DE4111507A1 - Hybridantriebssystem mit regenerierung fuer motorfahrzeuge und aehnliches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridkraftantriebssystem für Motorfahrzeuge mit einem Elektromotor als Primärantrieb, einer Batterie und einem Generator zur Lieferung elek­ trischer Energie für den Motor. Diese Komponenten sind derart angeordnet, daß sie eine dynamische Bremsung lie­ fern.

Derzeit ist die überwältigende Mehrheit von Motorfahr­ zeugen auf der Straße mit Verbrennungsmotoren als Pri­ märantrieb ausgestattet. Wegen zahlreicher Umwelt- und Wirtschaftsfaktoren werden diese Arten von Motorfahr­ zeugen jedoch mehr und mehr unakzeptabel. Alle Elek­ tromotorfahrzeuge, die Speicherbatterien als die ein­ zige Energiequelle verwenden, sind hinsichtlich der Umwelt und der Wirtschaftlichkeit akzeptabler. Trotz extensiven Versuchen auf diesem Gebiet wurden dennoch keine derartigen Fahrzeuge entwickelt, die die Beschleu­ nigung oder die Betriebsreichweite bieten könnten, wie sie von Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen ge­ boten werden. Als Zwischenlösung wurden Hybridmotor­ fahrzeuge vorgeschlagen, welche Antriebssysteme besitzen, die aus einem Elektromotor bestehen, der als Primäran­ trieb verwendet wird, einer Speicherbatterie und einem Generator zum Laden und zur Unterstützung der Batterie. Systeme dieser Art wurden in den US-Patenten 42 92 531; 44 38 342; 45 47 678; 38 88 325; 40 42 056 und 40 99 589 beschrieben. Keines dieser vorgeschlagenen Systeme ist akzeptabel, da sie auf komplizierten Schaltungen beruhen und nicht in der Lage sind, das erforderliche Schalten der Energie zwischen verschiedenen Betriebszuständen in zufriedenstellender Weise auszuführen.

Angesichts der vorstehend erläuterten Nachteile des Standes der Technik ist es ein Ziel der Erfindung, ein Kraftantriebssystem für ein Hybridmotorfahrzeug zu schaffen, bei dem der Strom aus einer Batterie und/oder einem Wechselstromgenerator wirksam bzw. mit gutem Wirkungs­ grad geschaltet wird, um die Leistung des Motorfahrzeugs zu optimieren.

Ein weiteres Ziel besteht darin, ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem zu schaffen, welches eine dynamische Brem­ sung umfaßt, wodurch ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt und in den Batterien abgespeichert wird.

Noch ein weiteres Ziel besteht darin, ein System zu schaffen, bei dem der Strom zum Antrieb eines Motors im wesentlichen von der Batterie zugeführt wird, und wobei die Batterie während des Freilaufs des Fahrzeugs aufgeladen wird.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Kurz gesagt umfaßt ein gemäß der Erfindung aufgebautes Hybridfahrzeug einen Motor, der mit den Rädern des Fahrzeugs gekoppelt ist, um die Primärantriebskraft zu liefern, ferner eine Batterie/Generator-Anordnung zur Lieferung von Strom an den Motor. Eine computer­ gesteuerte elektronische Schaltung betätigt zwei Schalt­ transistoren derart, daß in Abhängigkeit von einer Be­ schleunigungsanforderung Energie periodisch von der Batterie und dem Generator an den Motor geführt wird. Zwischen den Energiestößen an den Motor, speist der Generator Strom an die Batterie zum Aufladen. Das System kann derart idealisiert werden, daß die von der Batterie abgegebene Energie nachfolgend von den Generatoren er­ setzt wird. Wenn das System in den Bremsmodus gebracht wird, wirkt der Motor selektiv als dynamische Bremse zur Erzeugung elektrischer Energie. Periodisch wird der Motor in einen Leerlaufmodus geschaltet, damit die von dem Motor erzeugte elektrische Energie den Lade­ strom aus dem Generator verstärkt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Motorfahrzeug mit einem Antriebssystem, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2A und 2B ein Blockdiagramm für das Antriebssystem;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm für die Bremsen- und Beschleuniger- bzw. Gaspedale;

Fig. 4 den Analog/Digitalkonverter der Fig. 2;

Fig. 5A und 5B den bei dem Antriebssystem verwendeten Mikroprozessor;

Fig. 6 die dem Mikroprozessor der Fig. 5 zuge­ ordneten Speicher;

Fig. 7 eine Peripher-Eingangs/Ausgangsvorrich­ tung für den Mikroprozessor der Fig. 5;

Fig. 8 eine Kontrollschleife, die zur Kontrolle des Antriebssystems verwendet wird;

Fig. 9 Einzelheiten der Zeitgeber- und Fehler­ signal-Interfaceschaltung der Fig. 2;

Fig. 10 Einzelheiten der Energie- und Regenerie­ rungssteuerschaltung der Fig. 2;

Fig. 11 verschiedene in dem System erzeugte Sig­ nale;

Fig. 12 schematisch die Energie- und Regenerie­ rungsschaltung;

Fig. 13 ein Ersatzschaltbild für das System, wobei sich das Fahrzeug im Beschleunigungsmodus befindet und dem Motor Energie zugeführt wird,

Fig. 14 ein Ersatzschaltbild für das System, wobei sich das Fahrzeug im Beschleunigungsmodus befindet und die Batterie wieder aufgeladen wird;

Fig. 15 ein erstes Ersatzschaltbild für das System, wobei sich das Fahrzeug im Bremsmodus be­ findet;

Fig. 16 ein zweites Ersatzschaltbild für das System, wobei sich das Fahrzeug im Bremsmodus be­ findet;

Fig. 17 Einzelheiten der digitalen Interfaceschaltung für die aktuelle Geschwindigkeit gemäß Fig. 2; und

Fig. 18 eine digitale Anzeige, die zur Darstellung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors verwendet wird.

Die Fig. 1 zeigt ein Motorfahrzeug 10 mit einem Motorraum 12. Innerhalb dieses Motorraums ist ein Elektromotor 14 angeordnet, der mit den Rädern 16 des Motorfahrzeugs ge­ koppelt ist. Die Energie für den Elektromotor 14 wird von einer Speicherbatterie 18 und einem Generator 20 ge­ liefert, wie nachstehend im einzelnen beschrieben.

Wie in mehr Einzelheiten in den Fig. 2A und 2B ge­ zeigt, umfaßt das Antriebssystem 23 für das Motorfahr­ zeug einen Bremsschalter und eine Steuereinheit 24, die ein Signal auf der Leitung 26 zur Mikrocomputeranordnung 28 erzeugt, das die erwünschte Geschwindigkeit oder ein Bremssignal anzeigt. Die Mikrocomputeranordnung umfaßt einen A/D-Converter 30, eine Zentraleinheit oder Mikro­ prozessor 32 mit einer zugeordneten Speicherbank 34 und eine periphere Eingangs/Ausgangsvorrichtung 36. Das System 23 umfaßt auch eine Zeitgeber- und Betätigungs­ signal-Interfaceschaltung 38, eine Energie- und Regene­ rierungssteuerschaltung 40 und eine Energie- und Rege­ nerierungsschaltung 42. Die Mikrocomputeranordnung 28 erzeugt zwei Signale (ACL/DCL und ein Betätigungssignal) die durch nachstehend beschriebene Schaltungen 38 und 40 verarbeitet werden. Die Schaltungen 40, 42 wirken zusammen, um Energie an den Motor 14 zu liefern und um die Speicherbatterie 18 wieder zu laden. Der Motor 14 ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor mit einer Leistung, die derart ausgewählt ist, daß sie der Größe des Motor­ fahrzeugs 10 angepaßt ist. Beispielsweise kann für ein typisches Passagiermotorfahrzeug der Motor 14 ein 110-V- Gleichstromreihenmotor mit 10 PS sein.

Wie vorstehend erwähnt, ist der Motor 14 mit den Rädern des Motorfahrzeugs in wohlbekannter Weise über eine An­ triebswelle 44 gekoppelt. Zusätzlich wird ein Kodierer 46 verwendet, um die Rotationsgeschwindigkeit der Motor­ welle 44 zu überwachen. Dieser Kodierer erzeugt ein Rück­ kopplungssignal auf der Leitung 48. Eine Drehzahlanzeige 50 wird verwendet, um diese Rotationsgeschwindigkeit an­ zuzeigen. Eine Interfaceschaltung 52 für die aktuelle Geschwindigkeit wird verwendet, um ein Digitalsignal auf einem Bus (von acht Leitungen) 54 für das Mikrocomputer­ system 28 zu erzeugen. Die ACL/DCL- und Betätigungssig­ nale werden in Abhängigkeit von dem Erwünschte-Geschwin­ digkeit-Signal auf der Leitung 26 und dem Aktuelle-Ge­ schwindigkeit-Signal auf den Bus 54 erzeugt und hängen von diesen ab.

Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Bremsschalter­ steuerschaltung ein Standard-Bremspedal 60, das durch eine Feder 62 vorgespannt ist, und ein Standard-Gaspedal 64, das durch eine Feder 66 vorgespannt ist. Das Bremspedal ist auch mit einem Schalter 68 gekoppelt Das Bremspedal 60 ist auch mit einem standardmäßigen hydraulischen System gekoppelt, das der Klarheit halber weggelassen wurde. Das Bremspedal bzw. Beschleunigungspedal 64 ist mit ei­ nem Potentiometer 70 gekoppelt. Zusätzlich umfaßt die Einheit 24 einen manuellen Doppelpolwählschalter 72. In einer Position (als PEDAL bezeichnet) verbindet der Schalter 72 die Leitung 26 mit dem Potentiometer 70. In der zweiten Position (mit MANU für manuell bezeichnet) verbindet der Wählschalter 72 die Leitung 26 mit einem zweiten Potentiometer 74. Dieser Wählschalter 72 wird dazu verwendet, das Fahrzeug 10 entweder unter Verwendung des Potentiometers 74 manuell zu steuern oder durch Ver­ wendung des standardmäßigen fußbetätigten Gaspedals 64.

Die Einheit 24 arbeitet in der folgenden Weise. Wenn sich das Bremspedal in der inaktiven Stellung befindet, wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die Leitung 26 durch den Schalter 68 mit dem Schalter 72 verbunden. In der ersten Stellung des Schalters 72 (in der Fig. 3 gezeigt) wird an die Leitung 26 durch ein Potentiometer 70 eine Analogspannung angelegt. Wenn das Gaspedal 64 inaktiv ist (wie in der Fig. 3 gezeigt), wird das Potentiometer 70 derart eingestellt, daß es eine Spannung auf Masse­ pegel liefert. Wenn das Pedal 64 niedergedrückt wird, bewegt sich der Arm des Potentiometers 70 aufwärts, um die Spannung auf der Leitung 26 zu vergrößern. Das Sig­ nal auf der Leitung 26 zeigt also die von der Bedienungs­ person erwünschte Geschwindigkeit an. Wenn der Schalter 72 sich in der anderen Stellung befindet, wird in ähnlicher Weise eine Spannung, die die erwünschte Geschwindigkeit anzeigt, dadurch an die Leitung 26 angelegt, daß das Potentiometer 74 manuell aktiviert wird. Mit anderen Wor­ ten, gestattet das vorliegende System, daß das Motor­ fahrzeug 10 entweder in herkömmlicher Weise über das Gaspedal 64 betätigt wird, oder über das manuell betätig­ te Potentiometer 74.

Wenn das Bremspedal 60 niedergedrückt ist, wird das hydraulische Bremssystem (nicht gezeigt) aktiviert, um das Fahrzeug zu verlangsamen, falls die elektronische Bremse nicht ausreicht, um das Fahrzeug vollständig an­ zuhalten. Gleichzeitig bewirkt das Drücken des Bremspe­ dals 60, daß der Schalter 68 die Leitung 26 von dem Schalter 72 trennt und sie über die Grundplatte 76 an Masse legt. Eine Massespannung auf der Leitung 26 zeigt also an, daß an den Motor kein Strom geliefert werden sollte.

Das Signal von der Leitung 26 wird an einen A/D-Konverter 30 geführt. Wie im einzelnen in der Fig. 4 gezeigt ist, ist dieser Konverter 30 vorzugsweise ein CMOS-Bauele­ ment mit acht Kanälen und zehn Bit, sowie mit einer Um­ wandlungszeit von etwa 100 Mikrosekunden, wie das Bau­ element 7004. Das ankommende Signal auf der Leitung 26 wird an den Anschlußstreifen 78 gelegt. Der Streifen 78 führt das Signal durch den Kanal 0 an den Konverter 30. Der Konverter 30 wandelt dann das Analogsignal von der Leitung 26 in ein 8-Bit-Digitalwort um, das über einen parallelen Datenbus 82 an den Mikroprozessor geschickt wird. Der Konverter 30 ist ferner über eine Gruppe von Steuerleitungen 84A, die für Zeitgeber- und Steuersignale verwendet werden, mit dem Mikrocomputer gekoppelt.

Der Betrieb des Systems wird durch einen Mikroprozessor 32 gesteuert, der in mehr Einzelheiten in den Fig. 5a und 5B dargestellt ist. Vorzugsweise ist der Mikropro­ zessor ein Einzelchip-Bauelement, wie das Bauelement 64 180, das von Hitachi hergestellt wird. Der Mikroprozessor wird mit etwa 6,144 MHz betrieben, und zwar unter Verwendung eines externen Kristalls 86, der eine Resonanzfrequenz von 12,288 MHz besitzt. Der Mikroprozessor hat einen seriellen Port, der mit Leitungen 88 verbunden ist, die in diesem Fall zur Programmierung des Mikroprozessors 32 verwendet werden. Die Schaltung 90 ist dazu vorge­ sehen, einen RS232-Bus mit 6 V Spannung zu versorgen. Wenn das System eingeschaltet wird, ist ein Reset-Signal erforderlich, um den Mikroprozessor und auch das peri­ phere Interface zurückzusetzen. Das Reset-Signal kann auch manuell über den Schalter SW-1 erzeugt werden. Die Leitung 92 wird dazu verwendet, das Reset-Signal an das periphere Interface zu übertragen. Für die Adressende­ kodierung sind Chips 94 und 96 vorgesehen. Die Schaltung 98 ist dazu vorgesehen, einen auf der Leitung 100 über­ tragenen Wartezustand vorzusehen, während dessen Adressen und Daten auf den Busen 102 und 82 gehalten werden. Zu­ sätzlich ist der Mikroprozessor mit dem Datenbus 82 und mit einem Adreßbus 102 verbunden. Wie in der Fig. 6 ge­ zeigt ist, verbinden die Buse 82 und 102 sowie die Steuer­ leitungen 84B und 84C den Mikroprozessor 32 und den A/D- Konverter 30 mit einer Speicherbank 34. Diese Speicher­ bank umfaßt ein 8 K-ROM 104, ein 32 K-RAM 106 und zwei 8-K-EPROMs 108, 110. Das ROM 104 enthält die vorgewählte Programmiersprache, beispielsweise BASIC. Das tatsächliche Programm für den Mikroprozessor 32 kann in das EPROM 108 eingeladen werden oder durch den seriellen Port, wie vor­ stehend erwähnt. Das RAM 106 wird von dem Mikroprozessor während dessen tatsächlichen Betrieb verwendet. Eine Auf­ listung eines BASIC-Programms, das zum Betreiben des Mikroprozessors 32 verwendet wird, ist daran angebracht.

Schließlich ist der Mikroprozessor 32 auch durch einen Datenbus 82 und Steuerleitungen 84D mit einer peripheren Vorrichtung 36 verbunden. Diese periphere Vorrichtung, die beispielsweise ein 8255A IC-Chip sein kann, bildet einen parallelen Eingangsport A und zwei parallele Aus­ gangsports B und C. Die Vorrichtung 36 ist durch eine Vielzahl von parallelen Leitungen mit einem Anschluß­ streifen 112 verbunden, der seinerseits mit anderen externen Schaltungen verbunden ist, die nachstehend be­ schrieben werden. Insbesondere stellen die Leitungen 114 die parallelen Leitungen für den Eingangsport A dar, die Leitungen 116 stellen die Leitungen für den Ausgangsport B dar und die Leitungen 118 stellen den Ausgangsport C dar.

Der Mikroprozessor 32 wird als PI (proportionale und integrierende)-Steuerung verwendet, wie in dem sche­ matischen Diagramm der Fig. 8 angedeutet. In diesem Schema werden die erwünschte Geschwindigkeit und die aktuelle Geschwindigkeit des Motors in einem Addierer 120 verglichen und die Differenz (oder Fehlersignal) wird gleichzeitig an einen Multiplikator 121 und einen Integrator 124 gelegt. Der Multiplikator 121 multipli­ ziert seinen Eingang mit einem Proportionalitätskoeffi­ zienten Kp und führt das Produkt an einen Addierer 126.

Der Integrator 124, der einen Multiplikator 122, einen Addierer 128 und einen Z^-1-Transformator 130 umfaßt, integriert seinen Eingang und multipliziert ihn mit einem Integrationskoeffizienten Ki. Der Ausgang des In­ tegrators 124 wird ebenfalls dem Addierer 126 zuge­ führt. Die vom Addierer 126 erzeugte Summe ist ein Betätigungssignal, das zur Steuerung des Motors 14 verwendet wird. Aufgrund der Integration wird der End­ wert des Gleichgewichtszustands des Fehlersignals auf Null gebracht. Die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors 14 wird überwacht und als negative Rückkopplung an den Addierer 120 verwendet, wie vorstehend beschrieben. Die Koeffizienten Kp und Ki hängen von den physikalischen Eigenschaften des Motors 14 und des Motorfahrzeugs 10 ab und können empirisch bestimmt werden. Beispielsweise kann Kp im Bereich von 0,5 bis 0,7 liegen und Ki im Be­ reich von 0,05 bis 0,07.

Das vorstehend beschriebene und schematisch in Fig. 8 dargestellte Kontrollschema wird wie folgt verwirklicht: Das durch den Mikroprozessor 32 erzeugte Betätigungs­ signal wird als Multi-Bit-Signal aus dem parallelen Ausgangsport B der I/O-Vorrichtung 36 auf den Bus 55 zu einer Zeitgeber- und Betätigungssignal-Interface­ schaltung 38 geliefert. Einzelheiten dieser Schaltung sind in der Fig. 9 dargestellt. Die Schaltung 38 um­ faßt einen Zeitgeber 132 und Frequenzteiler 134, 136. Der Zeitgeber 132 erzeugt Impulse mit einer vorgewählten Frequenz von 5,12 KHz. Frequenzteiler 134, 136 teilen diese Frequenz durch die Zahl 256 und verwenden die sich ergebenden Impulse zum Triggern eines Monoflops (einen einzigen Impuls abgebender instabiler Multivibrator) 138. Der Multivibrator 138 erzeugt ein Signal E1 auf der Leitung 139, das aus Impulsen mit einer Breite von etwa einer Mikrosekunde und einer Periode von etwa 50 Millisekunden besteht. Das Signal E1 wird als Zeitgeber­ signal verwendet, wie nachstehend beschrieben. Ein Zäh­ ler 140 ist ebenfalls mit dem Ausgang des Multivibra­ tors 138 verbunden, um ein symmetrisches Signal E2 zu erzeugen, das eine Periode von 100 Millisekunden besitzt.

Die Schaltung 38 umfaßt auch einen Zähler 137, der aus den IC-Chips 142 und 144 vom Typ 74C193 besteht und den Ausgang eines Zeitgebers 132 als Taktsignal benutzt. Der Zähler ist mit acht parallelen Eingangsleitungen des Bus 55 mit dem Anschlußstreifen 112 verbunden, um einen Eingang von dem Port B der Peripheranordnung 36 zu empfangen. Das Signal E1* (das Inverse von E1) wird dazu verwendet, das von dem Port B empfangene Be­ tätigungssignal in den Zähler 137 zu laden. Danach zählt der Zähler 137 rückwärts nach unten, bis sein Inhalt den Wert Null erreicht. An diesem Punkt sendet der Zähler 137 ein Signal aus, um einen Multivibrator 148 zu triggern. Der Ausgang des Multivibrators ist mit dem Resetstift eines Flip-Flops 150 verbunden. Der Setstift des Flip-Flops 150 ist mit dem Signal E1* verbunden. Daher erzeugt das Flip-Flop 150 ein Signal TON, das die gleiche Periode wie das Signal E1 hat und mit diesem synchron ist, und zwar mit einem Takt­ verhältnis, das proportional zum Betätigungssignal aus dem Mikroprozessor 32 ist.

Das Signal E1* wird auch über den Anschlußstreifen 112 (siehe Fig. 7 und 5) zum Mikroprozessor 32 zurückge­ schickt und dient dort als ein Interrupt-Signal INT. Immer wenn dieses Signal auf einen niedrigen Wert geht, tastet der Mikroprozessor 32 seine Eingänge ab und beginnt die erforderlichen Berechnungen, um die beschriebenen Aus­ gangssignale zu erzeugen.

Der Mikroprozessor 32 erzeugt auch ein Binärsignal auf der Leitung 154, das in der Zeichnung mit ACL/DCL be­ zeichnet ist (siehe Fig. 7). Tatsächlich bezeichnet das Signal ACL/DCL zwei Betriebsmodi für das System:
Einen sogenannten Betätigungsmodus, bei dem das Fahr­ zeug beschleunigt oder freiläuft (d. h. ACL/DCL ist auf einem hohen Wert), und einen Verzögerungsmodus, bei dem das Fahrzeug entweder verzögert oder freiläuft (und ACL/DCL auf einem niedrigen Wert liegt). Wie in der Fig. 10 gezeigt ist, werden die Signale TON und ACL/DCL an ein NAND-Gatter 156 geführt. Dieses NAND- Gatter 156 ist mit einem Eingang auch mit einer Schutz­ schaltung verbunden, der einen SCR (gesteuerte Silizium­ gleichrichter) 158 umfaßt. Normalerweise ist der SCR 158 ausgeschaltet und sein Ausgangsanschluß liegt auf einem hohen Wert. Der Ausgang des NAND-Gatters 156 ist an einen Inverter 160 geführt, um ein Signal TCNT auf der Leitung 162 zu erzeugen. Das Signal TCNT schaltet die Energie zum Motor ein, wie nachstehend beschrieben. Wenn der Motorstrom 275 A überschreitet, schaltet der SCR 158 ein und unterbindet das Signal TCNT.

Die in der Fig. 10 gezeigte Schaltung umfaßt auch einen Zeitgeber 164, der ein Zeitsteuersignal auf der Leitung 166 erzeugt, das vorzugsweise eine Periode von etwa fünf Millisekunden besitzt und pro Periode etwa 4,25 Milli­ sekunden eingeschaltet ist. Das Zeitsteuersignal auf der Leitung 166 wird an ein NAND-Gatter 168 geführt. Der andere Eingang des NAND-Gatters 168 ist über einen In­ verter 170 mit dem Signal ACL/DCL verbunden, wie gezeigt. Der Ausgang des NAND-Gatters 168 wird zum Treiben des Eingangs eines Opto-Isolators 172 verwendet. Der Aus­ gang des Opto-Isolators 172 wird seinerseits zur Erzeu­ gung eines Signals TREG auf der Leitung 174 über einen Inverter 176 verwendet. Um eine Isolation zwischen den Eingangs- und Ausgangsstufen des Isolators 172 sicher­ zustellen, ist seine Ausgangsstufe mit einer getrennten 6 V Gleichstromversorgungsquelle verbunden, welche aus vier in Reihe geschalteten Mignonzellen (AA Batterie) besteht. Aus der vorstehenden Beschreibung der Schaltung der Fig. 10 ist klar, daß dann, wenn das fragliche An­ triebssystem sich im Betätigungsmodus befindet und die tatsächliche Motorgeschwindigkeit niedriger ist als die vom Gaspedal angeforderte Geschwindigkeit, das Signal TCNT aus einem Zug von Impulsen besteht, die eine Periode von 50 Millisekunden besitzen und ein Taktverhältnis, das proportional zum Beschleunigungssignal (ACCELERATION- Signal) ist. Wenn die erwünschte Geschwindigkeit erreicht ist, ist das Beschleunigungssignal gleich Null, oder im Verzögerungsmodus liegt die Leitung 162 auf einem nie­ drigen Wert. Andererseits besteht das Signal TREG auf der Leitung 174 aus einem Zug von Impulsen, die iden­ tisch mit dem Zug sind, der vom Zeitgeber 164 erzeugt wurde, und zwar dann, wenn sich das Antriebssystem im Verzögerungsmodus befindet. Zu anderen Zeiten liegt die­ ses Signal auf einem niedrigen Wert. Die Zeitsteuersig­ nale sind schematisch in der Fig. 11 dargestellt.

In der Fig. 12 ist die Energie- und Regenerierungsschal­ tung gezeigt, wobei der Motor 14 mit einer Ankerspule LA und einer Feldspule LF dargestellt ist. Von einer wiederaufladbaren Speicherbatterie 18 und/oder einem Generator 20 wird Energie an den Motor geliefert. Vor­ zugsweise ist die Batterie 18 eine handelsübliche Blei- Säurebatterie mit 108 V und einer Kapazität von 60 Ah. Der Generator 20 besitzt eine Leistung von 2200 W/120 und umfaßt einen Verbrennungsmotor 22.

Der Betrieb des Motors wird durch zwei Leistungs-FETs T1 und T2 gesteuert. Diese FETs werden durch die Signale TREG und TCNT ein- und ausgeschaltet, wie im einzelnen nachstehend erläutert. Vorzugsweise sind die FETs MOSFETs, wie der Typ JS 225010, der von der Firma Powerex herge­ stellt wird. Wie vorstehend erwähnt, ist der Motor 14 vorzugsweise ein Gleichstrommotor. Diese Art von Motor kann nicht ohne einen Restmagnetfluß in dem Motor ar­ beiten. Wenn die Schaltung anfänglich eingeschaltet wird, wird das Starten des anfänglichen Magnetflusses durch die Motorspulen LA, LF durch den Betätigungsstrom erzeugt. Zusätzlich sind Dioden vorgesehen, um sicherzustellen, daß der Strom If durch die Motorfeldspule stets in der gleichen Richtung fließt, wie in der Fig. 12 angedeutet.

Das Fahrzeug 10 wird dadurch gestartet, daß ein doppelpoliger Schalter 186 geschlossen wird. Ein Pol wird für die Bat­ terie 18 verwendet, während der zweite Pol für den Gene­ rator (einschließlich des Verbrennungsmotors 22) verwen­ det wird. Der Generator 20 bleibt eingeschaltet und ar­ beitet in einem Konstantmodus mit einem konstanten Aus­ gang, und zwar unabhängig von dem Betrieb der Schaltung der Fig. 12. Sein Motor 22 kann daher derart abgestimmt werden, daß er mit seiner nominellen Ausgangsleistung mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, wodurch er einen minimalen Treibstoffverbrauch besitzt und auch minimale Mengen an umweltbelastenden Stoffen erzeugt.

Anfänglich sind die Transistoren T1 und T2 abgeschaltet, so daß keine Last auf den Schaltungen liegt und deshalb der Generator 20 die Batterie 18 über eine Gleichrichter­ brücke 188 und die Diode D6 lädt. Der Strom aus dem Gene­ rator 20 wird mit einem Amperemeter 180 überwacht, wäh­ rend die Spannung an der Batterie 18 durch ein Voltmeter 190 überwacht wird. Wenn das Gaspedal niedergedrückt wird und dadurch eine Anfrage nach Beschleunigung angezeigt wird, geht das Signal TCNT auf einen hohen Wert und schaltet den Transistor T1 ein. Der Transistor T2 bleibt abgeschaltet. Das Ersatzschaltbild für diesen Zustand ist in der Fig. 13 gezeigt. Wenn der Transistor T1 ein­ schaltet wird Strom an die Ankerwicklung und an die Feldwicklung über Dioden D1, D5, T1 und den Widerstand R geliefert. Normalerweise wird die Batterie 18 konti­ nuierlich geladen, so daß ihre innere Impedanz bzw. ihr Innenwiderstand niedrig ist und der Strom Ia und folglich auch If im wesentlichen gleich Ib + Ig sind.

Solange ein Bedarf zur Betätigung des Fahrzeugs vor­ liegt, (d. h., wenn das ACL/DCL Signal aus dem Mikro­ prozessor 32 auf einem hohen Wert liegt), ist das Sig­ nal TCNT periodisch, wobei sein Tastverhältnis pro­ portional zum Betätigungssignal ist, wie vorstehend beschrieben. Während des Betätigungsmodus ist der mitt­ lere Strom aus Batterie und Generator positiv und es wird daher Energie an den Gleichstrommotor geliefert, wodurch das Fahrzeug mit Antriebskraft versehen wird.

Wenn das Signal TCNT auf einen niedrigen Wert geht, schal­ tet der Transistor T1 ab und der Reststrom läuft zurück durch LA, D1, LF, D3 und D2. Inzwischen lädt der Gene­ rator 20 die Batterie 18, wie in dem Ersatzschaltbild der Fig. 14 gezeigt. Der durch die Batterie während die­ ser Zeitspanne fließende Strom Ib ist daher negativ, wie in der Fig. 11 gezeigt. Wichtig ist dabei, daß der Aus­ gang des Generators 20 verändert werden kann, so daß seine Spannung VA die Amplitude des Betätigungssignals verfolgt, und zwar beispielsweise dadurch, daß die Po­ sition des Arms 192 auf der Generatorspule 194 verändert wird. Ein erhöhtes Betätigungssignal ergibt daher eine längere Periode der Entladung von Ib, wobei der Aus­ gang des Generators erhöht werden kann, so daß sich ein erhöhter Ladestrom Ib ergibt. Insbesondere kann die Spannung VA derart geändert werden, daß die Fläche A über der horizontalen Achse, wie für Ib in der Fig. 11 gezeigt, gleich der Fläche B unterhalb der Achse ist. Bei diesen Bedingungen und Fahrt mit niedriger Geschwin­ digkeit, bleibt der Gesamtladungspegel der Batterie kon­ stant und deshalb ist kein Wiederaufladen erforderlich, und zwar auch ohne den nachstehend erläuterten Regene­ rierungszyklus.

Wenn das System in einen Bremsmodus geschaltet wird, geht das Signal ACL/DCL auf einen niedrigen Wert, wie in der Fig. 11 gezeigt. Dies bewirkt, daß das Signal TCNT auf einen niedrigen Wert geht und den Transistor T1 abschaltet. Inzwischen geht das Signal TREG auf einen hohen Wert und schaltet den Transistor T2 an. Das sich ergebende Ersatzschaltbild ist in der Fig. 15 ge­ zeigt. Die Batterie 18 und der Generator 20 werden durch T1 abgeschaltet, so daß der Generator die Batterie wieder auflädt, wie zuvor. Da der Motor weiterläuft und ein restlicher Magnetfluß in dem Feld vorliegt, produ­ ziert er inzwischen einen Kreisstrom Ia aufgrund der elektromotorischen Kraft, die in Rückwärtsrichtung ex­ ponentiell ansteigt. In diesem Betriebsmodus wirkt der Motor als eine dynamische Bremse, die einen Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umsetzt. Es wurde gefunden, daß eine Regenerierung nicht stattfindet, wenn nicht der Motor wenigstens mit 400 Umdrehungen pro Minute rotiert. Der Endwert dieses Stroms wird durch die Zeitspanne bestimmt, während der der Transistor T2 angeschaltet bleibt.

Wie vorstehend erläutert und wie in der Fig. 11 gezeigt, ist das Signal TREG periodisch. Wenn es auf einen niedri­ gen Wert geht, schaltet es den Transistor T2 ab. Das sich ergebende Ersatzschaltbild ist in der Fig. 16 gezeigt. Bei dieser Gestaltung kann sich der Strom Ia durch die Motorspulen LA und LF nicht momentan ändern. Überdies ist dieser Strom durch die Diode D6 daran ge­ hindert, zum Generator zu fließen. Der Strom Ia wird daher in die Batterie 18 abgegeben. Da diese einen sehr niedrigen Widerstandspfad darstellt, entlädt sich der Strom sehr schnell, so daß er als Stromspitze er­ scheint. Der Strom aus dem Anker ist dem Ladestrom durch die Batterie aus dem Wechselstrommotor überlagert, wodurch sich die Wellenform Ib einstellt, wie in der Fig. 11 gezeigt. Die vom Motor 14 erzeugte elektrische Energie wird daher in der Batterie gespeichert. Wenn der Transistor T2 eingeschaltet wird, wird der ge­ samte Zyklus wiederholt. Wie vorstehend erläutert, ist der Transistor T2 im Bremsmodus etwa 15% der Zeit abgeschaltet. Die durch den Motor erzeugte elektromo­ torische Kraft beträgt typischerweise etwa die halbe Spannung der Batterie 18 und etwa 30% der Regenerie­ rungsenergie wird an die Batterie zurückgeführt.

Wie in der Fig. 11 gezeigt ist, ist im Betätigungs­ modus der Strom Ia gleich dem Strom If, und zwar nach Betrag und Phase. Im Bremsmodus besitzt If noch den gleichen Betrag wie Ia, jedoch fließt Ia im Vergleich zum Betätigungsmodus in entgegengesetzter Richtung.

Von Bedeutung ist, wie in der Fig. 11 gezeigt, daß die Regenerierung auch dann stattfindet, wenn die elektromotorische Kraft EMF niedriger ist als die Batteriespannung. Wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, verläuft der Strom Ia durch T1 im Betätigungs­ modus, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist, durch einen Stromüberwachungswiderstand R1, der einen Wert von etwa 0,004 Ohm aufweist. Die Spannung am Knoten S ist daher proportional zum Strom durch den Transistor T1 und die Motorwicklungen. Beim gewählten Wert von R, wenn dieser Strom etwa gleich 275 A ist, beträgt die Spannung am Knoten etwa 1,1 V. Wie in der Fig. 10 ge­ zeigt ist, wird der Knoten S zur Steuerung der Gate­ elektrode des SCR 158 verwendet. Wenn diese Spannung 1,1 V erreicht, schaltet die Gateelektrode den SCR 158 ein und verändert das Signal TCNT auf einen niedrigen Wert über die NAND-Gatter 156, 160. Das Signal TCNT schaltet dann den Transistor T1 ab. Der Widerstand R1 und der SCR 158 wirken also zusammen, um für das System einen Stromschutz zu bilden. Die Spannung am Knoten S wird überdies durch einen Tiefpaßfilter ge­ filtert, der aus einem Widerstand R2 und einem Konden­ sator C gebildet ist, wie gezeigt. Der mittlere Strom durch den Motor während des Betätigungsmodus wird auf einem Amperemeter 192 überwacht, das parallel zum Konden­ sator C geschaltet ist. Während des Bremsmodus wird der Strom durch den Motor durch ein Amperemeter 194 in Reihe mit dem Transistor T2 überwacht.

Die Dioden D7 und D8 in der Fig. 12 sind intern in den Transistoren T1 und T2 zum Schutz der MOSFETs vorge­ sehen.

Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, wird die Rotation des Motors 14 durch einen Kodierer 46 überwacht. Der Ko­ dierer 46 erzeugt eine vorgewählte Anzahl von Impulsen für jede Umdrehung des Motors. Wie in der Fig. 17 ge­ zeigt ist, ist der Ausgang 48 des Kodierers 46 an ei­ nen dreistufigen Zähler 216 geführt. Dieser Zähler zählt und skaliert die Zahl von Impulsen aus dem Kodierer und führt sie an ein Register 218 mit parallelem Eingang und parallelem Ausgang. Der Ausgang des Registers 218 wird über die Parallelleitungen des Bus 54 an den Eingangs­ port A eines Interface 36 über den Anschlußstreifen 112 geführt, wie dargestellt. Das Signal E1, gepuffert durch zwei Invertergatter 202, 204 und ein Verzögerungselement 206 wird zum Rücksetzen des Zählers 216 verwendet.

Es werden NAND-Gatter 208 und 212 verwendet, um Signale R und L zu erzeugen. Wie in der Fig. 18 gezeigt ist, werden diese Signale dazu verwendet, eine digitale An­ zeige 214 einzuschalten. Die Anzeige ist auch mit dem Ausgang 48 des Kodierers 46 verbunden, um die Rotations­ geschwindigkeit des Motors 14 zu zeigen.

Claims (20)

1. Hybridantriebssystem für ein Motorfahrzeug, umfassend:

• a) Einen Elektromotor zur Lieferung von Bewegungs­ energie an das Motorfahrzeug;
• b) eine Energiequelle einschließlich Speicherbatterie­ einrichtungen zur Zufuhr eines Stroms an den Elek­ tromotor;
• c) Schalteinrichtungen zur selektiven Lieferung des Stroms an den Motor; und
• d) Steuereinrichtungen, die mit den Schalteinrich­ tungen gekoppelt sind, um den Motor in einem Betätigungsmodus zur Bewegung des Motorfahrzeugs zu betreiben, und in einem Bremsmodus, um dem Motorfahrzeug eine dynamische Bremsung zu verleihen.

2. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die Schalteinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie den Motor in einer regenerierenden Weise während des Bremsmodus betreibt, um einen Ladestrom für die Speicherbatterieeinrichtung zu erzeugen.

3. Hybridantriebssystem nach Anspruch 2, bei der die Speicherbatterieeinrichtung eine Batteriespannung aufweist, die in den Betätigungsmodus an den Motor angelegt ist, und daß der Motor eine Motor-elektro­ motorische Kraft erzeugt, die niedriger ist als die Batteriespannung und zu dem Ladestrom führt.

4. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ richtung eine erste Steuerschaltung umfaßt, welche Geschwindigkeitsanforderungseinrichtungen zum Ein­ stellen einer gewünschten Geschwindigkeit umfaßt, ferner eine Komparatoreinrichtung zum Vergleich der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motorfahrzeugs und der gewünschten Geschwindigkeit, und daß die erste Steuereinrichtung ein erstes Steuersignal erzeugt, das mit der Differenz zwischen der er­ wünschten Geschwindigkeit und der tatsächlichen Geschwindigkeit verknüpft ist.

5. Hybridantriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ richtung eine zweite Steuerschaltung zur Erzeugung eines zweiten Steuersignals während des Bremsmodus umfaßt, und daß das zweite Steuersignal periodisch bewirkt, daß der Motor in regenerierender Weise arbeitet.

6. Hybridantriebssystem für ein Motorfahrzeug, um­ fassend:

• a) Einen Elektromotor zur Lieferung von Bewegungs­ energie an das Motorfahrzeug, wobei der Motor eine zusammengesetzte Wicklung besitzt;
• b) eine Stromquelle einschließlich einer Speicher­ batterieeinrichtung zur Zufuhr eines Stromes zu dem Elektromotor;
• c) Halbleiterschalteinrichtungen zur selektiven Lieferung des Stroms zu dem Motor, wobei die Schalteinrichtung eine Stromsteuereinrichtung zur Lieferung von Strom durch die zusammengesetzte Wicklung in einer einzigen Richtung umfaßt; und
• d) Steuereinrichtungen, die mit der Schalteinrichtung gekoppelt sind, um den Motor in einem Betätigungs­ modus zur Bewegung des Motorfahrzeugs zu betreiben, und in einen Bremsmodus zur Lieferung einer dynami­ schen Bremsung an das Motorfahrzeug.

7. Hybridantriebssystem nach Anspruch 6, bei dem die Steuereinrichtung ein erstes Steuersignal in Abhängig­ keit von einem Befehl zur Betätigung des Motorfahr­ zeugs erzeugt, und ein zweites Steuersignal in Ab­ hängigkeit von einer Anforderung für eine Bremsung.

8. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, bei der die Halb­ leiterschalteinrichtung einen ersten elektronischen Schalter umfaßt, der durch das erste Steuersignal betätigt wird, sowie einen zweiten elektronischen Schalter, der durch das zweite Steuersignal betätigt wird.

9. Hybridantriebssystem nach Anspruch 8, bei der der Motor ein Gleichstrommotor ist mit einer Gleichstrom­ feldwicklung und einer Gleichstromankerwicklung, und daß die elektronische Schalteinrichtung Steuerdioden umfaßt.

10. Hybridantriebssystem nach Anspruch 9, bei der das erste Steuersignal ein erstes gepulstes Signal mit einer Pulsbreite ist, die proportional zur Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motor­ fahrzeugs und der angeforderten Geschwindigkeit ist.

11. Hybridantriebssystem nach Anspruch 9, bei der das zweite gesteuerte Signal ein zweites Impulssignal ist, das eine konstante Impulsbreite hat.

12. Hybridantriebssystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung Dioden umfaßt, die mit dem ersten elektronischen Schalter zusammenwirken, um in einem ersten Betätigungsmodus zu arbeiten, während dessen Strom von der Energiequelle zu dem Motor fließen, und in einem zweiten Betätigungsmodus, bei dem Strom durch die Gleichstromankerwicklung und die Gleichstrom­ feldwicklung rezirkuliert.

13. Hybridantriebssystem nach Anspruch 9, bei der die elektronische Schalteinrichtung Dioden umfaßt, die mit dem zweiten elektronischen Schalter zusammen­ wirken, um den Motor in einem ersten regenerierenden Modus zu betreiben, bei dem der Motor die motor­ elektromotorische Kraft erzeugt, und in einem zwei­ ten regenerierenden Modus, bei dem Strom von dem Motor zur Energiequelle fließt.

14. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, bei dem die Energiequelle eine Generatoreinrichtung umfaßt, die parallel zur Speicherbatterieeinrichtung angeordnet ist.

15. Hybridantriebssystem nach Anspruch 14, bei dem die Generatoreinrichtung derart aufgebaut und angeordnet ist, daß sie einen konstanten Gleichstrom erzeugt.

16. Hybridantriebssystem nach Anspruch 15, bei der die Generatoreinrichtung einen Verbrennungsmotor umfaßt.

17. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch Monitoreinrich­ tungen zur Überwachung des in dem Betätigungsmodus durch den Motor fließenden Stroms, wobei die Moni­ toreinrichtungen das erste Steuersignal unterbinden, wenn der Motorstrom eine Grenze überschreitet.

18. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, ferner ge­ kennzeichnet durch Beschleunigungsein­ richtungen zum Erzeugen eines Signals für die er­ wünschte Geschwindigkeit, und Bremseinrichtungen zur Erzeugung einer Bremsanforderung, wobei die Bremseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie das Beschleunigungsanforderungssignal unterbindet, wenn die Bremseinrichtung aktiviert ist.

19. Hybridantriebssystem nach Anspruch 17, bei der die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor umfaßt, der mit der Beschleunigungseinrichtung und der Bremseinrichtung gekoppelt ist.

20. Hybridantriebssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für die erwünschte Geschwindigkeit und das Bremssignal Analogsignale sind, und daß die Steuereinrichtung Analog/Digital-Konvertereinrichtungen umfaßt, um die Analogsignale für den Mikroprozessor zu konver­ tieren.