DE102010015424A1 - Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug mit einem Vorderachsantrieb (5, 7) und einem Hinterachsantrieb (19; 33, 34), welche Antriebsvorrichtung eine Steuereinrichtung (25) aufweist, die auf der Grundlage eines Fahrerwunsches ein Antriebsmoment (MSumme) zum Antrieb des Fahrzeugs bestimmt. Erfindungsgemäß ist der Steuereinrichtung (25) eine Momentenverteilungseinheit (27) zugeordnet, die das Antriebsmoment (MSumme) in ein Achsradmoment (MVA) für den Vorderachsantrieb (5, 7) und in ein Achsradmoment (MHA) für den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) aufteilt. Mit den beiden Achsradmomenten (MVA, MHA) sind der Vorderachsantrieb (5, 7) und der Hinterachsantrieb (19; 33, 34) unabhängig voneinander ansteuerbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung nach dem Patentanspruch 10.
  • Unter den Hybrid-Antriebssystemen für Fahrzeuge ist eine Variante als Through-the-Road Hybrid bekannt, bei der eine Fahrzeugachse konventionell mit einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und die andere Fahrzeugachse mit einer Elektromaschine angetrieben wird. Die Hybridfunktionalität ergibt sich hierbei durch die Straße.
  • In einem Allradfahrbetrieb eines solchen Hybrid-Fahrzeugs wird die Brennkraftmaschine mit vorbestimmter Leistung betrieben. Zusätzlich stellt auch die Elektromaschine ein Drehmoment über die elektrische Achse zur Verfügung, um insgesamt das Abtriebsdrehmoment zu erhöhen. Die elektrische Energie wird dabei von der Batterie entnommen.
  • Aus der DE 10 2005 026 874 A1 ist eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein solches allradgetriebenes Fahrzeug bekannt. Dieses weist an der Vorderachse eine Brennkraftmaschine auf, die über ein Getriebe die beiden vorderen Fahrzeugräder antreibt. Mechanisch davon entkoppelt sind zwei Elektromaschinen an der Hinterachse vorgesehen. Die beiden Elektromaschinen sind über Kupplungen miteinander sowie mit den hinteren Fahrzeugräder trieblich verbindbar oder zueinander entkoppelbar. Mit dieser Antriebsvorrichtung lässt sich die Fahrdynamik, insbesondere das Kurvenverhalten und die Wendigkeit des Fahrzeuges, effektiv steuern bzw. unterstützen. Durch die elektrische Antriebseinrichtung wird außerdem ein intelligenter Allradantrieb geschaffen, der auch ohne eine relativ aufwändige mechanische Kraftübertragung über Kardanwelle und Hinterachsdifferenzial auskommen kann, wodurch ein sehr effektives Torque vectoring mit zwei relativ kleinen Elektromotoren an der Hinterachse ermöglicht ist.
  • Gemäß der DE 10 2005 026 874 A1 ist die an der Vorderachse angeordnete Brennkraftmaschine der Hauptantrieb des Fahrzeugs, über den das Antriebsmoment auf die Straße gebracht wird. Die an der Hinterachse angeordneten Elektromaschinen werden lediglich in bestimmten Fahrsituationen zugeschaltet, etwa um für eine dynamische Momentenverteilung Querdynamikkräfte auszugleichen, die am Fahrzeug angreifen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung bereitzustellen, bei der ein im Vergleich zum Stand der Technik dauerhafter Allradantrieb ermöglicht ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist der Steuereinrichtung eine Momentenverteilungseinheit zugeordnet, die das Summenradmoment bzw. das gesamte Antriebsmoment zunächst in ein Achsradmoment für den Vorderachsantrieb und in ein Achsradmoment für den Hinterachsantrieb aufteilt. Der Vorderachsantrieb und der Hinterachsantrieb werden daher unabhängig voneinander mit jeweils einem eigenen Achsradmoment angesteuert, wodurch eine zuverlässige Regelung der am Vorderachsantrieb vorgesehenen Antriebsaggregate sowie der am Hinterachsantreib vorgesehenen Antriebsaggregate durchgeführt werden kann.
  • Mit dem Summenradmoment/Antriebsmoment und den Achsmomenten sollen auch sämtliche Größen mitumfasst sein, aus denen sich das Summenradmoment und die Achsmomente herleiten lassen. Beispielhaft sei eine Antriebsleistung oder eine von der Antriebsleistung abgeleitete Größe erwähnt.
  • Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann zur Aufteilung des Summenradmoments auf die Vorderachse und auf die Hinterachse eine zentrale Momentenverteilungseinheit aufweisen. Diese ist nicht als ein konventionelles Zwischenachsdifferenzial vorgesehen, sondern als ein elektronischer Baustein innerhalb der Steuereinrichtung, wobei in Abhängigkeit von Eingangsparametern das Summenradsollmoment in ein Achsradmoment für die Vorderachse und in ein davon separates Achsradmoment für die Hinterachse aufgeteilt wird. Als Eingangsparameter seien beispielhaft die verfügbare Batterieleistung, Wirkungsgradkennfelder der eingesetzten Antriebsaggregate, Aggregate-/Umgebungstemperaturen, Fahrdynamikgrenzen, Lastpunkte der Antriebsaggregate sowie Fahrzeuggeschwindigkeit, eingelegter Gang und auch der Getriebewirkungsgrad genannt.
  • Für den Fall, dass die Antriebsvorrichtung an einer der Fahrzeugachsen zwei Antriebsaggregate, etwa eine Brennkraftmaschine in Kombination mit einer Elektromaschine, aufweist, kann eine zweite Momentenverteilungseinheit vorgesehen werden. Mit dieser kann das Achsradmoment für die Vorder- oder Hinterachse auf die beiden Antriebsaggregate aufgeteilt werden.
  • Die elektronische Steuereinrichtung kann zusätzliche Wandlerbausteine aufweisen, die die Achsradmomente in Motormomente umwandeln, mit denen dann unmittelbar der Vorderachsantrieb und der Hinterachsantrieb angesteuert werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Antriebssystemen wird daher in der Steuereinrichtung nicht zuerst das Motormoment (Kurbelwellenmoment) berechnet, sondern wird zuerst das Summenradsollmoment ermittelt und rechnerisch auf die Vorder- und Hinterachse verteilt. Erst anschließend wird dann auf ein Motormoment zurückgerechnet.
  • Bevorzugt kann das Fahrzeug ein Antriebssystem aufweisen, bei dem an der Fahrzeugvorderachse sowohl eine Brennkraftmaschine als auch eine Elektromaschine die beiden Vorderräder des Fahrzeugs antreiben kann. An der Fahrzeughinterachse kann der Hinterachsantrieb zumindest eine Elektromaschine aufweisen, die die beiden Hinterräder des Fahrzeugs antreiben kann. Auf diese Weise kann in einem Allradfahrbetrieb die dem Vorderachsantrieb zugeordnete Elektromaschine eine elektrische Leistung generieren, die der dem Hinterachsantrieb zugeordneten Elektromaschine bereitgestellt werden kann.
  • Die Erfindung umfasst selbstverständlich auch eine Antriebsanordnung, bei der die Brennkraftmaschine nicht an der Vorderachse, sondern an der Hinterachse angeordnet ist. In diesem Fall kann im Allradfahrbetrieb die an der Hinterachse angeordnete Elektromaschine elektrische Leistung generieren, die der an der Vorderachse angeordneten Elektromaschine zur Verfügung gestellt werden kann. Im Allradfahrbetrieb werden daher die Antriebsmomente jeweils von der Brennkraftmaschine des Vorderachs-/Hinterachsantriebes und von der Elektromaschine des anderen Achsantriebs auf die Fahrzeugräder gebracht.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Vorderachsantrieb und der Hinterachsantrieb, ohne eine relativ aufwändige mechanische Kraftübertragung über Kardanwelle und Differenziale, voneinander mechanisch entkoppelt sind. In diesem Fall sind daher die Vorderachse und die Hinterachse nicht durch einen gemeinsamen Antriebsstrang antreibbar, sondern unabhängig voneinander durch die beiden oben erläuterten Achsantriebe.
  • In Abhängigkeit vom gewählten Fahrmodus (zum Beispiel Hybrid-, Sport- oder Elektrofahrmodus) kann das in der Berechnungseinheit berechnete Summenradmoment mittels der Momentenverteilungseinheit variabel auf die Vorder- und Hinterachsen verteilt werden. So kann die elektronische Steuereinrichtung bei Erfassung niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten einen Effizienzmodus festlegen, bei dem das gesamte Summenradmoment auf die ausschließlich elektrisch betriebene Fahrzeugachse übertragen wird. In diesem Fall wird im Geschwindigkeitswechselgetriebe der Brennkraftmaschine der Gang ausgelegt und nur mit der Hinterachse gefahren, um Energie zu sparen. Derart niedrige Fahrgeschwindigkeiten können sich im Stadtbetrieb bei Fahrzeuggeschwindigkeiten im Bereich von 50 km/h ergeben. Sofern dagegen querdynamische Einflüsse vorliegen, kann die elektronische Steuereinrichtung die Antriebsvorrichtung mit einem Allradantriebsmodus ansteuern.
  • Außerdem kann die elektronische Steuereinrichtung die Aufteilung des Antriebsmomentes auf den Vorderachs- und Hinterachsantrieb in Abhängigkeit von der verfügbaren Fahrbatterieleistung vornehmen. Generell gilt bei einer Momentenverteilung, dass diese stets innerhalb von Fahrdynamikgrenzen vorgenommen werden müssen, um ein höchstmögliches Maß an Sicherheit zu gewährleisten.
  • Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Ansicht ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 ein Blockschaltdiagramm, das ausgehend von einer fahrerseitigen Momentenvorgabe den Signalfluss vom Fahrpedal zum Vorderachsantrieb und zum Hinterachsantrieb prinzipiell veranschaulicht;
  • 3 in einer der 1 entsprechenden Ansicht ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
  • 4 in einer Ansicht entsprechend der 2 das Blockschaltdiagramm des zweiten Ausführungsbeispiels.
  • In der 1 ist in einer Prinzipdarstellung das Antriebssystem eines Hybridfahrzeuges gezeigt, das mit einer Allradantriebseinheit 1 versehen ist. An der vorderen Fahrzeugachse 3 ist eine Brennkraftmaschine 5 sowie eine Elektromaschine 7 in einen Antriebsstrang geschaltet und mit einem Getriebe 9 in Verbindung. Das Getriebe 9 ist über eine Getriebeausgangswelle 11 sowie ein nur angedeutetes Achsdifferenzial 13 in trieblicher Verbindung mit der Vorderachse 3. Zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der Elektromaschine 7 ist eine Kupplung 15 geschaltet, die je nach Fahrsituation geöffnet oder geschlossen ist.
  • An der Hinterachse 17 des Kraftfahrzeuges ist eine weitere Elektromaschine 19 angeordnet, die die beiden hinteren Fahrzeugräder über ein Achsdifferenzial 21 antreibt.
  • Soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist, sind in der 1 der aus der Brennkraftmaschine 5 und der Elektromaschine 7 bestehende Vorderachsantrieb und der aus der Elektromaschine 19 bestehende Hinterachsantrieb skizziert. Weitere Antriebskomponenten, etwa die Hochvoltbatterie 2 zur Stromversorgung der beiden Elektromaschinen 7, 19, oder etwa das Motorsteuergerät 4, das Getriebesteuergerät 6, die Leistungselektronik 8 der beiden Elektromaschinen 7, 19 oder das Batteriesteuergerät 10, sind dagegen aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne nähere Beschreibung nur grob angedeutet.
  • Für die Ansteuerung der Antriebsaggregate 5, 7, 19 des allradgetriebenen Fahrzeuges ist eine zentrale elektronische Steuereinrichtung 25 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 25 erfasst mittels eines Pedalmoduls 23 eine fahrerseitig vorgenommene Änderung des Fahrpedalwinkels. Zusätzlich erfasst die Steuereinrichtung 25 als Eingangsparameter unter anderem eine verfügbare Batterieleistung, die Wirkungsgradkennfelder sämtlicher Antriebsaggregate 5, 7, 19, Umgebungs- bzw. Aggregate-Temperaturen, Fahrdynamikgrenzen, Lastpunkte der Aggregate 5, 7, 19 sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit, den eingelegten Gang und auch den Getriebewirkungsgrad, wodurch eine achsbezogene Momentenverteilung ermöglicht wird.
  • Auf der Grundlage dieser Eingangsgrößen berechnet die Steuereinrichtung 25 die Sollmomente MBKM, MEM1, MEM2, mit denen das Motorsteuergerät 4 der Brennkraftmaschine 5 sowie die Leistungselektronik 8 der Elektromaschine 7 und der Elektromaschine 19 angesteuert werden können. In der Steuereinrichtung 25 sind nicht gezeigte Wandlerbausteine integriert, mit denen die Sollwerte MBKM, MEM1, MEM2 als Motormomente zu den Antriebsaggregaten weitergeleitet werden.
  • Ein Signalfluß zwischen dem Pedalmodul 23 und dem Vorderachsantrieb 5, 7 sowie dem Hinterachsantrieb 19 ist in der 2 stark vereinfacht dargestellt. Demzufolge wird bei einer Betätigung des Fahrpedals 23 ein dem Fahrpedalwinkel entsprechendes Signal der Steuereinrichtung 25 zugeführt. In einer Berechnungseinheit 26 der Steuereinrichtung 25 wird aus dem Fahrpedalwinkel sowie unter Berücksichtigung weiterer Eingangsparameter, etwa dem eingelegten Gang oder einer Motordrehzahl ein Summenmoment MSumme berechnet, mit dem das Fahrzeug gemäß Fahrerwunsch anzutreiben ist. Anstelle des Summenmoments MSumme kann auch eine dazu korrespondierende Leistung oder eine aus dem Drehmoment oder der Leistung abgeleitete Größe berechnet werden.
  • Das Summenmoment MSumme wird weiter zu einer Momentenverteilungseinheit 27 geleitet, in der das Summenmoment MSumme in Abhängigkeit von an sich bekannten Eingangsparametern in ein Sollmoment MVA für den Vorderachsantrieb 5, 7 und in ein Sollmoment MHA für den Hinterachsantrieb 19 aufgeteilt wird. Die Aufteilung des Summenmomentes MSumme erfolgt gemäß der 2 unter Berücksichtigung von Parametern einer Fahrerassistenzregelung 31.
  • Das gegebenenfalls in Tiefpass- und Lastschlagdämpfungsfiltern 33, 37 gefilterte Sollmoment MVA für den Vorderachsantrieb wird gemäß der 2 zu einer zweiten Momentenverteilungseinheit 38 weitergeleitet. Die zweite Momentenverteilungseinheit 38 teilt das Sollmoment MVA in Abhängigkeit von Eingangsparametern in die Antriebsmomente MBKM und MEM1 auf, die jeweils dem Motorsteuergerät 4 sowie der Leistungselektronik 8 zugeführt werden.
  • Gemäß der 2 werden die beiden, in der Momentenverteilungseinheit 27 generierten Sollmomente MVA, MHA in voneinander unabhängigen, parallel geschalteten Bearbeitungssträngen bearbeitet, in denen die Sollmomente MVA, MHA unabhängig voneinander in den Tiefpassfiltern 33 und in den Lastschlagdämpfungsfiltern 37 gefiltert werden können, so dass die Sollmomente MVA, MHA entsprechend gefiltert zum Vorderachsantrieb 5, 7 und zum Hinterachsantrieb 19 weitergeleitet werden.
  • Die Tiefpassfilter 33 können beispielhaft Proportional-Zeit-Glieder sein, deren Zeitverhalten derart ist, dass zum Beispiel eine fahrerseitige Eingangs-Sprungfunktion geglättet werden kann. Die Lastschlagdämpfungsfilter 37 können bei Lastschlag-Gefahr einen Sollmomentensprung etwa im Bereich eines Momentennulldurchgangs modulieren, das heißt den Momentengradient im Bereich des Momentennulldurchgangs reduzieren.
  • In der 3 ist ein Antriebssystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, deren Aufbau und Funktionsweise grundsätzlich dem des ersten Ausführungsbeispiels gleicht. Im Unterschied zur 1 sind an der Hinterachse 2 Elektromaschinen 33, 34 vorgesehen, von denen die erste Elektromaschine 33 das an der rechten Fahrzeugseite befindliche Antriebsrad antreibt, während die zweite Elektromaschine 34 das an der linken Fahrzeugseite angeordnete Antriebsrad antreibt.
  • Wie aus der 3 weiter hervorgeht, sind die beiden hinteren Elektromaschinen 33, 34 mit Sollmomenten MEM2 und MEM3 ansteuerbar. Die beiden Sollmomente MEM2 und MEM3 werden in einer dynamischen Momentenverteilungseinheit 39 generiert. Diese ist im, gemäß der 4 unteren Bearbeitungsstrang zwischen dem Tiefpassfilter 37 und den beiden Elektromaschinen 33, 34 geschaltet ist.
  • In der Momentenverteilungseinheit 39 wird das Sollmoment MHA zunächst in gleich große Teilmomente MEM2 und MEM3 für die beiden hinteren Elektromaschinen 33, 34 aufgeteilt. Die beiden gleich großen Teilmomente MEM2 und MEM3 können jedoch in Abhängigkeit von Fahrsituationen dynamisch angepasst werden, um beispielsweise die Kurvenagilität des Fahrzeugs beim Durchfahren einer Kurve zu erhöhen. Hierzu ist die Momentenverteilungseinheit 39 mit Fahrdynamiksensoren in Verbindung, etwa Gierratensensoren, Beschleunigungssensoren und Drehzahlsensoren im Fahrzeug vorgesehen, auf deren Grundlage eine dynamische Anpassung der Teilmomente erfolgen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005026874 A1 [0004, 0005]

Claims (10)

  1. Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug mit einem Vorderachsantrieb (5, 7) und einem Hinterachsantrieb (19; 33, 34), welche Antriebsvorrichtung eine Steuereinrichtung (25) aufweist, die auf der Grundlage eines Fahrerwunsches ein Antriebsmoment (MSumme) zum Antrieb des Fahrzeugs bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (25) eine Momentenverteilungseinheit (27) zugeordnet ist, die das Antriebsmoment (MSumme) in ein Achsradmoment (MVA) für den Vorderachsantrieb (5, 7) und in ein Achsradmoment (MHA) für den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) aufteilt, mit welchen Achsradmomenten (MVA, MHA) der Vorderachsantrieb (5, 7) und der Hinterachsantrieb (19; 33, 34) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderachsantrieb (5, 7) und der Hinterachsantrieb (19; 33, 34) voneinander mechanisch entkoppelt sind.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderachsantrieb (5, 7) und/oder der Hinterachsantrieb (19; 33, 34) zumindest zwei Antriebsaggregate aufweist, etwa eine Brennkraftmaschine (5) und eine Elektromaschine (7).
  4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung zumindest eine zweite Momentenverteilungseinheit (38, 39) aufweist, mit der das Achsradmoment (MHA, MVA) auf die beiden Antriebsaggregate (5, 7; 33, 34) an der Vorderachse (3) und/oder an der Hinterachse (17) aufteilbar ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinrichtung (25) zumindest ein Wandlerbaustein zugeordnet ist, der die Achsradmomente (MHA, MVA) in Motormomente (MBKM, MEM1, MEM2, MEM3) umwandelt, mit denen der Vorderachsantrieb (5, 7) und der Hinterachsantrieb (19; 33, 34) ansteuerbar sind.
  6. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Momentenverteilungseinheit (27, 38, 39) die Momentenverteilung in Abhängigkeit von in einer Fahrerassistenzregelung (31) generierten Eingangsparametern durchführt.
  7. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Momentenverteilungseinheit (27) bei Erfassung niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten, etwa beispielhaft bis zu 50 km/h, die Vorderachse (3) oder die Hinterachse (17) mit dem gesamten Antriebsmoment (MSumme) ansteuert.
  8. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Momentenverteilungseinheit (27) die Aufteilung des Antriebsmoments (MSumme) auf den Vorderachsantrieb (5, 7) und auf den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) in Abhängigkeit von der verfügbaren Fahrbatterieleistung vornimmt.
  9. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Vorder- und Hinterachsantriebe (5, 7, 19; 33, 34) zwei Elektromaschinen aufweist, die insbesondere mechanisch voneinander entkoppelt sind und/oder jeweils einem linken und einem rechten Fahrzeugrad zugeordnet sind.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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