DE102016014732A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1), umfassend zumindest eine Vorderachse (VA) mit zumindest einem elektrischen Vorderradantrieb (2) und eine Hinterachse (HA) mit zumindest einem elektrischen Hinterradantrieb (3), wobei der elektrische Vorderradantrieb (2) und der elektrische Hinterradantrieb (3) jeweils einen Elektromotor (4) und ein Getriebe (5) mit mindestens einer konstanten Übersetzungsstufe (6, 7) aufweisen, wobei die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe (6, 7) des elektrischen Vorderradantriebs (2) so gewählt ist, dass in einem ersten Geschwindigkeitsbereich eine Drehzahl des Elektromotors (4) des elektrischen Vorderradantriebs (2) im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt, wobei die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe (6, 7) des elektrischen Hinterradantriebs (3) so gewählt ist, dass in einem zweiten Geschwindigkeitsbereich, der vom ersten Geschwindigkeitsbereich verschieden ist, eine Drehzahl des Elektromotors (4) des elektrischen Hinterradantriebs (3) im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Vorderradantrieb und zumindest einem elektrischen Hinterradantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs.
  • Aus der DE 37 25 520 A1 ist ein Straßenfahrzeug bekannt, dessen zwei Antriebsachsen jeweils einen elektrischen Tandemmotor mit zwei Rotoren als Antriebsquelle aufweisen.
  • Die DE 41 33 050 A1 ordnet jedem Antriebsrad einen eigenen Elektromotor zu.
  • Die DE 43 20911 A1 betrifft ein nichtspurgebundenes Fahrzeug, das zwei Antriebsachsen mit jeweils zwei Antriebsrädern aufweist und bei dem die Antriebsräder elektromotorisch angetrieben sind. Es wird vorgeschlagen, dass ein elektrischer Tandemmotor mit zwei Rotoren als Antriebsquelle vorgesehen ist und dass die beiden Rotoren jeweils über eine Wellenverbindung mit dem Achsdifferentialgetriebe einer der beiden Antriebsachsen verbunden sind. Über die beiden Rotoren können unterschiedliche Drehzahlen, Drehmomente und Antriebsleistungen abgegeben werden.
  • Die WO 2007/113131 A1 und DE 102006 016 035 A1 betreffen ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs mit einem Dieselmotor und zwei Elektromotoren, wobei der Hybridantrieb wahlweise im seriellen oder im parallelen Modus betrieben wird. Es ist vorgesehen, dass bei niedrigem Leistungsbedarf ein Betrieb im seriellen Modus erfolgt, wobei der Dieselmotor mit homogener Dieselverbrennung betrieben wird, und dass bei höherem Leistungsbedarf ein Betrieb im parallelen Modus erfolgt, wobei der Dieselmotor mit konventioneller Dieselverbrennung betrieben wird und beim Übergang zwischen dem seriellen Modus und dem parallelen Modus mindestens einer der Elektromotoren durch Energieentnahme aus einem elektrischen Speicher das Fahrzeug temporär antreibt oder mitantreibt.
  • Die WO 91/15378 A1 und DE 40 11 291 A1 betreffen ein nichtschienengebundenes Fahrzeug mit mindestens zwei Antriebs-Elektromotoren, von denen der eine zum Antrieb eines Antriebsrads auf der linken Fahrzeugseite und der andere zum Antrieb eines Antriebsrads auf der rechten Fahrzeugseite vorgesehen ist, wobei jedem der beiden Elektromotoren eine eigene Motorsteuerung zum Vorgeben der momentanen Soll-Leistung und/oder der momentanen Soll-Drehzahl des betreffenden Elektromotors zugeordnet ist; wobei eine mit den Motorsteuerungen verbundene, übergeordnete Zentralsteuerung vorgesehen ist, welche die beiden Elektromotoren über die Motorsteuerungen im Sinne einer Antriebsschlupfverhinderung und/oder einer Bremsblockierverhinderung und/oder eines fahrdynamisch günstigen Rechts/Links-Antriebsunterschieds steuert, wobei die Zentralsteuerung und/oder die Motorsteuerungen Informationen über die momentane elektrische Ist-Leistung und/oder die momentane IstDrehzahl der beiden Elektromotoren berücksichtigen. Dabei ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der Antriebsmotoren der Vorderräder anders angesteuert werden, als Antriebsmotoren der Hinterräder.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrischen Wirkungsgrad in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, umfassend zumindest einen elektrischen Vorderradantrieb und zumindest einen elektrischen Hinterradantrieb, zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein Kraftfahrzeug zumindest eine Vorderachse mit zumindest einem elektrischen Vorderradantrieb und eine Hinterachse mit zumindest einem elektrischen Hinterradantrieb, wobei der elektrische Vorderradantrieb und der elektrische Hinterradantrieb jeweils einen Elektromotor und ein Getriebe mit mindestens einer konstanten Übersetzungsstufe aufweisen. Die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe des elektrischen Vorderradantriebs ist so gewählt, dass in einem ersten Geschwindigkeitsbereich eine Drehzahl des Elektromotors des elektrischen Vorderradantriebs im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt, wobei die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe des elektrischen Hinterradantriebs so gewählt ist, dass in einem zweiten Geschwindigkeitsbereich, der vom ersten Geschwindigkeitsbereich verschieden ist, eine Drehzahl des Elektromotors des elektrischen Hinterradantriebs im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt.
  • Im Stand der Technik ist bekannt, die Getriebeauslegung für beide elektrische Antriebe auf den meistgenutzten Geschwindigkeitsbereich zu optimieren.
  • Um dem Fahrbetrieb in zwei verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen, beispielsweise Stadtfahrbetrieb und Überlandfahrt, gerecht zu werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Getriebeübersetzung für einen der elektrische Antriebe einer der Achsen auf einen der Geschwindigkeitsbereiche auszulegen und die Getriebeübersetzung des anderen elektrischen Antriebs der anderen Achse auf den anderen der Geschwindigkeitsbereiche auszulegen.
  • Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen, bei dem beim Fahren des Kraftfahrzeugs im ersten Geschwindigkeitsbereich ausschließlich oder überwiegend der elektrische Vorderradantrieb zum Antrieb und/oder Rekuperationsbetrieb verwendet wird und der elektrische Hinterradantrieb nur bei Anforderung von Drehmomenten oberhalb einer festgelegten Schwelle zugeschaltet wird, wobei beim Fahren des Kraftfahrzeugs im zweiten Geschwindigkeitsbereich ausschließlich oder überwiegend der elektrische Hinterradantrieb zum Antrieb und/oder Rekuperationsbetrieb verwendet wird und der elektrische Vorderradantrieb nur bei Anforderung von Drehmomenten oberhalb einer festgelegten Schwelle zugeschaltet wird. Der jeweils andere elektrische Antrieb kann durch entsprechende Kupplungen von seiner jeweiligen Achse getrennt oder elektrisch abgeschaltet werden.
  • Die Betriebsstrategie berücksichtigt die optimalen Übersetzungsbereiche derart, dass in einem der Geschwindigkeitsbereiche fast ausschließlich mit dem Elektromotor des elektrischen Vorderradantriebs gefahren wird und der Elektromotor des elektrischen Hinterradantriebs nur bei Anforderungen großer Drehmomente als Boost genutzt wird. Entsprechend wird im anderen Geschwindigkeitsbereich fast ausschließlich mit dem Elektromotor des elektrischen Hinterradantriebs gefahren und der Elektromotor des elektrischen Vorderradantriebs nur bei Anforderungen großer Drehmomente als Boost genutzt.
  • Der optimale Wirkungsgrad eines Elektromotors ist auf einen bestimmten Drehzahlbereich begrenzt. Bei je einem Elektromotor für den elektrischen Vorderradantrieb und den elektrischen Hinterradantrieb werden die Getriebeübersetzungen so gewählt, dass sich in zwei verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen immer einer der Elektromotoren in einem optimalen Drehzahlbereich befindet. Damit kann im Teillastbereich eine Verbrauchsreduzierung erreicht werden. Des Weiteren können störende drehzahlabhängige Heul-Geräusche im Antrieb durch entsprechende Lastverteilung vermieden werden.
  • Auf diese Weise kann ein Energieverbrauch reduziert und ein verbessertes NVH-Verhalten (noise, vibration, harshness) erreicht und störende Heulgeräusche verringert oder vermieden werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Vorderradantrieb und einem elektrischen Hinterradantrieb, und
    • 2 eine schematische Ansicht eines elektrischen Fahrantriebs.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 1 mit einem elektrischen Vorderradantrieb 2 an einer Vorderachse VA und einem elektrischen Hinterradantrieb 3 an einer Hinterachse HA. Auf diese Weise wird ein Allradantrieb realisiert. Der elektrische Vorderradantrieb 2 und der elektrische Hinterradantrieb 3 weisen jeweils einen Elektromotor 4 auf, der ein Antriebsmoment erzeugt, das über ein Getriebe 5 mit zumindest einer konstanten Übersetzungsstufe an ein Differenzial (nicht dargestellt) geleitet wird. Eine Trennkupplung ist nicht erforderlich, kann aber vorgesehen sein. Eine Drehzahl der Elektromotoren 4 ist somit immer linear zu einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 1.
  • Der optimale Wirkungsgrad eines Elektromotors 4 ist auf einen bestimmten Drehzahlbereich begrenzt. Bei je einem Elektromotor 4 für den elektrischen Vorderradantrieb 2 und den elektrischen Hinterradantrieb 3 werden die Getriebeübersetzungen so gewählt, dass sich in zwei verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen G1, G2 immer einer der Elektromotoren 4 in einem optimalen Drehzahlbereich befindet. Damit kann im Teillastbereich eine Verbrauchsreduzierung erreicht werden. Des Weiteren können störende drehzahlabhängige Heul-Geräusche im Antrieb durch entsprechende Lastverteilung vermieden werden.
  • Insbesondere können die unterschiedlichen Getriebeübersetzungen für den elektrischen Vorderradantrieb 2 und den elektrischen Hinterradantrieb 3 so gewählt werden, dass jeweils einer der Elektromotoren 4 in den meist genutzten Geschwindigkeitsbereichen G1, G2 seinen optimalen Wirkungsgrad hat (beispielsweise Stadtbetrieb, insbesondere bis etwa 80 km/h; Überlandbetrieb, insbesondere über 80 km/h).
  • Auf diese Weise kann ein Energieverbrauch reduziert und ein verbessertes NVH-Verhalten (noise, vibration, harshness) erreicht und störende Heulgeräusche verringert oder vermieden werden.
  • Anstatt die Übersetzungen der Elektromotoren 4 identisch zu wählen und damit einen Kompromiss zwischen optimalen Geschwindigkeitsbereichen G1, G2 zu suchen, wird die Getriebeübersetzung eines der Elektromotoren 4 optimal für einen ersten Geschwindigkeitsbereich G1 und die Getriebeübersetzung eines zweiten der Elektromotoren 4 optimal für den zweiten Geschwindigkeitsbereich G2 gewählt.
  • Die Betriebsstrategie berücksichtigt nun die optimalen Übersetzungsbereiche derart, dass im ersten Geschwindigkeitsbereich G1 fast ausschließlich mit dem Elektromotor 4 des elektrischen Vorderradantriebs 2 gefahren wird und der Elektromotor 4 des elektrischen Hinterradantriebs 3 nur bei Anforderungen großer Drehmomente als Boost genutzt wird. Entsprechend wird im zweiten Geschwindigkeitsbereich G2 fast ausschließlich mit dem Elektromotor 4 des elektrischen Hinterradantriebs 3 gefahren und der Elektromotor 4 des elektrischen Vorderradantriebs 2 nur bei Anforderungen großer Drehmomente als Boost genutzt.
  • Die Abschaltung der Elektromotoren 4 kann durch entsprechende Kupplungen (nicht dargestellt) erfolgen oder es erfolgt nur eine elektrische Zu-und Abschaltung des nicht permanent genutzten Elektromotors 4.
  • Die möglichen Getriebeübersetzungen können sich beispielsweise für einen der elektrischen Antriebe, das heißt den elektrischen Vorderradantrieb 2 oder den elektrischen Hinterradantrieb 3, von drei bis zwölf und für den anderen dieser beiden elektrischen Antriebe 2, 3 von sechs bis neunzehn bewegen.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich für den Einsatz von Elektromotoren 4 in Form sowohl permanent-magnetischer (PM) Maschinen als auch von Asynchronmaschinen. Anstatt je eines Elektromotors 4 für den elektrischen Vorderradantrieb 2 und den elektrischen Hinterradantrieb 3 können für den elektrischen Vorderradantrieb 2 und/oder den elektrischen Hinterradantrieb 3 auch je zwei Elektromotoren 4 eingesetzt werden, also insgesamt drei oder vier Elektromotoren 4. Bei Einsatz von zwei Elektromotoren 4 an einer der Achsen VA, HA werden diese mit der gleichen Übersetzung auf der jeweiligen Achse VA, HA, aber mit unterschiedlichen Übersetzungen an Vorderachse VA und Hinterachse HA ausgeführt. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektromotoren 4 kann das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs 1 in Kurven optimiert werden (torque vectoring).
  • Die Getriebeübersetzungen an den beiden Achsen VA, HA werden so gewählt, dass sowohl für einen Zugbetrieb als auch für einen Schubbetrieb oder Rekuperationsbetrieb die optimalen Drehzahlen in den jeweiligen Geschwindigkeitsbereichen G1, G2 zur Verfügung stehen.
  • Die unterschiedliche Wahl der Getriebeübersetzungen an Vorderachse VA und Hinterachse HA kann auch der Unterdrückung von Schwebungsphänomenen dienen.
  • Für die Wahl der Getriebeübersetzung sind folgende weitere Faktoren zu berücksichtigen: SOC-Bereiche (state of Charge) und damit Leistungsbereiche des elektrischen Antriebs 2, 3, Steigungsprofile, Temperaturprofile und typische Reibwerte eines Fahrbahnbelags.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrischen Fahrantriebs 2, 3 mit einem Elektromotor 4, einer ersten konstanten Übersetzungsstufe 6, einer zweiten konstanten Übersetzungsstufe 7, einem Differentialgetriebe 8 und zwei Antriebswellen 9.
  • Die Anpassung der Getriebeübersetzung erfolgt durch entsprechende Anpassung der Anzahl von Getriebezähnen einer oder beider der konstanten Übersetzungen. Varianten sind auch möglich mit nur einer konstanten Getriebestufe oder mehr als zwei konstanten Übersetzungsstufen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    2
    elektrischer Vorderradantrieb
    3
    elektrischer Hinterradantrieb
    4
    Elektromotor
    5
    Getriebe
    6
    erste konstante Übersetzungsstufe
    7
    zweite konstante Übersetzungsstufe
    8
    Differentialgetriebe
    9
    Antriebswelle
    HA
    Hinterachse
    VA
    Vorderachse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3725520 A1 [0002]
    • DE 4133050 A1 [0003]
    • DE 4320911 A1 [0004]
    • WO 2007/113131 A1 [0005]
    • DE 102006016035 A1 [0005]
    • WO 9115378 A1 [0006]
    • DE 4011291 A1 [0006]

Claims (5)

  1. Kraftfahrzeug (1), umfassend zumindest eine Vorderachse (VA) mit zumindest einem elektrischen Vorderradantrieb (2) und eine Hinterachse (HA) mit zumindest einem elektrischen Hinterradantrieb (3), wobei der elektrische Vorderradantrieb (2) und der elektrische Hinterradantrieb (3) jeweils einen Elektromotor (4) und ein Getriebe (5) mit mindestens einer konstanten Übersetzungsstufe (6, 7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe (6, 7) des elektrischen Vorderradantriebs (2) so gewählt ist, dass in einem ersten Geschwindigkeitsbereich eine Drehzahl des Elektromotors (4) des elektrischen Vorderradantriebs (2) im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt, wobei die mindestens eine konstante Übersetzungsstufe (6, 7) des elektrischen Hinterradantriebs (3) so gewählt ist, dass in einem zweiten Geschwindigkeitsbereich, der vom ersten Geschwindigkeitsbereich verschieden ist, eine Drehzahl des Elektromotors (4) des elektrischen Hinterradantriebs (3) im Bereich eines optimalen Wirkungsgrads liegt.
  2. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Geschwindigkeitsbereiche von 0 bis 80 km/h reicht und dass der andere der Geschwindigkeitsbereiche über 80 km/h liegt.
  3. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) eines der elektrischen Antriebe (2, 3) eine Übersetzung im Bereich von drei bis zwölf aufweist und dass das Getriebe (5) des anderen der elektrischen Antriebe (2, 3) eine Übersetzung im Bereich von sechs bis neunzehn aufweist.
  4. Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der elektrischen Antriebe (2, 3) separat elektrisch abschaltbar ist und/oder eine Kupplung zum Trennen von der jeweiligen Achse aufweist.
  5. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fahren des Kraftfahrzeugs (1) im ersten Geschwindigkeitsbereich ausschließlich oder überwiegend der elektrische Vorderradantrieb (2) zum Antrieb und/oder Rekuperationsbetrieb verwendet wird und der elektrische Hinterradantrieb (3) nur bei Anforderung von Drehmomenten oberhalb einer festgelegten Schwelle zugeschaltet wird, und dass beim Fahren des Kraftfahrzeugs (1) im zweiten Geschwindigkeitsbereich ausschließlich oder überwiegend der elektrische Hinterradantrieb (3) zum Antrieb und/oder Rekuperationsbetrieb verwendet wird und der elektrische Vorderradantrieb (2) nur bei Anforderung von Drehmomenten oberhalb einer festgelegten Schwelle zugeschaltet wird.
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