensioniert sein muß, daß, wenn er betrieben wird, um die Batterien zu laden (z.B. beim ausgedehnten Stadtfahren), er die Maschine adäquat lädt, daß die Maschine effizient betrieben wird, erlaubt ein Bereitstellen einer kleineren Maschine eine Verwendung einen kleineren Generatormotors. Aus ähnlichen Gründen erlaubt ein Vorsehen einer kleineren Maschine, daß sie verwendet wird, um das Fahrzeug effizient beim Autobahnfahren, beginnend bei niedrigeren mittleren Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen anzutreiben, was wiederum in einer besseren Kraftstoffökonomie resultiert. Indem der "Turbolader auf Anforderung" gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, können alle diese Vorteile ohne Opferung bzw. Einschränkung in der Endleistung des Fahrzeugs realisiert werden.
Wie oben festgehalten, ist eine geeignete Implementierung des "Turboladers auf Anfrage" gemäß der Erfindung, das Ladedruckregelventil durch ein Solenoid- bzw. Magnetventil oder dgl. zu betreiben, das durch den Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt ist, d.h. das Ladedruckregelventil als ein Bypaßventil zu verwenden, mit der Ausnahme, wenn turbogeladene Betriebe gewünscht sind. Ein gesondertes Bypaßventil kann auch oder alternativ zur Verfügung gestellt sein. Das Ladedruckregelventil ist unverändert bevorzugt als ein federbelastetes Entlastungs- bzw. Überdruckventil implementiert, wie dies in 11 illustriert ist, und wie dies allgemein üblich ist, um den zur Verfügung gestellten "Ladedruck" zu begrenzen. Es ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, das Ladedruckregelventil zu betätigen, um Zwischenpositionen einzunehmen, d.h. zwischen vollständig offen und geschlossenen Positionen, um das Drehmoment zu begrenzen, um die Raddrehung, wie sie detektiert ist, zu begrenzen und um die Turboladerräder bei einer zwischenliegenden Drehzahl drehend zu halten, um die Zeit zu reduzieren, die notwendig ist, um auf volle Drehzahl "hochzuspulen". Es ist auch innerhalb der Erfindung, das Ladedruckregelventil einzustellen, welches auf ein Atmosphären-Drucksignal anspricht, das durch einen geeigneten Sensor 107 (11) zur Verfügung gestellt ist, um sicherzustellen, daß ein adäquater Ladedruck auf höheren Höhen zur Verfügung gestellt wird, um die Fahrzeugleistung sicherzustellen.
Es wird auch erkannt werden, daß ein Superlader, d.h. eine Luftpumpe positiver Verdrängung, die durch die Maschine angetrieben ist, verwendet werden könnte, um die unterschiedlichen Moden des Fahrzeugbetriebs zu implementieren, der in 12 und 13 illustriert ist; beispielsweise könnte der Betrieb des Superladers durch den Mikroprozessor durch ein Antreiben desselben durch eine elektrisch gesteuerte bzw. geregelte Kupplung gesteuert bzw. geregelt werden, und dies liegt dementsprechend innerhalb der Erfindung. Jedoch würde dies weniger effizient sein als ein Turboladerbetrieb, da ein Turboladen effektiv einiges der Abfallwärme in dem Mo torabgas rückgewinnt, indem die Luft, die den Einlaßverteiler erreicht, komprimiert wird, während ein Superladen Maschinendrehmoment verbraucht. Ein Turboladen, wie dies im Detail diskutiert ist, ist dementsprechend bevorzugt.
Es wird daher erkannt werden, daß durch ein Vorsehen der Verbrennungs-Kraftmaschine eines Hybridfahrzeugs mit einem Turbolader, der durch die Fahrzeug-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung zum Betrieb nur während ausgedehnten Perioden von Hochdrehmoment-Erfordernissen gesteuert bzw. geregelt wird, eine Anzahl von wichtigen Vorteilen realisiert wird, sowohl im Vergleich mit einem konventionellen System, wobei der Turbolader kontinuierlich aktiviert ist, als auch verglichen mit einer großen Maschine, die dasselbe maximale Drehmoment wie die kleinere turbogeladene Maschine besitzt. Betreffend das Letztere sind, wie dies oben erklärt ist, alle Verbrennungs-Kraftmaschinen extrem ineffizient mit Ausnahme, wenn sie nahe der Spitzendrehmoment-Ausgabe betrieben werden; je größer die Maschine, desto weniger häufig wird dies auftreten. Betreffend das Erstere würde, indem eine konventionell turbogeladene Maschine angewandt wird, welche die typische "Spitzen"-Drehmomentkurve besitzt, dies der Maschine nicht ermöglichen, daß sie verwendet wird, um das Fahrzeug während eines Autobahnfahrens ohne ein Getriebe mit variablen Gängen gefahren wird. Stattdessen kann, indem ein "Turbolader auf Anfrage" zur Verfügung gestellt wird, d.h. welcher nur angewandt bzw. eingesetzt wird, wenn er tatsächlich benötigt wird, das Fahrzeug der Erfindung eine kleine Maschine anwenden, die für ihre Hauptfunktion eines effizienten Antreibens des Fahrzeugs während eines Autobahnfahrens optimiert ist, verwenden, und welche als eine bedeutend größere Maschine betreibbar ist, wenn dies erforderlich ist.
Andere Vorteile, die durch die Erfindung zur Verfügung gestellt sind, beinhalten die Tatsache, daß, da das Ladedruckregelventil normalerweise offen ist, die Abgastemperatur hoch bleiben wird, was die Leistung des katalytischen Wandlers optimiert; wie dies konventionell implementiert wird, kann ein Kühlen der Abgase, da ihre Energie beim Drehen des Turboladerrotors entfernt wird, eine gute Leistung des katalytischen Wandlers insbesondere bei niedrigen Drehzahlen verhindern. Weiters wird, da der Fahrmotor zusätzliches Drehmoment zur Verfügung stellt, wenn dies erforderlich ist, die "Turboverzögerung", die in den konventionellen turbogeladenen Fahrzeugen erfahren wird, wenn der Turbolader "hinaufspult", wenn der Betätiger mehr Leistung anfordert, eliminiert.
Wenn es gemäß der Erfindung konstruiert und betrieben wird, d.h. als ein Hybridfahrzeug, das eine Verbrennungs-Kraftmaschine mit einem Turbolader aufweist, der durch die Fahrzeug-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung gesteuert bzw. geregelt ist, um nur während ausgedehnten Perioden hoher Drehmomenterfordernisse zu arbeiten, kann selbst ein schweres Fahrzeug, das schlechte aerodynamische Charakteristika besitzt, wie ein Sportnutzfahrzeug oder ein Van, dieses eine gute Beschleunigung und ein Bergauffahren und eine Schlepp- bzw. Zugfähigkeit zur Verfügung stellen, während immer noch eine extrem gute Kraftstoffökonomie und extrem niedrige Emissionen zur Verfügung gestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Verfahren zum Dimensionieren der verschiedenen Komponenten des Systems. Beispiele wurden oben für eine Komponentenauswahl für ein Fahrzeug gegeben, welches nicht einen Turbolader gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält. Indem als ein weiteres Beispiel ein 5.500 Pfund "Sportnutzfahrzeug" ("SUV"), verwendet wird, von welchem gefordert wird, daß es eine vernünftige Beschleunigung und Überholfähigkeit aufweist, selbst wenn es einen 6.000 Pfund Anhänger zieht, wird ein Dimensionieren der Komponenten des Hybridantriebssystems der vorliegenden Erfindung vorzugsweise wie folgt erzielt:

1. Eine Verbrennungs-Kraftmaschine wird ausgewählt, welche ausreichend Drehmoment besitzt, um das SUV ohne Anhänger bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit bzw. Drehzahl entlang einer moderaten Steigung anzutreiben. Eine Maschine von 100 PS bei maximal 6.000 U/min ist geeignet.
2. Wenn ein Anhänger zu ziehen ist, wird ein Turbolader, der wie oben betrieben wird, hinzugefügt. Der Turbolader ist so dimensioniert, daß, wenn er betrieben wird, die Maschine 140 PS zur Verfügung stellt.
3. Der Ladermotor ist dimensioniert, um eine Maschinenlast gleich etwa 70 % des maximalen Drehmoments der Maschine bei einer geeigneten Maschinendrehzahl zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise wird Kraftstoff effizient während eines Batterieladens, wie oben diskutiert, verwendet. In dem Beispiel ist der Ladermotor vorzugsweise ein Induktionsmotor mit 30–40 PS Kapazität, der als eine "Flachbahn" oder "Scheibenläufer"-Art konfiguriert ist, welche im wesentlichen das Schwungrad der Maschine ausbildet. Ein derartiger Motor kann als ein Generator betrieben werden, der 20–22 PS fordert, was 70 % des maximalen Drehmoments ist, das durch die Maschine, die oben spezifiziert ist, bei 1200–1500 U/min geliefert wird; ein Batterieladen kann so in einer sehr kraftstoffeffizienten Weise ausgeführt werden.
4. Der Fahr- bzw. Traktionsmotor ist dimensioniert, um ein adäquates Drehmoment bei null Geschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, um die spezifizierte maximale Steigung aus dem Stillstand zu überwinden, wobei der Startermotor, falls erforderlich, unterstützt. In dem Beispiel kann der Fahrmotor ein Induktionsmotor mit 100 PS sein, mit einer maximalen Drehzahl von 16.000 U/min und mit den Antriebsrädern durch einen Kettentrieb verbunden sein, der ein geeignetes Untersetzungs- bzw. Reduktionsverhältnis zur Verfügung stellt. Es wird erkannt werden, daß in diesem Beispiel das Gesamtdrehmoment, das von dem Starter- und dem Fahrmotor verfügbar ist, kombiniert jenes übersteigt, das durch die Maschine zur Verfügung gestellt ist, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung des '970er Patents.
5. Das Profil von Drehmoment gegenüber Drehzahl des Fahrmotors ist ausgewählt, um ein Stadtfahren zu ermöglichen, insbesondere, um eine ausreichende Beschleunigung zur Verfügung zu stellen, um mit dem Federal urban driving fuel mileage test ("FUDS") ohne Verwendung von Drehmoment von der Maschine übereinzustimmen.
6. Die Batteriekapazität wird dann ausgewählt, um eine ausreichende Zykluslebensdauer zur Verfügung zu stellen, d.h. um nicht durch eine Tiefentladung über mehrere wiederholte Antriebszyklen überbeansprucht zu werden. In dem Beispiel ist eine 800 v, 8,5 KAH-Batteriepackung zur Verfügung gestellt.
7. Schließlich ist die Steuer- bzw. Regelvorrichtung bzw. der Controller mit Software versehen, um das Steuer- bzw. Regelschema zu implementieren, das im Detail oben beschrieben ist, d.h. um den Fahrmotor als die einzige Quelle von Antriebsdrehmoment bei niedriger Geschwindigkeit zu verwenden, um die Maschine zu starten, wenn die Straßenlast über einen festgelegten Punkt ansteigt, um den Turbolader zu betätigen, wenn die Straßenlast über das maximale Drehmoment der Maschine für mehr als einen vorbestimmten Zeitraum T ansteigt, welcher in Übereinstimmung mit dem Zustand der Ladung der Batterien variiert werden kann, oder anders, wie dies oben beschrieben ist.

Simulationen zeigen, daß ein SUV, das wie oben (ohne den Anhänger) konfiguriert ist, fähig sein sollte, 40 Meilen pro Gallone zu fahren, während eine Straßenleistung zur Verfügung gestellt wird, die äquivalent mit konventionellen SUVs ist, die typischerweise eine Kraftstoffökonomie von nur 15 mpg liefern.
Es wird erkannt bzw. geschätzt werden, daß das Hybridfahrzeug und die Betriebsstrategie dafür der Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber dem hier diskutierten Stand der Technik bieten und daß weitere Verbesserungen und Modifikationen daran innerhalb des Wissens der Technik bzw. des Fachmanns sind. Dementsprechend ist, während eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung geoffenbart wurde und verschiedene Alternativen spezifisch aufgeführt wurden, die Erfindung nicht dadurch beschränkt.

Claims

Verfahren zum Steuern bzw. Regeln der Betätigung bzw. des Betriebs eines Hybridfahrzeugs, das in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Arten bzw. Moden betreibbar bzw. betätigbar ist, wobei das Fahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine (40) zum Bereitstellen eines Drehmoments bis zu einer maximalen Drehmomentausgabe (MTO), eine Kupplungsvorrichtung (51) zum selektiven Kuppeln oder Entkuppeln der Verbrennungskraftmaschine zu oder von den Rädern (34) des Fahrzeugs, einen ersten Elektromotor (21), der als ein Generator betätigbar bzw. betreibbar ist und an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, einen zweiten Elektromotor (25), der an Räder des Fahrzeugs gekoppelt ist, eine Batteriebank (22), um elektrische Energie von dem ersten Elektromotor zu akzeptieren und elektrische Energie dem zweiten Elektromotor zur Verfügung zu stellen, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (48) zum Steuern bzw. Regeln der Tätigkeit bzw. des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (40), des ersten und zweiten Elektromotors (21, 25), der Kupplungsvorrichtung (51) und des Flusses von elektrischer Energie zwischen den Elektromotoren und der Batteriebank umfaßt, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Arten zum Betätigen des Hybridfahrzeugs umfaßt, wobei die Arten von Betriebs- bzw. Betätigungsparametern des Fahrzeugs und dem Betätigungsstatus von wenigstens einem Betätigungsglied (69, 70) abhängen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu bestimmen; einen Autobahnfahrmodus bzw. Autobahncruisingmodus (IV), in welchen eingetreten wird, wenn das Drehmoment (RL), das durch das Fahrzeug gefordert wird, unter der maximalen Drehmomentausgabe (MTO) der Verbrennungskraftmaschine (40) ist und wobei die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt ist und das Fahrzeug durch das Drehmoment angetrieben wird, das durch diese Maschine zur Verfügung gestellt wird; und einen Beschleunigungsmodus (V), in welchen wenigstens eingetreten wird, wenn das Drehmoment (RL), das durch das Fahrzeug gefordert wird, über der maximalen Drehmomentausgabe (MTO) der Verbrennungskraftmaschine ist und wobei der zweite Elektromotor (25) Drehmoment liefert, um das Fahrzeug anzutreiben; dadurch gekennzeichnet, daß: in einen Niedriggeschwindigkeitsmodus (I) eingetreten wird, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment (RL) unter einem festgelegten bzw. Einstellungspunkt (SP) ist, der als ein vorbestimmter Prozentsatz der maximalen Drehmomentausgabe (MTO) vorbestimmt wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine von den Rädern entkoppelt wird und die Maschine bzw. der Motor (40) abgeschaltet wird und das Fahrzeug nur durch den zweiten Elektromotor (25) angetrieben wird; in einen Niedriggeschwindigkeits-Batterielademodus (II) eingetreten wird, während das Hybridfahrzeug in dem Niedriglastmodus (I) betrieben wird und der Zustand der Batteriebank (22) sich unter einem vorbestimmten Niveau befindet, wobei die Verbrennungskraftmaschine (40) den ersten Elektromotor (21) antreibt, welcher elektrische Energie zu der Batteriebank zuführt; in den Autobahnfahrmodus (IV) eingetreten wird, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment (RL) über dem festgelegten Punkt (SP) liegt; und in dem Beschleunigungsmodus (V) die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt wird, so daß ihre maximale Drehmomentausgabe (MTO) das Fahrzeug gemeinsam mit dem Drehmoment antreibt, das durch den zweiten Elektromotor (25) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Elektromotor (21) und die Maschine (40) in dem Niedriggeschwindigkeits-Batterielademodus (II) derart gesteuert bzw. geregelt werden, daß das Drehmoment des Motors wenigstens so hoch wie der festgelegte Punkt (SP) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Elektromotor (21) auch für ein Antreiben des Fahrzeugs, wo dies geeignet ist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Elektromotor (25) auch als ein Generator zum Laden der Batteriebank (22), wo dies geeignet ist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Maschine (40) durch den ersten Motor (21) gestartet wird, wobei die Maschine von den Rädern entkoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einen regenerativen Bremsmodus eingetreten wird, wenn RL negativ ist, oder wenn ein Bremsen durch einen Betätiger eingeleitet wird, wobei die Batteriebank (22) mit elektrischer Energie geladen wird, die durch wenigstens einen der Elektromotoren (21, 25) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei SP gleich wenigstens etwa 30 % von MTO ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei SP in Abhängigkeit von Mustern eines Fahrzeugbetriebs über die Zeit variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Übergang zwischen den Arten I und IV in Abhängigkeit von Änderungen von RL mit der Zeit gesteuert bzw. geregelt wird, so daß der Übergang nur dann auftritt, wenn RL > SP für wenigstens ein vorbestimmtes Zeitintervall ist oder wenn RL > SP2 ist, wobei SP2 ein größerer Prozentsatz von MTO als SP ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Übergang zwischen dem Modus IV zum Modus I entsprechend Variationen von RL mit der Zeit gesteuert bzw. geregelt wird, so daß der Übergang nur dann auftritt, wenn RL < SP für wenigstens ein vorbestimmtes Zeitintervall ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Übergang zwischen dem Modus I direkt zum Modus V in einem Fall eines schnellen Anstiegs von RL durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei, wenn die momentane Drehmomentausgabe der Maschine (40) das Drehmoment (RL) übersteigt, das vom Fahrzeug benötigte wird, und der Ladezustand der Batteriebank (22) unter einem vorbestimmten Niveau ist, jedes überschüssige Drehmoment von der Maschine zum Laden der Batteriebank verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Maschine (40) laufen kann, wenn das Drehmoment (RL), das durch das Fahrzeug gefordert wird, unterhalb von SP liegt, jedoch mit einem Drehmoment, das für ein Batterieladen erforderlich ist, das an der Maschine angelegt wird, so daß das Maschinendrehmoment über SP liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (48) betätigt wird, um eine Eingabe einer gewünschten Fahrgeschwindigkeit zu akzeptieren, und nachdem diese Eingabe akzeptiert wurde, die Verbrennungskraftmaschine (40) derart steuert bzw. regelt, daß die gewünschte Geschwindigkeit beibehalten wird und ein Übergang zu Modus I verhindert wird, bis die gewünschte Geschwindigkeit nicht länger gewünscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Hybridfahrzeug weiters einen Turbolader (100) umfaßt, der betätigbar und steuer- bzw. regelbar mit der Verbrennungskraftmaschine (40) gekoppelt ist, um die maximale Drehmomentausgabe der Maschine auf mehr als MTO, wenn dies gewünscht wird, zu erhöhen, und wobei in einen turbogeladenen Modus VI in dem Fall eingetreten wird, daß RL MTO übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei in den turbogeladenen Modus in dem Fall eingetreten wird, wo RL MTO für mehr als ein vorbestimmtes Zeitintervall T übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Zeitintervall T in Abhängigkeit von einem Ladungszustand der Batteriebank (22) gesteuert bzw. geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei in den turbogeladenen Modus in dem Fall eingetreten wird, wo volle Beschleunigung erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Verbrennungskraftmaschine (40) derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Änderungsgeschwindigkeit bzw. -rate ihrer Drehmomentausgabe beschränkt wird, und wobei ein Drehmoment, welches die momentane Drehmomentausgabe der Maschine übersteigt, welche erforderlich ist, um den momentanen Drehmomenterfordernissen (RL) des Fahrzeugs zu genügen, durch einen oder beide Elektromotoren zur Verfügung gestellt wird.
Hybridfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (40), um ein Drehmoment bis zu einer maximalen Drehmomentausgabe (MTO) zur Verfügung zu stellen, eine Kupplungsvorrichtung (51), um selektiv den Motor zu und von den Rädern (34) des Fahrzeugs zu kuppeln, einen ersten Elektromotor (21), der als ein Generator betätigbar bzw. betreibbar ist und mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, einen zweiten Elektromotor (25), der mit den Rädern des Fahrzeugs gekoppelt ist, eine Batteriebank (22), um elektrische Energie von dem ersten Elektromotor zu akzeptieren und elektrische Energie dem zweiten Elektromotor zur Verfügung zu stellen, Wandler/Ladeeinheiten (23, 27), die betätigbar zwischen den Elektromotoren (21, 25) und der Batteriebank (22) angeschlossen sind, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (48), um die Betätigung bzw. den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (40), der Kupplungsvorrichtung (51), des ersten und zweiten Elektromotors (21, 25), der Wandler/Ladeeinheiten (23, 27) und den Fluß von elektrischer Energie zwischen den Elektromotoren und der Batteriebank in Abhängigkeit von Betriebs- bzw. Betätigungsparametern des Fahrzeugs und dem Betätigungszustand von wenigstens einem Betätigungsglied (69, 70) zum Bestimmen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu steuern bzw. zu regeln, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (48) ausgebildet ist, um die Maschine (40) zum Antreiben des Fahrzeugs in dem Fall zu aktivieren, wo das zum Antreiben des Fahrzeugs benötigte Drehmoment über einem festgelegten bzw. Einstellpunkt (SP) liegt, der als ein vorbestimmter Prozentsatz einer maximalen Drehmomentausgabe (MTO) der Maschine festgelegt ist, oder um die Batteriebank (22) zu laden, wobei die Maschine von den Rädern entkoppelt ist und den ersten Motor (21) mit einem Drehmoment wenigstens gleich dem festgelegten Punkt (SP) antreibt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 20, wobei der erste Elektromotor (21) und der zweite Elektromotor (25) als Generatoren zum Generieren bzw. Erzeugen von elektrischer Energie und als Antriebsmotoren zum Bereitstellen von mechanischem Drehmoment betätigbar sind.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (48) so ausgebildet ist, um die Betätigung bzw. den Betrieb des Hybridfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zu steuern bzw. zu regeln.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (48) so ausgebildet ist, um den Betrieb des Hybridfahrzeugs in Antwort auf eine Überwachung der momentanen Drehmomenterfordernisse des Fahrzeugs zu steuern bzw. zu regeln.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Verbrennungskraftmaschine (40) und der erste Elektromotor (21) steuerbar bzw. regelbar an einen ersten Satz von Rädern (34) des Fahrzeugs gekoppelt sind und der zweite Elektromotor (25) an einen zweiten Satz von Rädern (34) des Fahrzeugs gekoppelt ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Verbrennungskraftmaschine und der erste Elektromotor steuer- bzw. regelbar gekoppelt sind und der zweite Elektromotor an einen ersten Satz von Rädern gekoppelt ist und ein weiterer Elektromotor an einen zweiten Satz von Rädern des Fahrzeugs gekoppelt ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei eine Welle des ersten Motors und eine Welle des zweiten Motors mit einer Welle verbunden sind, die mit Rädern des Fahrzeugs über ein Planetengetriebe gekoppelt ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei die maximale Drehmomentausgabe (MTO) der Verbrennungskraftmaschine (40) nicht größer als das gesamte kombinierte Drehmoment ist, das von dem ersten und zweiten Elektromotor (21, 25) verfügbar ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 27, worin das Design bzw. die Konstruktion des ersten Elektromotors (21) derart ist, daß der Elektromotor, wenn er als Starter für die Verbrennungskraftmaschine (40) verwendet wird, die Maschine startet, die mit einer Geschwindigkeit läuft, die es ermöglicht, die Maschine während des Starts mit einer Mischung, beinhaltend nicht mehr als 1,2 mal der stöchiometrischen Menge an Brennstoff zu versorgen.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 28, beinhaltend einen katalytischen Wandler (64) in einem Abgassystem (62) der Verbrennungskraftmaschine (40) und eine Heizvorrichtung (63) zum Erhitzen bzw. Erwärmen des katalytischen Wandlers, wobei die Heizvorrichtung betreibbar ist, bevor die Verbrennungskraftmaschine gestartet ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 29, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (48) adaptiert ist, um die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Betriebsarten in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie derart zu steuern bzw. zu regeln, daß Energie, die durch die Batterie zugeführt wird, erhöht wird, wenn der Ladezustand der Batterie niedrig ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 30, wobei die Verbrennungskraftmaschine (40) derart dimensioniert ist, daß sie ausreichend Drehmoment zur Verfügung stellt, um das Fahrzeug bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit bis zu einem moderaten Grad anzutreiben, der erste Elektromotor (21) derart dimensioniert ist, daß er eine Motorlast während eines Batterieladens gleich etwa 30 % maximalen Ausgabedrehmoments (MTO) der Maschine zur Verfügung stellt, und der zweite Elektromotor (25) derart dimensioniert ist, daß er ein adäquates Drehmoment bei einer Nullgeschwindigkeit zur Verfügung stellt, um einen maximalen Grad zu überwinden, der von einer Ruhelage spezifiziert ist und daß sein Profil von Drehmoment gegen Geschwindigkeit ein angenehmes Stadtfahren ermöglicht.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 20 bis 31, wobei die Batteriebank Schaltungen bzw. Schaltkreise mit nicht mehr als 30 bis 50 A Dauerstrom betreibt, wodurch die Widerstandsheizverluste niedrig sind.