DE102020210382A1

DE102020210382A1 - Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102020210382A1
Application number: DE102020210382.8A
Authority: DE
Inventors: Olivier Frament; Jens Hoffmann; Martin Semsch; Matthias Töns; Martin Spornraft; Dragan Stojkovic; Vincent Vahee
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH; Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US20230286395A1; EP4196361A1; WO2022033966A1; KR20230022447A; CN116234713A; JP2023531983A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs (100) eines Kraftfahrzeugs durch ein Steuergerät (106), wobei wenigstens ein Fahrzeugrad (116) des Kraftfahrzeugs von einem Elektromotor (104) des elektromotorischen Antriebs (100) antreibbar ist und wobei der elektromotorische Antrieb (100) wenigstens eine Energiequelle (108) für den Elektromotor (104) aufweist. Das Verfahren weist dabei das Ermitteln einer Anforderung zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads (116) mit einem Verzögerungsmoment, das Ermitteln von Zustandsinformationen (140, 142, 144) des elektromotorischen Antriebs (100), das Auswählen eines Betriebsmodus (134, 136) des Elektromotors (104) aus wenigstens zwei möglichen Betriebsmodi (134, 136) des Elektromotors (104) in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen (140, 142, 144), und das Ansteuern des Elektromotors (104) in dem ausgewählten Betriebsmodus (134, 136) zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads (116) mit dem Verzögerungsmoment, durch das Steuergerät (106) auf, wobei in einem ersten Betriebsmodus (134) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer ersten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus (136) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer zweiten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die zweite Effizienz geringer ist als die erste Effizienz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs sowie einen entsprechenden elektromotorischen Antrieb.
Mechanische Reibungsbremsen von Kraftfahrzeugen haben mittlerweile ein zufriedenstellendes Niveau hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit erreicht, unter anderem dank des Einsatzes bekannter und bewährter Technologie in einer gut definierten Umgebung. Allerdings haben Reibungsbremsen nach wie vor Nachteile. So tragen sie einen nicht unerheblichen Teil zu der Gesamtmasse eines Fahrzeugs bei, wobei es sich bei einem großen Teil der durch die Reibungsbremsen beigetragenen Masse um ungefederte Massen handelt. Ein großer Teil dieser ungefederten Massen ist dem Umstand geschuldet, dass die Bremsen in ihrer Dimensionierung auch für lange Bremsvorgänge zur Beibehaltung einer Geschwindigkeit einer möglicherweise sehr lange Bergabfahrt ausgelegt sein müssen. Zu nennen wäre hier beispielsweise die Abfahrt von dem Großglockner mit einer konstanten Geschwindigkeit. Ferner benötigen Reibungsbremsen aus diesem Grund auch nicht zu vernachlässigenden Bauraum im Fahrzeug.
Die bei einer Verzögerung mittels einer Reibungsbremse durch die Reibungsbremse aufgenommene Energie kann nicht zurückgewonnen werden. Vielmehr wird die Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Das führt wiederum zu einer Verschwendung von Energie und einer Feinstaubbelastung der Umgebung durch Abrieb der Bremskomponenten, welcher ebenfalls in die Umgebung freigesetzt wird. Beispielsweise müssen Reibungsbremsen bei einem Fahrzeug mit einer Masse von 1600 kg in einem Gefälle von 8% zur Beibehaltung einer Geschwindigkeit von 40 km/h eine mechanische Leistung von ungefähr 14 kW aufnehmen und als Wärme abstrahlen.
Neben einer Verzögerung eines Fahrzeugs mittels Reibungsbremsen ist es aus dem Stand der Technik ferner bekannt, dass Fahrzeuge auch unter Zuhilfenahme des Antriebsstranges verzögert werden können. Hier ist insbesondere für einen elektromotorischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs die Verzögerung des Fahrzeugs bei gleichzeitiger Rekuperation der kinetischen Energie des Fahrzeugs zu nennen. Wiederum analog zu dem zuvor genannten Beispiel ist es durchaus realistisch, dass bei einer solchen Bergabfahrt die notwendigen 14 kW Verzögerungsleistung allein durch eine entsprechende Ansteuerung des elektromotorischen Antriebsstranges erreicht werden können, wobei, eine entsprechend effiziente Steuerung des Antriebs vorausgesetzt, etwa 12 kW elektrische Leistung in eine Batterie des Antriebs zurückgespeist werden können.
Allerdings mangelt es einer Verzögerung des Fahrzeugs mittels des Antriebsstranges gemäß dem Stand der Technik üblicherweise an der für Reibungsbremsen gegebenen Zuverlässigkeit. So stellt sich beispielsweise das Problem, dass bei mangelnder Aufnahmekapazität einer Batterie des elektromotorischen Antriebs eine Rekuperation von Energie nicht mehr möglich ist, sodass diese Möglichkeit zur Verzögerung des Fahrzeugs nicht mehr gegeben ist. Gleiches gilt, wenn beispielsweise die Verbindung zwischen dem elektromotorischen Antrieb und der Batterie zur Rückspeisung elektrischer Energie unterbrochen wird, beispielsweise aufgrund eines Defekts. Insgesamt sind bei einer solchen Verzögerung mittels Rekuperation eine Vielzahl von Komponenten des Fahrzeugs involviert, sodass bereits bei Ausfall einer der Komponenten eine Verzögerung mittels Rekuperation nicht mehr möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs und einen entsprechenden elektromotorischen Antrieb anzugeben, die die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und dem elektromotorischen Antrieb nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9, 11 und 12.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs durch ein Steuergerät, wobei wenigstens ein Fahrzeugrad des Kraftfahrzeugs von einem Elektromotor des elektromotorischen Antriebs antreibbar ist und wobei der elektromotorische Antrieb wenigstens eine Energiequelle für den Elektromotor aufweist. Das Verfahren weist dabei die Ausführung der folgenden Schritte durch das Steuergerät auf:

• Ermitteln einer Anforderung zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads mit einem Verzögerungsmoment,
• Ermitteln von Zustandsinformationen des elektromotorischen Antriebs,
• Auswählen eines Betriebsmodus des Elektromotors aus wenigstens zwei möglichen Betriebsmodi des Elektromotors in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen, und
• Ansteuern des Elektromotors in dem ausgewählten Betriebsmodus zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads mit dem Verzögerungsmoment.

Dabei wird in einem ersten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors der Elektromotor so angesteuert, dass die Rotationsenergie des Fahrzeugrads mit einer ersten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird. In einem zweiten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors wird der Elektromotor hingegen so angesteuert, dass die Rotationsenergie des Fahrzeugrads mit einer zweiten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die zweite Effizienz geringer ist als die erste Effizienz.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, den Elektromotor, beispielsweise bei mangelnder Kapazität der Energiequelle, so zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments auf ein Fahrzeugrad in einem Rekuperationsbetrieb zu nutzen, dass die Rotationsenergie des betrachteten Fahrzeugrads nur zu einem sehr geringen Anteil in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein Großteil der Rotationsenergie soll aufgrund der herabgesetzten Effizienz des Rekuperationsbetriebs im zweiten Betriebsmodus in Wärme umgewandelt werden, die in dem Elektromotor und dessen Peripherie, insbesondere dessen Leistungselektronik, anfällt und durch eine vorhandene Kühlung des Elektromotors abgeführt werden kann. So kann durch den Elektromotor ohne Rückgriff auf die Batterie ein dauerhaftes Verzögerungsmoment bereitgestellt werden, das im Wesentlichen durch die Kühlleistung der Kühlung des Elektromotors begrenzt ist.
Gleichzeitig kann das beschriebene Verfahren allein aus dem elektromotorischen Antrieb heraus realisiert werden, sodass keine Wechselwirkungen mit weiteren Systemen des Fahrzeugs notwendig sind. Solche Wechselwirkungen sind üblicherweise eine potenzielle Fehlerquelle, die die Zuverlässigkeit eines solchen Ansatzes gefährden könnte. Die zuverlässige Bereitstellung eines definierten Verzögerungsmoments durch den elektromotorischen Antrieb macht es wiederum möglich, die Reibungsbremsen des Fahrzeugs kleiner zu dimensionieren, da durch den Elektromotor ein gewisser Anteil einer Verzögerungsleistung zuverlässig beigetragen werden kann.
Unter einen „Verzögerungsmoment“ ist dabei ganz allgemein ein Drehmoment zu verstehen, das einer Rotationsrichtung eines Fahrzeugrades entgegen gerichtet ist, in Abwesenheit weiterer Kräfte also zu einer Verlangsamung dessen Rotation führen würde. Die Beaufschlagung eines Fahrzeugrades mit einem solchen Verzögerungsmoment ist dabei jedoch nicht mit einer Verzögerung des Fahrzeugs an sich gleichzusetzen. So können weitere auf das Fahrzeug wirkende Kräfte, wie beispielsweise eine Hangabtriebskraft, dazu führen, dass sich die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs trotz des durch den Elektromotor bewirkten Verzögerungsmoments nicht verringert, sondern möglicherweise sogar vergrößert.
Dabei kann eine Anforderung zur Beaufschlagung eines Fahrzeugrads mit einem Verzögerungsmoment beispielsweise durch die Betätigung eines Bremspedals durch einen Fahrzeugführer ausgelöst werden. Ferner ist es auch möglich, dass eine solche Anforderung von einer Fahrfunktion des Fahrzeugs ausgelöst wird, wie beispielsweise durch eine Geschwindigkeitsregelanlage oder eine Funktion zur kontrollierten Bergabfahrt (Hill Descent Control).
Auch wenn in dem Verfahren nur ein Fahrzeugrad beschrieben ist, das durch einen Elektromotor angetrieben wird, der seine Energie aus einer Energiequelle bezieht, ist das erfindungsgemäße Verfahren auf jede beliebige Konstellation von Fahrzeugrädern, Elektromotoren und Energiequellen übertragbar. So kann das Verfahren auch bei einem Kraftfahrzeug angewendet werden, bei dem jedes Fahrzeugrad durch einen Elektromotor angetrieben wird, wobei die Motoren aus mehreren Energiequellen mit Energie versorgt werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die einer Vorderachse eines Fahrzeugs zugeordneten Elektromotoren mit einer ersten Energiequelle verbunden sind, während die einer Hinterachse des Fahrzeugs zugeordneten Elektromotoren mit einer zweiten Energiequelle verbunden sind. In diesem Fall kann es im Rahmen des Verfahrens insbesondere auch vorkommen, dass die Elektromotoren der Vorderachse in einem anderen Betriebsmodus betrieben werden, als die Elektromotoren der Hinterachse.
Unter einem „Elektromotor“ ist dabei allgemein jeder Typ von Elektromotor zu verstehen, der dazu geeignet ist, unter Aufwendung elektrischer Energie ein Drehmoment auf eine Fahrzeugrad zu bewirken und umgekehrt, durch entsprechende Ansteuerung, ein von einem Fahrzeugrad abgenommenes Drehmoment in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer „Energiequelle“ für den Elektromotor kann es dabei beispielsweise um eine Batterie handeln.
Unter einem „Betriebsmodus“ im Sinne der Erfindung, bzw. einem Ansteuern eines Elektromotors in einem solchen Betriebsmodus, ist dabei eine gezielte Ansteuerung des Elektromotors mit durch den gewählten Betriebsmodus vorgegebenen Parametern zu verstehen. Am Beispiel eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors kann durch einen Betriebsmodus beispielsweise vorgegeben sein, wie und wann die Spannungen der Kommutierungsblöcke geschaltet werden. Auch der Verlauf der Spannungen in den Kommutierungsblöcken, also die spezifische Signalform der Spannungen, kann durch den Betriebsmodus vorgegeben sein. Die Parameter der Betriebsmodi sind dabei so gewählt, dass sich die sich ergebenden Effizienzen des Elektromotors bei der Umwandlung von Rotationsenergie des Fahrzeugrades in elektrische Energie zwischen den Betriebsmodi allein aufgrund der gewählten Parameter bereits unterscheiden. Unterschiedliche Effizienzen des Elektromotors, die sich beispielsweise aus äußeren, ungesteuerten Einflüssen, wie einer Betriebstemperatur des Elektromotors, ergeben, sind dabei nicht als unterschiedliche Betriebsmodi im Sinne der Erfindung zu verstehen. Eine gezielte Einstellung einer Betriebstemperatur des Elektromotors zur Beeinflussung der Effizienz kann hingegen als Betriebsmodus im Sinne der Erfindung interpretiert werden.
Dabei ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in dem ersten Betriebsmodus die elektrische Energie der Energiequelle zugeführt wird. Es handelt sich hier also um eine Rekuperation von Rotationsenergie des Fahrzeugrades, mit der die Energiequelle, insbesondere eine Batterie, wieder aufgeladen wird.
Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, wird der Betriebsmodus des Elektromotors in Abhängigkeit zuvor ermittelter Zustandsinformationen des elektromotorischen Antriebs ausgewählt. Dabei umfassen die Zustandsinformationen nach einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens einen Ladezustand der Energiequelle, und/oder eine Temperatur der Energiequelle und/oder eine Temperatur des Elektromotors und/oder eine Temperatur weiterer Komponenten des elektromotorischen Antriebs. Bei den weiteren Komponenten des elektromotorischen Antriebs kann sich beispielsweise um die Leistungselektronik des Antriebs handeln, insbesondere um einen Inverter zur Umwandlung einer durch die Energiequelle bereitgestellten Gleichspannung in eine für den Betrieb des Elektromotors benötigte Wechselspannung. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einem Ladezustand der Energiequelle, der nicht einer vollständig geladenen Energiequelle entspricht, der Elektromotor bevorzugt in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird, sodass ein möglichst großer Teil der aus dem Fahrzeugrad abgenommenen Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wird bevorzugt auch berücksichtigt, ob die Energiequelle aufgrund ihrer aktuellen Temperatur zur Aufnahme elektrische Energie geeignet ist.
Die Zustandsinformationen können ferner auch Fehlerzustände einzelner Komponenten des elektromotorischen Antriebs identifizieren. So kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn festgestellt wurde, dass die Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Energiequelle defekt oder unterbrochen ist, eine Rückspeisung elektrischer Energie in die Energiequelle also nicht möglich ist.
Umgekehrt wird bei der Auswahl der Betriebsmodi auch berücksichtigt, ob der Elektromotor, beispielsweise aufgrund seiner gegenwärtigen Temperatur, in der Lage ist, Rotationsenergie des Fahrzeugrades als thermische Energie abzuführen. Gleichermaßen werden hierbei bevorzugt auch die Temperaturen von weiteren Komponenten des elektromotorischen Antriebs, insbesondere die Leistungselektronik des Elektromotors, berücksichtigt, welche ebenfalls einen Betrieb des Elektromotors in dem zweiten Betriebsmodus, in dem der Elektromotor zur Abführung von thermischer Energie genutzt wird, begrenzen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass die zweite Effizienz von dem Ladezustand und/oder der Temperatur der Energiequelle abhängig ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der zweite Betriebsmodus bereits dann angewendet wird, wenn die Energiequelle beinahe vollständig geladen ist. In diesem Fall ist weiterhin eine Rekuperation von Rotation Energie des Fahrzeugrades in die Energiequelle sinnvoll, sodass die zweite Effizienz nicht zu gering ausfallen sollte. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass die zweite Effizienz fortlaufend mit dem aktuellen Ladezustand der Energiequelle skaliert, sodass mit zunehmender Aufladung der Energiequelle die zweite Effizienz fortlaufend abnimmt. Ferner kann hier auch vorgesehen sein, dass trotz einer geringfügigen Entladung der Energiequelle eine möglichst geringe zweite Effizienz eingestellt wird, da eine Rückführung elektrischer Energie in die Energiequelle aufgrund einer aktuellen Temperatur der Energiequelle nicht möglich ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass es sich bei der ersten Effizienz um die größtmögliche Effizienz zur Umwandlung der Rotationsenergie des Fahrzeugrads in elektrische Energie und dass es sich bei der zweiten Effizienz um die geringstmögliche Effizienz zur Umwandlung der Rotationsenergie des Fahrzeugrads in elektrische Energie durch den Elektromotor handelt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug wenigstens einen Heizkreis aufweist, wobei bei Betrieb des Elektromotors in dem zweiten Betriebsmodus erzeugte Wärme dem Heizkreis zugeführt wird. Der Heizkreis kann beispielsweise eine Heizung eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs beinhalten, sodass die durch den Elektromotor bei der Verzögerung des Fahrzeugs erzeugte Wärme zur Heizung des Fahrgastraums genutzt werden kann.
Neben einem Betrieb des Elektromotors in einem der beiden zuvor beschriebenen Betriebsmodi, in denen mit unterschiedlicher Effizienz kinetische Energie des Fahrzeugrads in elektrische Energie umgewandelt wird, ist nach einer weiteren Ausführungsform ferner vorgesehen, dass der zuvor in einem dritten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors der Elektromotor so angesteuert wird, dass er unter Aufwendung von durch die Energiequelle bereitgestellter elektrischer Energie das Fahrzeugrad mit dem Verzögerungsmoment beaufschlagt. Der Elektromotor wird demnach aktiv bestromt, sodass er ein Verzögerungsmoment auf das Fahrzeugrad bewirken kann. Dabei fällt im Elektromotor zum einen thermische Energie aufgrund der aktiven Bestromung des Motors an, während gleichzeitig die dem Fahrzeugrad entzogene Rotationsenergie in dem Elektromotor als Wärme anfällt. Dieser Betrieb kann beispielsweise genutzt werden, wenn trotz einer nur geringfügigen Verzögerungsanforderung eine große Wärmemenge benötigt wird, beispielsweise um den Fahrgastraum des Fahrzeugs schnell aufzuheizen, oder den elektromotorischen Antrieb auf Betriebstemperatur zu bringen. Gleichzeitig wird in diesem Betriebsmodus die Energiequelle zumindest geringfügig entladen, sodass eine nachfolgende Verzögerungsanforderung in dem ersten Betriebsmodus ausgeführt werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass bei der Auswahl des Betriebsmodus des Elektromotors Aufnahmekapazitäten weiterer elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs zur Aufnahme elektrischer Energie berücksichtigt werden. So kann beispielsweise trotz einer vollständig geladenen Energiequelle ein Betrieb des Elektromotors im ersten Betriebsmodus sinnvoll sein, wenn die hierbei erzeugte elektrische Energie durch andere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs abgenommen werden können. Als elektrischer Verbraucher ist hier beispielsweise eine Klimaanlage oder ein elektrischer Heizer zu nennen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass es sich bei dem Elektromotor um einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Leistungselektronik zur Bereitstellung einer Betriebsspannung für den Gleichstrommotor handelt, wobei zur Ansteuerung des Elektromotors in den unterschiedlichen Betriebsmodi ausschließlich eine Ansteuerung der Leistungselektronik an den ausgewählten Betriebsmodus angepasst wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen elektromotorischen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor, einer Energiequelle für den Elektromotor und einem Steuergerät für den Elektromotor. Dabei ist das Steuergerät dazu ausgebildet eine Anforderung zur Beaufschlagung eines mit dem Elektromotor verbundenen Fahrzeugrads mit einem Verzögerungsmoment zu ermitteln, Zustandsinformationen des elektromotorischen Antriebs zu ermitteln, einen Betriebsmodus des Elektromotors aus wenigstens zwei möglichen Betriebsmodi des Elektromotors in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen zu ermitteln, und den Elektromotor in dem ausgewählten Betriebsmodus zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads mit dem Verzögerungsmoment anzusteuern. Dabei wird in einem ersten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors der Elektromotor so angesteuert, dass die Rotationsenergie des Fahrzeugrads mit einer ersten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors wird der Elektromotor so angesteuert, dass die Rotationsenergie des Fahrzeugrads mit einer zweiten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die zweite Effizienz geringer ist als die erste Effizienz.
Dabei ist nach einer Ausführungsform vorgesehen, dass der elektromotorische Antrieb wenigstens einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Elektromotors aufweist, wobei bei Betrieb des Elektromotors in dem zweiten Betriebsmodus erzeugte Wärme über den Kühlkreislauf zumindest teilweise abgeführt wird. Der Kühlkreislauf kann dabei wiederum dazu ausgebildet sein, in dem Elektromotor aufgenommene Wärme an einen Heizkreis des Kraftfahrzeugs abzugeben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei ferner vorgesehen, dass der Kühlkreislauf eine Steuerung zur Regulierung einer durch den Kühlkreislauf bereitgestellten Kühlleistung aufweist, wobei die Steuerung durch das Steuergerät in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus des Elektromotors angesteuert wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem Betrieb des Elektromotors in dem zweiten oder dritten Betriebsmodus automatisch die Kühlleistung des Kühlkreislaufs durch eine entsprechende Ansteuerung von Elementen wie Umwälzpumpen oder Kältekompressoren gesteigert wird, sodass die im Elektromotor anfallende Wärme effizient abgeführt und ein Überhitzen des Elektromotors vermieden werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines elektromotorischen Antriebs nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Fehlerquellen einer Anordnung nach 1,
3 eine schematische Darstellung eines Elektromotors in dem zweiten Betriebsmodus,
4 eine schematische Darstellung eines Elektromotors in dem dritten Betriebsmodus,
5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften elektromotorischen Antriebs mit einem Heizkreis, und
6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Steuerungslogik für einen elektromotorischen Antrieb.

Im Folgenden werden einander ähnliche oder identische Merkmale mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektromotorischen Antriebs 100 nach dem Stand der Technik. Der elektromotorische Antrieb 100 weist dabei eine Antriebseinheit 102 mit einem Elektromotor 104 und einem Steuergerät 106 für den Elektromotor 104 auf. Die Antriebseinheit 102 und mithin der Elektromotor 104 ist mit einer Energiequelle 108, beispielsweise eine Batterie, über eine Gleichstromverbindung 110 zur Versorgung mit elektrischer Energie verbunden. Neben der Energiequelle 108 können auch weitere elektrische Verbraucher 112 über die Gleichstromverbindung 110 mit der Antriebseinheit 102 verbunden sein, was in der 1 nur sehr schematisch angedeutet ist.
Der Elektromotor 104 ist über ein nachgeschaltetes Getriebe 114 mit einem Fahrzeugrad 116 so verbunden, dass der Elektromotor 104 ein Drehmoment auf das Fahrzeugrad 116 bewirken kann. Ferner ist an dem Fahrzeugrad 116 eine Reibungsbremse 118 angeordnet, die beispielhaft als Scheibenbremse dargestellt ist. In einer solchen Konstellation ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 104 sowohl ein beschleunigendes Drehmoment auf das Fahrzeugrad 116 unter Aufwendung elektrischer Energie aus der Energiequelle 108 bewirkt werden kann, als auch ein verzögerndes Drehmoment, wobei die Rotationsenergie des Fahrzeugrades 116 bevorzugt in elektrische Energie umgewandelt wird, die der Energiequelle 108 zugeführt wird.
Dabei liegt im Stand der Technik üblicherweise ein Fokus auf einer möglichst effizienten Ansteuerung des Elektromotors, sodass mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad elektrische Energie der Energiequelle 108 in kinetische Energie des Fahrzeugrads 116 umgewandelt wird, und umgekehrt.
Die 2 zeigt nun schematisch, welche Fehlerquellen in der in 1 beschriebenen Konstellation dazu führen, dass ein solcher elektromotorischer Antrieb nach dem Stand der Technik im Allgemeinen die Reibungsbremsen nicht dauerhaft zuverlässig entlasten kann. Eine erste Fehlerquelle, bzw. ein erster problematischer Zustand ist dann gegeben, wenn die Energiequelle 108 vollständig geladen ist, eine Rekuperation kinetischer Energie in die Energiequelle 108 also nicht mehr möglich ist. Eine zweite Fehlerquelle besteht in einer Unterbrechung oder Fehlfunktion der Gleichstromverbindung 110, sodass auch ein Abführen elektrischer Energie an die übrigen elektrischen Verbraucher 112 nicht mehr möglich ist. In beiden Fällen müsste die gesamte, bei einer Verzögerung des Fahrzeugrads frei werdende kinetische Energie 120 von der Reibungsbremse 118 in Form von Wärme 122 aufgenommen und in die Umgebung abgestrahlt werden.
Um dieses Problem zu lösen und eine zuverlässige Bereitstellung eines Verzögerungsmoments durch den elektromotorischen Antrieb 100 auch bei Fehlfunktionen einzelner Komponenten, wie der Energiequelle 108 oder der Gleichstromverbindung 110, zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Elektromotor 104 in Abhängigkeit der Zustände der einzelnen Komponenten des elektromotorischen Antriebs 100 zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments auf das Fahrzeugrad 116 in unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben.
Exemplarisch ist hierzu in der 3 ein Elektromotor 104 beispielhaft dargestellt. Wie auf der linken Seite der Figur angedeutet ist, ist in der dargestellten Situation eine Rückspeisung elektrischer Energie von der Antriebseinheit 102 über die Gleichstromverbindung 110 in die Energiequelle 108 nicht möglich. Dies kann beispielsweise bei einer vollständig geladenen Energiequelle 108 oder einem Defekt der Gleichstromverbindung 110 der Fall sein. In diesem Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Elektromotor 104 durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik 107 so betrieben wird, dass er zwar weiterhin zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments auf das Fahrzeugrad 116 die Rotationsenergie 120 des Fahrzeugrads 116 in elektrische Energie umwandelt, dies jedoch mit der geringst möglichen Effizienz geschieht.
Die Folge hiervon ist, dass nur ein sehr geringer Teil der Rotationsenergie 120 des Fahrzeugrads 116 in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die hierbei entstehendem Ströme 124 bevorzugt vollständig durch den Elektromotor 104 und die Leistungselektronik 107, bzw. den dem Elektromotor 104 vorgeschalteten Inverter 126 in Wärme umgewandelt werden. Der weit überwiegende Teil der Rotationsenergie 120 wird hingegen in Wärme 122 umgewandelt, die im Elektromotor 104 anfällt und über eine Kühlung des Elektromotors 104 abgeführt werden kann.
Solange hingegen eine Rückspeisung elektrischer Energie in die Energiequelle 108 über die Gleichstromverbindung 110 möglich ist, wird der Elektromotor durch entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik 107 hingegen in einem ersten Betriebsmodus zur Verzögerung des Fahrzeugrads 116 so betrieben, dass die Rotationsenergie 120 des Fahrzeugrads 116 mit größtmöglicher Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann der Energiequelle 108 zugeführt wird. Dabei sind die Betriebsparameter für den Elektromotor 104 in diesem Betriebsmodus so ausgelegt, dass möglichst wenig Wärme in dem Elektromotor 104 erzeugt wird.
In der 4 ist schematisch ein dritter Betriebsmodus für den Elektromotor 104 angedeutet, der beispielsweise dann zum Einsatz kommen kann, wenn die Energiequelle vollständig geladen, die Gleichstromverbindung 110 intakt und der Elektromotor 104 noch vergleichsweise kalt ist. In diesem Fall wird zur Erzeugung des Verzögerungsmoments der Elektromotor durch entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik 107 durch das Steuergerät 106 gezielt so aktiv bestromt, dass unter Aufwendung elektrischer Energie ein Verzögerungsmoment auf das Fahrzeugrad 116 bewirkt wird. Dies hat zur Folge, dass in dem Elektromotor 104 sowohl die aufgewendete elektrische Energie als auch die Rotationsenergie 120 des Fahrzeugrads 116 als thermische Energie 122 anfallen, die über eine entsprechende Kühlung abgeführt werden können.
Die 5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften elektromotorischen Antriebs 100, wobei der elektromotorische Antrieb 100 mit einem Heizkreis 130 eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Steuergerät 106 der Antriebseinheit 102 weist dabei eine Steuerungslogik 132 auf, die situationsabhängig zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi des Elektromotors 104 zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments umschaltet. Dabei ist ein erster Betriebsmodus 134 durch entsprechende Anpassung der Betriebsparameter des Elektromotors 104, also insbesondere durch eine entsprechende Steuerlogik der zugeordneten Leistungselektronik, dazu ausgelegt, dass der Elektromotor 104 zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments mit möglichst hoher Effizienz die kinetische Energie 120 des Fahrzeugrades 116 in elektrische Energie umwandelt, die dann über die Gleichstromverbindung 110 der Energiequelle zugeführt wird. Dieser erste Betriebsmodus 134 wird beispielsweise eingesetzt, wenn die Energiequelle nicht vollständig geladen ist und die Gleichstromverbindung 110 voll funktionsfähig ist.
In einem zweiten Betriebsmodus 136 ist durch entsprechende Anpassung der Betriebsparameter des Elektromotors 104 hingegen vorgesehen, dass der Elektromotor 104 zur Erzeugung eines Verzögerungsmoments mit möglichst geringer Effizienz die kinetische Energie des Fahrzeugrades 116 in elektrische Energie umwandelt. Die dabei anfallende Wärme wird an den Heizkreis 130 abgeführt und kann über einen entsprechenden Radiator 138 beispielsweise genutzt werden, um den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs zu heizen.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuerungslogik 132 für einen elektromotorischen Antrieb 100, wie er zuvor beschrieben wurde. Dabei ist die Steuerungslogik 132 zunächst dazu ausgebildet, Zustandsinformationen 140, 142 und 144 des elektromotorischen Antriebs zu ermitteln. Bei den Zustandsinformationen handelt es sich beispielsweise um die Funktionsfähigkeit der Gleichstromverbindung 110 140, um die Bereitschaft der Energiequelle 108 zur Aufnahme elektrischer Energie 142, die beispielsweise durch den Ladezustand und die Temperatur der Energiequelle 108 beeinflusst ist, oder die Bereitschaft weiterer elektrischer Verbraucher 112 zur Aufnahme elektrischer Energie.
Die so ermittelten Zustandsinformationen werden einer Entscheidungslogik 146 zugeführt, die aus der Zusammenschau der ermittelten Zustandsinformationen 140, 142, 144 ermittelt, ob eine eingehende Anforderung zur Beaufschlagung eines Fahrzeugrades 116 mit einem Verzögerungsmoment durch den elektromotorischen Antrieb 102 in einem ersten Betriebsmodus des Elektromotors 104 oder einem zweiten Betriebsmodus des Elektromotors 104 umgesetzt werden soll, wie es zuvor beschrieben wurde. Abhängig vom Ausgang dieser Entscheidungslogik 146 werden anschließend die Betriebsparameter des Elektromotors 104 gemäß dem ersten oder dem zweiten Betriebsmodus durch das Steuergerät bei einer Ansteuerung der entsprechenden Leistungselektronik 106 eingesetzt, sodass der Elektromotor 104 die Rotationsenergie des Fahrzeugrades 116 entweder mit einer möglichst hohen oder einer möglichst niedrigen Effizienz in elektrische Energie umwandelt.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elektromotorischen Antriebs (100) eines Kraftfahrzeugs durch ein Steuergerät (106), wobei wenigstens ein Fahrzeugrad (116) des Kraftfahrzeugs von einem Elektromotor (104) des elektromotorischen Antriebs (100) antreibbar ist und wobei der elektromotorische Antrieb (100) wenigstens eine Energiequelle (108) für den Elektromotor (104) aufweist, wobei das Verfahren die Ausführung der folgenden Schritte durch das Steuergerät (106) aufweist: • Ermitteln einer Anforderung zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads (116) mit einem Verzögerungsmoment, • Ermitteln von Zustandsinformationen (140, 142, 144) des elektromotorischen Antriebs (100), • Auswählen eines Betriebsmodus (134, 136) des Elektromotors (104) aus wenigstens zwei möglichen Betriebsmodi (134, 136) des Elektromotors (104) in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen (140, 142, 144), und • Ansteuern des Elektromotors (104) in dem ausgewählten Betriebsmodus (134, 136) zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads (116) mit dem Verzögerungsmoment, wobei in einem ersten Betriebsmodus (134) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer ersten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus (136) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer zweiten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die zweite Effizienz geringer ist als die erste Effizienz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus (134) die elektrische Energie der Energiequelle (108) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsinformationen (140, 142, 144) wenigstens einen Ladezustand der Energiequelle (108) und/oder eine Temperatur der Energiequelle (108) und/oder eine Temperatur des Elektromotors (104) und/oder eine Temperatur weiterer Komponenten (107) des elektromotorischen Antriebs (100) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Effizienz von dem Ladezustand und/oder der Temperatur der Energiequelle (108) abhängig ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Effizienz um die größtmögliche Effizienz zur Umwandlung der Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) in elektrische Energie und dass es sich bei der zweiten Effizienz um die geringstmögliche Effizienz zur Umwandlung der Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) in elektrische Energie durch den Elektromotor (104) handelt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug wenigstens einen Heizkreis (130) aufweist, wobei bei Betrieb des Elektromotors (104) in dem zweiten Betriebsmodus (136) erzeugte Wärme dem Heizkreis (130) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass er unter Aufwendung von durch die Energiequelle (108) bereitgestellter elektrischer Energie das Fahrzeugrad (116) mit dem Verzögerungsmoment beaufschlagt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswahl des Betriebsmodus (134, 136) des Elektromotors (104) Aufnahmekapazitäten weiterer elektrischer Verbraucher (112) des Kraftfahrzeugs zur Aufnahme elektrischer Energie berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Elektromotor (104) um einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Leistungselektronik (107) zur Bereitstellung einer Betriebsspannung für den Gleichstrommotor handelt, wobei zur Ansteuerung des Elektromotors (104) in den unterschiedlichen Betriebsmodi ausschließlich eine Ansteuerung der Leistungselektronik (107) an den ausgewählten Betriebsmodus (134, 136) angepasst wird.
Elektromotorischer Antrieb (100) für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor (104), einer Energiequelle (108) für den Elektromotor (104) und einem Steuergerät (106) für den Elektromotor (104), wobei das Steuergerät (106) dazu ausgebildet ist, • Eine Anforderung zur Beaufschlagung eines mit dem Elektromotor (104) verbundenen Fahrzeugrads (116) mit einem Verzögerungsmoment zu ermitteln, • Zustandsinformationen (140, 142, 144) des elektromotorischen Antriebs (100) zu ermitteln, • Einen Betriebsmodus (134, 136) des Elektromotors (104) aus wenigstens zwei möglichen Betriebsmodi (134, 136) des Elektromotors (104) in Abhängigkeit der ermittelten Zustandsinformationen (140, 142, 144) zu ermitteln, und · Den Elektromotor (104) in dem ausgewählten Betriebsmodus (134, 136) zur Beaufschlagung des Fahrzeugrads (116) mit dem Verzögerungsmoment anzusteuern, wobei in einem ersten Betriebsmodus (134) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer ersten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus (136) aus den möglichen Betriebsmodi des Elektromotors (104) der Elektromotor (104) so angesteuert wird, dass die Rotationsenergie (120) des Fahrzeugrads (116) mit einer zweiten Effizienz in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die zweite Effizienz geringer ist als die erste Effizienz.
Elektromotorischer Antrieb (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb (100) wenigstens einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Elektromotors (104) aufweist, wobei bei Betrieb des Elektromotors (104) in dem zweiten Betriebsmodus (136) erzeugte Wärme über den Kühlkreislauf zumindest teilweise abgeführt wird.
Elektromotorischer Antrieb (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf eine Steuerung zur Regulierung einer durch den Kühlkreislauf bereitgestellten Kühlleistung aufweist, wobei die Steuerung durch das Steuergerät (106) in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebsmodus (134, 136) des Elektromotors (104) angesteuert wird.