DE102020102193A1

DE102020102193A1 - Antriebssystem für ein zumindest zeitweise straßengekoppelt allradangetriebenes Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102020102193A1
Application number: DE102020102193.3A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Schmid; Stephan Capellaro
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-05
Also published as: WO2021151686A1

Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Antriebssystem für ein zumindest zeitweise straßengekoppelt allradangetriebenes Elektrofahrzeug mit einer ersten elektrischen primär antreibenden Antriebseinheit, die einer ersten Achse des Elektrofahrzeugs zugeordnet ist, mit einer zweiten elektrischen sekundär antreibenden Antriebseinheit, die einer zweiten Achse des Elektrofahrzeugs zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuereinheit ausgestattet. Die Steuereinheit ist insbesondere durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und einen Mikroprozessor derart ausgestaltet, dass sie aufgrund definierter vorausschauender reibwertbezogener Eingangsinformationen und aufgrund eines gespeicherten Vorhersagemodells Belastungsphasen und Erholungsphasen in Form eines Allradbedarfs ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein zumindest zeitweise straßengekoppelt allradangetriebenes Elektrofahrzeug.
Bei heutigen Elektrofahrzeugen ist üblicherweise ein Antriebssystem vorhanden, das eine elektrische Antriebseinheit aufweist, die direkt mit der Antriebsachse des Elektrofahrzeugs verbunden ist. Sofern das Elektrofahrzeug eine größere Antriebsleistung aufweisen soll, können auch beide Achsen des Elektrofahrzeugs jeweils mit einer elektrischen Antriebseinheit verbunden sein.
Beispielsweise aus der DE 10 2016 213 730 A1 ist ein Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug mit einer ersten elektrischen Antriebseinheit und einer zweiten elektrischen Antriebseinheit, die jeweils einer Achse des Elektrofahrzeugs zugeordnet sind, bekannt. Dabei sind die erste elektrische Antriebseinheit mit einer ersten Übersetzung und die zweite elektrische Antriebseinheit mit einer zweiten, zur ersten Übersetzung unterschiedlichen Übersetzung an die jeweilige Achse des Elektrofahrzeugs angebunden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Auslegung eines elektrischen Antriebssystems für ein Elektrofahrzeug mit mindestens je einem Elektromotor pro Achse dahingehend zu verbessern, dass einerseits bessere Beschleunigungswerte und andererseits längere Reichweiten möglich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß ist ein Antriebssystem für ein zumindest zeitweise straßengekoppelt allradangetriebenes Elektrofahrzeug mit einer ersten elektrischen primär antreibenden Antriebseinheit, die einer ersten Achse des Elektrofahrzeugs zugeordnet ist, mit einer zweiten elektrischen sekundär antreibenden Antriebseinheit, die einer zweiten Achse (sogenannte AWD-E-Achse) des Elektrofahrzeugs zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuereinheit ausgestattet. Die Steuereinheit ist insbesondere durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und einen Mikroprozessor derart ausgestaltet, dass sie aufgrund definierter vorausschauender reibwertbezogener Eingangsinformationen und aufgrund eines gespeicherten Vorhersagemodells Belastungsphasen und Erholungsphasen in Form eines Allradbedarfs ermittelt, um basierend darauf die optimale Betriebsstrategie insbesondere im Hinblick auf die Nutzung der sekundären Antriebseinheit bzw. E-Maschine zu aktivieren.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Für die Fahrstrategie von elektrifizierten Fahrzeugen ist es entscheidend, einen Mischbetrieb zwischen Dauerleistung und Spitzenleistung darzustellen. Der Betrieb in der Spitzenleistung verringert die Verfügbarkeit des Antriebs und ist somit stark zeitlich eingeschränkt.

Aktuell wird die Betriebsstrategie vorrangig über aktuelle Betriebsgrößen, wie z.B. die Außentemperatur und die E-Maschinentemperatur, zwischen einer Spitzenleistung und einer Dauerleistung geregelt. Erfindungsgemäß wird eine reibwertbezogene bzw. belastungsbezogene Vorausschau des Streckenprofils, insbesondere im Hinblick auf den zu erwartenden Allradbedarf, in den Vordergrund gerückt.
Basierend auf der zu erwartenden Systemleistung und den Reibwerten bzw. das Streckenprofil wird erfindungsgemäß die Fahrstrategie vorrausschauend mit einer optimalen Mischung aus Spitzen- und Dauerleistung gewählt, ohne das kundenwertige Fahrerlebnis dabei zu reduzieren. Durch diese Intelligenz kann eine kleinere, leichtere und kosteneffizientere Antriebskombination gewählt werden.
Die Grundidee betrifft die Nutzung von Umfelddaten und Streckenprofilen zur Optimierung der Fahr- und Regenerationsstrategie zweier Elektromotoren, insbesondere in Abhängigkeit vom vorausschauend ermittelten Allradbedarf. Hierdurch lassen sich auch kleinere Antriebe bei zukünftigen elektrifizierten Fahrzeugen einsetzen.
Bei aktuellen straßengekoppelten Allrad-Elektrofahrzeugen (AWD BEV, „split axle“) findet kostengetrieben eine deutlich unterschiedliche Auslegung zwischen primär antreibender E-Maschine und sekundär antreibender E-Maschine statt.
Dies hat zur Folge, dass hohe Antriebsmomente für eine Spitzenleistung („Peak“) der sekundären E-Maschine nur wenige Sekunden abgerufen werden können und auch mittlere Antriebsmomente für eine Dauerleistung nur wenige Minuten kontinuierlich verfügbar sind.
Mit der primär antreibenden E-Maschine allein wird ein Vorderrad- oder ein Hinterradantrieb realisiert. Die sekundär antreibende E-Maschine wird zur primär antreibenden E-Maschine bedarfsweise für einen zumindest zeitweisen Allradantrieb hinzugeschaltet.
Mittels der Erfindung wird der Zielkonflikt bei bekannten rein reaktiven Betriebsstrategien aufgelöst, nämlich die Entscheidung zwischen kurzer Allrad-Verfügbarkeit oder längerer Allrad-Degradation bei der Nutzung der sekundären E-Maschine. Entweder macht eine rein reaktive Betriebsstrategie nur sehr selten Gebrauch von der sekundären E-Maschine und reduziert damit zwar die Degradationswahrscheinlichkeit, aber auch die Kundenwahrnehmung eines Allradfahrzeugs. Oder ein häufigerer Gebrauch der sekundären E-Maschine („AWD-E-Achse“) wird favorisiert, was aber zu einer schnell wahrnehmbaren Degradation und somit zu einer Irritation in der Kundenwahrnehmung im Sinne einer spürbar abnehmenden Leistung nach kurzer Fahrstrecke führen kann.
Die Erfindung sieht daher eine modellbasierte vorausschauende Betriebsstrategie in der Weise vor, dass folgende Wirkung erzielt wird:

- Sicherstellen der maximalen Verfügbarkeit der sekundären E-Maschine bei gleichzeitiger maximaler Erlebbarkeit für den Kunden.
- Gleichbleibendes Fahrverhalten des Fahrzeugs.
- Keine erlebbare Degradation der sekundären E-Maschine bzw. Allrad-AntriebsAchse („AWD-E-Achse“) in kundentypischen Fahrsituationen.
- Sicherstellen der Allraderlebbarkeit.
- Verhindern von Liegenbleibern und Irritationen.

Erfindungsgemäß werden zur Erreichung dieser gewünschten Wirkungen durch eine vorrausschauende Modellierung von insbesondere reibwertbezogenen Eingangsgrößen Belastungs- und Erholungsphasen des Antriebes derart festgelegt, dass bei einer länger prognostizierten Erholungsphase eine höhere Vorbelastung in Kauf genommen wird, da diese wieder ausreichend reduziert werden kann, und dass in Phasen niedriger prognostizierter Erholung die Belastungsphasen durch geringere Ausnutzung der sekundären E-Maschine (AWD-E-Achse) reduziert werden, um eine permanente Systemverfügbarkeit zu gewährleisten.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine elektronische Steuereinheit mit einem Funktionsmodul vorzugsweise in Form eines Software-Programms (Computerprogrammprodukt) und eines Mikroprozessors vorgesehen, die mit den beiden elektrischen Antriebseinheiten, insbesondere E-Maschinen, verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass sie die beiden elektrischen Antriebseinheiten koordiniert ansteuert, insbesondere abhängig von der vorausliegenden Fahrstrecke. Relevante Eingangsinformationen zur Erfassung der vorausliegenden Fahrstrecke sind insbesondere zu erwartende Reibwerte bei zu erwartender Kurvigkeit des Straßenverl aufs.
Ein Aspekt der Erfindung kann auch vorsehen, dass die Steuerungseinheit die beiden elektrischen Antriebseinheiten derart ansteuert, dass das Elektrofahrzeug einen Allrad, einen Front- oder einen Heckantrieb hat, insbesondere einen Allradantrieb mit heck-oder frontseitigem Antrieb. Dazu können die beiden elektrischen Antriebseinheiten auch beiden Achsen des Elektrofahrzeugs zuordenbar sein.
Insbesondere ist wenigstens eine Datenquelle (z. B. Außentemperatursensor, Navigationssystem, Online-Wetterbericht, usw.) vorgesehen, die vorausschauende Daten als Eingangsinformationen an die Steuereinheit sendet, die ihrerseits die empfangenen Daten vorausschauend auswertet und derart weiter verarbeitet, dass die beiden elektrischen Antriebseinheiten mit der jeweils optimalen Betriebsstrategie im Hinblick auf die oben genannten angestrebten Wirkungen gesteuert werden.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten des erfindungsgemäßen Antriebssystems,
2 ein Diagramm mit drei verschiedenen Fahrstrecken-Zonen, denen erfindungsgemäß jeweils eine entsprechend optimale Betriebsstrategie zugeordnet sind, und
3 ein Ausschnitt des oben genannten Diagramms mit einem Übergang von Zone 2 zu Zone 3 bei detaillierter Betrachtung dazugehöriger Belastungs- und Erholungsphasen.

In 1 ist ein Elektrofahrzeug 1 schematisch dargestellt, das eine erste Achse 3 sowie eine zweite Achse 5 aufweist. Bei der ersten Achse 3 kann es sich um die Vorderachse des Elektrofahrzeugs 1 handeln, wohingegen die zweite Achse 5 beispielsweise der Hinterachse des Elektrofahrzeugs 1 entspricht.
Ferner weist das Elektrofahrzeug 1 ein Antriebssystem auf, das eine erste elektrische Antriebseinheit (E-Maschine) 2 sowie eine zweite elektrische Antriebseinheit (E-Maschine) 4 aufweist. Sowohl die erste elektrische Antriebseinheit 2 als auch die zweite elektrische Antriebseinheit 4 sind beispielsweise über gleiche oder unterschiedliche feste Übersetzungen an die jeweiligen Achsen 3 und 5 angebunden. Die erste Antriebseinheit 2 stellt bei diesem Ausführungsbeispiel die primäre E-Maschine und die zweite Antriebseinheit 4 stellt bei diesem Ausführungsbeispiel die sekundäre E-Maschine dar, die bedarfsweise zur Herstellung eines Allrad-Antriebs zur primären Antriebseinheit 2 gemäß der erfindungsgemäßen vorausschauenden Betriebsstrategie zuschaltbar ist.
Des Weiteren umfasst das Antriebssystem eine elektronische Steuereinheit 6, die mit den beiden Antriebseinheiten 2 und 4 gekoppelt ist und diese entsprechend ansteuert.
Darüber hinaus erhält die Steuereinheit 6 diverse Eingangsinformationen, insbesondere über die zu erwartende Fahrstrecke, wie beispielsweise einige oder alle der folgenden:

- Fahrertyperkennung (z.B. sportlicher Fahrer) wegen Reibwertausnutzung
- Fahrmodus (sportlich, wirtschaftlich, ...)
- Fahrstrecke aus Navigationsdaten (Kurvenverlauf, Topologie, ...)
- Ortbezogene Reibwertkarte (grobe Schätzung)
- Lineare Reibwertschätzung 100m Vorschau detailliert
- Online-Wetterbericht (Sonne, Regen, Schnee,...)
- Inertialsensorik, Umweltdaten, z.B. Außentemperatur
- Aktuelle Verfügbarkeiten der E-Maschine abhängig vom SOC der Hochvoltbatterie
- Schlupf- und/oder Bremsregeleingriffe über dynamische Stabilitätsregelsysteme (DSC)
- Echtzeit Verkehrsinformation (Echtzeitdaten von anderen vorausfahrenden Fahrzeugen)
- usw.

Erfindungsgemäß ist die elektronische Steuereinheit 6 derart ausgestaltet, dass sie aufgrund dieser definierten vorausschauenden reibwertbezogenen Eingangsinformationen und aufgrund eines gespeicherter Vorhersagemodells 7 Belastungsphasen und Erholungsphasen in Form eines Allradbedarfs für die vorausliegende Wegstrecke ermittelt.
Weiterhin wird von der Steuereinheit 6 abhängig von den vorausschauend ermittelten Belastungsphasen und Erholungsphasen bei einer vergleichsweise langen prognostizierten Erholungsphase nach einer Belastungsphase eine höhere Nutzung der sekundär antreibenden Antriebseinheit 4 freigegeben als bei einer vergleichsweise geringen prognostizierten Erholungsphase.
Alternativ oder zusätzlich wird mit steigendem Allradbedarf die Nutzung der sekundär antreibenden Antriebseinheit 4 erhöht.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit 6 weiterhin derart ausgestaltet, dass bei prognostizierter Kurvigkeit über einem vorgegebenen Schwellwert und/oder bei prognostizierter Steigung über einem vorgegebenen Schwellwert eine erhöhte Belastungsphase angenommen wird.
Anhand von 2 wird ein Durchfahren von drei verschiedenen Fahrstrecken-Zonen mit Streckenabschnitten hoher Kurvigkeit und starker Steigung als Ausführungsbeispiel dargestellt, nämlich Zone 1 bei trockener Straße (vergleichsweise hoher Reibwert), Zone 2 bei Nässe (mittlerer Reibwert), Zone 3 bei Schnee (vergleichsweise niedriger Reibwert). Rechts von den Zonen wird der korrespondierende ermittelte Allradbedarf dargestellt.
In 3 wird der Übergang von Zone 2 auf Zone 3 genauer beleuchtet (siehe gestrichelter Ausschnitt aus 2).
Das Ausführungsbeispiel betrifft eine längere Wegstrecke bei kurviger Bergstraße:

Über oben genannte Eingangsinformationen liegen der Steuereinheit 6 und somit dem Vorhersagemodell 7 folgende Prognose vor:
- Die ersten 4 Kurven weisen griffigen Belag (Hochreibwert) auf, danach folgen 4 höher gelegene Kurven bei Nässe, schließlich folgen oben am Gipfel Kurven bei Schnee.

Die erfindungsgemäße Betriebsstrategie wird wie folgt gewählt:

Zone 1: Vermeidung der Nutzung der sekundären E-Maschine 2 bzw. der AWD-E-Achse 5, die primäre Achse 3 übernimmt mit der primären E-Maschine 2 den Vortrieb. Die AWD-E-Achse 5 wird nur bei Leistungsaddition in Beschleunigungsphasen so kurz wie möglich zugeschaltet.
Zone 2: Höhere Anteile der Nutzung der AWD-E-Achse 5 aufgrund niedrigerem Reibwert werden zugelassen. Belastungs- und Erholungsphasen der AWD-E-Achse 5 werden bilanziert und die Verfügbarkeit maximal gehalten.
Zone 3: Die sekundäre E-Maschine 4 bzw. die AWD-E-Achse 5 wird in jeder Beschleunigungsphase erlaubt. Es wird eine genaue Bilanzierung zwischen Erholungsphasen (nahezu konstante Geschwindigkeit) und Belastungsphasen (dynamische Antriebsmomentanforderungen) vorgenommen, damit eine wahrnehmbare Degradation über die Fahrstrecke vermieden wird. Bremsungen mittels Rekuperation insbesondere vor starken Kurven können die Verfügbarkeit der sekundären E-Maschine 2 durch Verlängerung der prognostizierten Erholungsphasen weiter erhöhen.

Somit ist ein Elektrofahrzeug 1 geschaffen, das bedarfsweise hohe Beschleunigungswerte mit vergleichsweise langer Verfügbarkeit erbringt. Zudem muss keine entsprechend größer ausgebildete elektrische Antriebseinheit verwendet werden, um die hohen Beschleunigungswerte zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016213730 A1 [0003]

Claims

Antriebssystem für ein zumindest zeitweise straßengekoppelt allradangetriebenes Elektrofahrzeug (1), mit einer ersten elektrischen primär antreibenden Antriebseinheit (2), die einer ersten Achse (3) des Elektrofahrzeugs (1) zugeordnet ist, mit einer zweiten elektrischen sekundär antreibenden Antriebseinheit (4), die einer zweiten Achse (5) des Elektrofahrzeugs (1) zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuereinheit (6), die derart ausgestaltet ist, dass sie aufgrund definierter vorausschauender reibwertbezogener Eingangsinformationen und aufgrund eines gespeicherten Vorhersagemodells (7) Belastungsphasen und Erholungsphasen in Form eines Allradbedarfs ermittelt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass abhängig von den vorausschauend ermittelten Belastungsphasen und Erholungsphasen bei einer vergleichsweise langen prognostizierten Erholungsphase nach einer Belastungsphase eine höhere Nutzung der sekundär antreibenden Antriebseinheit (4) freigegeben wird als bei einer vergleichsweise geringen prognostizierten Erholungsphase.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass mit steigendem Allradbedarf die Nutzung der sekundär antreibenden Antriebseinheit (4) erhöht wird.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass bei prognostizierter Kurvigkeit über einem vorgegebenen Schwellwert und/oder bei prognostizierter Steigung über einem vorgegebenen Schwellwert eine erhöhte Belastungsphase prognostiziert wird.
Elektronische Steuereinheit (6) für ein Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Patentansprüche.
Computerprogrammprodukt (7) für eine elektronische Steuereinheit (6) eines Antriebssystems nach einem der vorangegangenen Patentansprüche.