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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Betriebsbremssystem mit einem elektrischen Antriebssystem, wobei das Betriebsbremssystem eine mechanisch-elektrische Umsetzung eines vom Fahrzeugführer ausgeübten Bremspedaldruckes über eine elektronische Steuerung einer Pumpe in Bremsdruck von mittels Hydraulikbremskreisen betätigten Bremseinrichtungen aufweist und die Bremseinrichtungen je Rad des Pkw unabhängig vom realen Bremspedaldruck elektronisch steuerbar sind.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insbesondere in der Automobilindustrie der Elektro- oder Hybridfahrzeuge, insbesondere für die Effizienzsteigerung von Hauptbetriebskomponenten der Elektromobilität.
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Elektro- oder Hybridfahrzeuge sollen vor allem in der Leistungsfähigkeit, insbesondere aber in der Reichweite gegenüber Pkw mit Verbrennungsmotoren verbessert werden, wodurch sich die Notwendigkeit ergibt, vor allem durch Gewichtseinsparungen, aber auch durch Reduzierung und Effektivierung aller elektrischen Verbraucher und Hilfsbetriebssysteme den elektrischen Energiebedarf zugunsten des Hauptantriebs zu reduzieren. Dabei sind die Möglichkeiten, Stromfresser durch energieeffizientere Bauelemente (z. B. im Beleuchtungssystem, Heizung etc.) zu ersetzen, nahezu ausgeschöpft.
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Aufgrund des Fehlens eines permanenten Stromgenerators, der in Elektrofahrzeugen nur sporadisch im Schiebe- oder Bremsbetrieb vom Elektroantrieb zur Verfügung steht, werden zunehmend Anstrengungen unternommen, Synergieeffekte zwischen unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten zu finden. Somit werden alle Systeme, die der frühere Verbrennungsmotor mühelos durch die elektrische Betriebsspannung der Lichtmaschine mitversorgt hat, auf den Prüfstand gestellt, wobei nicht nur Hilfssysteme des Fahrzeugs, sondern ebenfalls die Basiskomponenten in Betracht kommen.
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Im Stand der Technik der Elektrofahrzeuge sind insbesondere bei der Ausnutzung der Bremsen für die Energierückgewinnung allerlei unterschiedliche Lösungsansätze für sog. Rekuperationsbremsen bekannt geworden, die vornehmlich den Energiespeicher (Akku) nachladen oder aber zur Umwandlung von Bremsenergie (Wirbelstrombremse) in Heizenergie dienen.
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Dennoch werden, vornehmlich aus Sicherheitsaspekten, Fahrzeugbetriebsbremssystem und elektrisches Antriebssystem getrennt voneinander entwickelt und separat eingesetzt und betrieben, wodurch Synergieeffekte zwischen den Systemen kaum zustande kommen.
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Obwohl es heutzutage Stand der Technik ist, dass eine Betriebsbremse im Pkw vor allem wegen der Zusatzfunktionalitäten, wie ESP (elektronisches Stabilitäts-Programm), ASR, ABS etc., ohne mechanische Verbindung zum Bremspedal den erforderlichen Bremsdruck über elektronisch gesteuerte Pumpen für die immer noch hydraulischen Bremszylinder bereitstellt, hat sich die strikte Trennung von Betriebsbremse und Antriebssystem auch für reine Elektrofahrzeuge nicht geändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Ausnutzung von Synergieeffekten zwischen Betriebsbremssystem und Antriebssystem in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zu finden, die Zusammenwirken der beiden Systeme fördert und Bauraum, Gewicht und Kosten reduziert.
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Die Aufgabe wird bei einem Kraftfahrzeug mit einem Betriebsbremssystem mit einem elektrischen Antriebssystem, wobei das Betriebsbremssystem eine mechanisch-elektrische Umsetzung eines vom Fahrzeugführer ausgeübten Bremspedaldruckes über eine elektronische Steuerung einer Pumpe in Bremsdruck von mittels Hydraulikbremskreisen betätigten Bremseinrichtungen aufweist und die Bremseinrichtungen je Rad des Pkw unabhängig vom realen Bremspedaldruck elektronisch steuerbar sind, dadurch gelöst, dass die durch den Bremspedaldruck elektronisch gesteuerte Pumpe in das elektrische Antriebssystem integriert ist und für den Fluidkreislauf einer Kühl- und Schmierungseinrichtung der elektrischen Antriebseinheit vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist die Pumpe zum Druckaufbau in Hydraulikbremskreis und Fluidkreislauf der Kühl- und Schmierungseinrichtung der Antriebseinheit zum parallelen Betrieb vorgesehen und ist wechselseitig mit Priorität für den Bremsdruck der Hydraulikbremskreise im Bedarfsfall der gesteigerten bis vollen Bremsleistung des Betriebsbremssystems 4 freischaltbar.
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Dabei ist die Pumpe zweckmäßig in ihrer Haupt- und Dauerfunktion für den Betrieb der Kühl- und Schmierungseinrichtung der Antriebseinheit vorgesehen und lediglich kurzzeitig für die volle Bremsfunktion über die Hydraulikbremskreise betätigten Bremseinrichtungen freischaltbar oder umschaltbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist das Betriebsbremssystem eine Mechatronikeinheit für eine Steuerung mittels ESP, ASR und/oder ABS auf, um die Bremsung mindestens der Räder der Antriebsachse, vorzugsweise aller vier Räder, nicht nur unabhängig vom realen Bremspedaldruck, sondern unabhängig voneinander in Abhängigkeit von Sensordaten des ESP zu steuern.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Mechatronikeinheit des Betriebsbremssystems für die ESP-Steuerung in das Antriebssystem integriert ist und über Schnittstellen mit der Antriebseinheit gekoppelt, um Bremsprozesse des Antriebssystems, die unter Nutzung der Rekuperation von Energie ablaufen, mit Bremsvorgängen des Betriebsbremssystems zu koordinieren oder zu kombinieren.
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Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die im Antriebssystem integrierte Mechatronikeinheit zur Steuerung von Bremsvorgängen mit separater alleiniger Wirkung der Bremseinrichtungen an den Rädern oder mit gekoppelter Mitwirkung des Antriebssystems unter Ausnutzung von rekuperativen Bremsprozessen der elektrischen Antriebseinheit derart ausgebildet ist, dass die Pumpleistung der Pumpe im wechselnden Einsatz für sporadische akute Bremsvorgänge der Bremseinrichtungen und Dauerbelastung durch Kühl- und Schmierungseinrichtung der Antriebseinheit in Abhängigkeit vom Bedarf an Bremsverzögerung des Pkw gesteuert werden.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass modernen Kraftfahrzeugen beliebiger Antriebstechnik das Betriebsbremssystem aufgrund von integrierten Sicherheitsfunktionen, wie elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP), Antriebs-Schlupf-Regulierung (ASR), Antiblockiersystem (ABS) etc.) nicht mehr auf direktem mechanischem Kontakt von Bremspedal und Hydraulikbremskreis beruht, sondern elektrisch betriebene Steuerungskomponenten für die vorgenannten Fahrzeugstabilisierungssysteme zwischengeschaltet sind.
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Aufgrund dieser umfangreichen Mechatronik der Fahrzeugbetriebsbremse sind bereits grundlegende Voraussetzungen dafür erfüllt, eine weitergehende Integration des Betriebsbremssystems in das elektrische Antriebssystem zu unternehmen. Der Kerngedanke der Erfindung liegt nun darin, die im System der Fahrzeugbetriebsbremse bereits eingeflossene „Elektrifizierung“ dahingehend zu nutzen, dass die vorhandene mechanische/elektrische Pumpe zur Betätigung der Fahrzeugbetriebsbremse in das elektrische Antriebssystem für die Druckerzeugung im Schmierungs- und Kühlsystem integriert wird, um eine funktionsgleiche Komponente einzusparen.
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Durch die Integration der Pumpe der Fahrzeugbetriebsbremse kann diese strategiebehaftet für die Kühlung und Schmierung des elektrischen Antriebssystems immer dann genutzt werden, wenn keine Bremswirkung im Sinne einer Voll- bzw. Gefahrenbremsung gefordert ist. Da einfache Bremsmanöver in der Bremsstrategie von Elektrofahrzeugen ohnehin meist ausschließlich oder im direkten Zusammenwirken mit dem Antriebssystem (Rekuperationsmodus) durchgeführt werden, steht die Pumpe des Betriebsbremssystems somit nahezu ununterbrochen mit der vollen Pumpleistung für die Kühlung und Schmierung des elektrischen Antriebssystems zur Verfügung.
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Wenn eine Betätigung der Betriebsbremse erfolgt (aktiv oder passiv) wird - kurzzeitig - die noch zur Verfügung stehende Pumpenleistung für die Kühlung und Schmierung des elektrischen Antriebssystems verwendet. Der kontroverse Bedarf der Bremsleistung (bspw. bei Vollbremsung wenig Kühlung/Schmierung des Antriebssystems erforderlich) begünstigt eine strategisch ideale Pumpenauslegung entsprechend dem Energiebedarf.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann die mechanische/elektrische Pumpe des Betriebsbremssystems gegebenenfalls auch mit Bremsaktuatorik, Sensorik und weiterer Hardware (wie Steuergerät, Bremskraftregler etc.) in das elektrische Antriebssystem integriert und/oder mit vorhandenen Komponenten des Antriebssystems kombiniert werden.
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Zusätzlich entstehen durch diese Integration noch weitere Vorteile durch Vereinfachung von artverwandten Funktionen, wie z.B. Wegfahrsperre, bei der die Aktivierung der Betriebsbremse die Parksperre im elektrischen Antriebssystem ersetzt.
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Durch die Erfindung wird eine neue Möglichkeit zur Ausnutzung von Synergieeffekten zwischen Betriebsbremssystem und elektrischem Antriebssystem von Elektro- oder Hybridfahrzeugen realisiert, bei der gleichartige Komponenten in das Antriebssystem integriert, wobei die Pumpe der Betriebsbremse die Kühlmittelumlaufpumpe ersetzt, und dadurch Bauraum, Gewicht und Kosten reduziert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Antriebsachse eines Elektrofahrzeugs mit Integration der Pumpe des Betriebsbremssystems in das Antriebssystem;
- 2: eine schematische Darstellung der Integration der gesamten Steuerung des Betriebsbremssystems, inklusive der Mechatronikeinheit mit ESP-Systemen, in das elektrische Antriebssystem.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau der Antriebsachse 1 eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 2, das für seine beiden Seitenantriebswellen 21 entweder eine gemeinsame Antriebseinheit 22 für beide Räder 3 der Antriebsachse 1 oder aber eine für jedes Rad 3 separate Antriebseinheit (nur als gestrichelte Teilung angedeutet) enthält, und über eine Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 verfügt, die mit der Antriebseinheit 22 (gegebenenfalls inklusive Getriebe) gekoppelt ist.
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Das erfindungsgemäße Betriebsbremssystem 4 umfasst eine mechanische/elektrische Pumpe 41 zur Druckerzeugung in den (nur stilisiert gezeigten) Hydraulikbremskreisen 42 sowie je eine separat pro Rad 3 vorhandene Bremseinrichtung 43, die vorzugsweise als Lamellenbremse, insbesondere als verschleißminimierte Nassbremse ausgeführt ist.
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Für das aus Sicherheitsredundanzgründen in Fahrzeugen mit Elektroantrieb immer noch vorherrschende und auch hier angenommene System der Hydraulikbremskreise 42, wird die Pumpe 41 in das Antriebssystem 2 derart integriert, dass mit der Pumpe 41 auch der Fluidumlauf für die Kühlung und Schmierung der elektrischen Antriebseinheit 22 über die Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 betrieben wird. Folglich kann eine ansonsten für Kühlung und Schmierung vorhandene Pumpe gleicher oder ähnlicher Bauart entfallen, sodass die Pumpe 41 beide separaten Fluidkreisläufe von Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 und Hydraulikbremskreise 42 parallel betreibt.
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Das ist deshalb relativ problemfrei möglich, da die Hydraulikbremskreise 42 bei Personenkraftwagen (Pkw) mit elektrischer Antriebseinheit 22 in der Regel nur noch für Bremsvorgänge, die Voll- oder Gefahrenbremsung darstellen, voll gefordert sind und alle übrigen Bremsvorgänge unter Nutzung von Rekuperation von Energie durch elektrische Komponenten, vornehmlich vom elektrischen Antriebssystem 2 übernommen werden.
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Somit kann die Pumpe 41 des Betriebsbremssystems 4, da sie - außer bei wenigen Vollbremsungen - nicht mit ihrer vollen Leistung benötigt wird und mehr in einer Druckerhaltungs- und Bereitschaftsfunktion arbeitet, erfindungsgemäß in ihrer Haupt- und Dauerfunktion für den Betrieb der Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 der Antriebseinheit 22 verwendet werden. Sie muss dabei nur kurzzeitig für die volle Bremsfunktion freischaltbar sein und umgeschaltet werden. In den Phasen der Bremsfunktion kann die Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 zwar vorübergehend nicht (voll) bedient werden, was jedoch lediglich einen geringen Druckabfall für den Fluidkreislauf im Wärmetauschersystem von Kühlung und Schmierung bedeutet und zwar in einer Phase, in der die Antriebseinheit 22 jedenfalls nicht im Hochleistungsmodus betrieben wird.
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Die Doppelfunktion der Pumpe 41 führt somit zu keinem Sicherheitsrisiko in keinem der beiden gemeinsam bedienten Systeme, wenn die Pumpe 41 parallel betrieben wird und wechselseitig mit Priorität für den Bremsdruck des Betriebsbremssystems 4 im Bedarfsfall der gesteigerten bis vollen Bremsleistung umschaltbar ist.
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Grundlegend umfasst das Betriebsbremssystem 4 eine Mechatronikeinheit 44 mit einer ESP-Steuerung (ggf. mit ASR und ABS kombiniert), wie sie üblicherweise zum Brems- und Stabilisierungssystem von modernen Personenkraftwagen mit beliebigem Antriebskonzept gehört. Die ESP-Steuerung ist dabei mit vorzugsweise an allen vier Rädern 3 (in 1 nur zwei Räder 3 der Antriebsachse 1) vorhandenen Drehzahlsensoren, wie sie auch vom ABS genutzt werden, einem Lenkwinkelsensor (für mit dem Lenkrad beabsichtigte Fahrtrichtung), Querbeschleunigungs- und Gierratensensoren (zur Erfassung von Querbewegungen des Fahrzeugs) sowie einem in einer Mechatronikeinheit 44 enthaltenen Rechner zur Verarbeitung der Sensordaten ausgestattet. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die vorgenannten Sensoren, obgleich sie im Fahrzeug mehrheitlich dezentral angeordnet sind, hier der Mechatronikeinheit 44 zugerechnet.
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Das in der Mechatronikeinheit 44 enthaltene ESP steuert das Betriebsbremssystem 4 mit den Hydraulikbremskreisen 42 bei Brembspedalbetätigung durch den Fahrzeugführer mittels der Pumpe 41 gegebenenfalls für jedes Rad 3 unabhängig von den anderen Rädern 3, um diese unabhängig vom tatsächlichen Pedalbetätigungsdruck in einem vom ESP bestimmten Bedarfsfall unterschiedlich abzubremsen.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der die Mechatronikeinheit 44 zur bedarfsgerechten Bremskraftsteuerung in das elektrische Antriebssystem 2 integriert ist.
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Die Mechatronikeinheit 44 ist zusätzlich zur elektrischen/mechanischen Pumpe 41, wie sie bereits in 1 zum kombinierten Druckaufbau für Hydraulikbremskreise 42 und Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 vorgesehen war, in der Ausführung gemäß 2 direkt in das Antriebssystem 2 mit eingebettet und kann hier für Synergieeffekte unmittelbar auch mit der Antriebseinheit 22 und der Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 des Antriebssystems 2 sorgen.
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Soweit Schnittstellen mit der Steuerung des Antriebssystems 2 (ggf. mit separat steuerbarem Getriebe) vorhanden und mit der Mechatronikeinheit 44 verknüpft sind, kann das ESP im Idealfall mit der Antriebseinheit 22 die Bremsung und Stabilisierung des Pkw zusätzlich unterstützen .Damit ergibt sich der zusätzliche Vorteil, die Antriebseinheit 22 auch aktiv in das Management des Betriebsbremssystems 4 mit einzubinden, wodurch vor allem gesichert werden kann, dass Bremsvorgänge mit separater alleiniger Wirkung der Bremseinrichtungen 43 an den Rädern 3 und/oder gekoppelter Mitwirkung des Antriebssystems 2 (ggf. unter Ausnutzung von Rekuperationsprozessen der elektrischen Antriebseinheit 22) gesteuert werden können.
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Dadurch kann zugleich die Pumpleistung der Pumpe 41 besser im wechselnden Einsatz für sporadische akute (Volllast-) Bremsvorgänge und Dauerbelastung für Kühlung und Schmierung der Antriebseinheit 22 in Abhängigkeit vom Bedarf an Bremsverzögerung des Pkw gesteuert werden.
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Die Mechatronikeinheit 44 des Betriebsbremssystems 4 kann somit im Antriebssystem 2 direkt integriert und für weitere Steuerungsprozesse der elektrischen Antriebseinheit 22, deren Kühl- und Schmierungseinrichtung 23 und für die Ausnutzung der Antriebs-, Brems- und Stabilisierungsfunktionen der Antriebseinheit 22 genutzt oder mit dem gesamten Steuerungssystem des elektrischen Antriebssystems 2 kombiniert oder sogar verschmolzen werden.
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Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung wird die übliche „Gewaltenteilung“ zwischen Antriebssystem 2 und Betriebsbremssystem 4 aufgeweicht oder sogar aufgehoben, wodurch neben der Einsparung von doppelt vorhandenen baugleichen Komponenten elektrisch/mechanischen Pumpen vor allem synergetische Effekte im Bremsmanagement von Elektro- oder Hybridfahrzeugen sowie eine Reduzierung von Bauraum, Gewicht und Kosten erreichbar sind. Die obigen Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht auf die angegebenen Gestaltungen des Zusammenwirkens von Betriebsbremssystem 4 und elektrischem Antriebssystem 2 beschränkt, sondern können sich auch auf andere Ausführungen erstrecken, soweit eine Zusammenführung (Vereinigung) von Pumpen für Brems- und elektrische Antriebsfunktionen erfolgt und/oder deren Steuerung vereinheitlicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsachse
- 2
- (elektrisches) Antriebssystem
- 21
- Antriebsseitenwelle
- 22
- (elektrische) Antriebseinheit
- 23
- Kühl- und Schmierungseinrichtung
- 3
- Rad
- 4
- Betriebsbremssystem
- 41
- (mechanische/elektrische) Pumpe
- 42
- Hydraulikbremskreis
- 43
- Bremseinrichtung
- 44
- Mechatronikeinheit
