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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Antriebsaggregat.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für ein Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs zum sicheren Betreiben des Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Für das sichere Betreiben eines Kraftfahrzeuges ist es von hoher Relevanz, dass eine Traktion der Räder des Kraftfahrzeugs bezüglich einer Fahrbahn und deren Freiläufigkeit bei Fahrt stets gewährleistet sind. Es ist bekannt, dies über elektronische Regelsysteme zu sichern, wie beispielsweise im Rahmen eines Elektronischen Stabilitäts-Programms (ESP).
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Zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugs und zur Sicherstellung der Traktion zwischen Rädern des Kraftfahrzeugs und der Fahrbahn werden im Wesentlichen zwei Situationen des Kraftfahrzeugs unterschieden: ein Beschleunigen und ein Verzögern des Kraftfahrzeugs.
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Beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs muss die Traktion dann gewährleistet werden, wenn ein Zugbetrieb in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs vorliegt. Hierfür wird in bekannten Regelsystemen ein Traktionsregelsystem eingesetzt. Es sichert den Komfort und die Sicherheit des Kraftfahrzeugs indem es ein Durchdrehen der Räder gegenüber der Fahrbahn verhindert. Dies erfolgt dadurch, dass sobald ein Durchdrehen der Räder erkannt wird, ein Antriebs-Drehmoment verringert wird. Beispielsweise wird die Ist-Raddrehzahl der Räder oder des Antriebsstrangs ermittelt und mit einer Soll-Raddrehzahl verglichen. Ist die Ist-Raddrehzahl wesentlich größer als die Soll-Raddrehzahl, dann ist von durchdrehenden Rädern und damit einem instabilen Fahrverhalten auszugehen. In diesem Fall wird das von dem Antriebsaggregat abgegebene Drehmoment reduziert. Dies erfolgt derart, dass die Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Raddrehzahl reduziert oder vollständig kompensiert wird.
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Verfügbare Traktionsregelsysteme in Kraftfahrzeugen sind typischerweise auf die Ansteuerung von konventionellen Brennkraftmaschinen ausgelegt. Gleichzeitig werden verschiedene Antriebsstrangkonzepte, wie ein Frontantrieb, ein Heckantrieb und/oder ein Allradantrieb unterstützt. Auch werden verschiedene Ausgestaltungen der Antriebsstrangkonzepte mit Differenzialen und Differenzialsperren unterschiedlichster Ausgestaltungen unterstützt.
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Beim Verzögern des Kraftfahrzeugs muss die Traktion dann gewährleistet werden, wenn ein Schubbetrieb in dem Antriebsstrang vorliegt. Im Schubbetrieb wird das Drehmoment an den Antriebsrädern erzeugt und auf das Antriebsaggregat übertragen. Dieses erzeugt ein Schleppmoment, welches das Kraftfahrzeug bremst. Hierfür wird in bekannten Systemen eine Motorschleppmomentenregelung eingesetzt, die die Bremswirkung des Antriebsaggregats im Schubbetrieb bei Bedarf reduziert. Wird ein Blockieren der Räder erkannt, so wird das Schleppmoment verringert, um einen Freilauf der Räder wieder herzustellen. Beispielsweise wird die Ist-Raddrehzahl der Räder ermittelt und mittels des entsprechenden Regelsystems mit einer Soll-Raddrehzahl verglichen. Ist die Ist-Raddrehzahl geringer als die Soll-Raddrehzahl, dann ist von einem zu großen Bremsschlupf der Räder und damit einem instabilen Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs auszugehen. In diesem Fall wird das Schleppmoment des Antriebsaggregats soweit verringert, dass die Differenz zwischen der Ist- und Soll-Raddrehzahl verringert oder vollständig kompensiert wird.
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Auch hier werden durch verfügbare Motorschleppmomentenregelungen verschiedene Antriebsstrangkonzepte, wie die oben genannten, unterstützt.
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Derzeit verfügbare Traktionsregelsysteme und Motorschleppmomentenregelungen in Kraftfahrzeugen sind auf die Verwendung mit konventionellen Brennkraftmaschinen ausgelegt. Brennkraftmaschinen weisen aus regelungstechnischer Sicht eine relativ geringe Dynamik aufgrund ihrer Struktur auf. Insgesamt ergeben Signallaufzeiten zwischen externen Steuergeräten zu einem Motorsteuergerät, eine hohe Rotationsmasse der Brennkraftmaschine mit dem Antriebsstrang und mechanische Übertragungswege für die Stellelemente eine Wirkungstotzeit für Regelungseingriffe. Hieraus folgt, dass eine Änderung einer Antriebsstrangdrehzahl durch Änderung des Drehmoments der Brennkraftmaschine sehr lange im Vergleich zu einer Berechnungsdauer für eine digitale Regelung und deren Kommunikation benötigt. Aufgrund dieser relativ geringen Dynamik können Veränderungen durch wirtschaftliche Regelsysteme die auf dem Markt erhältlich sind mit der notwendigen Regelgüte realisiert werden. Dies kann beispielsweise mit einem Regeltakt von 10 ms erfolgen. Dieser Regeltakt entspricht in etwa üblichen Signallaufzeiten innerhalb der eingesetzten Bus-Systeme.
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Im Gegensatz zu Brennkraftmaschinen weisen elektrische Maschinen als Antriebsaggregate eine wesentlich höhere Dynamik auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Drehmomente der elektrischen Maschine wesentlich schneller gestellt und geändert werden können. Gleichzeitig weisen sie eine wesentlich geringere Rotationsmasse im Vergleich zu Brennkraftmaschinen auf, sodass Drehmomenten- und Drehzahländerungen schneller erfolgen können als bei Brennkraftmaschinen.
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Hieraus ergibt sich jedoch das Problem, dass die bekannte Motorschleppmomentenregelung und das bekannte Traktionsregelsystem nicht mehr die geforderte Regelgüte erreichen können, da die Signallaufzeiten in den Kommunikationspfaden und da Berechnungszeiten eines entsprechenden Reglers zu groß sind. Zudem kommt erschwerend hinzu, dass Kraftfahrzeuge mit einer elektrischen Maschine als Antriebsaggregat, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, einen sehr komplex aufgebauten Antriebsstrang besitzen können. Diese weisen eine Vielzahl an Sensoren, Berechnungseinheiten und steuerbaren Komponenten auf, die typischerweise als zusätzliche Kommunikationspartner in einem erweiterten Daten-Bussystem präsent sind. Somit führt die zusätzliche Kommunikation zwischen diesen Baugruppen zu einer erhöhten Signallaufzeit, die die Totzeit der Regelung weiter erhöht. Eine Verkürzung der Signallaufzeiten würde eine Beschleunigung der Kommunikationspfade voraussetzen, was insgesamt jedoch sehr unwirtschaftlich wäre und die Vorteile des Bus-Systems reduzieren würde.
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Ferner besteht bei Kraftfahrzeugen mit einer elektrischen Maschine als Antriebsaggregat die Möglichkeit des Rekuperationsbetriebs. Dieser Rekuperationsbetrieb entspricht insoweit dem Schubbetrieb, als dass die elektrische Maschine generatorisch betrieben wird und hierdurch ein Schleppmoment erzeugt. Das Schleppmoment wird entsprechend der oben beschriebenen Motorschleppmomentenregelung begrenzt, um die Fahrstabilität zu gewährleisten. Aufgrund der hohen Dynamik wird zum Teil auch auf mögliche Rekuperationen verzichtet, um die Sicherheit des Kraftfahrzeugs gewährleisten zu können. Somit werden Elektro- oder Hybridfahrzeuge nicht so energieeffizient genutzt, wie dies möglich wäre. Hieraus folgt, dass die Höhe der zurückgewinnbaren Energie sinkt und sich dadurch die Reichweite der Kraftfahrzeuge reduziert. Bei Hybridfahrzeugen wird zudem der Verbrauch an fossilen Brennstoffen für die Brennkraftmaschine erhöht.
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US 5,758,014 beschreibt ein Traktionsregelsystem für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine. Es wird vorgeschlagen, ein Drehmoment der elektrischen Maschine dann zu reduzieren, wenn Antriebsräder die Traktion verlieren und gegenüber der Fahrbahn durchdrehen. Eine präventive Regelungsmaßnahme wird somit von diesem Dokument nicht berührt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einen sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs mit hochdynamischen Antriebsaggregaten gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:
- – Erfassen eines Soll-Drehmoments für das Antriebsaggregat,
- – Ermitteln einer Ist-Drehzahländerung des Antriebsaggregats, und
- – Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung.
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Weiter wird diese Aufgabe durch eine Steuervorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dazu ausgebildet ist, ein Soll-Drehmoment für das Antriebsaggregat zu erfassen, eine Ist-Drehzahländerung des Antriebsaggregats zu ermitteln, und das Soll-Drehmoment in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung zu adaptieren.
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Die Erfindung basiert somit auf der Idee, eine Drehmomenten- und Drehzahldynamik des Antriebsaggregats zu regeln. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Drehzahldynamik präventiv begrenzt wird. Durch das Adaptieren des Soll-Drehmoments wird die Drehzahl des Antriebsaggregats im Betrieb beeinflusst. Hierdurch wird erreicht, dass die hohe Drehzahldynamik des Antriebsaggregats auf ein regelungstechnisch sehr gut beherrschbares Maß reduziert werden kann. Bei dem präventiven Begrenzen der Drehzahldynamik wird insbesondere erreicht, dass einem Traktionsverlust der Antriebsräder sowohl beim Beschleunigen als auch beim Bremsen vorgebeugt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Es ergibt sich der Vorteil, dass das Fahrzeug insgesamt präventiv stabilisiert werden kann, wodurch eine Fahrstabilität gewährleistet wird.
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Das Soll-Drehmoment kann von einem Fahrer und/oder mindestens einer Steuereinheit vorgegeben werden, die auf die Längsdynamik des Fahrzeugs wirken. Derartige Steuereinheiten können beispielsweise eine Adaptive Cruise Control (ACC), ein Notbremsassistent, ein Bordcomputer, eine Rekuperationsfunktion, ein Traktionsregelsystem, eine Motorschleppmomentenregelung und/oder ein Tempomat bilden. Ferner ist es denkbar, dass das Soll-Drehmoment alternativ oder zusätzlich von mindestens einer Steuereinheit vorgegeben wird, die auf die Querdynamik des Fahrzeugs wirkt. Eine derartige Steuereinheit kann bspw. ein Torque Vectoring (TV) bereitstellen. Werden gleichzeitig mehrere Soll-Drehmomente vorgegeben, wird vorzugsweise durch einen Fahrzeugführungsrechner ein gemeinsames Soll-Drehmoment ermittelt, welches dann adaptiert werden kann.
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Das Ermitteln der Ist-Drehzahländerung erfolgt vorzugsweise durch Erfassen der Ist-Raddrehzahl oder durch Bestimmen einer Drehzahl des Antriebsaggregats. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ist-Raddrehzahl eines der Antriebsräder erfasst wird. Die Ist-Raddrehzahl kann direkt an einem Rad des Kraftfahrzeugs oder an einer geeigneten Stelle innerhalb des Antriebsstranges des Kraftfahrzeugs mittels entsprechender Sensoren erfasst werden.
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Das Adaptieren des Soll-Drehmoments erfolgt vorzugsweise derart, dass das Soll-Drehmoment dann betragsmäßig verkleinert wird, wenn die Ist-Drehzahländerung einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt. Der vordefinierte Schwellenwert kann ein gespeicherter, fester Schwellenwert sein. Denkbar ist auch ein variabler Schwellenwert. Dieser wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl des Antriebsaggregats ermittelt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Soll-Drehmoment zum Adaptieren in einem Zugbetrieb des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs durch ein maximales Soll-Drehmoment begrenzt wird. Übersteigt das Soll-Drehmoment das maximale Soll-Drehmoment, so wird das Soll-Drehmoment auf das maximale Soll-Drehmoment reduziert. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Soll-Drehmoment zum Adaptieren in einem Schubbetrieb des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs auf ein minimales Soll-Drehmoment angehoben wird. Ist das Soll-Drehmoment geringer als das minimale Soll-Drehmoment, so wird das Soll-Drehmoment mindestens auf den Wert des minimalen Soll-Drehmoments angehoben. Das maximale und das minimale Soll-Drehmoment entsprechen vorzugsweise den entsprechenden Schwellenwerten.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, dass bereits bestehende Systemarchitekturen weiterverwendet werden können. Die Adaption des Soll-Drehmoments kann beispielsweise durch einen Regelkreis erfolgen, der direkt auf das Antriebsaggregat oder dessen Leistungssteuerung wirkt. Somit kann das Soll-Drehmoment unabhängig von weiteren Regelsystemen des Kraftfahrzeugs sehr schnell und sicher adaptiert werden. Hieraus folgt, dass bereits bestehende Kraftfahrzeuge sehr einfach mit der Erfindung nachgerüstet werden können.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Adaptieren des Soll-Drehmoments in direkter Weise erfolgen kann, so dass nur geringe Anforderungen an Kommunikationspfade innerhalb der Bordelektronik gegeben sind. Hieraus folgt, dass Signallaufzeiten innerhalb von Kommunikationspfaden nicht zusätzlich belastet werden. Ferner folgt hieraus, dass ein Regeltakt für bereits bestehende Regelsysteme nicht verändert werden muss.
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Auch ergibt sich der Vorteil, dass bestehende Komponenten einer Bordelektronik konstruktiv unverändert bleiben können. So können bereits bestehende Schnittstellenkonzepte weiterverwendet werden, was einen wirtschaftlichen Vorteil darstellt. Ferner können bestehende Sicherheitskonzepte für Traktionskontrollen innerhalb des Kraftfahrzeugs beibehalten werden.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung somit einen sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs, indem unerwünschte Drehzahländerungen des Antriebsaggregats zumindest bei Bedarf angepasst werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird als das Antriebsaggregat eine elektrische Maschine verwendet.
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In dieser Ausgestaltung weist das Kraftfahrzeug mindestens eine elektrische Maschine als Antriebsaggregat auf. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug mit einem Antriebsaggregat sein, das das Kraftfahrzeug nur elektrisch antreibt. Alternativ kann das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug sein, wobei dann die elektrische Maschine mit einer Brennkraftmaschine zusammenwirkt.
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Ein Vorteil hierbei ist es, dass die elektrische Maschine durch das Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung sehr gut beherrschbar wird. Elektrische Maschinen weisen im Vergleich zu Brennkraftmaschinen einen sehr schnellen Drehmomentenaufbau auf. Zudem besitzen sie im Freilauf eine sehr hohe Dynamik in der Drehzahl. Diese hohe Dynamik der Drehzahl liegt im Wesentlichen auch bei geringer Last und bei einem hohen Schlupf der Antriebsräder vor. Dies ist auf das grundlegende Konzept der elektrischen Maschine sowie auf die relativ geringe Rotationsmasse zurückzuführen. Die Adaption des Soll-Drehmoments, und vorzugsweise damit die Begrenzung der Drehzahländerungen der elektrischen Maschine, führen dazu, dass eine Traktionskontrolle sehr sicher und einfach durchgeführt werden kann. Insbesondere die Begrenzung der Dynamik lässt eine Regelung mit relativ hoher Regeltotzeit zu, da sehr schnelle Reaktionszeiten und kurze Signallaufzeiten nicht notwendig sind. In anderen Worten, die elektrische Maschine wird in Ihrem Stellverhalten "träger" als physikalisch möglich, sodass bekannte Regelungskonzepte für die elektrische Maschine verwendet werden können.
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Zudem ergibt sich durch das Adaptieren der Vorteil, dass Rekuperationen häufiger eingesetzt werden können, wodurch das gesamte Kraftfahrzeug energieökonomischer arbeitet. Es können nunmehr Rekuperationen eingesetzt werden, die bisher aus Gründen der Sicherheit präventiv nicht durchgeführt worden sind. Somit wird ein elektrischer Verbrauch der elektrischen Maschine verringert und die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht. Alternativ ergibt sich daraus auch die Möglichkeit, eine kleinere Batterie einzusetzen.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Soll-Drehmoment mittels eines Invertersteuergeräts für die elektrische Maschine adaptiert.
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In dieser Ausgestaltung wird die elektrische Maschine mittels eines Invertersteuergeräts angesteuert. Das Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung erfolgt innerhalb des Invertersteuergeräts. Hieraus ergibt sich ein innerer Regelkreis, welcher gegenüber äußeren Regelkreisen dominiert. Ferner ergibt sich hieraus der Vorteil, dass das Adaptieren des Soll-Drehmoments antriebsaggregatsnah durchgeführt wird und somit ein sehr schneller Eingriff auf das Soll-Drehmoment und damit auf das ausgegebene Drehmoment des Antriebsaggregats erfolgt. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzlichen Kommunikationsstrukturen geschaffen werden müssen, da das Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung unmittelbar in bereits bestehende Fahrzeugkonzepte integriert werden kann.
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Die Ist-Drehzahländerung wird innerhalb des Invertersteuergeräts vorzugsweise direkt in Abhängigkeit intern vorhandener Informationen über die Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt. Somit ergibt sich der Vorteil, dass hier ein besonders kurzer und schneller Kommunikationspfad bereitgestellt ist. Die intern vorhandenen Informationen können beispielsweise anhand einer Rotorlage oder eines internen Drehzahlsensors der elektrischen Maschine bestimmt werden.
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Zudem ergibt sich der Vorteil, dass ein Regeltakt innerhalb des Invertersteuergeräts und eine Ansteuerung von dem Invertersteuergerät auf die elektrische Maschine bereits auf eine korrekte Ansteuerung der elektrischen Maschine ausgelegt sind. Beispielsweise sind Phasenansteuerungen gemäß einer Rotorlage in Abhängigkeit der Bauart der elektrischen Maschine, wie Synchronmotor, Asynchronmotor möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren die zusätzlichen Schritte auf:
- – Bestimmen eines Schlupfes zwischen einem Rad des Kraftfahrzeugs und einer Fahrbahn, und
- – Anpassen des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit des Schlupfes, derart, dass dem Schlupf entgegengewirkt wird.
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In dieser Ausgestaltung wird zusätzlich zu dem Adaptieren des Soll-Drehmoments ein Anpassen des Solldrehmoments vorgenommen, um dem Schlupf zwischen dem Rad und der Fahrbahn entgegenzuwirken. Dies erfolgt vorzugsweise als ein äußerer Regelkreis, wobei das Adaptieren des Soll-Drehmoments dann gegenüber dem Anpassen des Soll-Drehmoments dominiert.
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Der Schlupf wird vorzugsweise dadurch bestimmt, dass zunächst eine Ist-Raddrehzahl ermittelt wird. Die Ist-Raddrehzahl wird dann mit einer Soll-Raddrehzahl verglichen. Der Schlupf liegt dann vor, wenn eine Differenz zwischen Ist- und Soll-Raddrehzahl einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt. Im Zuge dieser Anmeldung wird unter einem Schlupf insbesondere ein unerwünscht großer Schlupf zwischen Antriebsrad und Fahrbahn verstanden, der eine Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs beeinflusst, beispielsweise ein Blockieren oder ein Durchdrehen der Antriebsräder. Es wird darunter jedoch nicht bereits der unvermeidliche Radschlupf verstanden, welcher bei einem Normalbetrieb stets zwischen Rad und Fahrbahn vorliegen muss.
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Das Soll-Drehmoment wird bei Vorliegen eines Schlupfes vorzugsweise betragsmäßig verringert. Dies bedeutet in einem Zugbetrieb des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, dass das Soll-Drehmoment mit einem positiven Vorzeichen reduziert wird. In einem Schubbetrieb weist das Soll-Drehmoment typischerweise ein negatives Vorzeichen auf, in diesem Fall wird auch das Soll-Drehmoment betragsmäßig verringert, was bedeutet, dass das Soll-Drehmoment erhöht wird. Wie stark die Anpassung des Soll-Drehmoments ist, kann abhängig von dem Betrag des Schlupfes sein, der zwischen dem Rad und der Fahrbahn vorliegt. In anderen Worten, je größer der Schlupf ist, umso stärker wird das Soll-Drehmoment verändert.
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Der Vorteil hierbei ist, dass insgesamt eine sehr gute Stabilisierung des Kraftfahrzeugs erreicht wird. Zur Bestimmung des Schlupfes kann ein herkömmliches ESP-System eingesetzt werden.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Adaption des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung wird erreicht, dass bereits bestehende ESP-Systeme ausreichend schnell auf hochdynamische Antriebsaggregate einwirken können, so dass der sichere Betrieb des Kraftfahrzeugs mit bekannten Stabilisierungssystemen gewährleistet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Adaption des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung bereits präventiv Sicherheit schafft, sodass die Zahl notwendiger Eingriffe von ESP-Systemen verringert wird. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass, wenn ein herkömmliches ESP-System eingreifen muss, ein für das ESP-System beherrschbarer Zustand vorliegt.
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In einer Ausgestaltung wird in einem Zugbetrieb des Antriebsaggregats eine Traktionsregelung eingesetzt, die als Schlupf einen Antriebsschlupf bestimmt und das Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des Antriebsschlupfes anpasst.
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In dieser Ausgestaltung weist das Kraftfahrzeug eine Traktionsregelung auf. Diese bestimmt den Schlupf und passt das Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des Schlupfes an. Die Traktionsreglung ist dazu ausgelegt, dass eine Traktion der Räder des Kraftfahrzeugs bei einem Beschleunigen des Kraftfahrzeugs gewährleistet ist. Das Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung führt im Zugbetrieb dazu, dass ein Beschleunigen der Drehzahl des Antriebsaggregats begrenzt wird. Hierdurch wird der Möglichkeit des Traktionsverlusts im Zugbetrieb vorgebeugt. Die Traktionsregelung kann dann, wenn ein Traktionsverlust eintritt, diesen sehr einfach kompensieren. Insgesamt ergibt sich ein verbessertes Anfahrverhalten des Kraftfahrzeugs mit erhöhter Sicherheit.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird in einem Schubbetrieb des Antriebsaggregats eine Motorschleppmomentenregelung eingesetzt, die als Schlupf einen Bremsschlupf bestimmt und das Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des Bremsschlupfes anpasst.
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In dieser Ausgestaltung weist das Kraftfahrzeug eine Motorschleppmomentenregelung auf. Diese bestimmt den Schlupf und passt das Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des Schlupfes an. Diese Motorschleppmomentenregelung greift insbesondere dann ein, wenn ein Traktionsverlust der Räder des Kraftfahrzeugs im Schubbetrieb des Antriebsaggregats bzw. des Antriebsstranges erfolgt. Das Adaptieren des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung führt im Schubbetrieb dazu, dass ein Blockieren der Räder des Kraftfahrzeugs verhindert wird. Hierdurch wird der Möglichkeit des Traktionsverlusts im Schubbetrieb vorgebeugt. Die Motorschleppmomentenregelung kann dann, wenn dennoch ein Traktionsverlust eintritt, diesen sehr einfach kompensieren. Insgesamt ergibt sich ein verbessertes Verzögerungsverhalten des Kraftfahrzeugs mit erhöhter Sicherheit. In anderen Worten, blockieren die Räder des Kraftfahrzeugs während eine Motorbremsung eingesetzt wird, dann verringert die Motorschleppmomentenregelung das Schleppmoment des Antriebsaggregats, so dass ein Freilauf der Räder gewährleistet ist. Somit wird ein sicherer und fahrstabiler Betrieb des Kraftfahrzeugs im Schubbetrieb des Antriebsstrangs gewährleistet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl die Traktionsregelung als auch die Motorschleppmomentenregelung innerhalb des Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Da sich die Zustände Zugbetrieb und Schubbetrieb zeitlich zueinander ausschließen, ist es möglich, sowohl die Traktionsregelung als auch die Motorschleppmomentenregelung parallel zueinander einzusetzen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Adaptieren des Soll-Drehmoments mittels einer Regelung in Abhängigkeit einer Soll-Drehzahländerung.
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In dieser Ausgestaltung wird das Soll-Drehmoment des Antriebsaggregats geregelt. Dies erfolgt vorzugsweise in dem inneren Regelkreis, der innerhalb weiterer Regelsysteme angeordnet ist. Die Soll-Drehzahländerung des Antriebsaggregats wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Spezifikationen des jeweiligen Kraftfahrzeugs bestimmt. Sie kann beispielsweise in Abhängigkeit einer maximalen Beschleunigung des Kraftfahrzeugs bestimmt werden. Hieraus ergibt sich der Vorteil einer Stellgrößenbeschränkung, die die Stellgrößen innerhalb des physikalischen Wertebereichs des Antriebsaggregats und innerhalb physikalisch sinnvoller Grenzen für das Kraftfahrzeug begrenzt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Regelung des Soll-Drehmoments nur dann erfolgt, wenn die Ist-Drehzahländerung die Soll-Drehzahländerung betragsmäßig überschreitet. Ist die Ist-Drehzahländerung (zumindest betragsmäßig) kleiner als die Soll-Drehzahländerung, erfolgt vorzugsweise kein Eingriff. Somit bleibt die hohe Drehmomenten-Dynamik des Antriebsaggregats – im Rahmen ihrer Möglichkeiten – für den Betrieb des Kraftfahrzeugs erhalten, wobei gleichzeitig die Fahrstabilität und damit die Sicherheit des Kraftfahrzeugs gewährleistet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird die Soll-Drehzahländerung in Abhängigkeit einer Ist-Drehzahl des Antriebsaggregats und in Abhängigkeit von vordefinierten Referenzwerten bestimmt.
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In dieser Ausgestaltung ist die Soll-Drehzahländerung selbst eine dynamische Größe. Die vordefinierten Referenzwerte können beispielsweise als Kennlinie vorliegen, die Werte für die Soll-Drehzahländerung in Abhängigkeit einer aktuellen Drehzahl des Antriebsaggregats beschreiben. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, eine Dynamik des Antriebsaggregats nach Bedarf sehr exakt zu modellieren. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Dynamik des Antriebsaggregats einer bekannten Brennkraftmaschine modelliert wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass bekannte Traktionsregelungen und Motorschleppmomentenregelungen, die bereits für die bekannte Brennkraftmaschine ausgelegt sind, auch für das jeweilige Antriebsaggregat eingesetzt werden können. Somit ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil durch eine Wiederverwendbarkeit bekannter Technologien.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Antriebsaggregat eine elektrische Maschine ist, die in einem Hybridfahrzeug eingesetzt wird. Dann kann die elektrische Maschine an eine Dynamik der entsprechenden Brennkraftmaschine angepasst werden, wodurch beide Antriebsaggregate innerhalb des Hybridkraftfahrzeugs auf gleiche Weise geregelt werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug auf einer Fahrbahn in schematischer Darstellung;
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2 zeigt ein erstes Blockdiagramm einer Steuerung einer elektrischen Maschine;
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3 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerung eines Hybridantriebs; und
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4 zeigt ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, das in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kraftfahrzeug 10 weist eine Bordelektronik 12 auf, die ein Soll-Drehmoment über einen Signalpfad 14 an ein Invertersteuergerät 16 weiterleitet. Das Invertersteuergerät 16 steuert über einen Steuerpfad 18 eine elektrische Maschine 20 in Abhängigkeit des Soll-Drehmoments an. Die elektrische Maschine 20 erzeugt ein Antriebs-Drehmoment, welches über einen Antriebsstrang 22 an ein Antriebsrad 24 weitergeleitet wird. Das Antriebs-Drehmoment wirkt dann auf das Antriebsrad 24, welches mit einer Fahrbahn 26 zusammenwirkt und so das Kraftfahrzeug 10 antreibt. Zudem ist ein Signalpfad 28 vorgesehen, der eine Ist-Drehzahl des Antriebsaggregats innerhalb des Antriebsstrangs 22 erfasst und an das Invertersteuergerät 16 weiterleitet. In alternativen Ausgestaltungen ist es vorgesehen, dass als Ist-Drehzahl direkt eine Drehzahl innerhalb des Invertersteuergeräts 16 ermittelt wird. Innerhalb des Invertersteuergeräts 16 wird in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl eine Ist-Drehzahländerung ermittelt. Anschließend wird das über den Signalpfad 14 empfangene Soll-Drehmoment in Abhängigkeit der Ist-Drehzahländerung adaptiert. Hierzu wird das Soll-Drehmoment mittels der Ist-Drehzahländerung und einer Soll-Drehzahländerung geregelt. Insgesamt ergibt sich somit eine Begrenzung der Drehzahländerung für die elektrische Maschine 20. Aufgrund dessen wird eine Drehzahldynamik der elektrischen Maschine 20 verringert und somit ein sicherer und traktionsverbesserter Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 gewährleistet.
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2 zeigt ein erstes Blockdiagramm des Elektrofahrzeugs 10, die das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlichen. Über einen Signalpfad 32 wird einem Elektronischen Stabilitäts-Programm 34 eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt. Das Elektronische Stabilitäts-Programm 34 ermittelt einen Schlupf des Antriebsrads 24 und definiert in Abhängigkeit des Schlupfes eine Soll-Drehmomentengrenze für das Antriebsaggregat 20, die über einen Pfeil 36 an einen Fahrzeugführungsrechner 38 weitergegeben wird. Wird ein Antriebsschlupf detektiert, so definiert das Elektronische Stabilitäts-Programm 34 ein maximales Soll-Drehmoment. Wird ein Bremsschlupf detektiert, so definiert das Elektronische Stabilitäts-Programm 34 ein minimales Soll-Drehmoment. Der Fahrzeugführungsrechner 38 erhält zudem ein Soll-Drehmoment von einem Fahrer über einen Pfeil 39. Über Pfeil 39 können zudem weitere Soll-Drehmomente vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise durch zusätzliche Steuereinrichtungen wie eine Adaptive Cruise Control, einen Notbremsassistent, einen Bordcomputer, eine Rekuperationsfunktion, ein Traktionsregelsystem, eine Motorschleppmomentenregelung, einen Tempomaten und/oder eine Torque-Vectoring-Funktion erfolgen. Der Fahrzeugführungsrechner 38 bildet dann aus dieser Vielzahl an Soll-Drehmomenten ein gemeinsames angepasstes Soll-Drehmoment, das insgesamt über den Pfeil 14 an das Invertersteuergerät 16 weitergeleitet wird. Liegt der Bremsschlupf vor, dann wird das Soll-Drehmoment aus Pfeil 39 zum Anpassen auf das minimale Soll-Drehmoment angehoben. Liegt der Antriebsschlupf vor, dann wird das Soll-Drehmoment aus Pfeil 39 zum Anpassen auf das maximale Soll-Drehmoment reduziert. Das elektronische Stabilitätsprogramm 36 bildet somit zusammen mit dem Fahrzeugführungsrechner 38 eine Traktionsregelung für einen Zugbetrieb, und eine Motorschleppmomentenregelung für einen Schubbetrieb des Antriebsstrangs 22.
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Wie bereits oben ausgeführt ermittelt das Invertersteuergerät 16 ein adaptiertes Soll-Drehmoment in Abhängigkeit des angepassten Soll-Drehmoments aus dem Pfad 14 und der Ist-Drehzahl aus dem Pfeil 28 bzw. der entsprechenden Ist-Drehzahländerung. Dies erfolgt durch die entsprechende Regelung mittels der Soll-Drehzahländerung.
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Alternativ oder zusätzlich ist eine Begrenzung des angepassten Soll-Drehmoments auf ein maximales Soll-Drehmoment denkbar, wenn eine zu starke Anhebung der Ist-Drehzahl detektiert wird. Wird ein zu starker Abfall der Ist-Drehzahl detektiert, dann wird das angepasste Soll-Drehmoment auf ein minimales Soll-Drehmoment angehoben, um das adaptierte Soll-Drehmoment zu erhalten.
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In dem hier dargestellten Fall wird die Ist-Drehzahl direkt als Drehzahl des Antriebsaggregats in dem Invertersteuergerät 16 ermittelt. Dieses zweite adaptierte Soll-Drehmoment wird über den Pfeil 18 an die elektrische Maschine 20 weitergeleitet. Anschließend wird das Antriebs-Drehmoment von der elektrischen Maschine 20 erzeugt, das über den Antriebsstrang 22 in Wechselwirkung mit der Umwelt 42 steht. Unter dem Begriff Umwelt 42 wird hier ein physikalisches System bestehend aus Antriebsrad 24 und Fahrbahn 26 mit seinen physikalischen Wechselwirkungen verstanden.
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Aus diesen Wechselwirkungen mit der Umwelt 42 ergibt sich eine konkrete Ist-Raddrehzahl, welche erfasst und über einen Pfeil 44 an das elektronische Stabilisierungsprogramm 34 zurückgeleitet wird. Somit ergibt sich ein innerer Regelkreis 46 bestehend aus dem Invertersteuergerät 16 als Stellglied, der elektrischen Maschine 20 als Regelstrecke und dem Pfeil 28 als Rückführung. Zusätzlich ergibt sich ein äußerer Regelkreis 48, der den inneren Regelkreis 46 einschließt. Der äußere Regelkreis 48 wird durch die Rückführung 44 definiert.
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3 zeigt ein weiteres Blockdiagramm basierend auf dem Blockdiagramm aus 2 für ein Hybridkraftfahrzeug. Gleiche Komponenten wie in 2 sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Unterschied zu 2 wird von dem Fahrzeugführungsrechner 38 ein weiteres, zweites Soll-Drehmoment über einen Pfeil 50 an ein konventionelles Motorsteuergerät 52 weitergeleitet. Dieses steuert in entsprechender Weise über einen Pfeil 54 eine Brennkraftmaschine 56 an. In dem dargestellten Fall erzeugen die elektrische Maschine 20 und die Brennkraftmaschine 56 parallel jeweils ein Antriebs-Drehmoment. Das von der Brennkraftmaschine 56 erzeugte Antriebs-Drehmoment wird über einen zweiten Antriebsstrang 58 weitergeleitet. Der Antriebsstrang 22' basiert auf dem Antriebsstrang 22 der 2, wobei hier das Antriebs-Drehmoment der Brennkraftmaschine 56 mit dem Antriebs-Drehmoment der elektrischen Maschine 20 zusammengeführt und an die Umwelt 42 weitergeleitet wird.
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In dem hier dargestellten Fall wird die elektrische Maschine 20 wie in 2 in ihrer Ist-Drehzahländerung begrenzt. Dies erfolgt durch das Adaptieren des Soll-Drehmoments für die elektrische Maschine 20. Die Brennkraftmaschine 56 wird auf herkömmliche Weise betrieben. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass auch – oder nur – die Brennkraftmaschine 56 in ihrer Ist-Drehzahländerung begrenzt wird.
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4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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In einem ersten Schritt 60 wird ein Soll-Drehmoment für die elektrische Maschine 20 erfasst. Dies kann beispielsweise von einer Fahrervorgabe oder einem Steuergerät erfasst werden. Dieses Soll-Drehmoment wird an einen weiteren Schritt 62 weitergeleitet.
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Parallel zum Erfassen des Soll-Drehmoments im Schritt 60 erfolgt ein Erfassen einer Ist-Raddrehzahl in einem Schritt 64. Die so erfasste Ist-Raddrehzahl, die Ist-Raddrehzahl mindestens eines der Antriebsräder, wird an einen Schritt 66 weitergeleitet.
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Im Schritt 66 wird ein aktueller Schlupf des entsprechenden Rades bestimmt. Der Schlupf ergibt sich aus einem Vergleich der erfassten Ist-Raddrehzahl mit einer vordefinierten Soll-Raddrehzahl. Die Soll-Raddrehzahl wird aus einer Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden. Alternativ ergibt sich die Möglichkeit, einen Schlupf dadurch zu ermitteln, dass eine sprunghafte Drehzahländerung der Raddrehzahl erkannt wird. Dieser Sprung kann dann vorliegen, wenn ein zu hoher Schlupf vorliegt. Unter dem Schlupf kann zum einen ein Antriebsschlupf oder ein Bremsschlupf verstanden werden. In Abhängigkeit des Schlupfes wird eine Grenze für das Soll-Drehmoment bestimmt. Wird ein Antriebsschlupf ermittelt, dann wird ein maximales Soll-Drehmoment ermittelt. Wird ein Bremsschlupf detektiert, dann wird ein minimales Soll-Drehmoment ermittelt.
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Die so erfassten Grenzen für das Soll-Drehmoment aus dem Schritt 66 werden dann dem Schritt 62 zugeführt.
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In Schritt 62 erfolgt ein Anpassen des Soll-Drehmoments in Abhängigkeit der Grenzen des Soll-Drehmoments. Dabei wird das Soll-Drehmoment betragsmäßig verringert. Insgesamt ergibt sich, wenn ein Antriebsschlupf vorliegt, dass das Antriebs-Drehmoment verringert wird. Liegt ein Bremsschlupf vor, so wird das Motorschleppmoment betragsmäßig verringert. Liegt kein oder kein ausreichend großer Schlupf vor, so erfolgt gerade keine Anpassung in Abhängigkeit des jeweiligen Schlupfes.
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Das angepasste Soll-Drehmoment wird an einen weiteren Schritt 68 weitergeleitet. Zudem wird in einem Schritt 70 eine Ist-Drehzahländerung des Antriebsaggregats 20 ermittelt. Dies erfolgt dadurch, dass die Ist-Drehzahl des Antriebsaggregats erfasst und eine Differenz mit vorhergehend erfassten Ist-Drehzahlen des Antriebsaggregats gebildet wird. Alternativ ist es möglich, dass die Ist-Drehzahländerung bzw. der Ist-Drehzahlgradient durch Differenzieren bestimmt wird. Die so ermittelte Ist-Drehzahländerung wird dann dem Schritt 68 zugeführt.
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In Schritt 68 wird das Soll-Drehmoment adaptiert, wenn eine zu hohe bzw. zu starke Ist-Drehzahländerung erkannt wird. Steigt die Drehzahl schneller an, als dies bei einem normalen Betrieb möglich ist, dann ist davon auszugehen, dass ein Antriebsschlupf vorliegt. Die Begrenzung der Ist-Drehzahländerungen durch die Adaption des Soll-Drehmoments führt dazu, dass ein sofortiger Eingriff auf die Ist-Raddrehzahl erfolgt. Fällt die Drehzahl des Antriebsaggregats schneller ab als dies in dem normalen Betrieb möglich ist, dann ist von einem Bremsschlupf auszugehen. In diesem Fall wird das Soll-Drehmoment vorzugsweise erhöht, d.h. das Schleppmoment des Antriebsaggregats verringert.
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Das so adaptierte Soll-Drehmoment wird anschließend an einen Ausgabeschritt 72 weitergeleitet, wo es der elektrischen Maschine 20 zugeführt wird, die dann das entsprechende Antriebs-Drehmoment erzeugen kann.
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Insbesondere ergibt sich somit eine Begrenzung der Drehzahländerungen in einem Antriebsaggregat. Diese präventive Maßnahme erfolgt vorzugsweise innerhalb des inneren Regelkreises, der, regelungstechnisch gesehen, sehr nahe an dem Antriebsaggregat ist. Somit wird stabilitätskritischen Traktionsverlusten vorgebeugt und bestehende Traktionsregelsysteme und Fahrstabilitätsprogramme unterstützt. Insgesamt wird somit ein sicherer Betrieb des Kraftfahrzeugs verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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