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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine mechanisch gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug.
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Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf Antriebsanordnungen für Kraftfahrzeuge. Eine solche Antriebsanordnung kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Die Antriebsanordnung kann beispielsweise eine erste und eine zweite elektrische Maschine aufweisen, die einer gemeinsamen Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind. Weiterhin sind Antriebsanordnungen bekannt, die vier elektrische Maschinen aufweisen. Dabei sind jeweils zwei elektrische Maschinen einer gemeinsamen Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet.
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Zur Erfüllung der funktionalen Sicherheit beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ist es notwendig, bei der Antriebsanordnung beziehungsweise bei dem elektrischen Antrieb einen sicheren Zustand zu haben. Dieser sichere Zustand sollte der drehmomentfreie Betrieb der Antriebsanordnung sein. Dies bedeutet, dass bei einem Fehlerfall einer der elektrischen Maschinen der drehmomentfreie Betrieb der Antriebsanordnung gewährleistet sein muss. Ein Fehlerfall der elektrischen Maschine liegt beispielsweise vor, wenn die elektrische Maschine ein Drehmoment bereitstellt, das von einem Soll-Drehmoment abweicht. Um den sicheren Zustand zu erreichen, kann bei einem Fehlerfall die elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und einer Energieversorgungseinrichtung, die beispielsweise durch eine Batterie gebildet ist, durchgeführt werden.
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Wenn die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgebildet ist, wird der sichere Zustand normalerweise durch eine Pulssperre im antreibenden Umrichter erreicht. Bei permanenterregten Synchronmaschinen ist eine Pulssperre üblicherweise nicht ausreichend, um einen drehmomentfreien Betrieb zu erreichen. Der Grund hierfür ist, dass die erzeugte elektromotorische Kraft in Verbindung mit einem im Zwischenkreis vorhandenen Energiespeicher zu einer unkontrollierten Rückspeisung in den Energiespeicher und damit zu einem ungewünschten Bremsmoment führen kann. Um dies zu vermeiden, wird bei permanenterregten Synchronmaschinen üblicherweise der aktive Kurzschluss angewendet. Dieser erfordert allerdings einigen Aufwand in der Entwicklung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug zuverlässiger betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebsanordnung, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, wobei die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine mechanisch gekoppelt sind. Darüber hinaus umfasst die Antriebsanordnung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines von der ersten elektrischen Maschine bereitgestellten Drehmoments. Zudem umfasst die Antriebsanordnung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der zweiten elektrischen Maschine, falls das mit der Erfassungseinrichtung erfasste Drehmoment eine Drehmomentabweichung zu einem vorbestimmten Sollwert aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die zweite elektrische Maschine derart anzusteuern, dass diese die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Drehmomentabweichung ausgleicht.
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Die Antriebsanordnung umfasst zumindest zwei elektrische Maschinen, die beispielsweise einer gemeinsamen Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein können. Die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine dienen jeweils zum Bereitstellen eines Drehmoments. Die Antriebsanordnung kann für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug verwendet werden und dient zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Die erste und die zweite elektrische Maschine sind mechanisch miteinander verbunden. Insbesondere kann die Welle der ersten elektrischen Maschine drehfest mit der Welle der zweiten elektrischen Maschine verbunden sein. Die Antriebsanordnung umfasst zudem eine Erfassungseinrichtung, mit der das Drehmoment, das mit der ersten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, und das Drehmoment, das mit der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, erfasst werden kann. Darüber hinaus umfasst die Antriebsanordnung eine übergeordnete Steuereinrichtung, welche das Drehmoment, das mit der ersten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, mit einem Sollwert vergleichen kann.
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Falls die Steuereinrichtung eine Drehmomentabweichung des von der ersten elektrischen Maschine bereitgestellten Drehmoments bezüglich eines vorbestimmten Sollwerts feststellt, kann mit der Steuereinrichtung ein entsprechendes Steuersignal ausgegeben werden. Mit diesem Steuersignal kann die zweite elektrische Maschine angesteuert werden. Dabei wird die zweite elektrische Maschine derart angesteuert, dass sie die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Drehmomentabweichung ausgleicht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein fehlerhaftes Drehmoment, das mit der ersten elektrischen Maschine durch ein Gegenmoment, das mit der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, kompensiert werden kann. Infolge der mechanischen Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine kann also durch eine entsprechende Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine das fehlerhafte Drehmoment der ersten elektrischen Maschine kompensiert werden. Somit kann die Antriebsanordnung auch im Fehlerfall besonders zuverlässig betrieben werden.
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In einer Ausführungsform ist bzw. sind die erste elektrische Maschine und/oder die zweite elektrische Maschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Die permanenterregte elektrische Maschine weist einen Rotor auf, der eine Mehrzahl von Permanentmagneten umfasst. Des Weiteren weist die permanenterregte Synchronmaschine einen Stator mit entsprechenden Statorspulen auf, die über einen Umrichter mit einer Wechselspannung betrieben werden können. Die permanenterregten Synchronmaschinen eignen sich insbesondere, um eine belastungsunabhängige, stabile Drehzahl bereitzustellen. Somit kann die Antriebsanordnung besonders zuverlässig betrieben werden.
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Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen Umrichter der ersten elektrischen Maschine in Pulssperre zu betreiben, falls das von der ersten elektrischen Maschine bereitgestellte Drehmoment eine Abweichung zu dem vorbestimmten Sollwert aufweist. Mit anderen Worten wird bei einem fehlerhaften Betrieb der ersten elektrischen Maschine der Umrichter der ersten elektrischen Maschine in Pulssperre betrieben. Um ein etwaiges Bremsmoment der ersten elektrischen Maschine, das sich infolge der erzeugten elektromotorischen Kraft und einer Rückspeisung in den Energiespeicher bewirkt wird, zu vermeiden, kann dieses Bremsmoment durch ein entgegengesetzt gerichtetes Drehmoment der zweiten elektrischen Maschine kompensiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine mittels eines Getriebes mechanisch verbunden. Somit kann eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen der Welle der ersten elektrischen Maschine und der Welle der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Wenn die zweite elektrische Maschine im Fehlerfall der ersten elektrischen Maschine entsprechend angesteuert wird, um die Drehmomentabweichung der ersten elektrischen Maschine auszugleichen, kann das von der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellte Drehmoment über das Getriebe an die erste elektrische Maschine übertragen werden. Somit kann das fehlerhafte Drehmoment der ersten elektrischen Maschine im Fehlerfall zuverlässig durch die zweite elektrische Maschine kompensiert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine über einen Zwischenkreis mit einem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden sind. Der elektrische Energiespeicher kann als Batterie und insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Dabei können die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine mit einer gemeinsamen Batterie versorgt werden. Alternativ dazu kann die erste elektrische Maschine mit einer ersten Batterie und die zweite elektrische Maschine mit einer zweiten Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Der Zwischenkreis dient dazu, die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln. Weiterhin kann der Zwischenkreis im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine dazu dienen, die von der elektrischen Maschine bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung, mit der der elektrische Energiespeicher geladen werden kann, zu wandeln.
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In einer Ausführungsform wird die zweite elektrische Maschine in einem ersten vorbestimmten Antriebsmodus der Antriebsanordnung derart angesteuert, dass eine Summe der Drehmomente, die von der ersten und der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt werden, einen vorbestimmten Wert annimmt. Im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs kann die Antriebsanordnung insbesondere derart betrieben werden, dass die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine das gleiche Drehmoment bereitstellen. Wenn beispielsweise die erste elektrische Maschine einen Fehlerfall aufweist, kann das Drehmoment, das mit der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, derart angepasst werden, dass die Summe der Drehmomente der beiden elektrischen Maschinen einen vorbestimmten Wert erreicht. So kann beispielsweise die Summe eines Bremsmoments, das im Fehlerfall von der ersten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, und einem antreibenden Drehmoment, das von der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt wird, einen vorbestimmten Wert annimmt. Auf diese Weise kann das Kraftfahrzeug zuverlässig angetrieben werden. Zudem kann beispielsweise erreicht werden, dass eine ungleichmäßige Drehmomentverteilung zwischen den Rädern einer Achse des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Somit kann die Sicherheit bei einer Kurvenfahrt und/oder bei der Fahrt auf einer nassen Fahrbahn erhöht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird die zweite elektrische Maschine in einem zweiten vorbestimmten Antriebsmodus der Antriebsanordnung derart angesteuert, dass eine Summe der Drehmomente, die von der ersten und der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt werden, den Wert Null annimmt. Der zweite Antriebsmodus der Antriebsanordnung wird insbesondere für den Fall vorgegeben, dass insgesamt kein Drehmoment von der Antriebsanordnung bereitgestellt werden soll. Ein derartiger Fall ist beispielsweise gegeben, wenn das Kraftfahrzeug, das mit der Antriebsanordnung angetrieben werden soll, an einer roten Ampel steht. Wenn in diesem Fall die erste elektrische Maschine ein Drehmoment bereitstellt, die zu einem Antreiben und somit zu einer Bewegung des Kraftfahrzeugs führt, kann mit der zweiten elektrischen Maschine ein entsprechendes Gegenmoment aufgebracht werden, sodass sich insgesamt für die Summe der Drehmomente der ersten und der zweiten elektrischen Maschine das Drehmoment mit dem Wert Null ergibt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Antriebsanordnung. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug kann zudem als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform sind die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine der Antriebsanordnung einer gemeinsamen Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine können beispielsweise der Hinterachse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein. Weiterhin ist es denkbar, dass die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine der Vorderachse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind. Dabei ist es auch denkbar, dass die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine an der Vorderachse angeordnet sind und an der Hinterachse eine dritte und eine vierte elektrische Maschine angeordnet sind, die analog zu der ersten und der zweiten elektrischen Maschine betrieben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Antriebsanordnung eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, die mechanisch gekoppelt sind, aufweist, umfasst das Erfassen eines von der ersten elektrischen Maschine bereitgestellten Drehmoments mittels einer Erfassungseinrichtung und das Ansteuern der zweiten elektrischen Maschine, falls das mit der Erfassungseinrichtung erfasste Drehmoment eine Drehmomentabweichung zu einem vorbestimmten Sollwert aufweist mittels einer Steuereinrichtung, wobei die zweite elektrische Maschine mittels der Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass diese die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte Drehmomentabweichung ausgleicht.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Antriebsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 1 in einer Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 1 ist vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Antriebsanordnung 2. Die Antriebsanordnung 2 umfasst wiederum eine erste elektrische Maschine 3 und eine zweite elektrische Maschine 4. Die erste elektrische Maschine 3 und die zweite elektrische Maschine 4 sind vorliegend der Hinterachse 5 des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet. Mit der ersten elektrischen Maschine 3 und der zweiten elektrischen Maschine 4 können also die Hinterräder 6 und 7 des Kraftfahrzeugs 1 angetrieben werden.
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Die erste elektrische Maschine 3 und die zweite elektrische Maschine 4 sind mechanisch miteinander verbunden. Beispielsweise können die erste elektrische Maschine 3 und die zweite elektrische Maschine 4 über die Hinterräder 6 und 7 und deren Verbindung zu einer Straße mechanisch miteinander verbunden sein. Insbesondere sind die Wellen der elektrischen Maschinen 3, 4 drehfest miteinander verbunden. Beispielsweise kann die Welle der ersten elektrischen Maschine 3 über ein Getriebe mit der Welle der zweiten elektrischen Maschine 4 drehfest verbunden sein.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die erste elektrische Maschine 3 und die zweite elektrische Maschine 4 von einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 8 mit elektrischer Energie versorgt. Der elektrische Energiespeicher 8 kann beispielsweise als Batterie ausgebildet sein. Der elektrische Energiespeicher 8 ist elektrisch mit einem Zwischenkreis 9 verbunden. Der Zwischenkreis 9 dient dazu, die von dem elektrischen Energiespeicher 8 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln. Der Zwischenkreis 9 ist elektrisch mit einem ersten Umrichter 10 der ersten elektrischen Maschine 3 und mit einem zweiten Umrichter 11 der zweiten elektrischen Maschine 4 verbunden. Die erste elektrische Maschine 3 und die zweite elektrische Maschine 4 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als permanenterregte Synchronmaschinen ausgebildet. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass die erste elektrische Maschine 3 und/oder die zweite elektrische Maschine 4 als Asynchronmaschinen ausgebildet sind.
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Darüber hinaus umfasst die Antriebsanordnung 2 eine Erfassungseinrichtung 12. Die Erfassungseinrichtung 12 umfasst vorliegend zwei Sensoren 13, die dazu ausgebildet sind, das Drehmoment, das mit der ersten elektrischen Maschine 3 bereitgestellt wird, und das Drehmoment, das mit der zweiten elektrischen Maschine 4 bereitgestellt wird, zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 12 ist mit einer übergeordneten Steuereinrichtung 14 zur Datenübertragung verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist dazu ausgelegt, das Drehmoment, das von der ersten elektrischen Maschine 3 bereitgestellt wird und/oder das Drehmoment, das von der zweiten elektrischen Maschine 4 bereitgestellt wird, mit einem vorbestimmten Sollwert, der beispielsweise in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung 14 hinterlegt ist, zu vergleichen. Die Steuereinrichtung 14 ist weiterhin dazu ausgebildet, ein entsprechendes Steuersignal an die Umrichter 10, 11 auszugeben.
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Wenn beispielsweise bei der ersten elektrischen Maschine 3 ein Fehlerfall vorliegt, wird mit der ersten elektrischen Maschine 3 ein von dem Sollwert verschiedenes Drehmoment bereitgestellt. Eine solche Drehmomentabweichung kann mit der Steuereinrichtung 3 durch den Vergleich des mittels der Erfassungseinrichtung 12 erfassten Drehmoments mit dem Sollwert für das Drehmoment erkannt werden. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise bei dem Wegfall der Betriebsspannung an der ersten elektrischen Maschine 3 vorliegen.
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Um einen insgesamt drehmomentfreien Betrieb erreichen zu können, kann von der Steuereinrichtung 14 ein Steuersignal an den ersten Umrichter 10 ausgegeben werden. Somit kann erreicht werden, dass die erste elektrische Maschine 3 in die Pulssperre geht. Weiterhin kann mit der Steuereinrichtung 14 ein entsprechendes Steuersignal an den zweiten Umrichter 11 der zweiten elektrischen Maschine 4 ausgegeben werden. Infolge des Steuersignals kann die zweite elektrische Maschine 4 derart angetrieben werden, dass das von ihr bereitgestellte Drehmoment das fehlerhafte Drehmoment der ersten elektrischen Maschine 3 kompensiert.
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So kann beispielsweise ein an der ersten elektrischen Maschine 3 auftretendes Drehmoment durch ein aktives Gegensteuern mittels der zweiten elektrischen Maschine 4 ausgeglichen werden. Das heißt, die elektrische Energie, die von der ersten elektrischen Maschine 3 bereitgestellt wird, wird nicht in dem elektrischen Energiespeicher 8 gespeichert, sondern wird zum Aufbau eines Gegenmoments mittels der zweiten elektrischen Maschine 4 verwendet. Die benötigte elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 8 ist deshalb nur derjenige Betrag, der wegen der Verluste in den elektrischen Maschinen 3, 4 ausgeglichen werden muss. Die Antriebsanordnung 2 und insbesondere die Steuereinrichtung können somit in dem Kraftfahrzeug 1 als Gesamtsystem für das gesamte Sicherheitskonzept dienen und damit den Aufwand für die Erreichung eines sicheren Zustands minimieren.
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Somit kann eine Antriebsanordnung 2, die mehrere elektrische Maschinen 3, 4 aufweist, zuverlässiger und sicherer betrieben werden. Ein Fehler, der bei einer der elektrischen Maschinen 3, 4 auftritt, kann mit der anderen elektrischen Maschine 3, 4 abgefangen werden. Somit kann die Entwicklung der Antriebsanordnung 2 vereinfacht werden, weil ein bestimmter Fehler nicht auf Einzelsystemebene abgefangen werden muss.
