DE102011087122A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstrangs in einem Elektrofahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug, wobei der Antriebstrang wenigstens zwei Antriebseinheiten aufweist und wobei wenigstens zwei Räder, welche auf unterschiedlichen Achsen des Elektrofahrzeuges angeordnet sind, über voneinander verschiedene dieser Antriebseinheiten antreibbar sind. In einem ersten Betriebsmodus wird das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unter Berücksichtigung des für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt. In einem zweiten Betriebsmodus wird das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unabhängig von dem für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstrangs in einem Elektrofahrzeug.
  • Zur Steigerung der Reichweite eines Elektrofahrzeuges ist es von besonderer Bedeutung, dass der Antriebsstrang möglicht effizient arbeitet. Bei einem herkömmlichen Antriebsstrang werden der Traktions- bzw. Elektromotor sowie das Getriebe so ausgelegt, dass sowohl Anforderungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Elektrofahrzeuges als auch Anforderungen hinsichtlich effizienter Energieausnutzung erfüllt werden.
  • Während die Performance-Kriterien (d.h. die Kriterien hinsichtlich Leistungsfähigkeit des Antriebsstranges) bei einem ausschließlich elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug hohe Drehmoment- und Leistungswerte erfordern, findet der typische Antriebszyklus eines Elektrofahrzeuges im Bereich niedrigen Drehmoments und geringer Drehzahl statt, da in typischen innerstädtischen Fahrzyklen sowie Homologations-Zyklen der Elektromotor in der Regel mit einem vergleichsweise niedrigen Leistungs- und Drehmomentprofil betrieben wird.
  • In diesem Niedriglastbereich weist jedoch ein herkömmlicher Elektromotor eine geringe Effizienz bzw. einen niedrigen Wirkungsgrad auf. Um höhere Wirkungsgrade des Antriebsstranges in einem typischen innerstädtischen Antriebszyklus sowie bei typischen Homologationszyklen zu erreichen, muss das Design des Elektromotors Nennwerte für Leistung und Drehmoment entsprechend dem jeweiligen Belastungszyklus aufweisen. Allerdings werden in diesem Falle die Performance-Kriterien nicht erfüllt, da diese Performance-Kriterien höhere Nennwerte für Drehmoment und Leistung erfordern.
  • Eine Auslegung des Elektromotors dahingehend, dass dieser den optimalen Betriebs- bzw. Arbeitspunkt im Homologationszyklus-Belastungspfad aufweist, führt somit zu einem geringeren Ausgangsdrehmoment bei hoher Motordrehzahl, was wiederum zur Folge hat, dass der Elektromotor nicht mehr dazu in der Lage ist, beim Anfahren an einer Steigung oder unter Szenarien mit hoher Drehzahl ein ausreichend hohes Drehmoment zu liefern.
  • Aus der JP 2005161961 A ist es u.a. bekannt, in einem Hybrid-Elektrofahrzeug mittels einer elektronischen Hybrid-Steuerungseinheit das auf die Hinterachse verteilte Drehmoment relativ zu dem auf die Hinterachse verteilten Drehmoment, insbesondere beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten im Betrieb der elektronischen Bremssteuerung, zu erhöhen, um weiterhin einen funktionierenden Allradantrieb zu gewährleisten.
  • Aus der US 2006/0151220 A1 ist ein Fahrzeug mit individuell elektrisch angetriebenen Rädern bekannt, wobei die Drehachsen der jeweils verwendeten rotierenden elektrischen Maschinen relativ zu denen der individuell elektrisch angetriebenen Räder versetzt sind, um eine Steigerung der Antriebsleistung ohne Vergrößerung der radialen oder axialen Länge der Maschinen zu erreichen.
  • Aus der US 6 549 840 B1 ist Fahrzeugsteuergerät zum Steuern eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb bekannt, mittels dessen eine Frontantriebskraft zum Antrieb des Paares von Vorderrädern und eine Heckantriebskraft zum Antrieb des Paares von Hinterrädern abhängig von einem statischen und einem dynamischen Zustand des Fahrzeugs so gesteuert werden, dass die Summe der Frontantriebskraft und der Heckantriebskraft gleich dem vom Fahrer gewünschten Wert der Antriebskraft des Fahrzeuges ist.
  • Es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug bereitzustellen, welches bzw. welche zum einen eine höhere Effizienz des Antriebsstranges in typischen Betriebszyklen ermöglichen und zum anderen auch erforderlichenfalls eine hohe Leistungsfähigkeit des Antriebsstranges gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Merkmal des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug weist der Antriebstrang wenigstens zwei Antriebseinheiten auf, wobei wenigstens zwei Räder, welche auf unterschiedlichen Achsen des Elektrofahrzeuges angeordnet sind, über voneinander verschiedene dieser Antriebseinheiten antreibbar sind.
  • Dabei wird in einem ersten Betriebsmodus das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unter Berücksichtigung des für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt. In einem zweiten Betriebsmodus wird das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unabhängig von dem für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt.
  • Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine Mehrzahl von Antriebseinheiten bereitzustellen und auf die jeweiligen Achsen zu verteilen. Dabei können diese Antriebseinheiten auf unterschiedliche Zielwerte der Last ausgelegt bzw. skaliert und kaskadenweise betrieben werden. Die erfindungsgemäße Verwendung einer Mehrzahl von Antriebseinheiten tritt somit an die Stelle eines herkömmlichen Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug, welcher durch einen Wechselrichter, einen elektrischen Traktionsmotor und ein Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis charakterisiert ist.
  • In Betriebszyklen mit einem Betrieb unter niedriger Leistung kann das Elektrofahrzeug mit einem maximalen Wirkungsgrad angetrieben werden, was eine Langstreckenfahrt bzw. eine Fahrt mit großer Reichweite ermöglicht. Im Falle einer Beschleunigung, beim Berganfahren oder beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit kann wenigstens eine Antriebseinheit an einer weiteren Fahrzeugachse aktiviert werden, was zu optimalen Performance-Eigenschaften führt.
  • Im Ergebnis kann mittels der erfindungsgemäßen neuartigen Antriebsstrangarchitektur in einem Elektrofahrzeug die Reichweite des Elektrofahrzeugs wesentlich gesteigert werden. In gleichem Maße kann das Ausmaß an erforderlicher Batteriekapazität reduziert werden. Dies hat einen wesentlich höheren Gebrauchsnutzen zur Folge, da mittels einer einzigen Aufladung eine größere Reichweite erzielt und die Betriebskosten gesenkt werden können.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstrangs in einem Elektrofahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen. Zu bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteilen der Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist der Antriebsstrang in einem Elektrofahrzeug wenigstens zwei Antriebseinheiten auf, welche auf unterschiedlichen Achsen des Elektrofahrzeuges angeordnet sind. Gemäß 1 wird in einem typischen Betriebsmodus des Elektrofahrzeuges, z.B. bei einer innerstädtischen Fahrt, für eine vorgegebene Drehmomentanforderung und für die jeweils geltende Drehzahl die Energieverbrauchs-Charakteristik beider Antriebseinheiten (in 1 als "Motor 1" und "Motor 2" bezeichnet) ermittelt. Die Verteilung des zu erzeugenden Drehmoments erfolgt in Abhängigkeit davon, welche der Antriebseinheiten für die jeweiligen Betriebsparameter den günstigeren Wirkungsgrad aufweist, so dass die Antriebseinheiten in ihrem jeweils optimalen Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Vorzugsweise sind die Antriebseinheiten derart ausgelegt, dass diese im nicht aktivierten Zustand vom Antriebsstrang abgekoppelt werden können. Dies kann beispielsweise durch Anbringung einer Kupplungsvorrichtung an der jeweiligen Antriebseinheit erfolgen, wobei die mechanische Verbindung mit der Radachse mittels dieser Kupplungseinrichtung gelöst werden kann, oder indem eine Asynchronmaschine (ASM, "asynchronous electric traction machine") oder eine separat aktivierte Synchronmaschine ("separately excited synchronous motor") ohne induziertes Schleppmoment verwendet werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, erfolgt zwecks Berücksichtigung unterschiedlicher Wirkungsgradcharakteristika der Antriebseinheiten eine Steuerung des Antriebsstranges derart, dass die Antriebseinheiten jeweils bei ihrem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden, indem die Drehmomentverteilung zwischen den Antriebseinheiten optimiert wird.
  • Die erfindungsgemäß verwendeten Antriebseinheiten können in Form von vier "Inwheel-Motoren" oder "Near-wheel-Motoren" realisiert werden. Des Weiteren können die Antriebseinheiten auch z.B. zwei "In-Wheel-Motoren" und einen Achsmotor oder auch zwei Achsmotoren aufweisen, von denen der eine auf der Vorderachse und der andere auf der Hinterachse angeordnet ist.
  • Die Traktionskraft wird über die Drehmomentverteilung zwischen den Antriebseinheiten auf der Vorderachse und der Hinterachse gesteuert. Der Drehmomentverteilungsalgorithmus kann die Antriebseinheiten auf der Vorderachse und der Hinterachse in ihrem jeweiligen optimalen Wirkungsgrad betreiben. Der Steuerungsalgorithmus identifiziert hierbei jeweils die effizienteste (d.h. die den größten Wirkungsgrad aufweisende) Antriebseinheit und verteilt dementsprechend das vom Fahrer angeforderte Drehmoment. Der Steuerungsalgorithmus kann die im Fahrzeug erzeugten Traktionskräfte sowohl in einem fest kalibrierten Verhältnis als auch entsprechend einer leistungsbasierten oder wirkungsgradbasierten Drehmomentverteilung erzeugen.
  • Jede einzelne Antriebseinheit kann hinsichtlich ihrer Nennwerte von Drehmoment und Leistung herunterskaliert bzw. schwächer betrieben werden, um den jeweils effizientesten Betriebspunkt im Homologations- oder innerstädtischen Fahrlastbereich zu geringeren Werten hin zu verschieben.
  • In einem auf optimale Performance bzw. optimale Leistungsfähigkeit ausgerichteten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Antriebsstranges sind sämtliche Antriebseinheiten aktiv, wobei durch die Antriebseinheiten das entsprechende Gesamtdrehmoment und die Gesamtleistung bereitgestellt werden, um die Performance-Anforderungen zu erfüllen.
  • Zusammenfassend werden gemäß der Erfindung mehrere Antriebseinheiten in einem Elektrofahrzeug bereitgestellt, so dass der Antriebsstrang im Vergleich zu einem herkömmlichen Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs, der für hohe Leistungen und hohes Drehmoment ausgelegt ist, einen verbesserten Wirkungsgrad bei typischen Niedriglastzyklen wie Homologations- und innerstädtischen Betriebszyklen aufweist. Hierbei können beim Betrieb mit hoher Performance bzw. Leistungsfähigkeit sämtliche Antriebseinheiten aktiviert sein bzw. das Elektrofahrzeug antreiben, um die geforderten hohen Werte für Leistung und Drehmoment bereitzustellen.
  • 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
    • JP 2005161961 A [0006]
    • US 2006/0151220 A1 [0007]
    • US 6549840 B1 [0008]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Steuern des Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug, wobei der Antriebstrang wenigstens zwei Antriebseinheiten aufweist und wobei wenigstens zwei Räder, welche auf unterschiedlichen Achsen des Elektrofahrzeuges angeordnet sind, über voneinander verschiedene dieser Antriebseinheiten antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unter Berücksichtigung des für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt wird; und in einem zweiten Betriebsmodus das Verhältnis der durch die Antriebseinheiten für eine vorgegebene Drehmoment-Anforderung jeweils bereitgestellten Drehmomente unabhängig von dem für die Antriebseinheiten unter den gegebenen Betriebsbedingungen jeweils geltenden Wirkungsgrades eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus diejenige Antriebseinheit ermittelt wird, welche unter den gegebenen Betriebsbedingungen den maximalen Wirkungsgrad aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus eine der Antriebseinheiten deaktiviert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die deaktivierte Antriebseinheit vom Antriebsstrang abkoppelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus die durch den Antriebsstrang insgesamt bereitgestellte Leistung maximiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsmodus während einer Beschleunigung, beim Berganfahren oder beim Fahren oberhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeit gewählt wird.
  7. Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstranges in einem Elektrofahrzeug, wobei der Antriebstrang wenigstens zwei Antriebseinheiten aufweist und wobei wenigstens zwei Räder, welche auf unterschiedlichen Achsen des Elektrofahrzeuges angeordnet sind, über voneinander verschiedene dieser Antriebseinheiten antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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