-
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine elektrische Maschine zum Antreiben zumindest eines Rades des Kraftfahrzeugs aufweist. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator mit einer elektrischen Statorwicklung. Die Statorwicklung dient zum Erzeugen eines Magnetfeldes, durch welches der Rotor gedreht wird. Das Kraftfahrzeug umfasst außerdem eine mit der Statorwicklung gekoppelte Elektronikeinheit zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung in zumindest eine Wechselspannung, mit welcher die elektrische Maschine versorgt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug.
-
Die Bedeutung der so genannten Seitenführungskraft ist in der Fahrzeugtechnik im Allgemeinen bekannt. Sie ist diejenige Kraft, die der Fliehkraft bei einer Kurvenfahrt entgegenwirkt. Durch die Seitenführungskraft kann das Kraftfahrzeug auf der Fahrbahn gehalten werden.
-
Die Höhe der maximal möglichen Seitenführungskraft ist von der Beschleunigungs- bzw. Bremskraft abhängig: Es gilt die Beziehung, dass, je größer die Beschleunigungs- bzw. Bremskraft ist, desto geringer die maximal mögliche Seitenführungskraft ist. Dieser Zusammenhang wird durch den so genannten Kammschen Kreis beschrieben.
-
Das stabile Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs beim Durchfahren einer Kurve findet also seine Grenzen bei hohen Beschleunigungs- bzw. Bremskräften. Übersteigt die momentane Fliehkraft die maximal vom Reifen auf die Straße übertragbare Seitenführungskraft, so verändert sich der Radius der vom Fahrzeug befahrenen Fahrbahn. Aufgrund der oben genannte Beziehung sind insbesondere solche Situationen problematisch, in denen der Fahrer bei einer Kurvenfahrt Gas gibt oder bremst. Dadurch verringert sich nämlich die maximal mögliche Seitenführungskraft, und es kann zu einem instabilen, übersteuernden oder auch einem untersteuernden Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs führen. Eine Abhilfe schaffen hier elektronische Fahrerassistenzsysteme, nämlich beispielsweise das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP). Solche Fahrerassistenzsysteme können bei einer zu hohen Beschleunigung eines Rades dieses Rad abbremsen und bei einer zu hohen Bremskraft das Rad entsprechend beschleunigen. Somit können die Beschleunigungs- bzw. Bremskräfte der Räder begrenzt werden, um bei einer Kurvenfahrt stets die erforderliche Seitenführungskraft auf die Straße übertragen zu können.
-
Vorliegend richtet sich das Interesse auf ein solches Kraftfahrzeug, dessen Räder mithilfe (jeweils) einer elektrischen Maschine angetrieben werden. Es kann ein Fahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb oder aber ein reines Elektrofahrzeug sein. Zum Antreiben der Räder wird im Stand der Technik in der Regel eine permanenterregte Synchronmaschine eingesetzt. Der Stator einer solchen elektrischen Maschine beinhaltet Permanentmagnete, die kontinuierlich ein Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld existiert also auch dann, wenn die Maschine aktiv nicht angesteuert wird, etwa im Schubbetrieb oder aber beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs. Aufgrund dieses permanenten Magnetfeldes weisen die Synchronmaschinen ein relativ hohes Schleppmoment auf - ein Drehmoment, welches erforderlich ist, um einen unbelasteten Rotor der Synchronmaschine in Bewegung zu bringen. Insbesondere vor dem Hintergrund des oben genannten Kammschen Kreises erweist sich ein hohes Schleppmoment als nachteilig: Geht der Fahrer abrupt vom Gas, so verursacht das Schleppmoment der elektrischen Maschine zusätzliche Bremskräfte, und es verringert sich die maximal mögliche Seitenführungskraft. Um eine solche Situation zu vermeiden, kann die so genannte Motor-Schleppmoment-Regelung (MSR, auch unter der Bezeichnung Nullmoment-Regelung) vorgenommen werden. Bei dieser Regelung wird das Drehmoment der elektrischen Maschine im Schubbetrieb kurzfristig erhöht - es wird ein Nullmoment erzeugt -, um die maximal mögliche Seitenführungskraft entsprechend zu erhöhen und das Kraftfahrzeug somit stabil zu halten. Die MSR kann dabei eine der Funktionalitäten des ESP sein.
-
Es ist außerdem Stand der Technik, dass die Statorwicklung der elektrischen Maschine mithilfe einer Elektronikeinheit (Leistungselektronik) mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden kann. Speziell bei Synchronmotoren beinhaltet die Elektronikeinheit in der Regel einen Wechselrichter, der in einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs eine elektrische Gleichspannung - etwa an der Fahrzeugbatterie - abgreift und aus dieser Gleichspannung jeweils eine Wechselspannung für alle Phasenstränge (in der Regel drei Phasenstränge) der Statorwicklung erzeugt. Zu diesem Zwecke kann der Wechselrichter beispielsweise elektrische Schalter beinhalten. Die Elektronikeinheit kann neben dem Wechselrichter auch einen Mikrocontroller umfassen, der dann die Aufgabe der Ansteuerung des Wechselrichters aufgrund von Steuerbefehlen eines übergeordneten Steuergeräts übernimmt.
-
Die
DE 10 2008 021 425 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ausrichten eines Resolvers, wobei der Resolver zur Bestimmung einer Rotorposition in einem Elektromotor mit Bezug auf eine d-Achse dient. Bei dem Verfahren wird eine Last von dem Elektromotor getrennt. Zudem wird der Elektromotor mit einer von Null verschiedenen Geschwindigkeit in Ansprechen auf einen Strombefehl und einen Geschwindigkeitsbefehl betrieben, wobei der Elektromotor in Ansprechen auf den Strombefehl ein Drehmoment von im Wesentlichen Null erzeugt. Der Strombefehl kann auf der Grundlage eines Sollversatzfehlers gewählt werden, um ein Schleppmoment mit dem elektrischen Drehmoment auszugleichen.
-
Aus der
EP 1 458 587 B1 ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Regelung eines Antriebsmoments nach einem Lastwechsel bei Hybridfahrzeugen als bekannt zu entnehmen, wobei der aus dem Lastwechsel entstehende Bremsschlupf an den Antriebsrädern durch ein Antriebsmoment derart beeinflusst wird, dass die Seitenführung des Fahrzeugs erhalten bleibt. Hierbei ist es vorgesehen, dass ein möglichst hoher Anteil des Antriebsmoments über den Elektromotor (oder die Elektromotoren) des Hybridfahrzeugs aufgebracht wird:
- Die Druckschrift US 2009/00 33 274 A1 beschreibt eine Vorrichtung für ein Wandlersystem eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine erste und eine zweite Energiequelle aufweist. Das Wandlersystem weist einen Elektromotor auf, welcher eine erste Gruppe von Wicklungen und eine zweite Gruppe von Wicklungen umfasst. Die erste Gruppe von Wicklungen ist mit der ersten Energiequelle über einen ersten Wandler verbunden und die zweite Gruppe von Wicklungen ist über einen zweiten Wandler mit der zweiten Energiequelle verbunden. Durch diese Anordnung kann der Elektromotor effizienter und mit einem geringeren Leistungsbedarf betrieben werden. Die US 2009/00 33 274 A1 offenbart die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 8.
-
Um die Verringerung der Seitenführungskräfte aufgrund des Schleppmoments der elektrischen Maschine zu vermeiden, kann im Stand der Technik auch eine mechanische Entkopplungseinrichtung eingesetzt werden, mittels welcher das angetriebene Rad von dem Rotor der Maschine in dem Schubbetrieb mechanisch entkoppelt wird. Zwar ist eine solche Lösung besonders zuverlässig, jedoch hat sie auch viele Nachteile: Der Einsatz einer mechanischen Entkopplungseinrichtung ist mit zusätzlichen Kosten verbunden, und die Entkopplungseinrichtung selbst erhöht das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs deutlich. Darüber hinaus ist viel mehr Bauraum für eine solche Entkopplungseinrichtung erforderlich, wie auch zusätzliche Aktoren zur Betätigung der Entkoppelungseinrichtung.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie die Verringerung der Seitenführungskraft aufgrund eines Schleppmoments einer elektrischen Maschine ohne hohen Kosten- und Produktionsaufwand und dennoch besonders sicher vermieden werden kann, insbesondere ohne dass viel Bauraum beansprucht wird und zusätzliche mechanische Aktoren eingesetzt werden müssen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
-
Demnach ist neben der ersten Elektronikeinheit eine zusätzliche zweite Elektronikeinheit bereitgestellt, die ebenfalls zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung dient, mit welcher die elektrische Maschine redundant versorgt werden kann. Der erfindungsgemäße Effekt wird somit durch den Einsatz einer redundanten bzw. von der ersten Elektronikeinheit unabhängigen zweiten Elektronikeinheit erzielt, welche aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung bereitstellen kann, mit welcher die elektrische Maschine unabhängig von der Spannung der ersten Elektronikeinheit zum Antreiben des zumindest einen Rades versorgt wird.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug hat den Vorteil, dass selbst beim Ausfall der ersten Elektronikeinheit die elektrische Maschine mithilfe der zweiten Elektronikeinheit mit elektrischer Energie versorgt werden kann und somit ein Drehmoment - insbesondere im Schubbetrieb - bereitstellen kann, mit welchem das Schleppmoment der elektrischen Maschine ausgeglichen werden kann. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es in der Regel die Elektronikeinheit ist, die besonders anfällig für Ausfälle ist. Fällt nun die erste Elektronikeinheit aus, so sorgt die redundante Elektronikeinheit für das Vorhandensein der erforderlichen Spannung und somit auch für die Stabilität des Kraftfahrzeugs beim Durchfahren einer Kurve. Durch Einsatz einer zusätzlichen Elektronikeinheit kann demnach die Verringerung der Seitenführungskraft aufgrund des Schleppmoments der elektrischen Maschine besonders zuverlässig vermieden werden, und das Fahrzeug kann ohne eine teure und aufwändige mechanische Entkopplungseinrichtung auskommen.
-
Die zweite Elektronikeinheit ist kostengünstig aufgebaut: Für die Funktion der Kompensation des Schleppmoments der elektrischen Maschine reicht es nämlich aus, wenn die redundante Elektronikeinheit - im Vergleich zur ersten Elektronikeinheit - zum Betrieb mit elektrischen Strömen geringerer Stromstärke ausgelegt ist. Es können beispielsweise elektrische Leitungen mit einem gegenüber den elektrischen Leitungen der ersten Elektronikeinheit verringerten Querschnitt eingesetzt werden; es können auch elektrische Schalter verwendet werden, die im Vergleich zu den elektrischen Schaltern der ersten Elektronikeinheit geringere elektrische Leistungen übertragen können. Die zusätzliche Elektronikeinheit soll nämlich bevorzugt lediglich zum Versorgen der elektrischen Maschine beim Ausgleichen des Schleppmoments dienen, während die erste Elektronikeinheit vorzugsweise im Normalbetrieb-etwa zum Versorgen der Maschine beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs - verwendet wird. Dementsprechend kann die zweite Elektronikeinheit nur eine solche maximale elektrische Leistung an die elektrische Maschine ausgeben, bei welcher die Maschine ein Drehmoment erzeugt, durch welches das Schleppmoment vollständig ausgeglichen wird. Es gelingt somit, ohne viel Kostenaufwand die Sicherheit der Fahrzeuginsassen im Vergleich zum Stand der Technik zu erhöhen.
-
Neben der zusätzlichen Elektronikeinheit ist auch eine zusätzliche Wicklung für den Stator der elektrischen Maschine bereitgestellt, durch welche unabhängig von der Statorwicklung ein Magnetfeld zum Antreiben des Rotors erzeugt werden kann. Dann kann ein zusätzliches Drehmoment durch die Maschine zum Ausgleichen des Schleppmoments auch in einem solchen - relativ unwahrscheinlichen - Falle erzeugt werden, wenn die Statorwicklung ausfällt, etwa aufgrund eines Kurzschlusses. Man würde z.B. die (erste) Statorwicklung im Normalbetrieb - also zum Antreiben der Räder - nutzen, während die zusätzliche Wicklung lediglich zum Ausgleichen des Schleppmoments beim Ausfall der Statorwicklung dienen kann. Gegenüber dem Stand der Technik erhöht sich somit die Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs.
-
Sind sowohl die zusätzliche Elektronikeinheit als auch die zusätzliche Wicklung im Kraftfahrzeug vorhanden, so kann folgende Beschaltung gelten: Die erste Elektronikeinheit dient zum Bereitstellen der elektrischen Wechselspannung an der Statorwicklung, und die zweite Elektronikeinheit dient zum Bereitstellen der Wechselspannung an der zusätzlichen Wicklung.
-
Bevorzugt weist die zusätzliche Wicklung die gleiche Anzahl von Phasensträngen wie die Statorwicklung auf.
-
Wie die zusätzliche Elektronikeinheit ist auch die zusätzliche Wicklung zum Betrieb mit geringeren Leistungen ausgelegt, nämlich gegenüber der (ersten) Statorwicklung. Dann kann die zusätzliche Wicklung nur ein solches Magnetfeld erzeugen, dessen maximale Stärke kleiner als die maximale Stärke des Magnetfelds der (ersten) Statorwicklung ist. Gleichzeitig kann diese maximale Stärke größer oder gleich einer Feldstärke sein, bei welcher die elektrische Maschine ein Drehmoment erzeugt, durch welches das Schleppmoment der Maschine vollständig ausgeglichen wird. Gegenüber der Statorwicklung kann die zusätzliche Wicklung beispielsweise weniger Windungen und/oder einen verringerten Durchmesser aufweisen. Die zusätzliche Wicklung kann somit kostengünstig aufgebaut werden, und sie beansprucht relativ wenig Bauraum.
-
Bevorzugt ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine, nämlich insbesondere mit drei Phasensträngen. Bei einer solchen Synchronmaschine weist der Rotor Permanentmagnete auf, die kontinuierlich ein magnetisches Feld erzeugen. Gerade bei einer derartigen Synchronmaschine erweist sich das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug als besonders vorteilhaft. Eine solche Maschine weist ein relativ hohes Schleppmoment auf, sogar bis etwa 60 Nm. Es ist somit insbesondere bei einer Synchronmaschine mit Permanentmagneten besonders vorteilhaft, wenn das Schleppmoment der Maschine durch ein zusätzliches Drehmoment ausgeglichen wird. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kommen also bei einer permanenterregten Synchronmaschine vollständig zum Tragen.
-
Die beiden Elektronikeinheiten können jeweils einen Wechselrichter aufweisen. Der jeweilige Wechselrichter kann aus einer Gleichspannung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs für alle Phasenstränge der Statorwicklung bzw. der zusätzlichen Wicklung jeweils eine Wechselspannung bereitstellen. Weisen die Statorwicklung und die zusätzliche Wicklung jeweils drei Phasenstränge auf, so können die Wechselrichter jeweils drei Wechselspannungen erzeugen, die paarweise gegeneinander um 120° phasenverschoben sind. Dann wird der Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.
-
Die erste Elektronikeinheit kann mit einer Fahrzeugbatterie eines Bordnetzes gekoppelt sein. Sie kann aus einer an der Fahrzeugbatterie anliegenden Batteriespannung die Wechselspannung für die elektrische Maschine bereitstellen. Prinzipiell kann auch die zweite Elektronikeinheit mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt sein und aus der Batteriespannung gegebenenfalls die elektrische Wechselspannung für die Maschine bereitstellen. Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, wenn neben der Fahrzeugbatterie auch ein zusätzlicher Energiespeicher bereitgestellt ist, etwa eine zusätzliche Fahrzeugbatterie oder aber ein Doppelschichtkondensator (Super-Cap). An dem zusätzlichen Energiespeicher kann die zweite Elektronikeinheit elektrische Spannung abgreifen, um dann gegebenenfalls die Wechselspannung für die elektrische Maschine bereitzustellen. Auf diesem Wege gelingt es, das zum Ausgleichen des Schleppmoments notwendige Drehmoment auch bei einer leeren bzw. defekten Fahrzeugbatterie zu erzeugen.
-
In einer Ausführungsform sind die Fahrzeugbatterie und der zusätzliche Energiespeicher über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt. Über den Gleichspannungswandler kann elektrische Energie aus der Fahrzeugbatterie hin zum zusätzlichen Energiespeicher übertragen werden. Gleichzeitig kann der Gleichspannungswandler einen Stromfluss vom zusätzlichen Energiespeicher hin zur Fahrzeugbatterie unterbrechen; der Gleichspannungswandler kann ein unidirektionaler Wandler sein. Diese Ausführungsform sorgt für zusätzliche Betriebssicherheit: Ist der zusätzliche Energiespeicher leer oder defekt, so kann die zusätzliche Elektronikeinheit im Notfall mit elektrischer Energie aus der Fahrzeugbatterie versorgt werden.
-
Wie bereits ausgeführt, kann die erste Elektronikeinheit die elektrische Maschine in einem Normalbetrieb - zum Antreiben der Räder - mit elektrischer Energie versorgen, während die zweite Elektronikeinheit lediglich zum Ausgleichen des Schleppmoments beim Ausfall der ersten Elektronikeinheit verwendet werden kann. Es kann beispielsweise eine übergeordnete Steuereinrichtung - etwa ein Steuergerät - bereitgestellt sein, welche die beiden Elektronikeinheiten ansteuert. Die Steuereinrichtung kann einen Ausfall der ersten Elektronikeinheit erkennen und in einem solchen Falle die zweite Elektronikeinheit ansteuern, um bei der elektrischen Maschine ein Drehmoment zu erzeugen, mit welchem das Schleppmoment zumindest teilweise ausgeglichen wird. Die Steuereinrichtung kann den Ausfall der ersten Elektronikeinheit beispielsweise anhand von Messwerten für einen durch die erste Elektronikeinheit fließenden Strom und/oder anhand von Messwerten eines Sensors erkennen, nämlich beispielsweise eines Sensors zum Messen von Radkräften. Bei dieser Ausführungsform wird somit die zusätzliche Elektronikeinheit im Normalbetrieb geschont und lediglich beim Ausfall der ersten Elektronikeinheit zum Ausgleichen des Schleppmoments verwendet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug, durch welche zumindest ein Rad des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Mithilfe einer Elektronikeinheit wird die elektrische Maschine mit einer elektrischen. Wechselspannung versorgt. Nach einem Ausfall der Elektronikeinheit erzeugt eine zusätzliche Elektronikeinheit elektrische Wechselspannung, mit welcher die elektrische Maschine zum Bereitstellen eines Drehmoments versorgt wird, mit welchem ein Schleppmoment der Maschine zumindest teilweise - insbesondere vollständig - ausgeglichen wird.
-
Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei:
- 1 in schematischer Darstellung eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung veranschaulicht; und
- 2 in schematischer Darstellung eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
-
Eine Antriebsvorrichtung 10, wie sie in 1 gezeigt ist, dient zum Antreiben zumindest eines Rades 12 eines Kraftfahrzeugs. Die Antriebsvorrichtung 10 kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder aber in einem HybridFahrzeug eingesetzt werden. Die Antriebsvorrichtung 10 kann ein einziges Rad 12, zwei Räder derselben Achse oder aber alle vier Räder des Kraftfahrzeugs antreiben.
-
Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst eine permanenterregte Synchronmaschine 14, die einen Rotor 16 sowie einen Stator 18 aufweist. Der Rotor 16 trägt Permanentmagnete 20. Der Rotor 16 ist drehbar gelagert, nämlich bezüglich des Stators 18. Der Rotor 16 ist mit dem Rad 12 oder den Rädern des Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelt, gegebenenfalls auch über eine mechanische Entkopplungseinrichtung.
-
Der Stator 18 umfasst eine Statorwicklung 22, welche drei Phasenstränge 24a, 24b, 24c aufweist. Die Statorwicklung 22 kann ein magnetisches Feld erzeugen, durch welches der Rotor 16 drehbar ist. Das magnetische Feld der Statorwicklung 22 wirkt nämlich mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 20 zusammen.
-
Eine Elektronikeinheit 26 stellt drei Wechselspannungen Uab, Ubc, Uac bereit. Die Wechselspannung Uab liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenstrang 24a, 24b an; die Wechselspannung Ubc liegt zwischen dem zweiten und dem dritten Phasenstrang 24b, 24c an; und die Wechselspannung Uac liegt zwischen dem ersten und dem dritten Phasenstrang 24a, 24c an. Also erzeugt die Elektronikeinheit 26 drei Wechselspannungen Uab, Ubc, Uac für die Statorwicklung 22 des Stators 18. Aufgrund dieser Wechselspannungen wird das Magnetfeld erzeugt und die elektrische Maschine 14 in Betrieb genommen.
-
Zum Erzeugen der Wechselspannungen Uab , Ubc , Uac beinhaltet die Elektronikeinheit 26 einen Wechselrichter 28, der beispielsweise - in herkömmlicher Weise - sechs Transistoren umfasst. Die Elektronikeinheit 26 umfasst außerdem einen Mikrocontroller 30, welcher den Wechselrichter 28 ansteuert.
-
Die Wechselspannungen Uab , Ubc , Uac erzeugt die Elektronikeinheit 26 aus einer Batteriespannung UB , die eine Gleichspannung ist. Die Batteriespannung UB liegt an einer Fahrzeugbatterie 32 eines Bordnetzes 34 an. Die Fahrzeugbatterie 32 ist zwischen einem Knoten 36 und einem Bezugspotential 38 geschaltet. Parallel zur Fahrzeugbatterie 32 kann gegebenenfalls auch ein Generator 40 geschaltet sein, nämlich wenn auch eine Verbrennungsmaschine im Kraftfahrzeug vorhanden ist, wie dies beispielsweise bei Hybrid-Fahrzeugen der Fall sein kann. Demgegenüber kommen reine Elektrofahrzeugen ohne eine Verbrennungsmaschine und somit auch ohne einen zusätzlichen Generator 40 aus, da die elektrische Maschine 14 selbst im Generatorbetrieb betrieben werden kann. Aufgrund der Parallelschaltung gilt, dass die am Generator 40 anliegende elektrische Spannung gleich der Batteriespannung UB ist. Parallel zum Generator 40 bzw. zur Fahrzeugbatterie 32 sind auch eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 42 des Kraftfahrzeugs geschaltet; sie sind zwischen dem Knoten 36 und dem Bezugspotential 38 gekoppelt.
-
Am Knoten 36 greift auch die Elektronikeinheit 26 die Batteriespannung UB ab und wandelt diese in die drei Wechselspannungen Uab , Ubc , Uac um.
-
Die Elektronikeinheit 26 dient also zum Versorgen der elektrischen Maschine 14 mit elektrischer Energie. Einerseits wird die Synchronmaschine 14 über die Elektronikeinheit 26 in einem Normalbetrieb gespeist, d.h. beim Antreiben des Rades 12 bzw. beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs. Andererseits stellt die Elektronikeinheit 26 die Wechselspannungen Uab , Ubc , Uac auch dann bereit, wenn ein Schleppmoment der Synchronmaschine 14 ausgeglichen werden soll. Dieses Schleppmoment wird durch ein so genanntes Nullmoment der Maschine 14 ausgeglichen, welches im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, etwa beim Loslassen des Gaspedals bzw. beim Herunterschalten des Getriebes. Durch Bereitstellen des Nullmoments werden Situationen vermieden, in denen die Seitenführungskraft einen kritischen Grenzwert unterschreitet. Es erfolgt also die so genannte Schleppmoment-Regelung.
-
Während im Normalbetrieb beim Beschleunigen des Rades 12 durch die Synchronmaschine 14 ein Drehmoment beispielsweise aus einem Wertebereich von 400 Nm bis 600 Nm erzeugt werden kann, wird zum Ausgleichen des Schleppmoments ein Nullmoment beispielsweise aus einem Wertebereich von 40 Nm bis 60 Nm bereitgestellt.
-
Die Regelung des Drehmoments der Synchronmaschine 14 erfolgt mithilfe einer übergeordneten Steuereinrichtung 44, etwa eines Steuergerätes. Die Steuereinrichtung 44 kann Steuersignale an den Mikrocontroller 30 übermitteln, und der Mikrocontroller 30 steuert den Wechselrichter 28 in Abhängigkeit von in den Steuersignalen enthaltenen Informationen an.
-
Um auch bei einem Ausfall der Elektronikeinheit 26 das Nullmoment zum Kompensieren des Schleppmoments der Synchronmaschine 14 bereitstellen zu können, beinhaltet die Antriebsvorrichtung 10 eine zusätzliche bzw. redundante zweite Elektronikeinheit 46. Auch diese zweite Elektronikeinheit 46 umfasst einen Wechselrichter 48, wie auch einen Mikrocontroller 50 zum Ansteuern des Wechselrichters 48. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 greift die zweite Elektronikeinheit 46 - ähnlich wie die erste Elektronikeinheit 26 - die an der Fahrzeugbatterie 32 anliegende Batteriespannung UB am Knoten 36 ab. Die zweite Elektronikeinheit 46 wandelt diese Batteriespannung UB ebenfalls in drei Wechselspannungen U1 , U2 , U3 um. Nun sind zwei verschiedene Ausführungsformen sinnvoll möglich: Die zweite Elektronikeinheit 36 kann die Wechselspannungen U1 , U2 , U3 an den Phasensträngen 24a, 24b, 24c der Statorwicklung 22 bereitstellen; in diesem Falle ist die zweite Elektronikeinheit 46 mit der Statorwicklung 22 gekoppelt, nämlich beispielsweise über eine Schalteinheit. Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, wenn die Wechselspannungen U1 , U2 , U3 - wie in 1 gezeigt ist - zwischen Phasensträngen 52a, 52b, 52c einer zusätzlichen Wicklung 54 des Stators 18 bereitgestellt werden. Die zusätzliche Wicklung 54 kann ohne viel Aufwand beispielsweise auf die bereits vorhandene Statorwicklung 22 gewickelt werden. Die zusätzliche Wicklung 54 dient zum Bereitstellen des Nullmoments zum Ausgleichen des Schleppmoments der Synchronmaschine 14, nämlich bei einem Ausfall der Statorwicklung 22.
-
Auch der Mikrocontroller 50 empfängt Steuersignale von der Steuereinrichtung 44 und steuert den Wechselrichter 48 abhängig von in den Steuersignalen enthaltenen Steuerbefehlen an.
-
Die Steuereinrichtung 44 kann einen Ausfall der ersten Elektronikeinheit 26 bzw. der Statorwicklung 22 erkennen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung 44 beispielsweise elektrische Ströme erfassen, die über den Wechselrichter 28 und die Statorwicklung 22 fließen. Stellt die Steuereinrichtung 44 eine Abweichung der Messwerte für die Ströme von abgelegten Referenzwerten fest, so wird die Elektronikeinheit 26 bzw. die Statorwicklung 22 durch die Steuereinrichtung 44 als defekt interpretiert. In einem solchen Falle kann durch die Statorwicklung 22 kein magnetisches Feld erzeugt werden, und das Nullmoment zum Ausgleichen des Schleppmoments kann nicht bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 44 steuert dann im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs die zweite Elektronikeinheit 46 an, sodass das Schleppmoment der Synchronmaschine 14 trotz des Ausfalls der ersten Elektronikeinheit 26 kompensiert werden kann.
-
Es reicht aus, wenn mithilfe der zweiten Elektronikeinheit 46 und der zusätzlichen Wicklung 54 maximal lediglich ein solches magnetisches Feld erzeugt wird, bei welchem das Schleppmoment der Synchronmaschine 14 vollständig ausgeglichen werden kann. Dementsprechend können die zweite Elektronikeinheit 46 und die zusätzliche Wicklung 54 kleiner als die Elektronikeinheit 26 bzw. die Statorwicklung 22 ausgeführt sein. Sie können zum Betrieb mit Strömen einer geringeren Stromstärke bzw. zum Betrieb mit geringeren Leistungen als die Elektronikeinheit 26 und die Statorwicklung 22 ausgelegt sein.
-
In 2 ist die Antriebsvorrichtung 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Die in 2 gezeigte Antriebsvorrichtung 10 entspricht im Wesentlichen der Antriebsvorrichtung 10 gemäß 1. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede näher erläutert:
- Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 greift ein Gleichspannungswandler 56 die Batteriespannung UB am Knoten 36 ab und wandelt sie in eine Gleichspannung Uv um. Die Gleichspannung Uv liegt beispielsweise in einem Wertebereich von 12 V bis 100 V. Sie liegt zwischen einem Knoten 58 und einem weiteren Bezugspotential 60 an. Das Bezugspotential 60 kann ein vom Bezugspotential 38 verschiedenes elektrisches Potential sein.
-
Mit dem Gleichspannungswandler 56 ist ein zusätzlicher Energiespeicher 62 gekoppelt, nämlich eine weitere Fahrzeugbatterie oder aber ein Doppelschichtkondensator. Die Gleichspannung Uv liegt am Energiespeicher 62 an. Parallel zum Energiespeicher 62 kann auch zumindest ein elektrischer Verbraucher 64 geschaltet sein, etwa ein Hochleistungsverbraucher.
-
Die zweite Elektronikeinheit 46 greift nun - anstatt der Batteriespannung UB - die vom Gleichspannungswandler 56 bereitgestellte Gleichspannung Uv ab, nämlich am Knoten 58. Die zweite Elektronikeinheit 46 wird somit mit elektrischer Energie aus dem zusätzlichen Energiespeicher 62 versorgt.
-
Der Gleichspannungswandler 56 ist ein unidirektionaler Wandler und dient zum Übertragen der elektrischen Energie aus der Fahrzeugbatterie 32 bzw. dem Generator 40 hin zum zusätzlichen Energiespeicher 62. Gleichzeitig sperrt der Gleichspannungswandler 56 den Stromfluss vom Energiespeicher 62 hin zur Fahrzeugbatterie 32. Der Gleichspannungswandler 56 kann einen Tiefsetzsteller beinhalten, mittels welchem die Batteriespannung U B von beispielsweise 100 V bis 150 V in die geringere Gleichspannung Uv von beispielsweise 12 V bis 100 V herunter transformiert wird.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 kann die zweite Elektronikeinheit 46 somit auch dann mit elektrischer Energie versorgt werden, wenn die Fahrzeugbatterie 32 leer ist. Die zweite Elektronikeinheit 46 wird nämlich mit elektrischer Energie aus dem separaten Energiespeicher 62 versorgt.
