DE102020111605A1 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (100) eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens (10) mit einer ersten, von wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (112) angetriebenen Achse (110) und mit einer zweiten, von wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (122) angetriebenen Achse (120), wobei die zweite Achse (120) zu- und abschaltbar ist und eine Trennkupplung (125) aufweist, mit welcher der Kraftfluss zwischen den Rädern (126, 127) und der zweiten elektrischen Maschine (122) unterbrechbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mehrere Schritte zum Abschalten der zweiten Achse (120) und/oder mehrere Schritte zum Zuschalten der zweiten Achse (120) während des Fahrbetriebs des Kraftwagens (10).
Die Erfindung betrifft ferner ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Steuergerät (130) für einen entsprechenden Antriebsstrang (100).

Description

  • Die Erfindung betrifft gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens (Elektroauto) mit einer ersten, von wenigstens einer ersten elektrischen Maschine angetriebenen Achse und mit einer zweiten, von wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine angetriebenen Achse, wobei die zweite Achse zu- und abschaltbar ist und ferner eine Trennkupplung aufweist, mit welcher der Kraftfluss zwischen den Rädern (der zweiten Achse) und der zweiten elektrischen Maschine bzw. dem Achsantrieb (der zweiten Achse) unterbrechbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für einen solchen Antriebsstrang.
  • Die DE 10 2017 215 477 B4 beschreibt bereits ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens mit zu- und abschaltbarem Vierradantrieb. Der Antriebsstrang (10) weist einen als Verbrennungskraftmaschine oder als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebsmotor (22), eine von dem Antriebsmotor (22) antreibbare erste Achse (36) und eine ebenfalls von diesem Antriebsmotor (22) über eine erste Kupplung (12) antreibbare zweite Achse (44) auf, wobei die zweite Achse (44) mithilfe der ersten Kupplung (12) beim Abschalten des Vierradantriebs von dem Antriebsmotor (22) abgekoppelt wird. Die zweite Achse (44) weist eine zweite Kupplung (52) auf, die beim Abschalten des Vierradantriebs geöffnet wird, sodass die von der ersten Kupplung (12) zur zweiten Achse (44) führende Kardanwelle (54) stillgelegt ist und weder von den Rädern (46, 48) der abgekoppelten Achse (44) noch von dem Antriebsmotor (22) angetrieben wird. Dadurch kann ein besonders effizienter Zweiradantrieb dargestellt werden.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik soll mit der Erfindung bei einem Antriebsstrang eingangs genannter Art mit wenigstens einer ersten elektrischen Maschine für den Antrieb der ersten Achse und mit wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine für den Antrieb der zweiten Achse ein ruckfreies und insbesondere auch weitgehend geräuschfreies Zu- und Abschalten der zweiten Achse während des Fahrbetriebs ermöglicht werden.
  • Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 3. Mit dem Patentanspruch 9 erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Steuergerät bzw. auf ein Hauptsteuergerät für einen entsprechend ausgebildeten Antriebsstrang eines Kraftwagens, welches zur Steuerung bzw. Koordinierung wenigstens eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Zusätzliche Merkmale ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
  • Die Erfindung sieht vor, dass zum Abschalten der zweiten Achse, d. h. beim Wechsel vom Zweiachsmodus bzw. Vierradantrieb in den Einachsmodus bzw. Zweiradantrieb, während des Fahrbetriebs folgende Schritte, in dieser Reihenfolge, ausgeführt werden:
    • - Erhöhen der Antriebs- bzw. Vortriebsleistung an der ersten Achse und Verringern der Antriebs- bzw. Vortriebsleistung an der zweiten Achse, wobei das Antriebsmoment der ersten elektrischen Maschine sukzessive erhöht und gleichzeitig das Antriebsmoment der zweiten elektrischen Maschine im selben Maße, d. h. dem Anstieg der Antriebsleistung an der ersten Achse entsprechend, sukzessive verringert wird, bis (schließlich) die erste Achse die gesamte Antriebs- bzw. Vortriebsleistung (des Kraftwagens) übernimmt;
    • - nachdem die erste Achse die gesamte Vortriebsleistung übernommen hat, Ausführen einer Nullmomentregelung an der zweiten Achse, wobei mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine die durch das Schleppen der zweiten Achse erzeugte Verlustleistung kompensiert bzw. ausgeglichen wird;
    • - Öffnen der Trennkupplung, insbesondere mithilfe eines Aktuators.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zweite elektrische Maschine nach dem Öffnen der Trennkupplung ausdreht bzw. austourt, insbesondere bis zum Stillstand, wobei bevorzugt (aus der mechanischen Energie) elektrische Energie rekuperiert und insbesondere einer Fahrzeugbatterie zugeführt wird.
  • Die Erfindung sieht ferner vor, dass zum Zuschalten bzw. Wiederanbinden der zweiten Achse, d. h. beim Wechsel vom Einachsmodus bzw. Zweiradantrieb in den Zweiachsmodus bzw. Vierradantrieb, während des Fahrbetriebs folgende Schritte, in dieser Reihenfolge, ausgeführt werden:
    • - Anfahren bzw. Starten der zweiten elektrischen Maschine, insbesondere aus dem Stillstand, und Erhöhen deren Drehzahl auf eine fahrsituationsabhängige, insbesondere geschwindigkeitsabhängige, Solldrehzahl, wobei die zweite elektrische Maschine unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses (an der zweiten Achse) auf die Drehzahl der (drehenden) Räder (der zweiten Achse) synchronisiert wird;
    • - Schließen der Trennkupplung, insbesondere mithilfe eines Aktuators, sobald die Drehzahlen (der zweiten elektrischen Maschine und der Räder der zweiten Achse) synchronisiert sind, wobei an der Trennkupplung eine Drehzahlgleichheit zwischen den Kupplungselementen erreicht ist.
  • Beim Erhöhen der Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine kann die Solldrehzahl überwacht und gegebenenfalls an eine veränderte Fahrsituation angepasst bzw. entsprechend aktualisiert werden. Auch beim Schließen bzw. während des Schließens der Trennkupplung können die Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine und/oder die Solldrehzahl überwacht und gegebenenfalls angepasst werden.
  • Nach dem Öffnen der Trennkupplung oder gegebenenfalls auch schon während des Öffnens der Trennkupplung und/oder nach dem Schließen der Trennkupplung oder gegebenenfalls schon während des Schließens der Trennkupplung kann eine Sicherheitsüberprüfung erfolgen, um sicherzustellen, dass die Trennkupplung ordnungsgemäß geöffnet bzw. geschlossen ist. Dies kann bspw. mithilfe von Positionssensoren erfolgen, die an der Tennkupplung verbaut sind. Alternativ kann die Überprüfung mithilfe eines von der zweiten elektrischen Maschine erzeugten Testmoments und der Plausibilisierung von daraufhin gemessenen bzw. erfassten Drehzahlen erfolgen.
  • Das Ab- und/oder Zuschalten der zweiten Achse bzw. des Achsantriebs kann fahrsituationsabhängig automatisch erfolgen, insbesondere mithilfe eines zentralen Steuergeräts bzw. eines Hauptsteuergeräts (ECU), welches während des Fahrbetriebs permanent überprüft, ob der Kraftwagen besser im Einachsmodus bzw. Zweiradantrieb oder im Zweiachsmodus bzw. Vierradantrieb bewegt werden sollte. Als Entscheidungsgrundlagen können verwendet werden: Raddrehzahlen, Drehzahlen der elektrischen Maschinen, Gaspedalstellung, Bremspedalstellung, Witterungsbedingungen (z. B. Temperatur und Luftfeuchtigkeit), GPS-Daten (zur Prognose des weiteren Straßenverlaufs) und dergleichen, einschließlich deren Gradienten. Das Ab- und/oder Zuschalten kann auch auf Fahrerwunsch erfolgen bzw. manuell durch den Fahrer ausgelöst werden. Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßes Ab- und/oder Zuschalten in beiden Fällen von einem Hauptsteuergerät (ECU) des Antriebsstrangs gesteuert bzw. koordiniert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Antriebsstrang eines Kraftwagens.
    • 2 veranschaulicht in einem schematischen Diagramm das Abschalten der zweiten Achse am Antriebsstrang der 1.
    • 3 veranschaulicht in einem schematischen Diagramm das Zuschalten der zweiten Achse am Antriebsstrang der 1.
  • 1 zeigt einen im Ganzen mit 100 bezeichneten Antriebsstrang für einen beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen 10, der einen rein elektrischen Antrieb aufweist (Elektroauto). Der Antriebsstrang 100 umfasst eine erste Achse 110 und eine zweite Achse 120, die entsprechend der Fahrtrichtung F als Vorder- und Hinterachse ausgebildet sind.
  • Die erste Achse 110 wird von einer ersten elektrischen Maschine (erste E-Maschine) 112 angetrieben, welche über eine Getriebestufe 113 und ein Differentialgetriebe 114 mit den Rädern (Vorderrädern) 116 und 117 verbunden ist, wobei die elektrische Maschine 112, die Getriebestufe 113 und das Differentialgetriebe 114 einen Achsantrieb für die erste Achse bzw. Vorderachse 110 bilden.
  • Die zweite Achse 120 wird von einer zweiten elektrischen Maschine (zweite E-Maschine) 122 angetrieben, welche über eine Getriebestufe 123 und ein Differentialgetriebe 124 mit den Rädern (Hinterrädern) 126 und 127 verbunden ist, wobei die elektrische Maschine 122, die Getriebestufe 123 und das Differentialgetriebe 124 einen Achsantrieb für die zweite Achse bzw. Hinterachse 120 bilden, der im Wesentlichen unabhängig vom Achsantrieb der ersten Achse 110 ist. Die zweite Achse 120 weist ferner eine Trennkupplung 125 mit einem Aktuator (Trennkupplungsaktuator) 125a auf, mit welcher der Kraftfluss zwischen den Rädern 126, 127 und der zweiten elektrischen Maschine 122 bzw. dem Achsantrieb unterbrochen werden kann. Die Kupplungselemente der Trennkupplung 125 sind bspw. als Kupplungsklauen mit Plan- bzw. Stirnverzahnungen ausgebildet.
  • Die zweite Achse 120 ist während des Fahrbetriebs des Kraftwagens 10 zu- und abschaltbar, wodurch der Antriebsstrang 100 wahlweise im Zweiachsmodus bzw. Vierradantrieb oder im Einachsmodus bzw. Zweiradantrieb betrieben werden kann. Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 und 3 das erfindungsgemäße Ab- und Zuschalten der zweiten Achse bzw. Hinterachse 120 erläutert, wobei die Erläuterungen sinngemäß für einen Antriebsstrang gelten, bei dem die Vorderachse als zu- und abschaltbare zweite Achse ausgebildet ist. Das Ab- und Zuschalten geht schnell vonstatten und liegt im Millisekundenbereich, erfolgt also jeweils im Bruchteil einer Sekunde.
  • Das Ab- und Zuschalten der zweiten Achse 120 wird von einem Hauptsteuergerät (ECU) 130 gesteuert, das hierbei quasi als Koordinator fungiert. Das Hauptsteuergerät 130 ist entsprechend ausgebildet und insbesondere mit einer geeigneten Software ausgestattet. Das Hauptsteuergerät 130 kommuniziert (bspw. über einen CAN-Bus) mit der Leistungselektronik 111 der ersten elektrischen Maschine 112, mit der Leistungselektronik 121 der zweiten elektrischen Maschine 122 und mit der Trennkupplung 125 bzw. mit deren Aktuator 125a. Das Hauptsteuergerät 130 ist ferner mit diversen Sensoren, mit denen bspw. Drehzahlen und Positionen gemessen bzw. erfasst werden können, und gegebenenfalls auch mit anderen Steuergeräten verbunden.
  • Wie in 2 veranschaulicht, wird während eines Fahrbetriebs mit Antriebs- bzw. Vortriebsleistung an beiden Achsen 110, 120 (bspw. 40 % an der Vorderachse 110 und 60 % an der Hinterachse 120) zum Zeitpunkt t0 das Abschalten der zweiten Achse 120 eingeleitet, wobei dies automatisch oder auf Fahrerwunsch erfolgt. Nach einer kurzen Latenzzeit (t0 bis t1) beginnt zum Zeitpunkt t1 eine Umverteilung bzw. Verlagerung der Antriebs- bzw. Vortriebsleistung durch Erhöhen der Antriebsleistung an der ersten Achse 110 und Verringern der Antriebsleistung an der zweiten Achse 120, indem das Antriebsmoment M1 der ersten elektrischen Maschine 112 sukzessive erhöht und gleichzeitig das Antriebsmoment M2 der zweiten elektrischen Maschine 122 im selben Maße sukzessive verringert bzw. reduziert wird, sodass die gesamte Antriebs- bzw. Vortriebsleistung Mges im Wesentlichen unverändert bleibt (sofern gleichzeitig keine Beschleunigung oder Verzögerung des Kraftwagens 10 erfolgt, was entsprechend berücksichtigt werden kann). Mit anderen Worten: Während der Umverteilungs- bzw. Verlagerungsphase (t1 bis t2) wird an der abzuschaltenden zweiten Achse 120 das Antriebsmoment M2 in dem Maße abgebaut, wie das Antriebsmoment M1 an der weiterhin antreibenden ersten Achse 110 aufgebaut wird.
  • Zum Zeitpunkt t2 hat die erste Achse 110 die gesamte Antriebs- bzw. Vortriebsleistung übernommen. Nun wird an der zweiten Achse 120 eine Nullmomentregelung ausgeführt (t2 bis t3), wobei mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine 122 die durch das Schleppen der zweiten Achse 120 erzeugte Verlustleistung kompensiert wird, sodass an der Trennkupplung 125 keine Drehmomente mehr übertragen werden und diese daher ruckfrei und weitgehend kraftfrei geöffnet werden kann. Zum Zeitpunkt t3 wird dann die Trennkupplung 125 durch den Aktuator 125a geöffnet (t3 bis t4), wodurch jeglicher Kraft- bzw. Drehmomentfluss zwischen den drehenden Rädern 126, 127 und der zweiten elektrischen Maschine 122 unterbrochen wird bzw. die drehenden Räder 126, 127 vom Achsantrieb abgekoppelt werden und nur noch das Differentialgetriebe 124 ohne nennenswerten Widerstand durchdreht. Dadurch wird ein besonders effizienter Zweiradantrieb realisiert.
  • Nachdem die Trennkupplung 125 geöffnet ist, kann ab dem Zeitpunkt t4 die zweite elektrische Maschine 122 ausdrehen, wobei sich deren Drehzahl n2 bis zum Stillstand (Zeitpunkt t5) verringert (sofern die zweite Achse 120 währenddessen nicht wieder zugeschaltet wird). Bevorzugt wird die Drehzahl n2 der zweiten elektrischen Maschine 122 erst nach einer Sicherheitsüberprüfung (s. o.) verringert bzw. reduziert, um sicherzustellen, dass die Trennkupplung 125 geöffnet ist. Während dieser Ausdreh- bzw. Auslaufphase (t4 bis t5) kann durch die zweite elektrische Maschine 122 elektrische Energie rekuperiert werden. Durch Umschalten der zweiten elektrischen Maschine 122 in den Rekuperationsmodus kann zudem eine die Ausdreh- bzw. Auslaufzeit verkürzende Bremswirkung erzeugt werden.
  • Wie in 3 veranschaulicht, wird zum Zeitpunkt T0 das Zuschalten der zweiten Achse 120 eingeleitet, wobei dies automatisch oder auf Fahrerwunsch erfolgt. Nach einer kurzen Latenzzeit (T0 bis T1) wird zum Zeitpunkt T1 die zweite elektrische Maschine 122 aus dem Stillstand (n2 = 0) angefahren bzw. gestartet und deren Drehzahl n2 auf eine fahrsituationsabhängige Solldrehzahl nsoll erhöht, insbesondere eingeregelt, wobei die Drehzahl n2 der zweiten elektrischen Maschine 122 unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses (in der Getriebestufe 123 und/oder im Differentialgetriebe 124) auf die Drehzahl der Räder 126, 127 synchronisiert wird (T1 bis T2). Die Solldrehzahl nsoll ergibt sich somit aus der aktuellen Drehzahl der Räder 126, 127, korrigiert um das Verhältnis der Achsübersetzung. Währenddessen kann die Solldrehzahl nsoll überprüft und gegebenenfalls an eine veränderte Fahrsituation angepasst bzw. entsprechend aktualisiert werden.
  • Zum Zeitpunkt T2 wird die Trennkupplung 125 durch den Aktuator 125a geschlossen (T2 bis T3), sobald die Drehzahlen synchronisiert sind (d. h. n2 = nsoll) und dadurch an der Trennkupplung 125 eine Synchrondrehzahl bzw. Drehzahlgleichheit (gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Toleranz von bspw. 30 rpm) zwischen den Kupplungselementen erreicht ist. Während des Schließens der Trennkupplung 125 können die Drehzahlen n2 und nsoll überwacht und gegebenenfalls angepasst werden. Nach dem Schließen wird bevorzugt noch eine Sicherheitsüberprüfung (s. o.) ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Trennkupplung 125 geschlossen ist. Danach (d. h. ab T3 bzw. nach der Sicherheitsüberprüfung) kann die zweite elektrische Maschine 122 zum Antrieb des Kraftwagens 10 oder auch zur Rekuperation bzw. zum Bremsen des Kraftwagens 10 genutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017215477 B4 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (100) eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens (10) mit einer ersten, von wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (112) angetriebenen Achse (110) und mit einer zweiten, von wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (122) angetriebenen Achse (120), wobei die zweite Achse (120) zu- und abschaltbar ist und eine Trennkupplung (125) aufweist, mit welcher der Kraftfluss zwischen den Rädern (126, 127) und der zweiten elektrischen Maschine (122) unterbrechbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschalten der zweiten Achse (120) während des Fahrbetriebs folgende Schritte ausgeführt werden: - Erhöhen der Antriebsleistung an der ersten Achse (110) und Verringern der Antriebsleistung an der zweiten Achse (120), wobei das Antriebsmoment (M1) der ersten elektrischen Maschine (112) sukzessive erhöht und gleichzeitig das Antriebsmoment (M2) der zweiten elektrischen Maschine (122) im selben Maße sukzessive verringert wird, bis die erste Achse (110) die gesamte Antriebsleistung übernimmt; -Ausführen einer Nullmomentregelung an der zweiten Achse (120), wobei mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine (122) die durch das Schleppen der zweiten Achse (120) erzeugte Verlustleistung kompensiert wird; - Öffnen der Trennkupplung (125).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (122) nach dem Öffnen der Trennkupplung (125) bis zum Stillstand (n2 = 0) ausdreht, wobei elektrische Energie rekuperiert wird.
  3. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, zum Betreiben eines Antriebsstrangs (100) eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens (10) mit einer ersten, von wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (112) angetriebenen Achse (110) und mit einer zweiten, von wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (122) angetriebenen Achse (120), wobei die zweite Achse (120) zu- und abschaltbar ist und eine Trennkupplung (125) aufweist, mit welcher der Kraftfluss zwischen den Rädern (126, 127) und der zweiten elektrischen Maschine (122) unterbrechbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuschalten der zweiten Achse (120) während des Fahrbetriebs folgende Schritte ausgeführt werden: - Anfahren der zweiten elektrischen Maschine (122) und Erhöhen deren Drehzahl (n2) auf eine fahrsituationsabhängige Solldrehzahl (nsoll), wobei die zweite elektrische Maschine (122) unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses auf die Drehzahl der Räder (126, 127) synchronisiert wird; - Schließen der Trennkupplung (125), sobald die Drehzahlen synchronisiert sind (n2 = nsoll).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhöhen der Drehzahl (n2) der zweiten elektrischen Maschine (122) die Solldrehzahl (nsoll) überwacht und gegebenenfalls an eine veränderte Fahrsituation angepasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen der Trennkupplung (125) die Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine (n2) und die Solldrehzahl (nsoll) überwacht und gegebenenfalls angepasst werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen der Trennkupplung (125) und/oder nach dem Schlie-ßen der Trennkupplung (125) eine Sicherheitsüberprüfung erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass fahrsituationsabhängig das Ab- und/oder Zuschalten der zweiten Achse (120) automatisch erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab- und/oder Zuschalten der zweiten Achse (120) manuell durch den Fahrer ausgelöst wird.
  9. Steuergerät (130) für den Antriebsstrang (10) eines elektrisch angetriebenen Kraftwagens (10) gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei dieses Steuergerät (130) dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
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