DE102009036731A1

DE102009036731A1 - Kraftfahrzeug und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102009036731A1
Application number: DE102009036731A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. Boettinger; Thomas Dipl.-Ing. Schirle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-08-08
Filing date: 2009-08-08
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1), insbesondere Personenkraftwagen, mit mindestens einem elektrischen Aktuator (5) zur Federung und/oder Dämpfung von Aufbaubewegungen und/oder Radbewegungen (7) des Fahrzeugs (1) und zur Umwandlung dieser Bewegungen (7) in elektrische Energie, wobei das Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Fahrantrieb (8) ausgestattet ist, der zumindest einen elektrischen Antriebsmotor (9) aufweist.
Der energetische Wirkungsgrad lässt sich verbessern, wenn eine Leistungselektronik (15) des wenigstens einen Aktuators (5) mit einer Leistungselektronik (11) des wenigstens einen Antriebsmotors (9) gekoppelt oder integral ausgestaltet ist, derart, dass im Betrieb des Fahrzeugs (1) elektrische Energie, die vom wenigstens einen Aktuator (5) erzeugt wird, dem wenigstens einen Antriebsmotor (9) bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 102 20 846 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, das mindestens einen elektrischen Aktuator zur Federung und/oder Dämpfung von Aufbaubewegungen und/oder Radbewegungen des Fahrzeugs aufweist, wobei der jeweilige Aktuator außerdem so ausgestaltet ist, dass er die genannten Bewegungen in elektrische Energie umwandeln kann. Auf diese Weise kann bei unebenen Fahrbahnen Energie zurückgewonnen werden. Das bekannte Fahrzeug kann außerdem mit einem elektrischen Fahrantrieb ausgestattet sein, der zumindest einen elektrischen Antriebsmotor aufweist. Die mit Hilfe des wenigstens einen Aktuators erzeugte Energie kann einem Energiespeicher oder auch dem Antriebsmotor zugeführt werden.
Problematisch ist bei derartigen Anwendungen der Umstand, dass die mit Hilfe des wenigstens einen Aktuators rekuperierte elektrische Energie großen Schwankungen und hohen Spitzenwerten unterliegt, die von einer herkömmlichen Batterie aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften nicht rasch genug gespeichert werden können. Da außerdem die elektrische Leistung eines solchen Aktuators stark von der elektrischen Leistung eines solchen Antriebsmotors abweicht, kann die von dem Aktuator generierte elektrische Energie nicht unmittelbar in den Antriebsmotor eingespeist werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich insgesamt ein besserer energetischer Wirkungsgrad für das Fahrzeug ergibt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Leistungselektronik des wenigstens einen Aktuators mit einer Leistungselektronik des wenigstens einen Antriebsmotors so zu koppeln bzw. so ineinander zu integrieren, dass es im Betrieb des Fahrzeugs möglich ist, die vom wenigstens einen Aktuator generierte elektrische Energie über die gekoppelten Leistungselektroniken direkt dem wenigstens einen Antriebsmotor bereitzustellen, wodurch es möglich ist, den elektrischen Energiebedarf des Antriebsmotors zumindest teilweise durch die während des Fahrbetriebs mit Hilfe des wenigstens einen Aktuators generierte elektrische Energie zu decken. Auf eine Zwischenspeicherung der elektrischen Energie, die vom jeweiligen Aktuator generiert wird, kann bei entsprechendem Energiebedarf des wenigstens einen Antriebsmotors somit verzichtet werden. Entsprechende Umwandlungsverluste entfallen, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs erhöht. Ferner kann durch die vorgeschlagene Vorgehensweise eine hochfrequente Ladebelastung bzw. Wechselbelastung der Fahrzeugbatterie vermieden werden. In der Folge lässt sich die Lebensdauer der Batterie, welche die zugeführte elektrische Energie elektrochemisch speichert, durch den schonenden Betrieb erhöhen.
Des Weiteren ist es durch die vorgeschlagene Vorgehensweise ebenfalls möglich, leistungsstarke Fahrwerksaktuatoren zu verwenden, die mit hoch dynamischen aktiven Federungselementen arbeiten. Derartige leistungsstarke Aktuatoren können eine mittlere Leistung pro Fahrzeug von etwa 200 Watt generieren und Spitzenleistungen von etwa 5000 Watt erzielen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Kopplung bzw. Integration der Leistungselektroniken so auszugestalten, dass im Betrieb des Fahrzeugs elektrische Energie, die von dem wenigstens einen Aktuator erzeugt wird, einem elektrischen dynamischen Kurzzeit-Energiespeicher des Fahrantriebs bzw. des wenigstens einen Antriebsmotors zuzuführen, für den Fall, dass der Energiebedarf des wenigstens einen Antriebsmotors kleiner ist als die von dem wenigstens einen Aktuator bereitgestellte Energie. Für Fahrzeuge mit elektromotorischen Fahrantrieb und Rekuperationsmodus, sind dynamische Kurzzeit-Energiespeicher bekannt, um die beim Rekuperationsbetrieb, insbesondere elektrisches Bremsen oder dergleichen, anfallende, hohe elektrische Leistung kurzzeitig speichern zu können. Bsp. Können elektromechanische Trägheitsspeicher und Kondensatoren als Kurzzeit-Energiespeicher zur Anwendung kommen. Über die Kopplung der Leistungselektroniken bzw. über deren integrale Bauweise können die für den Fahrantrieb ohnehin vorhandenen dynamischen Kurzzeit-Energiespeicher von den Fahrwerkaktuatoren mitgenutzt werden. Insgesamt ergibt sich durch die Kopplung bzw.
Integration der Leistungselektroniken ein vergleichsweise hoher Synergieeffekt, da die für den Fahrantrieb vorgesehenen Speichermittel auch von den Aktuatoren genutzt werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs im Bereich einer Radaufhängung.
Entsprechend 1 umfasst ein nur teilweise dargestelltes Kraftfahrzeug 1 zumindest eine Radaufhängung 2 zur Lagerung eines Fahrzeugrads 3 an einem Aufbau 4 des Fahrzeugs 1. Sofern es sich beim Fahrzeug 1 um einen Personenkraftwagen handelt, sind in der Regel vier derartige Räder 3 vorgesehen. Bei Nutzfahrzeugen können auch mehr als vier Räder 3 vorgesehen sein. Alternativ kann es sich beim Kraftfahrzeug 1 auch um ein Motorrad handeln, dass dementsprechend nur zwei Räder 3 aufweist.
Das Fahrzeug 1 ist mit wenigstens einem elektrischen Aktuator 5 ausgestattet, mit dessen Hilfe Relativbewegungen zwischen einer Fahrbahn 6 und dem Aufbau 4 bzw. zwischen dem Rad 3 und dem Aufbau 4 gefedert und/oder gedämpft werden können. Diese Relativbewegungen sind in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet und mit 7 bezeichnet. Der jeweilige Aktuator 5 ist außerdem so ausgestaltet, dass er die genannten Relativbewegungen 7 in elektrische Energie umwandeln kann. Es ist klar, dass jedem Rad 3 zumindest ein solcher elektrischer Aktuator 5 zugeordnet sein kann.
Das Fahrzeug 1 ist außerdem mit einem elektrischen Fahrantrieb 8 ausgestattet. Dieser umfasst zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 9, der z. B. über eine Antriebswelle 10 mit dem Rad 3 antriebsverbunden ist. Ferner weist der Fahrantrieb 8 eine Leistungselektronik 11 auf sowie zumindest eine Batterie 12, die einen Langzeit-Energiespeicher repräsentiert. Im gezeigten Beispiel ist der Fahrantrieb 8 außerdem mit zumindest einem Kurzzeit-Energiespeicher 13 ausgestattet, der eine dynamische Speicherung kurzzeitig auftretender hoher elektrischer Leistungen im Falle eines Rekuperationsbetriebs aufnehmen kann. Beim Kurzzeit-Energiespeicher 13 kann es sich beispielsweise um einen elektromechanischen Trägheitsspeicher oder um zumindest einen Kondensator handeln. Die Leistungselektronik 11 des Antriebsmotors 9 bzw. des Fahrantriebs 8 ermöglicht dabei eine entsprechende Verteilung bzw. Leitung des elektrischen Energieflusses entsprechend Doppelpfeilen 14 z. B. von der Batterie 12 über die Leistungselektronik 11 zum Antriebsmotor 9 oder bei einer Rekuperation vom Antriebsmotor 9, der dann als Generator arbeitet, über die Leistungselektronik 11 zum Kurzzeit-Energiespeicher 13 und von diesem ggf. entweder direkt oder wieder über die Leistungselektronik 11 zur Batterie 12 oder während eines nachfolgenden Antriebsmodus wieder zurück zum Antriebsmotor 9.
Im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 kommt es aufgrund von Unebenheiten der Fahrbahn 6 zu den genannten Relativbewegungen 7 zwischen Rad 3 und Aufbau 4 bzw. zwischen Fahrbahn 6 und Aufbau 4. Diese Relativbewegungen 7 werden im jeweiligen Aktuator 5 zum Generieren der elektrischen Energie genutzt, die einer Leistungselektronik 15 des Aktuators 5 zugeführt wird. Ein entsprechender elektrischer Energiefluss ist dabei wieder durch einen Doppelpfeil angedeutet und ebenfalls mit 14 bezeichnet.
Um nun die während des Fahrbetriebs vom jeweiligen Aktuator 5 generierte elektrische Energie dem Fahrantrieb 8 mit höherem Wirkungsgrad bereitstellen zu können, sind die Leistungselektronik 11 des Antriebsmotors 9 bzw. des Fahrantriebs 8 und die Leistungselektronik 15 des Aktuators 5 miteinander gekoppelt oder ineinander integriert. Im Bsp. der 1 ist eine gemeinsame Elektronikeinheit 16 vorgesehen, welche die Leistungselektronik 11 des Antriebsmotors 9 und die Leistungselektronik 15 des Aktuators 5 umfasst. Diese integrierte Bauweise umfasst insbesondere eine Doppelnutzung einzelner Hardwarekomponenten und/oder Softwarekomponenten. Besonders vorteilhaft erfolgt dabei hardwaremäßige Integration und/oder eine softwaremäßige Implementation der beiden Leistungselektroniken 11, 15 ineinander. Hierdurch ist es möglich, die während des Fahrbetriebs vom wenigstens einen Aktuator 5 generierte elektrische Energie über die Leistungselektroniken 11, 15 unmittelbar dem Antriebsmotor 5 zum Generieren von Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen. Eine Zwischenspeicherung der vom wenigstens einen Aktuator 5 generierten elektrischen Energie in der Batterie 12 des Fahrantriebs 8 ist hierzu nicht erforderlich. Insbesondere kommt es dadurch nicht zu einer hochfrequenten Belastung der Batterie 12.
Sofern das Fahrzeug 1 bzw. dessen elektrischer Fahrantrieb 8 zumindest einen Kurzzeit-Energiespeicher 13 aufweist, ist es außerdem möglich, die im Betrieb vom wenigstens einen Aktuator 5 generierte elektrische Energie über die gekoppelten Leistungselektroniken 11, 15 dem Kurzzeit-Energiespeicher 13 des Fahrantriebs 8 zuzuführen, sofern der Antriebsmotor 9 keinen Energiebedarf hat oder sofern der Energieertrag des wenigstens einen Aktuators 5 den Energiebedarf des Antriebsmotors 9 übersteigt. Die im Kurzzeit-Energiespeicher 13 zwischengespeicherte Energie des wenigstens einen Aktuators 5 kann dann zu einem späteren Zeitpunkt entweder der Batterie 12, also dem Langzeit-Energiespeicher zugeführt werden oder bei entsprechendem Bedarf dem Antriebsmotor 9.
Beim Kraftfahrzeug 1 kann es sich um ein reines Elektrofahrzeug handeln oder um ein Hybridfahrzeug, dass zusätzlich zum elektrischen Fahrantrieb 8 außerdem eine Brennkraftmaschine aufweist, um Antriebsleistung zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10220846 A1 [0002]

Claims

Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, – mit mindestens einem elektrischen Aktuator (5) zur Federung und/oder Dämpfung von Aufbaubewegungen und/oder Radbewegungen (7) des Fahrzeugs (1) und zur Umwandlung dieser Bewegungen (7) in elektrische Energie, – wobei das Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Fahrantrieb (8) ausgestattet ist, der zumindest einen elektrischen Antriebsmotor (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik (15) des wenigstens einen Aktuator (5) mit einer Leistungselektronik (11) des wenigstens einen Antriebsmotors (9) gekoppelt oder integral ausgestaltet ist, derart, dass im Betrieb des Fahrzeugs (1) elektrische Energie, die vom wenigstens einen Aktuator (5) erzeugt wird, dem wenigstens einen Antriebsmotor (9) bereitgestellt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung und/oder Integration der Leistungselektroniken (11, 15) so gestaltet ist, dass im Betrieb des Fahrzeugs (1) elektrische Energie, die vom wenigstens einen Aktuator (5) erzeugt wird, einem elektrischen dynamischen Kurzzeit-Energiespeicher (13) des Fahrantriebs (8) zugeführt wird, wenn der Energiebedarf des wenigstens einen Antriebsmotors (9) kleiner ist als die vom wenigstens einen Aktuator (5) bereitgestellt Energie.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (1), insbesondere eines Personenkraftwagens, wobei das Fahrzeug (1) mindestens einen elektrischen Aktuator (5) zur Federung und/oder Dämpfung von Aufbaubewegungen (7) und/oder Radbewegungen (7) des Fahrzeugs (1) und zur Umwandlung dieser Bewegungen (7) in elektrische Energie sowie einen elektrischen Fahrantrieb (8) aufweist, der zumindest einen elektrischen Antriebsmotor (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fahrbetriebs elektrische Energie, die vom wenigstens einen Aktuator (5) erzeugt wird, über gekoppelte und/oder integrierte Leistungselektroniken (11, 15) des wenigstens einen Aktuators (5) und des wenigstens einen Antriebsmotors (9) direkt zum Versorgen des wenigstens einen Antriebsmotors (9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom wenigstens einen Aktuator (5) erzeugte überschüssige Energie zumindest einem elektrischen dynamischen Kurzzeit-Energiespeicher (13) des Fahrantriebs (8) zugeführt wird.