DE19619321A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines Fahrzeugs mit mehreren Antriebsmaschinen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines Fahrzeugs mit mehreren Antriebsmaschinen

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Description

Elektrische Maschinen finden heute vermehrt Verwendung auch zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen im Straßenverkehr (siehe z. B. "Ein elektrischer Einzelradantrieb für Citybusse der Zukunft" von B. Wüst, R. Müller, A. Lange in "DER NAHVERKEHR", 6/1994, Alba Fachverlag, Düsseldorf).
Bei elektrischen Maschinen gibt es Betriebsbereiche mit sehr gutem Wirkungsgrad und Betriebsbereiche mit niedrigerem Wirkungsgrad. Werden elektrische Maschinen wie in oben genanntem Artikel beschrieben in Fahrzeugen eingesetzt, so wird in der Regel das Antriebssystem so ausgelegt, daß der überwiegende Betriebsanteil in den Bereichen optimalen Wirkungsgrad es stattfindet. Der Betrieb in den Bereichen geringeren Wirkungsgrad es läßt sich jedoch aufgrund der benötigten Drehzahlbereiche nicht vermeiden. Deshalb wird in verschiedenen Einsatzfällen der elektrischen Maschinen ein Getriebe nachgeschaltet. Dieses Getriebe hat aber den Nachteil, daß eine Zugkraftunterbrechung während der Schaltung, z. B. bei einem Klauengetriebe, auftritt bzw. zur Vermeidung einer solchen Zugkraftunterbrechung ein entsprechend aufwendiges Getriebe eingesetzt werden muß, wie z. B. ein Planetengetriebe mit Lamellenkupplung oder -bremse.
Wegen der mit dem Schaltvorgang einhergehenden Zugkraftunterbrechung sind bislang für die Antriebssysteme von Straßenfahrzeugen immer nur Radgetriebe mit konstanter Übersetzung vorgesehen gewesen (siehe z. B. o.g. Veröffentlichung "Ein elektrischer Einzelradantrieb für City-Busse der Zukunft").
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges mit mehreren Antriebsmaschinen und eine Steuereinrichtung hierfür anzugeben, die es erlaubt, das Antriebssystem auch für unterschiedliche Drehzahlbereiche immer im Bereich des optimalen Wirkungsgrades zu betreiben und ständig die benötigte Zug kraft zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei einem Fahrzeug, das mehrere Antriebsmaschinen umfaßt, die jeweils ein Rad oder eine Achse antreiben, jeder der Antriebsmaschinen, die vorzugsweise elektrische Maschinen sind, ein synchronisiertes oder unsynchronisiertes mehrstufiges Getriebe nachgeschaltet ist, das die Bereiche optimalen Wirkungsgrades in andere Abtriebsdrehzahlen transformiert und diese Getriebe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung derart gesteuert werden, daß nur eine kurzzeitige Reduzierung der Zugkraft bzw. keine Zugkraftunterbrechung auftritt. Hierzu schlägt die Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 vor, daß bei Erreichen des Schaltpunktes die nachgeordneten Getriebe zeitlich versetzt geschaltet werden, damit keine Zugkraftunterbrechung auftritt.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 10 ist die Steuereinrichtung zur Fahrsteuerung für ein derartiges Fahrzeug so ausgelegt, daß die Steuereinrichtung einen ersten Speicherbereich aufweist, in den die Drehzahl eingelesen wird und anhand eines Kennlinienfeldes der Gesamtwirkungsgrad der Antriebsmaschine bestimmt wird, die Steuereinrichtung an das der ersten Antriebsmaschine nachgeordnete Getriebe über eine erste Schaltleitung angeschlossen ist, derart, daß bei Erreichen des Schaltpunktes ein Schaltimpuls zum Schalten des Getriebes über die Schaltleitung zugeführt wird, und die Steuereinrichtung an das der zweiten Antriebsmaschine nachgeordnete Getriebe über eine zweite Schaltleitung angeschlossen ist, derart, daß ein Schaltimpuls zum Schalten des Getriebes dem Getriebe zugeführt wird, nachdem die Umschaltung des ersten Getriebes erfolgt ist.
Weiterbildungen und besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der den Hauptansprüchen nachgeordneten Unteransprüche.
Insbesondere kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, daß die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine ist, vorzugsweise eine Transversalflußmaschine, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 39 27 453 D2 bekannt ist.
Die Antriebsmaschinen können in einer Ausführungsform der Erfindung jedem Rad einer Achse zugeordnet sein, oder aber nur den jeweiligen Achsen. Entsprechend der Anordnung der Antriebsmaschinen ist es in einer ersten Ausführungsform der Erfindung möglich, daß zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine, die auf die Vorderachse wirkt, geschaltet wird, und anschließend das Getriebe, das auf die Hinterachse wirkt oder umgekehrt.
Ist eine Antriebsmaschine für jedes Rad der Achse vorgesehen, so sind die folgenden Schaltabfolgen der Getriebe denkbar: In einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorder- bzw. Hinterachse geschaltet wird und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades der Vorder- bzw. Hinterachse. Selbstverständlich ist es möglich, dies auch umgekehrt auszuführen. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, eine Schaltabfolge zu realisieren, bei der zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorderachse geschaltet wird und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen der Hinterachse oder umgekehrt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Leistung der Antriebsmaschine, deren Getriebe nicht geschaltet wird, erhöht wird, um die durch die Schaltung verursachte Zugkraftunterbrechung, die an dem anderen Getriebe auftritt, zu kompensieren, derart, daß überhaupt keine Zugkraftreduktion auftritt.
Als Getriebe ist vorgesehen, daß mehrstufige, vorzugsweise zweistufige Getriebe zum Einsatz gelangen. Eine besonders preisgünstige Bauform kann dann realisiert werden, wenn die Getriebe als sehr einfache Klauengetriebe ausgebildet sind, die entweder synchronisiert oder unsynchronisiert ausgelegt sein können.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigt:
Abb. 1 ein Ablaufdiagramm der Fahrsteuerung in einer einfachen Version ohne Kompensation der durch die Umschaltung verursachten Zugkraftreduktion
Abb. 2 die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Fahrsteuerung für ein Fahrzeug mit mehreren Antriebsmaschinen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ermittelt, ob die Antriebsmaschine, in vorliegendem Fall die als motorbetriebene Transversalflußmaschine im optimalen Bereich betreffend den Wirkungsgrad arbeitet.
Da der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine im wesentlichen davon abhängt, daß die Antriebsmaschine in einem bestimmten Drehzahlbereich betrieben wird, stellt eine nach dem TFM-Motor aufgenommene Drehzahl ein direktes Maß für den Wirkungsgrad der Maschine dar.
Daher ist in der vorliegend dargestellten sehr einfachen Ausführungsform in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, den aktuellen Drehzahlwert der elektrischen Maschine in periodischen Abständen ΔT in einen Speicherbereich der Steuereinheit einzulesen. Durch Vergleich mit den in der Steuereinheit abgelegten Kennlinien wird ermittelt, ob die Antriebsmaschine in optimalem Bereich betreffend den Wirkungsgrad arbeitet.
Selbstverständlich können in einer weitergebildeten Ausführungsform auch andere für den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine charakteristischen Größen noch aufgenommen, in den Speicherbereich eingelesen und mit den Kennlinien in Bezug auf einen optimalen Wirkungsgrad verglichen werden.
Wird bei der Abfrage, ob die Antriebsmaschine im optimalen Bereich arbeitet, festgestellt, daß dies der Fall ist, so wird nach einer Einlesewartezeit ΔT, die im Bereich von 1 ms bis 1 s liegen kann, ein neuer Wert eingelesen. Arbeitet die Antriebsmaschine nicht im optimalen Bereich, so soll das nachgeschaltete Getriebe umgeschaltet werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Bereich des optimalen Wirkungsgrad es der elektrischen Maschine in einen anderen Abtriebsdrehzahlbereich zu transformieren. Beispielsweise kann bei einen zweistufigen Getriebe der Bereich des optimalen Wirkungsgrades dann zweimal durchfahren werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad angehoben wird. Da während der Umschaltung des Getriebes, insbesondere wenn die einfach aufgebauten Klauengetriebe verwendet werden, die nur während der Schaltung Hilfsenergie benötigen, eine Zugkraftunterbrechung auftritt, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die den verschiedenen Antriebsmaschinen zugeordneten Getriebe nicht gleichzeitig, sondern nacheinander zu schalten. In dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß zunächst das Getriebe der ersten Antriebsmaschine umgeschaltet wird. In der dargestellten Ausführungsform wird abgefragt, ob die Umschaltung erfolgt ist, dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß wiederum der aktuelle Drehzahlwert der Antriebsmaschine in periodischen Abfragezeitintervallen Δt bestimmt wird. Ist die Umschaltung noch nicht erfolgt, so wird nach Δt nochmals die Abfrage durchgeführt. Ist dagegen die Umschaltung des Getriebes der ersten Antriebsmaschine erfolgt, so wird nachfolgend die Umschaltung des Getriebes der zweiten Antriebsmaschine vorgenommen. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß während die Umschaltung des Getriebes der ersten Antriebsmaschine erfolgt, kurzzeitig die Leistung der zweiten Antriebsmaschine in dem Maß erhöht wird, in dem die Zugkraft bei der Umschaltung des Getriebes der ersten Antriebsmaschine vermindert wird. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Zugkraftreduktion beim Schalten des Getriebes durch die restlichen Antriebsmaschinen auszugleichen und somit den Ausfall einer Antriebseinheit während des Schaltvorgangs. Eine Zugkraftreduktion würde in einem solchen Fall überhaupt nicht auftreten.
Auch bei der Umschaltung des Getriebes der zweiten Antriebsmaschine ist eine Abfrage nachgeschaltet, mit der überwacht wird, ob die Umschaltung abgeschlossen ist oder nicht. Ist auch die Umschaltung der zweiten Antriebsmaschine beendet, so wird nach einer Einlesewartezeit ΔT erneut die Drehzahl der Antriebsmaschine eingelesen und das in Abb. 1 dargestellte Steuerungsverfahren wiederholt.
Für die Abfolge der Umschaltung der Getriebe der unterschiedlichen Antriebsmaschinen ist es möglich, verschiedene Konzepte vorzusehen.
Beispielsweise kann der Vorderachse eine Antriebsmaschine mit Getriebe und der Hinterachse eine ebensolche zugeordnet sein. Dann ist möglich, zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine der Vorderachse umzuschalten und anschließend das Getriebe der Hinterachse oder umgekehrt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, daß jedem Rad einer Achse eine eigene Antriebsmaschine mit nachgeschaltetem Getriebe zugeordnet ist. Dann ergeben sich folgende Möglichkeiten der Schaltabfolge: Zunächst wird das der in Fahrtrichtung gesehen linken Antriebsmaschine der Vorderachse zugeordnete Getriebe geschaltet und anschließend das der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen. Anschließend findet der Umschaltvorgang an der Hinterachse analog zu dem der Vorderachse statt. Selbstverständlich ist es möglich, zunächst die Getriebe der Hinterachse umzuschalten und anschließend die der Vorderachse. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Schaltung über Kreuz vorgesehen. Das heißt, daß zunächst das Getriebe eines Rades der Vorderachse umgeschaltet wird, beispielsweise das dem linken Rad in Fahrtrichtung gesehene zugeordnete, und anschließend das Getriebe des rechten Rades der Hinterachse. Die Umschaltung der beiden weiteren Antriebsmotoren findet ebenfalls wieder über Kreuz nachfolgend statt. Für den Fachmann ergeben sich aus den bislang dargestellten Beispielsfällen die restlichen Möglichkeiten der nacheinander ausgeführten Umschaltung auf zwanglose Art und Weise.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch eine Fahrsteuereinrichtung zur Durchführung insbesondere dieses Verfahrens angegeben. Eine derartige, beispielhafte Vorrichtung zeigt Abb. 2.
In Abb. 1 sind die den jeweiligen Rädern 5, 6 einer Achse, die die Vorderachse oder Hinterachse sein kann, zugeordneten Antriebsmaschinen 1, 2 und die nachgeschalteten Getriebe 3, 4 dargestellt. Bei den nachgeschalteten Getrieben handelt es sich um mehrstufige, vorzugsweise zweistufige Getriebe, die synchronisiert oder unsynchronisiert ausgeführt sein können. Besonders vorteilhaft ist es, als Getriebe zweistufige Klauengetriebe (siehe hierzu beispielsweise Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 1996, Seiten G 63 bis G 195) vorzusehen, die sich insbesondere durch einen einfachen Getriebeaufbau auszeichnen. Desweiteren benötigen solche Getriebe nur während der Schaltung Hilfsenergie, wodurch der Wirkungsgradverlust durch das Getriebe selbst gering ist. Aufwendiger wäre es, andere Getriebearten vorzusehen, die insbesondere darunter leiden, daß durch das Getriebe ein ständiger Wirkungsgradverlust auftritt, was natürlich den Gesamtwirkungsgrad der Antriebsmaschinen für das Fahrzeug verringert. Die jeweilige Antriebseinheit aus Antriebsmaschine, die vorliegend eine Transversalflußmaschine ist, und Getriebe sind je einem Rad zugeordnet. So ist die Transversalflußmaschine 1 und das nachgeschaltete Getriebe 3 dem in Fahrtrichtung gesehenen linken Rad 5, und in analoger Weise die Transversalflußmaschine 2 und das Getriebe 4 dem in Fahrtrichtung gesehenen rechten Rad 6 zugeordnet. Sowohl die Transversalfluß-Motoren 1, 2 als auch die Getriebe 3, 4 sind über Steuerleitungen 7, 8, 9, 10 mit einer Steuereinrichtung 20, die vorzugsweise ein Microcomputer mit entsprechenden Ausgängen ist, angeschlossen. Zwischen Transversalflußmaschine und nachfolgendem Getriebe sind Meßleitungen 21, 22 vorgesehen, die ebenfalls an die Steuereinrichtung angeschaltet sind. Über die Meßleitungen 21, 22 werden Meßsignale, die mittels Aufnehmern bzw. Sensoren von der Transversalflußmaschine abgenommen werden, an die Steuereinrichtung übermittelt. Bei den Aufnehmern bzw. Sensoren kann es sich in einer Ausführungsform um Drehzahlaufnehmern handeln, mit der die momentane Drehzahl der Transversalflußmaschine festgestellt wird. Mit Hilfe der Steuerleitungen 7, 8, 9, 10 werden Steuersignale sowohl an die Transversalflußmaschine als auch das nachgeordnete Getriebe übertragen. Über die Steuerleitungen 9, 10 können beispielsweise Signale an einen Aktuator übermittelt werden, der das Getriebe betätigt, das heißt im vorliegenden Fall umschaltet. Denkbar sind als Aktuatoren handelsübliche Magnetventile, wie sie für die Getriebesteuerung Verwendung finden. Die an die Transversalflußmaschine angeschlossenen Steuerleitungen 7, 8 ermöglichen es, diese anzusteuern, beispielsweise die Leistungsabgabe kurzfristig zu erhöhen, so lange das Getriebe der anderen Maschine umgeschaltet wird, damit eine Zugkraftunterbrechung zu kommentieren.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit erstmals ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Betrieb eines Fahrzeuges mit mehreren Antriebsmaschinen angegeben, bei dem es möglich ist, durch den Einsatz einfach aufgebauter Getriebe den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.

Claims (16)

1. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges mit mehreren Antriebsmaschinen (1, 2), wobei jeder der Maschinen ein mindestens zweistufiges, schaltbares Getriebe (3, 4) nachgeordnet ist und eine Schaltung der nachgeordneten Getriebe (3, 4) in Abhängigkeit vom Gesamtwirkungsgrad der jeweiligen Antriebsmaschine (1, 2) beim Erreichen vorbestimmter, vom Gesamtwirkungsgrad abhängiger Schaltpunkte erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Antriebsmaschinen (1, 2) nachgeordneten Getriebe (3, 4) zeitlich versetzt geschaltet werden, so daß keine Zugkraftunterbrechung im Gesamtantriebssystem auftritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rad (5, 6) des Fahrzeuges eine Antriebsmaschine (1, 2) zugeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Achse des Fahrzeuges eine Antriebsmaschine zugeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine Transversalflußmaschine ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen eines der Schaltpunkte zuerst das Getriebe der Antriebsmaschine an der Vorderachse und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine an der Hinterachse geschaltet wird, oder zuerst das Getriebe der Antriebsmaschine an der Hinterachse und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine an der Vorderachse geschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorder- bzw. Hinterachse geschaltet wird und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorder- bzw. Hinterachse geschaltet wird, oder zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorder- bzw. Hinterachse geschaltet wird und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorder- bzw. Hinterachse geschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades in Fahrtrichtung gesehen der Vorderachse geschaltet wird, und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen der Hinterachse oder zunächst das Getriebe der Antriebsmaschine des rechten Rades in Fahrtrichtung gesehen der Hinterachse geschaltet wird, und anschließend das Getriebe der Antriebsmaschine des linken Rades der Vorderachse geschaltet wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schalten zum Ausgleich der Zugkraftreduktion durch den Schaltvorgang die übrigen Antriebsmaschinen kurzzeitig höher belastet werden, derart, daß überhaupt keine Zugkraftreduktion auftritt.
10. Steuereinrichtung zur Fahrsteuerung für ein Fahrzeug mit
  • 10.1 mehreren Antriebsmaschinen (1, 2),
  • 10.2 den Antriebsmaschinen nachgeordneten mindestens zweistufigen Getrieben (3, 4),
  • 10.3 den Antriebsmaschinen zugeordneten Aufnehmern
  • 10.4 einer Steuereinrichtung für die Antriebsmaschine und die nachgeordneten Getriebe, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 10.5 die Steuereinrichtung (20) einen Speicherbereich aufweist, in den die von dem Aufnehmer aufgenommene Meßgröße der Antriebsmaschine eingelesen wird und anhand eines Kennlinienfeldes, das in der Steuereinrichtung abgelegt ist, der Gesamtwirkungsgrad der Antriebsmaschine bestimmt wird,
  • 10.6 die Steuereinrichtung (20) an das der ersten Antriebsmaschine (1) nachgeschaltete Getriebe (3) über eine erste Schaltleitung (9) angeschlossen ist, derart, daß bei Erreichen des Schaltpunktes ein Schaltimpuls zum Schalten des Getriebes über die Schaltleitung zugeführt wird und
  • 10.7 die Steuereinrichtung (20) an das einer zweiten Antriebseinrichtung (2) nachgeschaltete Getriebe (4) über eine zweite Schaltleitung (10) anschlossen ist, derart, daß ein Schaltimpuls von der Steuereinrichtung zugeführt wird, nachdem das erste Getriebe umgeschaltet worden ist.
11. Steuereinrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine eine elektrische Maschine ist.
12. Steuereinrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine Transversalflußmaschine ist.
13. Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Antriebsmaschinen nachgeordneten Getriebe zweistufige Getriebe sind.
14. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebe Klauengetriebe sind.
15. Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebe synchronisiert sind.
16. Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebe unsynchronisiert sind.
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