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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Bremsvorrichtung für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit den Schritten: Beginn einer Bremsung mit einer Reibungsbremse des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs; Abfragen eines Ladezustands eines elektrischen Traktionsenergiespeichers; Abfragen einer Temperatur des elektrischen Traktionsenergiespeichers; Ermitteln einer Aufnahmefähigkeit des elektrischen Traktionsenergiespeichers für elektrische Energie; Rekuperatives Bremsen mit einer Bremsleistung der elektrischen Antriebs und Laden des elektrischen Traktionsenergiespeichers und/oder Zuschalten von elektrischen Verbrauchern einer Fahrgastraumkonditionierung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Bremsvorrichtung eine Reibungsbremse und eine rekuperativ arbeitende Bremsanlage umfasst.
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Stand der Technik
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Die Elektrifizierung des Antriebs von Kraftfahrzeugen, welche als batterieelektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge oder als sogenannte Hybridfahrzeuge ausgebildet sind, ermöglicht die Nutzung des elektrischen Antriebs als verschleißfreie Bremse mit dem Vorteil der Erweiterung der elektrischen Reichweite von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen mit Hilfe der beim rekuperativen Bremsen erzeugten und in die Traktionsbatterie eingespeicherten elektrischen Energie. Die Nutzung des elektrischen Antriebs als verschleißfreie Bremse ermöglicht es, lange Passabfahrten ohne Überhitzungsgefahr für die Reibungsbremsen durchzuführen. Bei konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen muss in diesem Fall das mechanische Schleppmoment des Verbrennungsmotors zusätzlich genutzt werden. Dies kann bei manuell geschalteten Getrieben in konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen durch einlegen eines kleinen Gangs erfolgen. Moderne Automatikgetriebe erledigen dieses Herunterschalten bei Gefällefahrten selbständig.
Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen steht mit dem elektrischen Antrieb eine verschleißfreie Bremse zur Verfügung. Diese kann abhängig von der Auslegung des jeweiligen Antriebs eine größere Verzögerungsleistung bieten als das Schleppmoment eines Verbrennungsmotors. Die dabei zurückgewonnene elektrische Energie wird in die Traktionsbatterie des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs eingespeichert. Wichtig ist dabei in jedem Fall eine Aufnahmefähigkeit des elektrischen Traktionsenergiespeichers.
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In der
DE 10 2008 061 583 A1 wird ein elektrisches Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem ersten Energiespeichersystem und einem zweiten Energiespeichersystem beschrieben. Das beschriebene zweite Energiespeichersystem kann zeitweise zur Erhöhung der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors diesem zugeschaltet werden. Die beiden Energiespeichersysteme können unterschiedlich ausgelegt werden. Durch die unterschiedliche Auslegung der beiden Energiespeichersysteme kann sowohl der Thematik der Reichweite von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen als auch der Spitzenleistung von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen Rechnung getragen werden. Durch die unterschiedliche Auslegung der beiden Energiespeichersysteme können Aspekte der Gewichtsreduktion, Kühlung und Größe der Energiespeichersysteme berücksichtigt werden.
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Bei einer Verwendung nur eines Energiespeichersystems oder von mehreren gleich ausgelegten Energiespeichersystemen ist die Anzahl oder Größe von Energiespeichern nach der maximalen Leistungsaufnahme (Spitzenleistung) des elektrischen Antriebsmotors auszulegen, wobei hier dem Gesichtspunkt der maximalen Reichweite nicht gesondert Rechnung getragen werden kann. Es würden daher viele gleich ausgelegte Energiespeicher (Energiezellen, Batterien) benötigt, was zu erhöhtem Gewicht und erhöhten Kosten führt.
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Eine entsprechende große Dimensionierung des ersten Energiespeichersystems (z.B. einer Hauptbatterie) kann nun mit dem zweiten Energiespeichersystem vermieden werden, welches zusätzliche Leistung dem Antriebsmotor bei Spitzenlast liefert. Dieses zweite Energiespeichersystem wird im Folgenden auch abkürzend als Boost-Batterie bezeichnet. Diese Boost-Batterie kann besonders für hohe Leistungsabgabe ausgelegt sein und dabei gleichzeitig mit geringem Energiespeichervolumen ausgestattet sein. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Antriebssystems.
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In Fällen einer hohen Leistungsentnahme des Antriebsmotors oder hoher Rückspeisungsleistung (z.B. beim rekuperativen Bremsen) wird die Spitzenlast sowohl aus der Hauptbatterie als auch der Boostbatterie entnommen bzw. sowohl in die Hauptbatterie als auch in die Boostbatterie zurückgespeist. Während einer normalen Fahrt des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges wird hingegen vorzugsweise der Antriebsmotor ausschließlich von der Hauptbatterie versorgt. Damit kann die Hauptbatterie auf höchste Reichweite des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges und somit kostengünstig ausgelegt sein, während die Spitzenleistung aus der Boost-Batterie geliefert wird, die entsprechend für die Abgabe von Spitzenleistung ausgelegt ist.
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Nachteilig an diesem Vorschlag des Standes der Technik ist, dass auch die Auslegung mit zwei Energiespeichersystemen kein rekuperatives Bremsen zulässt, wenn die beiden Energiespeichersysteme vollgeladen sind und das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug abgebremst werden soll. In nachteiliger Weise ist in diesem Fall nur die Nutzung der Reibungsbremse möglich, was bei langen Bremsvorgängen wie beispielsweise im Gefälle oder bei Passabfahrten zu einer nachteiligen Aufheizung der Reibungsbremse aufgrund der fehlenden rekuperativen Bremswirkung des elektrischen Antriebs führt. Die Reibungsbremse ist daher in jedem Fall so auszulegen, dass die erforderliche Bremsleistung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs auf Dauer von der Reibungsbremse alleine aufgebracht werden kann.
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In der
EP 2 144 794 B1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbremsanlage sowie eine Fahrzeugbremsanlage beschrieben. Insbesondere wird ein Verfahren für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Vorderachse und mindestens einer Hinterachse beschrieben, wobei jeder Achse mindestens zwei Fahrzeugräder zugeordnet sind. Mindestens eine ein Bremsmoment erzeugende, vorzugsweise hydraulisch betätigbare Radbremse ist an der mindestens einen Vorderachse und/oder an der mindestens einen Hinterachse vorgesehen, wobei die einer Achse zugeordneten Fahrzeugräder zumindest teilweise von einem Elektromotor angetrieben werden, der während einer Rekuperation von Bremsenergie als Generator betreibbar ist und dabei ein bremsendes Rekuperationsmoment auf die jeweilige Achse ausübt.
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Dabei wird das Rekuperationsmoment der durch den elektrischen Antrieb gebremsten Achse in Abhängigkeit von einer Schlupfschwelle gesteuert.
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Nachteilig an diesem Vorschlag des Standes der Technik ist, dass keine Berücksichtigung des Ladezustands des elektrischen Traktionsenergiespeichers erfolgt. Bei einem vollgeladenen elektrischen Traktionsenergiespeicher kann keine rekuperative Bremsung durchgeführt werden, wenn das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug abgebremst werden soll. Auch in diesem Vorschlag des Standes der Technik ist in nachteiliger Weise in diesem Fall ausschließlich die Nutzung der Reibungsbremse möglich, was bei langen Bremsvorgängen wie beispielsweise im Gefälle oder bei Passabfahrten zu einer nachteiligen Aufheizung der Reibungsbremse aufgrund der fehlenden rekuperativen Bremswirkung des elektrischen Antriebs führt. Die Reibungsbremse ist daher in jedem Fall so auszulegen, dass die erforderliche Bremsleistung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs auf Dauer von der Reibungsbremse alleine aufgebracht werden kann.
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Es besteht daher der Bedarf an einem Verfahren zum Bremsen eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, welches rekuperatives Bremsen in jedem Fall und auf Dauer ermöglicht und einer geeigneten Vorrichtung dazu.
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Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum rekuperativen Bremsen eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, welches auch im Fall einer vollständig geladenen Traktionsbatterie das rekuperative Bremsen auf Dauer ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Bremsvorrichtung für elektrische Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1 hat den Vorteil, dass zur Bremsung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs in einem ersten Schritt eine Reibungsbremse eingesetzt wird. In einem folgenden zweiten Schritt wird der Ladezustand des elektrischen Traktionsenergiespeichers abgefragt. Weiterhin wird in einem weiteren Schritt die Temperatur des elektrischen Traktionsenergiespeichers ermittelt und in einem weiteren Schritt die Aufnahmefähigkeit des elektrischen Traktionsenergiespeichers für elektrische Energie. Im nächsten Schritt wird die Bremsleistung des elektrischen Antriebs zu rekuperativen Bremsen eingesetzt und der elektrische Traktionsenergiespeicher geladen. Weiterhin werden in Abhängigkeit von der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Traktionsenergiespeichers für elektrische Energie elektrische Verbraucher der Fahrgastraumkonditionierung zugeschaltet. Die Durchführung dieser Schritte führt vorteilhaft dazu, dass auch in dem Fall eines bereits voll geladenen elektrischen Traktionsenergiespeichers die Bremsleistung des elektrischen Antriebs durch Zuschalten von elektrischen Lasten genutzt werden kann und somit die Reibungsbremse des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs in vorteilhafter Weise entlastet wird. Die elektrischen Lasten sind in vorteilhafter Weise elektrische Verbraucher der Fahrgastraumkonditionierung. Durch einen schnellen Einsatz der Bremsleistung des elektrischen Antriebs zum rekuperativen Bremsen kann die Bremsleistung der Reibungsbremse vermindert und/oder ganz zurückgenommen werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Verfahren und Vorrichtungen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhafterweise erhält das Verfahren zum Betrieb einer Bremsvorrichtung für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge weiterhin Informationen über die zu erwartende Fahrstrecke von einem Navigationssystem des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs an eine Ladesteuerung des elektrischen Traktionsenergiespeichers. Somit kann in vorteilhafter Weise bei einer bevorstehenden Gefällefahrt das Aufladen des elektrischen Traktionsenergiespeichers bereits vor dem Erreichen des Volllade-Zustands beendet werden und somit der elektrische Energiespeicher die durch das rekuperative Bremsen zurückgewonnene elektrische Energie aufnehmen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass bei einer bevorstehenden Gefällefahrt der elektrische Traktionsenergiespeicher bereits vor Fahrtantritt durch eine Inbetriebnahme der elektrischen Verbraucher der Fahrgastraumkonditionierung zumindest teilweise geleert werden kann so dass der elektrische Energiespeicher die durch das rekuperative Bremsen bei der Gefällefahrt zurückgewonnene elektrische Energie aufnehmen kann.
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In vorteilhafter Weise dient eine Betriebsbremsanlage zur Durchführung des Verfahrens, welche eine Reibungsbremse und eine rekuperativ arbeitende Bremsanlage umfasst. Von großem Vorteil ist es, dass durch den erfindungsgemäßen Betrieb der Kombination der rekuperativ arbeitenden Bremsanlage mit der Reibungsbremse die Reibungsbremse mit der rekuperativ arbeitenden Bremsanlage zusammen ausgelegt werden können. Durch die einfachere Auslegung und/oder geringere Dimensionierung der Reibungsbremse ergeben sich Vorteile durch Kosten-, Bauraum- und Gewichtseinsparungen.
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Weiterhin bietet die Verbindung der Reibungsbremse mit der Fahrgastkonditionierung über Luftkanäle und Schaltklappen den großen Vorteil, dass die von einer elektrisch betriebenen Klimaanlage erzeugte Kühlluft direkt auf die Reibungsbremse geleitet werden kann und diese Reibungsbremse dadurch zusätzlich gekühlt werden kann. Aufgrund der Kühlung der Reibungsbremse kann diese einfacher ausgelegt und/oder geringer dimensioniert werden, womit sich für die Reibungsbremse Vorteile durch Kosten-, Bauraum- und Gewichtseinsparungen ergeben.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb einer Bremsvorrichtung für elektrische Kraftfahrzeuge;
- 2 eine beispielhafte Vorrichtung eines batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs zur Kühlung der Reibungsbremse mit Hilfe von Mitteln der Fahrgastraumkonditionierung.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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Die 1 zeigt beispielhaft den Ablauf des Verfahrens 1 zum Betrieb einer Bremsvorrichtung 16 für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge 2.
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In einem ersten Schritt A beginnt eine Bremsung mit der Reibungsbremse 3 des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2. Dieser Bremsvorgang kann je nach Auslegung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2 durch den Fahrer über das Betätigen einer Bremsbetätigungsvorrichtung ausgelöst werden. Bei einer anderen Auslegung des elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs kann der Bremsvorgang des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2 durch den Fahrer dadurch ausgelöst werden, dass der Fahrer die Momentenanforderung so weit zurücknimmt, dass ein negatives Moment angefordert wird.
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Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen 2, welche durch einen Fahrer gefahren werden, bildet das Bremspedal die Bremsbetätigungsvorrichtung. Bei elektrisch angetriebenen Krafträdern bildet beispielsweise ein Handbremshebel am Lenker oder ein durch einen Fuß zu betätigendes Bremspedal die Betätigungsvorrichtung. Weiterhin wird bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen 2, welche durch einen Fahrer gefahren werden, vom Fahrer über die Betätigung des Fahrpedals das Moment des Antriebs angefordert. Bei elektrisch angetriebenen Krafträdern bildet beispielsweise ein sogenannter Gasgriff am Lenker oder ein Gashebel am Lenker die Vorrichtung zur Anforderung von Antriebsmoment.
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Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen 2, welche über Einrichtungen zum automatisierten Fahren und zur Beeinflussung der Längsdynamik verfügen, wird ein Bremsvorgang durch die Einrichtungen zum automatisierten Fahren ausgelöst.
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Zu Beginn des Bremsvorgangs wird in Schritt A nur die vorhandene Reibungsbremse 3 genutzt, wenn der Ladezustand 5 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 nicht bekannt ist.
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In einem weiteren Schritt B wird der Ladezustand 5 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 abgefragt. Der Ladezustand 5 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 bildet die erste wichtige Information zum Betrieb der rekuperativen Bremse des elektrischen Antriebs.
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In einem weiteren Schritt C wird die Temperatur 6 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 abgefragt. Die Temperatur 6 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 bildet eine weitere wichtige Information zum Betrieb der rekuperativen Bremse des elektrischen Antriebs.
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Im folgenden Schritt D wird die Aufnahmefähigkeit des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 für elektrische Energie mit Hilfe der in den Schritten B und C ermittelten Informationen über den Ladezustand 5 und die Temperatur 6 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 ermittelt.
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In Schritt E wird ein rekuperativer Bremsvorgang mit der Bremsleistung 17 des elektrischen Antriebs 10 und das Laden des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 und/oder das Zuschalten von elektrischen Verbrauchern 7, 8, 9 einer Fahrgastraumkonditionierung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2 eingeleitet. Üblicherweise wird mit der im rekuperativen Bremsvorgang gewonnenen elektrischen Energie der elektrische Traktionsenergiespeicher 4 geladen. Wenn dies nicht möglich ist, beispielsweise aufgrund eines vollgeladenen elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 und/oder einer zu tiefen Temperatur 6 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 werden elektrische Verbraucher 7, 8, 9 der Fahrgastraumkonditionierung als elektrische Lasten zugeschaltet. Abhängig von den Außentemperaturen kann dies ein elektrisch betriebener Klimakompressor 7 oder eine elektrisch betriebene Heizung 8 oder eine elektrisch betriebene Sitzheizung 9 und/oder eine andere Art von Flächenheizung sein. Diese elektrischen Lasten stellen die größten Energieverbraucher im Fahrzeugnetz neben dem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs dar. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den elektrischen Traktionsenergiespeicher 4 mit Hilfe einer elektrischen Heizung 11 zu erwärmen und so den hohen Innenwiderstand des elektrischen Traktionsenergiespeichers bei tiefen Temperatur dahingehend zu senken, dass die im rekuperativen Bremsvorgang gewonnene elektrischen Energie zum Laden des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 genutzt werden kann.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, der Ladesteuerung 13 des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 Informationen eines Navigationssystems 12 zur Verfügung zu stellen. Dies können beispielsweise Informationen über die vorgesehene Fahrtroute sein. Somit kann die Ladesteuerung 13 den Ladevorgang bereits bei einer zu bestimmenden Teilladung des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 beenden, um die bei einer bevorstehenden Gefällefahrt im rekuperativen Bremsvorgang gewonnene elektrischen Energie zum Laden des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 zu nutzen.
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Außerdem besteht die Möglichkeit, aufgrund der vom Navigationssystem 12 gelieferten Informationen bereits vor der geplanten Abfahrt die elektrischen Verbaucher 7, 8, 9 der Fahrgastraumkonditionierung 18 automatisiert einzuschalten, um den elektrischen Traktionsenergiespeicher 4 gezielt zu entladen und für die Aufnahme der während einer bevorstehenden Gefällefahrt im rekuperativen Bremsvorgang gewonnenen elektrischen Energie vorzubereiten.
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Die 2 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung eines batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 2 zur Kühlung der Reibungsbremse 3 mit Hilfe von Mitteln der Fahrgastraumkonditionierung 18. Um die Wirksamkeit der Reibungsbremse 3 zu verbessern und um dem Nachlassen der Bremswirkung der Reibungsbremse 3 bei lang andauernden Bremsvorgängen entgegenzuwirken wird die Reibungsbremse 3 mit Mitteln zur Luftführung 14 und Schaltklappen 15 so verbunden, dass eine zusätzliche Kühlung der Reibungsbremse 3 erzielt wird. Da nicht nur Frischluft zum Kühlen des Bremsaggregats der Reibungsbremse 3 eingesetzt wird, sondern bereits aufbereitete, kühlere Luft aus dem System zur Fahrgastraumkonditionierung 18, kann eine besonders effektive Kühlung der Reibungsbremse 3 erreicht werden. Diese zusätzliche Kühlung der Reibungsbremse 3 kann bei der Auslegung des Bremsaggregats der Reibungsbremse 3 berücksichtigt werden und führt zu einer Reduktion von Bauraum, ungefederten Massen und Kosten.
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Eine weitere beispielhafte Auslegung ist die Berücksichtigung eines Ladepuffers im elektrischen Traktionsenergiespeicher 4. In diesem Fall wird der Ladezustand des elektrischen Traktionsenergiespeichers 4 auch bei Vollladung so begrenzt, dass in jedem Fall die Aufnahme der während einer Gefällefahrt im rekuperativen Bremsvorgang gewonnenen elektrischen Energie in den elektrischen Traktionsenergiespeicher 4 möglich ist. Dieser Ladpuffer und die damit verbundene Möglichkeit, die während einer Gefällefahrt im rekuperativen Bremsvorgang gewonnene elektrische Energie in den elektrischen Traktionsenergiespeicher 4 zu laden kann ebenfalls bei der Auslegung des Bremsaggregats der Reibungsbremse 3 berücksichtigt werden und führt ebenfalls zu einer Reduktion von Bauraum, ungefederten Massen und Kosten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061583 A1 [0003]
- EP 2144794 B1 [0008]
