DE102020001795B3

DE102020001795B3 - Elektromotorischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020001795B3
Application number: DE102020001795.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: DE112020005857A5; WO2021104548A1

Abstract

Elektromotorischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor, und mit einer Kupplung und einem Automatikgetriebe, und mit einer Leistungselektronik mit einer Steuerelektronik, wobei ein Wirkungsgrad des elektromotorischen Antriebes im Straßenverkehr überwacht ist, und ein Wirkungsgrad pro Kilometer ermittelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Antrieb und deren Steuerung für ein Kraftfahrzeug, gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 2.
Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge sind in unterschiedlicher Auslegung und Wirkungsweise bekannt. Überwiegend kommen bei solchen Antrieben Elektromotoren mit einem PM bestückten Läufer zum Einsatz, oder es kommen Reluktanzmotoren, oder Asynchronmotoren zum Einsatz.
Um einen höheren Wirkungsgrad mit einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug zu erzielen, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, dieses über ein Getriebe zu erreichen.
WO 2012/072310 A1 beschreibt ein Elektrofahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs, wobei mindestens zwei Antriebssysteme mit mindestens zwei Elektromotoren und zwei Getriebe vorhanden sind, die sowohl einen Allradantrieb als auch einen Zweiradantrieb ermöglichen. Die zwei Antriebssysteme sind in ihrem Wirkungsgrad auf verschiedene Fahrsituationen und verschiedene Fahrgeschwindigkeitsbereiche angepasst. Die erste elektrische Antriebseinrichtung weist ein erstes Getriebe auf, welches eine Vielzahl von ersten Übersetzungen besitzt, und die zweite elektrische Antriebseinrichtung weist ein zweites Getriebe auf, welches eine Vielzahl von zweiten Übersetzungen besitzt, die von den ersten Übersetzungen abweichen.
Es wird angegeben, dass durch die Wahl unterschiedlicher Übersetzungen sich viele verschiedene Übersetzungskombinationen realisieren lassen, die jeweils in ihrem Wirkungsgrad auf die Fahrsituation, insbesondere die Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrzeugs abgestimmt werden können.
Die WO 2012/072310 A1 beinhaltet einen ersten elektrischen Antrieb mit einem ersten Getriebe, bei dem ein Elektromotor in einer niedrigen Drehzahl seinen maximalen Wirkungsgrad besitzt, und einen zweiten elektrischen Antrieb mit einem zweiten Getriebe, bei dem ein Elektromotor in einer hohen Drehzahl seinen maximalen Wirkungsgrad besitzt, so dass bei einer niedrigen Fahrgeschwindigkeit und bei einer hohen Fahrgeschwindigkeit ein Übersetzungsverhältnis gewählt werden kann, der effektiv ist, wobei es nicht eine Aufgabe dieser Schrift ist, eine Reichweite bei einer gleichen Energiemenge zu erhöhen.
Einen wirtschaftlichen Nutzen einer derartigen Auslegung ist gering in Bezug zu einem Kostenfaktor des Elektrofahrzeugs, und werden beide elektromotorische Antriebe gleichzeitig genutzt, wird eine Reichweite des Elektrofahrzeugs verkürzt.
DE 42 43 394 C2 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Elektrofahrzeuges. Als Antriebsmotor wird ein Asynchronmotor eingesetzt.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Elektrofahrzeuges zu schaffen, durch welche der Wirkungsgrad des Antriebes und damit auch eine Reichweite des Elektrofahrzeuges bei einmaliger Aufladung der Batterie vergrößert wird.
Die Schrift ist ausschließlich darauf abgefasst, dass ein maximaler Wirkungsgrad des Antriebsmotors erreicht wird.
Asynchronmotoren als auch Reluktanzmotoren haben die Nachteile, dass ein Wirkungsgrad solcher Motoren zu niedrig ist, und ein maximaler Wirkungsgrad liegt in einem kleinen Drehzahlbereich, somit ist ein hoher durchschnittlicher Wirkungsgrad während einer Fahrt zu erzielen stark eingeschränkt.
Asynchronmotoren und Reluktanzmotoren mit einem höheren Wirkungsgrad sind zu schwer für ein Pkw-Fahrzeug.
Bei Elektromotoren mit einem PM-bestückten Läufer bekannter Art sind die Nachteile ähnlich.
DE 10 2017 119 752 A1 beschreibt einen elektromotorischen Antriebsstrang mit einem Zweiganggetriebe, mit einer eingangsseitigen Doppelkupplung, die eine erste Kupplung und eine zweite Kupplung aufweist, wobei die erste Kupplung zum Koppeln und Entkoppeln einer ersten Eingangswelle mit einem Elektromotor eingerichtet ist und wobei die zweite Kupplung zum Koppeln und Entkoppeln einer zweiten Eingangswelle mit dem Elektromotor eingerichtet ist, wobei die erste Eingangswelle und die zweite Eingangswelle koaxial angeordnet sind.
DE 10 2011 017 260 A1 zeigt eine optimale Verzögerungsstrategie für ein Elektrofahrzeug, wobei ein Elektrofahrzeug auf einer Strecke von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite reduzierte Sollgeschwindigkeit verzögert werden soll. Die Bremsenergie soll dabei über einen Generator in eine Batterie zurückgespeist werden.
US 2015 / 0057856 A1 beschreibt den Betrieb eines Automatikgetriebes in einem Elektrofahrzeug.
DE 10 2018 119 503 A1 zeigt den Betrieb eines CVTs in einem elektromotorischen Antriebsstrang mit einem Getriebeabschnitt, wobei der Getriebeabschnitt mit dem Elektromotor getrieblich gekoppelt ist und wobei der Getriebeabschnitt mindestens eine erste Übersetzungsstufe aufweist, wobei die erste Übersetzungsstufe eine stufenlos einstellbare Übersetzung aufweist.
US 2015 / 0283920 A1 beschreibt eine Getriebesteuerung in einem Elektrofahrzeug.
EP 2 748 044 B1 und EP 2 314 486 A1 beschreiben jeweils ein Bremssystem für ein Elektrofahrzeug wobei abhängig von der Bremspedalstellung die Verzögerung des Fahrzeugs durch eine elektromotorische Bremse oder eine Reibungsbremse erfolgt.
Zum Stand der Technik sind viele Systeme für eine Kühlung einer elektrischen Maschine bekannt.
DE 10 2013 020 426 A1 beschreibt eine aktive Kühlung einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang eines Fahrzeugs.
Bisherige Lösungen und Verfahren für ein Elektrofahrzeug haben erhebliche Nachteile einer realistischen Energiespeicherung in Bezug zu einem Kosten-Nutzen-Verhältnis, wodurch eine Reichweite dieser Fahrzeuge nicht ausreichend ist. Außerdem ist im Fahrbetrieb ein durchschnittlicher Wirkungsgrad der Elektroantriebe und für gefahrene Kilometer zu gering.
Viele Patentschriften beschäftigen sich mit einem Getriebe, womit ein optimaler Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine dauerhaft erreicht werden soll, und womit eine Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöht werden soll.
Um dieses zu erreichen ist nicht ein optimales Übersetzungsverhältnis eines Getriebes ausschlaggebend, sondern ein Elektromotor, der bei einem hohen Wirkungsgrad hoch überlastbar ist und einen hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung aufweist.
Außerdem ist nicht ein optimales Übersetzungsverhältnis für einen maximalen Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine ausschlaggebend, sondern wieviel Energie für gefahrene Kilometer benötigt wird. Somit ist ein Energieverbrauch pro Kilometer von größter Bedeutung, um eine Reichweite eines Elektrofahrzeugs bei gleicher Energiemenge deutlich zu erhöhen.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, bei einer gleichen Energiemenge eine Reichweite eines Elektrofahrzeugs wesentlich zu erhöhen.
Hier setzt die Erfindung ein, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für ein Elektrofahrzeug zu schaffen, womit bei einer gleichen Energiemenge eine Reichweite eines Elektrofahrzeuges wesentlich erhöht werden kann, wobei während einer Fahrt ein Wirkungsgrad pro Kilometer zugrunde gelegt wird.
Diese Aufgabe wird durch Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Durch ein spezielles Verfahren und durch eine effektive Steuerung eines Elektromotors bestehen die Vorteile im Besonderen darin, daß einerseits eine Reichweite eines Elektrofahrzeugs bei einer gleichen Energiemenge deutlich erhöht ist, etwa bis zu 50%, und andererseits bei einer gleichen Reichweite eine Energiemenge wesentlich reduziert ist, und somit ein Kostenfaktor für ein Elektrofahrzeug deutlich reduziert ist. Dieses wird durch einen Wirkungsgrad erzielt, bei dem ein Verbrauch einer Energiemenge pro Kilometer zugrunde gelegt wird.
Ein Wirkungsgrad pro Kilometer wird per Software ermittelt.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass sich diese Software in eine jede aktuelle Technologie integrieren lässt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des elektromotorischen Antriebes für ein Elektrofahrzeug,
2 in axialer Draufsicht eine schematische Darstellung vom Ständer und vom Läufer eines Elektromotors,
3 eine Einrichtung zur Ermittlung einer Läuferstellung,
4 eine Schaltungsanordnung einer elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung von Wicklungssträngen eines Elektromotors
5 eine grafische Darstellung von einer Drehzahlspreizung in Bezug zum Wirkungsgrad des Elektromotors,
6 eine grafische Darstellung von einer Wirkungsweise des elektromotorischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug.

Bei einem Elektrofahrzeug wird eine Fahrgeschwindigkeit überwiegend über eine Drehzahl eines Elektromotors gesteuert, und bei einem Direktantrieb wird von einer Nulldrehzahl des Elektromotors das Fahrzeug aus dem Stand angefahren, wozu eine sehr hohe Energiemenge benötigt wird, und somit ein Wirkungsgrad in Bezug zu einer Fahrgeschwindigkeit gering ist.
Bei einer heutigen Verkehrsdichte ist es besonders erforderlich, dass ein Elektromotor eingesetzt wird, der bei einer niedrigen Drehzahl als auch bis hin zu einer hohen Drehzahl bei gleicher anliegender Nennlast einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein solcher Elektromotor sollte hoch überlastbar sein. Bei einer doppelten Nennlast sollte der Elektromotor noch mindestens einen Wirkungsgrad von 90 % aufweisen, wobei ein Eigengewicht eines solchen Elektromotors und des Energiespeichers so gering gehalten werden sollte wie es technisch möglich ist.
1 zeigt in einer schematischer Darstellung einen elektromotorischen Antrieb für ein Elektrofahrzeug.
Ein Elektromotor 1 ist mit einer Kupplung 2 verbunden. Diese Kupplung ist vorzugsweise eine Doppelkupplung, wobei die Kupplung mit einem Automatikgetriebe 3 verbunden ist. Dem Elektromotor 1 ist eine Leistungselektronik 4 zugeordnet und der Leistungselektronik und dem Elektromotor ist eine Steuerelektronik 5 zugeordnet, wobei die Steuerelektronik auch die Kupplung und das Automatikgetriebe steuert, und der Leistungselektronik 4 ist ein Energiespeicher 6 zugeordnet.
2 zeigt beispielsweise einen Elektromotor 1 in axialer Draufsicht in schematischer Darstellung vom Ständer und Läufer. Der Ständer beinhaltet bestückte Ständerzähne 30 und unbestückte Ständerzähne 31, wobei die unbestückten Ständerzähne jeweils einen Kühlungskanal 32 besitzen können, und durch diese Kühlungskanäle kann entweder gekühlte Luft fließen oder Kühlmittel durchfließen, wobei die Kühlungskanäle vorzugsweise mit einer Klimaautomatik-Anlage in Verbindung stehen beziehungsweise angeschlossen sind, und eine Wärmeentwicklung des Elektromotors im Winter zum Beheizen des Fahrzeugs mit genutzt werden kann.
Die unbestückten Ständerzähne 31 können auch jeweils ohne einen Kühlungskanal 32 ausgebildet sein, und der Elektromotor wird über ein Gehäuse des Elektromotors gekühlt, wobei ein Kühlungssystem des Gehäuses auch mit einer Klimaanlage in Verbindung steht und hieran angeschlossen ist.
Der Läufer des Elektromotors 1 beinhaltet Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete im Läufer angeordnet werden können, oder vorzugsweise am Läufer angeordnet sind, womit ein höherer Wirkungsgrad des Elektromotors erzielt werden kann.
Es kann auch ein Elektromotor mit einer aktuellen Technologie zum Einsatz kommen.
Um einen Elektromotor 1 effektiv mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung steuern zu können, ist dem Elektromotor eine Winkelerfassungseinrichtung zugeordnet.
Diese Einrichtung ermittelt eine Läuferstellung zum Ständer in Grad, und gibt diese Daten an einen Controller der Steuerelektronik, und die Einrichtung zur Ermittlung des Gradwinkels ist vorzugsweise ein dem Elektromotor und der Steuerelektronik zugeordneter Drehwinkelgeber 24.
In 3 ist eine solche Einrichtung schematisch dargestellt. Am Ende einer Welle 20 des Elektromotors 21 befindet sich ein Permanentmagnet 22 mit einer diametralen Magnetisierung, dem ein Drehwinkelgeber IC 23 zur Ermittlung des Gradwinkels zugeordnet ist, und der Drehwinkelgeber 24 ist vorzugsweise von außen an ein Lagerschild des Elektromotors angeordnet, wobei der Permanentmagnet 22 auf ein nicht magnetisierbares Wellenende oder an eine Halterung 25 aus nicht magnetisierbarem Material am Wellenende befestigt ist, und der Permanentmagnet mit der Halterung durch das Lagerschild 26 geführt ist.
Das Drehwinkelgeber IC 23 ist vorzugsweise auf eine flexible Leiterplatte 27 angeordnet, wobei die flexible Leiterplatte am Boden einer Abdeckkappe 28 befestigt ist, und die flexible Leiterplatte ist vorteilhaft mit Steckanschlüssen 29 ausgebildet, die aus der Abdeckkappe rausgeführt sind, und die Abdeckkappe wird staubdicht an das Lagerschild des Elektromotors befestigt.
Bei Inbetriebnahme des Elektromotors ermittelt der Drehwinkelgeber den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer, wobei für den betreffenden Läuferschritt die hierfür zuständigen Transistoren von Halbbrücken angesteuert werden, und nach dem Beenden des Läuferschrittes werden die nächstfolgenden Läuferschritte eingeleitet.
Bei zunehmender Drehzahl des Elektromotors wird der Läufer in seiner Drehbewegung stetig schneller wie ein Aufbau eines Ständerfeldes für einen jeweiligen geschalteten Läuferschritt, dieser Zeitverzug wird einerseits durch den Elektromotor selbst verursacht und andererseits durch die Steuerelektronik, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der Läufer in seiner Drehbewegung gebremst wird.
Damit der Elektromotor bis hin zu einer hohen Drehzahl variabel betrieben werden kann, und ein maximaler Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl erreicht wird ist es erforderlich, dass der Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte bei zunehmender und abnehmender Drehzahl des Läufers, stetig vorverlegt oder zurückverlegt wird.
Ein Zurückverlegen und Vorverlegen des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten erfolgt während eines Motorbetriebes oder eines Bremsbetriebes mit einem Programm des Controllers der Steuerelektronik.
Der zuvor beschriebene Drehwinkelgeber ermittelt jeweils den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer und sendet den jeweiligen Gradwinkel zum Controller einer Steuerelektronik, oder der Controller ruft den jeweiligen Gradwinkel vom Drehwinkelgeber ab.
Zur Festlegung von Gradwinkeln zur Bestimmung von Läuferschritten muß der Drehwinkelgeber kalibriert werden, damit der Permanentmagnet 22 an der Welle 20 des Läufers und das Drehwinkelgeber-IC 23, zentriert zur Welle des Läufers, beliebig zueinander angeordnet werden kann.
Ein Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt aus der Null-Grad-Stellung des Läufers einen Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte. Eine ermittelte Läuferstellung bei einer ausgerichteten Läuferstellung kann auch mit einer anderen Gradzahl wie mit Null-Grad festgelegt werden.
Der Drehwinkelgeber ermittelt den Gradwinkel vorzugsweise in Einergradschritten, und das Programm des Controllers legt den Einschaltzeitpunkt für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, und der Einschaltzeitpunkt wird vorzugsweise in Einergradschritten bei ansteigender und/oder abfallender Drehzahl, bezogen auf eine Null-Grad-Stellung des Läufers entsprechend vor- und/oder zurückverlegt, wobei eine Vorverlegung und/oder Zurückverlegung des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge auch in weniger oder in mehr wie in Einergradschritten erfolgen kann, und somit die Ausgabe der Gradwinkel des Drehwinkelgebers größer oder kleiner wie Einergradschritte sein kann.
Für eine Einstellung einer variablen einstellbaren Drehzahl des Elektromotors wird die Drehzahl des Läufers vorzugsweise mit dem Drehwinkelgeber ermittelt, und eine variable einstellbare Drehzahl wird mit dem Drehwinkelgeber über eine Zeiterfassung durchgeführt.
Der Drehwinkelgeber in Verbindung mit der Steuerelektronik ermittelt eine vorhandene Drehzahl des Elektromotors, und die Steuerelektronik ermittelt eine Stromaufnahme des Elektromotors, und aus der vorhandenen Stromaufnahme des Elektromotors und aus der vorhandenen Drehzahl des Elektromotors wird mit einem Programm der Steuerelektronik ein vorhandener Wirkungsgrad des Elektromotors ermittelt. Des Weiteren ermittelt die Steuerelektronik eine Fahrgeschwindigkeit während einer Fahrt, woraus die Steuerelektronik einen Wirkungsgrad in Bezug zu einer Fahrgeschwindigkeit ermittelt.
4 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben des Elektromotors. Wicklungsstränge des Elektromotors führen zur Leistungselektronik 4, wobei der dem Elektromotor zugeordneter Drehwinkelgeber 24 auch der Steuerelektronik 5 zugeordnet ist. Für eine Steuerung und eines Betriebes von Elektromotoren können auch aktuelle Technologien eingesetzt werden.
5 zeigt eine Grafik, wo eine hohe Drehzahlspreizung des Elektromotors dargestellt ist. Ein Wirkungsgrad des Elektromotors zu einer Drehzahl des Elektromotors ist jeweils mit einer gleichen Nennlast an der Welle des Elektromotors ermittelt. Eine Nennlast ist die Last, bei der ein Elektromotor einen maximalen Wirkungsgrad erzielt, und bei der ein Elektromotor in Dauerbetrieb betrieben wird, bei einer maximalen zulässigen Zuerwärmung.
Ein Bereich 10 kennzeichnet einen Bereich einer Drehzahlspreizung bei einem Wirkungsgrad ab 90 % und kennzeichnet einen Bereich, wo ein Elektrofahrzeug im Fahrbetrieb betrieben wird.
Will man einen hohen Wirkungsgrad pro Kilometer während einer Fahrt mit einem Elektrofahrzeug erzielen, so ist es von größter Bedeutung, dass ein hoher Wirkungsgrad ab 90 % bei einer hohen Drehzahlspreizung des Elektromotors und ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Überlastbarkeit des Elektromotors erzielt wird, wie in der Grafik der 5 dargestellt.
Will man eine Fahrt mit dem Elektrofahrzeug antreten, so wird der Elektromotor zuerst mit einer geringen Energiemenge gestartet und bis zu einer Leerlaufdrehzahl hochgefahren. Ein Anfahren des Elektromotors mit einer geringen Energiemenge ist unbedingt erforderlich, um einen hohen Wirkungsgrad pro Kilometer zu erzielen. Ab einer Leerlaufdrehzahl sollte der Elektromotor unter Last einen hohen Wirkungsgrad erreicht haben. Soll das Elektrofahrzeug in Bewegung gesetzt werden, so wird das Automatikgetriebe aktiviert. Ein Starten des Elektromotors und eine Leerlaufdrehzahl sowie eine Aktivierung eines Automatikgetriebes erfolgt in bekannter Weise wie bei einem Pkw mit einem Verbrennungsmotor, wobei eine neuzeitliche Doppelkupplung und ein neuzeitliches Automatikgetriebe mit einer Vielzahl von Übersetzungen (Gänge) zur Anwendung kommt.
Während eines Umlegens eines Übersetzungsverhältnisses wird während einer Auskupplung eine Drehzahl des Elektromotors automatisch an ein neues Übersetzungsverhältnis angeglichen, so dass ein ruckfreies Schalten von Gängen des Automatikgetriebes gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist ein Vorderradantrieb über Kreuzgelenke bei einem Elektrofahrzeug vorgesehen.
Eine Steuerelektronik 5 des Elektromotors überwacht stets den aktuellen Wirkungsgrad des Elektromotors. Sobald der Wirkungsgrad unter 90% fällt, wird das Automatikgetriebe 3 betätigt, wobei ein Übersetzungsverhältnis angehoben wird oder abgesenkt wird.
Erfolgt während einer Fahrt ein Stop, so wird der Elektromotor in einer Leerlaufdrehzahl bei einer minimalen Energieaufnahme zurück geführt, und das Automatikgetriebe deaktiviert.
Bei einem längeren Stop kann der Elektromotor abgestellt werden, wobei vor einer Weiterfahrt der Elektromotor zuerst auf die Leerlaufdrehzahl hochgefahren wird und danach wird das Automatikgetriebe aktiviert.
Der bürstenlose Elektromotor wird aus einer Energiequelle 6 über eine Leistungselektronik 4 betrieben, wobei der Leistungselektronik und dem Elektromotor sowie der Kupplungseinrichtung und der Getriebeautomatik die Steuerelektronik 5 zugeordnet ist.
6 zeigt eine grafische Darstellung von einer Wirkungsweise des elektromotorischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug, und die Wirkungsweise ist mit einer Drehzahlkurve 7 des Elektromotors 1 in Bezug zum Wirkungsgrad des Elektromotors dargestellt.
Bevor das Automatikgetriebe aktiviert ist, wird der Elektromotor in einer Leerlaufdrehzahl 8 hochgefahren. Soll das Fahrzeug in Bewegung gesetzt werden, so wird das Automatikgetriebe aktiviert, womit eine Last am Elektromotor anliegt. Durch eine Drehzahlerhöhung des Elektromotors über ein Gaspedal, und somit durch eine Lasterhöhung, wird das Fahrzeug beschleunigt.
In einem Anfahrbereich 9 sollte der Elektromotor, bei einer hohen Überlastbarkeit des Elektromotors, einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % aufweisen. In einem Fahrbereich 10 ist eine Fahrt mit dem Elektrofahrzeug dargestellt, wobei ein Wirkungsgrad des Elektromotors über 90 % betragen sollte und nicht unter 90 % fallen sollte. In 5 ist ein solcher Fahrbereich 10 grafisch dargestellt.
Der Fahrbereich 10 wird kontinuierlich von der Steuerelektronik 5 überwacht, ob ein hoher Wirkungsgrad während einer Fahrt vorhanden ist. Fällt ein Wirkungsgrad des Elektromotors innerhalb des Fahrbereiches 10 unter 90 %, durch eine zu hohe Last an der Welle des Elektromotors, so wird ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert.
Die Steuerelektronik ermittelt einen momentanen Energieverbrauch des Elektromotors in Verbindung mit einer Fahrgeschwindigkeit, hieraus wird ein momentaner Wirkungsgrad pro Kilometer während einer Fahrt ermittelt, und die Steuerelektronik berechnet jeweils einen maximalen zu erzielenden Wirkungsgrad pro Kilometer bei einem anderen Übersetzungsverhältnis und somit bei einer anderen Fahrgeschwindigkeit. Bei einer Abweichung von dem zu erzielenden maximalen Wirkungsgrad pro Kilometer wird entsprechend ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert.
Für einen minimalen Wirkungsgrad pro Kilometer ist eine Schwelle festgelegt, wird diese Schwelle unterschritten, so ist ein Wirkungsgrad des Elektromotors vorrangig, und gegebenenfalls wird ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert.
Wie in 5 und 6 dargestellt, ist eine hohe Drehzahl des Elektromotors, bei der noch ein Wirkungsgrad von 90 % erreicht wird, durch eine Linie 11 gekennzeichnet. Bei einer höheren Drehzahl sinkt der Wirkungsgrad wieder ab. Eine Linie 12 kennzeichnet eine niedrige Drehzahl bei der ein Wirkungsgrad des Elektromotors von 90 % beginnt. Eine Linie 13 kennzeichnet den Bereich, bei der ein Elektromotor einen maximalen Wirkungsgrad erreicht.
Im Bereich 14 der 6 wurde die Linie 11 einer hohen Drehzahl mit einer überhöhten Drehzahl des Elektromotors überschritten, wobei ein Wirkungsgrad des Elektromotors unter 90 % gefallen ist.
Im Bereich 15 wurde die Linie 12 einer niedrigen Drehzahl mit einer zu niedrigen Drehzahl des Elektromotors unterschritten, wobei ein Wirkungsgrad des Elektromotors unter 90 % gefallen ist.
Liegen solche Zustände vor, so wird ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert, wobei ein maximaler Wirkungsgrad pro Kilometer Vorrang hat bei einer Abweichung vom Fahrbereich 10.
Ein Wirkungsgrad des Elektromotors ist das Eine, und ein Wirkungsgrad pro Kilometer ist das Andere, und somit ist ein Wirkungsgrad des Elektromotors und ein Wirkungsgrad pro Kilometer nicht das Gleiche.
Man kann einen maximalen Wirkungsgrad bei einem Elektromotor für einen Antrieb des Elektrofahrzeugs durch ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis des Getriebes erzielen, aber hierbei einen niedrigeren Wirkungsgrad pro Kilometer bewirken. Daher hat ein maximaler Wirkungsgrad pro Kilometer Vorrang vor einem maximalen zu erzielenden Wirkungsgrad des Elektromotors.
Wenn ein niedrigerer Wirkungsgrad des Elektromotors durch eine höhere Last am Elektromotor durch ein höheres Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes verursacht wird, und hierdurch eine deutlich höhere Fahrgeschwindigkeit erzielt wird, und ein solcher Zustand zu einem höheren Wirkungsgrad pro Kilometer führt und ein Energieverbrauch pro Kilometer hierbei niedriger ist, so hat ein Wirkungsgrad pro Kilometer Vorrang vor einem maximalen Wirkungsgrad des Elektromotors.
Fährt ein Elektrofahrzeug 60 Stundenkilometer, wobei der Elektromotor einen Wirkungsgrad von 90% aufweist bei einem optimalen Übersetzungsverhältnis des Getriebes, und bei einem niedrigeren Übersetzungsverhältnis bei gleicher Drehzahl des Elektromotors eine Fahrgeschwindigkeit von 90 Stundenkilometer erzielt wird, wobei der Elektromotor einen Wirkungsgrad von 88% aufweist, so ist ein Energieverbrauch pro gefahrener Kilometer deutlich niedriger und somit ein Wirkungsgrad pro Kilometer höher, wobei ein höherer Energieverbrauch des Elektromotors hierbei berücksichtigt ist.
Ein Wirkungsgrad pro Kilometer wird bestimmt und ermittelt in Verbindung mit einem dem Elektromotor 1 zugeordneten Drehwinkelgeber in Verbindung mit der Steuerelektronik 5, wobei über eine Zeiterfassung eine vorhandene Drehzahl des Elektromotors ermittelt wird, und die Steuerelektronik 5 eine Stromaufnahme des Elektromotors ermittelt, wobei aus einer aufgenommenen Energiemenge des Elektromotors und aus einer vorhandenen Drehzahl des Elektromotors und aus einer vorhandenen Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrzeugs die Steuerelektronik 5 während einer Fahrt einen momentanen Wirkungsgrad pro Kilometer ermittelt.
Ist eine hohe Drehzahl des Elektromotors vorhanden, so berechnet die Steuerelektronik 5, ob bei einem niedrigeren Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes ein höherer Wirkungsgrad pro Kilometer erzielt werden kann, und hierdurch eine geringere Energiemenge pro Kilometer benötigt wird. Ist dies der Fall, so wird ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis gewählt, wodurch am Elektromotor eine höhere Last anliegt und hierdurch eine niedrigere Drehzahl des Elektromotors bewirkt wird, wodurch der Elektromotor eine geringe höhere Energiemenge aufnimmt, bei einer gleichen Stellung des Gaspedals, wobei eine Fahrgeschwindigkeit deutlich erhöht ist. Damit das Automatikgetriebe nicht kontinuierlich hin und her schaltet, sind hierfür Schwellen nach unten und nach oben festgelegt.
Wie die Praxis gezeigt hat, ist ein Energieverbrauch bei einem Pkw mit einer Fahrgeschwindigkeit bis 30 Stundenkilometer pro gefahrenen Kilometer am höchsten, und ein Energieverbrauch pro Kilometer fällt bei einer Fahrgeschwindigkeit bis 80 Stundenkilometer kontinuierlich ab, und bei einer Fahrgeschwindigkeit von 80 bis 120 Stundenkilometer ist ein Energieverbrauch pro Kilometer am geringsten, und eine Fahrgeschwindigkeit ab 120 Stundenkilometer steigt ein Energieverbrauch pro Kilometer kontinuierlich wieder an.
Daher ist bei einer Fahrgeschwindigkeit ab 10 Stundenkilometer bis 70 Stundenkilometer besonders wichtig, dass bei dieser Fahrgeschwindigkeit ein hoher Wirkungsgrad pro Kilometer erzielt wird.
Dieses wird erreicht mit einem Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung und mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Überlastbarkeit.
Eine doppelte Fahrgeschwindigkeit ist nicht gleich ein doppelter Energieverbrauch. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 40 Stundenkilometern zu einer Fahrgeschwindigkeit von 80 Stundenkilometern beträgt ein höherer Energieverbrauch bis zu 30%.
Ein sehr hoher Energieverbrauch ist vorhanden bei einer jeweiligen schnellen Beschleunigung.
Daher ist es von größter Bedeutung bei einer Beschleunigung des Elektrofahrzeugs, einen Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad pro Kilometer zu erzielen, hierbei ist eine schnelle Beschleunigung von der Steuerelektronik 5 eingeschränkt.
Um gegebenenfalls eine schnelle Beschleunigung zu erzielen, wird das Gaspedal bis zum Anschlag durchgetreten, wodurch eine Sperrung einer schnellen Beschleunigung der Steuerelektronik 5 aufgehoben ist.
Eine Wirkungsweise eines elektromotorischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug nach 6 kann auch mit einer aktuellen Technologie durchgeführt sein, wenn hierbei ein Wirkungsgrad pro Kilometer zum Tragen kommt.
Soll eine Fahrgeschwindigkeit reduziert werden, so wird das Gaspedal zurück genommen, und der Elektromotor wird bis hin zu einer Leerlaufdrehzahl 8 zurück geführt, wobei über einen Pulsweitenmodulator eine Spannung aus der Energiequelle reduziert wird, wodurch der Elektromotor mit einem Permanentmagneten bestückten Läufer in einen Generatorbetrieb fällt, und ein Generatorstrom wird in die Energiequelle 6 eingespeist.
Wird das Bremspedal leicht betätigt, so wird der Elektromotor auch bis hin zu einer Leerlaufdrehzahl 8 zurück geführt, und ein Generatorstrom wird in die Energiequelle 6 eingespeist, und wird das Bremspedal weiter durchgetreten, so wird der Elektromotor in seiner Drehrichtung umgekehrt und als Generator betrieben, oder es wird in Verbindung mit einer Stellung des Bremspedals größere Übersetzungsverhältnisse des Automatikgetriebes von der Steuerelektronik gewählt, und der Elektromotor wird in eine Leerlaufdrehzahl zurück geführt, wodurch der Elektromotor in einen Generatorbetrieb fällt, und ein Generatorstrom wird in die Energiequelle eingespeist. Kann die Energiequelle 6 den Generatorstrom nur teilweise oder gar nicht aufnehmen, so kann der Generatorstrom über die Leistungselektronik 4 teilweise oder vollständig kurzgeschlossen werden, oder es tritt eine Reibungsbremse in Funktion.
Soll eine Stopbremsung durchgeführt werden, so wird das Bremspedal bis zum Anschlag durchgetreten, wodurch zusätzlich noch eine mechanische Bremsanlage (Reibungsbremse) in Funktion tritt, wobei der Elektromotor 1 in einer Leerlaufdrehzahl zurück geführt wird und das Automatikgetriebe deaktiviert wird.
Ein Generatorstrom kann auch mit einer aktuellen Technologie in einem Energiespeicher eingespeist werden.
Ein einem Mittelklasse-Elektrofahrzeug wird ein Elektromotor bis zu einer Leistungsgröße von 300 Kilowatt eingesetzt.
Bei einem Verbrennungsmotor führt eine Übermotorisierung zu einem geringeren Energieverbrauch pro Kilometer. Bei einem Elektromotor führt eine Übermotorisierung zu einem höheren Energieverbrauch pro Kilometer.
Um einen hohen Wirkungsgrad pro Kilometer mit einem Elektrofahrzeug zu erzielen, sollte eine Übermotorisierung vermieden werden.

Claims

Elektromotorischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor (1), und mit einem Automatikgetriebe (3) mit einer Kupplung (2), und mit einer Leistungselektronik (4), und mit einer Steuerelektronik (5), und mit einem Energiespeicher (6), wobei das Kraftfahrzeug mit den Schritten betrieben wird: - Starten des Elektromotors (1) mit einer geringen Energiemenge bis zu einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl (8), - Automatikgetriebe aktivieren, - Anfahren in einem Anfahrbereich (9), - Fahren in einem Fahrbereich (10), - kontinuierliches Überwachen eines Wirkungsgrades des Elektromotors während einer Fahrt im Fahrbereich (10), - Korrektur eines Übersetzungsverhältnisses des Automatikgetriebes bei einer Abweichung vom Fahrbereich (10), und bei einem Abfallen eines Wirkungsgrades des Elektromotors innerhalb des Fahrbereiches (10) unterhalb einer festgelegten Schwelle, - kontinuierliches Überwachen eines Wirkungsgrades pro Kilometer während einer Fahrt und Berechnen eines maximalen zu erzielenden Wirkungsgrades pro Kilometer, - Korrektur eines Übersetzungsverhältnisses des Automatikgetriebes bei einer Abweichung vom maximalen zu erzielenden Wirkungsgrad pro Kilometer, wobei - ein maximaler Wirkungsgrad pro Kilometer Vorrang hat bei einer Abweichung vom Fahrbereich (10) und eines Wirkungsgrades des Elektromotors (1), wobei - für einen hohen Wirkungsgrad pro Kilometer, eine Beschleunigung des Elektrofahrzeugs von der Steuerelektronik (5) gesteuert wird.
Elektromotorischer Antrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor (1), und mit einem Automatikgetriebe (3) mit einer Kupplung (2), und mit einer Leistungselektronik (4), und mit einer Steuerelektronik (5), und mit einem Energiespeicher (6), wobei das Kraftfahrzeug mit den Schritten betrieben wird: - während einer Reduzierung einer Fahrgeschwindigkeit durch Zurücknahme des Gaspedals wird der Elektromotor in eine Leerlaufdrehzahl (8) zurückgeführt, wobei ein Generatorstrom des Elektromotors in eine Energiequelle eingespeist wird, und - durch eine leichte Betätigung des Bremspedals wird der Elektromotor in eine Leerlaufdrehzahl (8) zurückgeführt, wobei ein Generatorstrom des Elektromotors in eine Energiequelle eingespeist wird, und - bei einem weiteren Durchtreten des Bremspedals wird der Elektromotor als Generator betrieben, und ein Generatorstrom des Elektromotors wird in eine Energiequelle eingespeist, und - bei einer Stopbremsung wird das Bremspedal bis zum Anschlag durchgetreten, wodurch zusätzlich noch eine mechanische Bremsanlage (Reibungsbremse) in Funktion tritt, und ein Generatorstrom wird in eine Energiequelle eingespeist, und - kann eine Energiequelle (6) einen Generatorstrom nur teilweise oder gar nicht aufnehmen, so wird ein Generatorstrom über eine Leistungselektronik (4) teilweise oder vollständig kurzgeschlossen, oder eine Reibungsbremse wird aktiviert, wobei - für eine schnelle Beschleunigung des Elektrofahrzeuges das Gaspedal bis zum Anschlag durchgetreten wird, wodurch eine Sperrung einer schnellen Beschleunigung von der Steuerelektronik aufgehoben ist.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei eine Linie (11) des Fahrbereiches (10) einen Bereich einer hohen Drehzahl des Elektromotors kennzeichnet, und bei einer Überschreitung dieser Linie (11) durch eine überhöhte Drehzahl des Elektromotors und Abfallen des Wirkungsgrades, ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes entsprechend korrigiert wird, und eine Linie (12) des Fahrbereiches (10) kennzeichnet einen Bereich einer niedrigen Drehzahl, und bei einer Unterschreitung dieser Linie durch eine zu niedrigere Drehzahl des Elektromotors und Abfallen des Wirkungsgrades, ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert wird.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 und 3, wobei im Bereich (14) die Linie (11) des Fahrbereiches (10) mit einer überhöhten Drehzahl des Elektromotors überschritten ist und im Bereich (15) die Linie (12) des Fahrbereiches (10) mit einer zu niedrigen Drehzahl des Elektromotors unterschritten ist, wobei in beiden Fällen ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert wird, wobei ein maximaler Wirkungsgrad pro Kilometer Vorrang hat.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 4, wobei bei einem Stop während einer Fahrt, der Elektromotor in einer Leerlaufdrehzahl (8) bei minimaler Energieaufnahme zurück geführt wird und das Automatikgetriebe mittels der Steuerelektronik deaktiviert wird, und bei einem längeren Stop der Elektromotor (1) abgeschaltet wird, und vor einer Weiterfahrt der Elektromotor zuerst auf eine Leerlaufdrehzahl (8) hochgefahren wird und danach das Automatikgetriebe aktiviert wird.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 5, wobei für einen minimalen Wirkungsgrad pro Kilometer eine Schwelle festgelegt ist, wird diese Schwelle unterschritten, so ist ein Wirkungsgrad des Elektromotors vorrangig, wobei gegebenenfalls ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert wird.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 6, wobei für eine Einstellung einer variablen Drehzahl des Elektromotors, die Drehzahl des Elektromotors mit einem Drehwinkelgeber ermittelt wird, und über eine Zeiterfassung durchgeführt ist, und der Drehwinkelgeber in Verbindung mit einer Steuerelektronik (5) eine vorhandene Drehzahl des Elektromotors (1) ermittelt, und die Steuerelektronik (5) eine Stromaufnahme des Elektromotors ermittelt, wobei aus einer vorhandenen aufgenommenen Energiemenge des Elektromotors und aus einer vorhandenen Drehzahl des Elektromotors und aus einer Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrzeugs die Steuerelektronik (5) während einer Fahrt einen momentanen vorhandenen Wirkungsgrad pro Kilometer ermittelt.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 7, wobei die Steuerelektronik 5 einen momentanen Energieverbrauch des Elektromotors 1 in Verbindung mit einer Fahrgeschwindigkeit ermittelt, und hieraus ein momentaner Wirkungsgrad pro Kilometer während einer Fahrt ermittelt wird, und die Steuerelektronik berechnet jeweils einen maximalen zu erzielenden Wirkungsgrad pro Kilometer bei einem anderen Übersetzungsverhältnis und somit bei einer anderen Fahrgeschwindigkeit, und bei einer Abweichung von dem zu erzielenden maximalen Wirkungsgrad pro Kilometer wird entsprechend ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes korrigiert.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 8, bei einer vorhandenen hohen Drehzahl des Elektromotors berechnet die Steuerelektronik, ob bei einem niedrigeren Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes ein höherer Wirkungsgrad pro Kilometer erzielt werden kann, ist dies der Fall, so wird ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis gewählt.
Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 bis 9, wobei während einer Betätigung eines Bremspedals, eine Stellung des Bremspedals ein Übersetzungsverhältnis des Automatikgetriebes bestimmt, und die Steuerelektronik jeweils ein kleineres Übersetzungsverhältnis für einen Generatorbetrieb wählt, wobei der Elektromotor in eine Leerlaufdrehzahl zurückgeführt wird, und ein Generatorstrom in eine Energiequelle eingespeist wird.