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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug wie einen Personenkraftwagen, wobei das Antriebssystem je Rad eine unabhängig steuerbare Bremseinrichtung und eine Antriebseinheit aufweist, so dass zwei Antriebsstränge an einer Antriebsachse des Fahrzeugs vorhanden sind.
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Aktuell ist der Stand der Technik des Betriebsbremssystems bei Fahrzeugen unabhängig vom Antriebskonzept (Elektro-, Hybrid- oder Verbrennungsantrieb) eine radnahe, luftgekühlte Scheibenbremse für jedes Rad. Dies ist auch für Elektrofahrzeuge die immer noch vorherrschende Art der Betriebsbremse, welche autark vom Antriebskonzept funktioniert. Nachteile dieses Betriebsbremssystems sind Luftkühlung, Feinstaubbelastung, Wartungsaufwand, Einfluss auf Fahrzeuggeometrie, Schleppverluste etc.
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Für Elektro- oder Hybridfahrzeuge ist die Luftkühlung der Scheibenbremse mit den dadurch begünstigten Nebeneffekten von reibungsbedingtem Verschleiß nebst Feinstaubemission, reibungs- und witterungsbedingt hohem Wartungsbedarf sowie Beschränkungen des Fahrzeugdesigns aufgrund von notwendigen Lüftungskanälen ein sehr vorrangiges Problem für die beabsichtigte Umweltfreundlichkeit des Fahrzeugs.
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Bei einer Scheibenbremse sind die Schleppverluste, die den Wirkungsverzug vom geöffneten bis zum geschlossenen Bremsklotz- oder Lamellenzustand beschreiben, wegen primärer Einflussgrößen, wie Medium im Lüftspalt (Lüftspiel), Belagbreite, Anzahl und Durchmesser der Reibflächen, und sekundärer Einflüsse, wie Belagoberfläche und Reibbelagnutzung, dringend verbesserungsbedürftig. Dem Lüftspiel (Abstand zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe bei Scheibenbremsanlagen) kommt allein deshalb besondere Bedeutung zu, weil ein Abstand zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe für den (ungebremsten) Umlauf der Bremsscheibe unverzichtbar ist, das Lüftspiel aber andererseits beim Betätigen der Bremsen zu einer Bremswegverlängerung führt, die bei einer hydraulischen Bremsanlage als Bremsansprechzeit (Zeit zur Überwindung des Lüftspiels) ca. 0,1 bis 0,2 Sekunden betragen kann.
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Außerdem sollen Elektrofahrzeuge vor allem in der Leistungsfähigkeit gesteigert werden, indem Synergieeffekte zwischen Betriebsbremssystem und Antriebssystem unter Ausnutzung der Energierückgewinnung (Rekuperationsbremsung) besser verknüpft werden, um den Energiespeicher (Akku) nachzuladen oder aber überschüssige Wärmeenergie aus Antriebs- und Bremssystem umzuwandeln oder für Heizzwecke zu nutzen.
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Obwohl es heutzutage Stand der Technik ist, dass eine Betriebsbremse im Fahrzeug vor allem wegen der Zusatzfunktionalitäten, wie ESP (elektronisches Stabilitäts-Programm), ASR (Antischlupfregelung), ABS (Antiblockiersystem) etc., nicht mehr mittels mechanischer Verbindung, sondern mittels elektronisch gesteuerter Pumpen vom Bremspedal gesteuert wird, ist das Betriebsbremssystem auch für reine Elektrofahrzeuge immer noch strikt getrennt vom elektrischen Antriebssystem und mit den peripheren Bremseinrichtungen (luftgekühlte Scheibenbremsen) an den Rädern des Fahrzeugs über hydraulische Bremskreise verbunden. Dies ist besonders bei einem Antriebssystem, bei dem jedes Rad individuell angetrieben wird, von Nachteil, da jedes Rad individuell angesteuert wird.
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Verschiedene Unternehmen haben so angetriebene Konzeptfahrzeuge vorgestellt, die durch einen individuellen Motor für jedes einzelne Antriebsrad angetrieben werden können. Beispiele umfassen den Schaeffler 4ePerformance oder ein gemeinsames Projekt zwischen BMW und Elaphe Propulsion Technologies, bei dem ein BMW X6 mit 4 elektrischen Radmotoren ausgestattet worden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Verbesserung der Nachhaltigkeit bzw. Umweltverträglichkeit des Betriebsbremssystems in Elektrofahrzeugen mit individuell angetriebenen Rädern zu finden sowie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei maximaler Kompaktheit zu steigern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für eine Antriebsachse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit zwei Antriebssträngen gelöst, die jeweils eine elektrische Antriebseinheit, eine Bremseinrichtung und ein Rad aufweisen. Je Antriebsstrang ist dabei die Bremseinrichtung als eine fluidgekühlte Nassbremse ausgebildet, die sich mit der Antriebseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse befindet.
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Es ist vorteilhaft, wenn sich die Nassbremse mit einem Wärmehaushalt der Antriebseinheit gekoppelt ist. Dadurch wird es erleichtert, den Wärmehaushalt der gesamten Achse zu regulieren.
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Während Antriebseinheiten und Bremseinrichtungen jeweils eigene Wärmesenken im erfindungsgemäßen Antriebssystem prinzipiell aufweisen können, weisen in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung an beiden Antriebsträngen jeweils die Bremseinrichtung und die Antriebseinheit eine gemeinsame Wärmesenke auf, wobei mindestens ein Wärmetauscher vorhanden ist, der mit beiden Wärmesenken verbunden ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen alternativ die Bremseinrichtungen und die Antriebseinheiten der beiden Antriebsstränge eine gemeinsame Wärmesenke auf, wobei mindestens ein Wärmetauscher vorhanden ist, der mit der gemeinsamen Wärmesenke verbunden ist. Dadurch wird es erleichtert, den Wärmehaushalt der gesamten Achse zu regulieren, da die Wärmehaushalte beider Antriebsstränge an der Wärmesenke zusammengeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die beiden Antriebsstränge jeweils ein Übersetzungsgetriebe auf, das als Planetengetriebe ausgebildet ist. Die Bremseinrichtung und die Antriebseinheit sind dabei formschlüssig mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden und ein Hohlrad des Planetengetriebes, Außenlamellen der Nassbremse und ein Stator der Antriebseinheit mit einem gemeinsamen Gehäuse verbunden. Ein solcher Aufbau erleichtert es, alle Komponenten der Antriebsstränge mit einer Wärmesenke zu verbinden und erlaubt eine besonders kompakte Ausführung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zentrale Steuereinheit vorhanden, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher in Verbindung steht. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, die zentrale Steuereinheit für ein intelligentes Thermomanagement von den Antriebseinheiten, den Bremseinrichtungen und dem mindestens einen Wärmetauscher vorgesehen ist. So wird es ermöglicht, alle Komponenten der Antriebsstränge bestmöglich anzusteuern und weitergehende Funktionen im Fahrzeug, zum Beispiel die weitergehende Nutzung der an dem mindestens einen Wärmetauscher aufgenommenen Energie zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem eben beschriebenen Antriebssystem gelöst. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine zentrale Steuereinheit vorhanden ist, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher in Verbindung steht, wobei die zentrale Steuereinheit für ein intelligentes Thermomanagement von den Antriebseinheiten, den Bremseinrichtungen und dem mindestens einen Wärmetauscher sowie die Steuerung des Wärmehaushalts aller Heizsysteme des Fahrzeugs vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die weitergehende Nutzung der an dem mindestens einen Wärmetauscher aufgenommenen Energie ermöglicht. Besonders vorteilhaft kann die zentrale Steuereinheit zur Koordination und Effektivierung von Bremsprozessen der Antriebseinheiten und der Bremseinrichtungen zwecks Optimierung des Energiemanagements des Fahrzeugs vorgesehen sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem und
- 2 ein Getriebeschaltbild des Antriebssystems.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 10 mit einer Antriebsachse 1 mit zwei Antriebssträngen 5. Jeder Antriebsstrang 5 weist eine elektrische Antriebseinheit 51 auf, die einen Elektromotor umfasst, der ein Rad 3 des jeweiligen Antriebsstrangs 5 über ein Übersetzungsgetriebe 53 und eine Seitenantriebswelle 54 antreibt. Ferner ist an jedem Antriebsstrang 5 eine Bremseinrichtung 52 vorgesehen, die über ein Bremssystem 7 angesteuert wird. Die erfindungsgemäße Antriebsachse 1 kann als Vorderachse oder Hinterachse des Fahrzeugs 10 ausgebildet sein. Auch mehre Antriebsachsen 1 an einem Fahrzeug 10, zum Beispiel bei Allradantrieb, sind ohne weiteres möglich. Jeder Antriebsstrang 5 ist als koaxial aufgebaut dargestellt, fachübliche Abweichungen davon, zum Beispiel ein senkrechtes Anordnen der Antriebseinheit 51 zur Antriebsseitenwelle 54, sind jedoch ohne weiteres möglich.
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Die Antriebseinheit 51, die Bremseinrichtung 52 und das Übersetzungsgetriebe 53 eines jeden Antriebsstrangs 5 sind an eine gemeinsame Wärmesenke 2 angebunden, wobei für beide Wärmesenken 2 ein gemeinsamer Wärmetauscher 4 vorhanden ist. Die Bremseinrichtungen 52 sind dazu als fluidkreisgekühlte Nassbremsen, vorzugsweise als nasse Lamellenbremsen, ausgebildet, um am Kühlmanagement der jeweiligen oder beider Antriebseinheiten 51 zu partizipieren und an der Antriebsachse 1 einen gemeinsamen Wärmehaushalt zu bilden. Alternativ können die Wärmesenken 2 zu einer gemeinsamen Wärmesenke 2 zusammengeführt werden, die mit dem Wärmetauscher 4 verbunden ist. was durch die gepunktete Linie dargestellt wird.
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Diese Kombination der Bremseinheit 52 mit der Antriebseinheit 51 des jeweiligen Antriebsstrangs 5 bietet in einem integrierten System aus Antriebsaggregat und nasser Bremse die Möglichkeit, die derzeit durch Bremsabrieb hohe Feinstaubbelastung der kommerziell etablierten Trockenscheibenbremsen zu vermeiden und zudem die Wärmeentwicklung der Bremseinrichtungen 52 der Betriebsbremse über ein Thermomanagement der Antriebsstränge 5 und des Wärmetauschers 4 in der Fahrzeugarchitektur (z.B. für Innenraumheizung) zu nutzen. Dadurch ergeben sich Vorteile für die Radgeometrie und Aerodynamik (Strömungsoptimierung bspw. von Felge und Karosserie) durch Wegfall der Luftkühlung der Trockenscheibenbremsen und somit der peripheren Positionierung der Einzelradbremsen.
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Der Einsatz einer Nassbremse als Bremseinrichtungen 52 bietet des Weiteren bessere Möglichkeiten bei der Skalierung der Bremsen und die Anwendung eines Baukastensystems je nach Fahrzeuggewicht und Antriebsaggregat etc. durch Auslegung mit variablem kreisrundem Reibbelag, welcher separat in Anzahl und Durchmesser skaliert werden kann. Des Weiteren ist bei der Ausführung als Nassbremse besonders vorteilhaft, dass die Abführung von Reibungswärme durch einen Volumenstrom einer Kühlflüssigkeit erfolgt. Die Wärme kann somit auch besonders günstig über den Wärmetauscher 4 zu weiter entfernten Positionen im Fahrzeug 10 transportiert werden, wo sie beispielsweise zum Heizen des Innenraums genutzt oder an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Grundprinzip der Erfindung ist die Ausführung der Antriebsachse 1 koaxial von den Antriebseinheiten 51 über die Bremseinrichtungen 52 zu beiden Seiten über die beiden Seitenwellen 54 bis zu den Rädern 3. Hier kann die jeweilige Antriebseinheit 51 über das Übersetzungsgetriebe 53 mit den Bremsscheiben der jeweiligen Bremseinrichtung 52 gekoppelt und in einem gemeinsamen Gehäuse 8 verbunden sein. Auch eine Integration beider Antriebseinheiten 51 und Bremseinrichtungen 52 in einem einzigen Gehäuse 8 ist möglich.
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Beim Abführen der in Wärme umgewandelten Bremsenergie kann es vorteilhaft sein, dasselbe Kühlmedium zu nutzen, wie es für die Antriebseinheiten 51 verwendet wird. Dafür sind als Ausführung der Bremseinrichtungen 52 Lamellennassbremsen eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass es sich um Vollscheibenbremsen handelt, bei denen die gesamte Fläche der Bremsscheibe als Reibfläche zum Verzögern benutzt wird und die Bremsscheibe(n) komplett in einem Ölbad, einem Ölnebel oder unter gezielter Beölung laufen. Dabei werden mehrere Innen- und Außenlamellen axial gegeneinandergepresst, wodurch die erforderliche Bremsreibung entsteht. Bisher wurde sich beispielhaft auf Öl bezogen, es können aber auch andere Medien im erfindungsgemäßen Antriebssystem zur Schmierung eingesetzt werden, wie sie fachüblich Anwendung finden.
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Als Alternative zu den Lamellenbremsen, welche aus einer oder mehreren Stahllamellen und zwischen den Stahllamellen liegenden Belaglamellen besteht, könnte auch eine Nassbremse als Bremseinrichtung 52 eingesetzt werden, welche weniger komplex aufgebaut ist. So ließe sich eine Bremseinrichtung mit einer Belagscheibe, welche in verschiedenen Ausführungen auch nur in Teilsegmenten mit Belag versehen sein kann, integrieren. Die Belagscheibe wird gegen eine nicht dargestellte Gehäuseanlagefläche des Gehäuses 8 gepresst, um die erforderliche Bremsreibung zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft für einfache, leichte oder wenig performante Anwendungen. Auch weitere Ausführungen der Nassbremse sind denkbar.
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Eine optimale Voraussetzung für die Koordination der Bremskühlung bietet dadurch an, dass eine mit dem Wärmetauscher 4 in Verbindung stehende zentrale Steuereinheit 6 für die Antriebsachse 1 ein intelligentes Thermomanagement im Zusammenspiel von Antriebseinheiten 51 und Bremseinrichtungen 52 mit dem Wärmetauscher 4 realisiert, wobei Faktoren wie Batterieladezustand, Temperatur von Batterie und Antriebseinheiten 51, Gesamtsituation des Bremssystems 7 und der Bremsscheiben der jeweiligen Bremseinrichtungen 52 (ermittelt über Sensoren und/oder Rechenmodelle), Fahrzeuggeschwindigkeit, bisheriges Fahrerverhalten sowie ggf. Streckeninformationen zusätzlich einbezogen werden. Ergänzend kann die zentrale Steuereinheit 6 situationsabhängig eine optimale Aufteilung zwischen Reibbremsung der Bremseinrichtungen 52 und Motorbremsung durch die Antriebseinheiten 51 einstellen. Hat die zentrale Steuereinheit 6 Zugriff auf alle Heizsysteme des Fahrzeugs 10, wird eine Steuerung des gesamten Wärmehaushalts des Fahrzeugs 10 ermöglicht. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn mehrere Antriebsachsen 1 am Fahrzeug 10 vorhanden sind, da so eine optimale, zentrale Steuerung aller Antriebsstränge 5 ermöglicht wird.
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Die Steuerung und Regelung der Bremseinrichtungen 52 und der Antriebseinheiten 51 kann durch die zentrale Steuereinheit 6 perfekt systemübergreifend übernommen werden oder auch in bestehende Steuergeräte der Antriebseinheit 51 integriert werden (erhöhte Systemsynergie). Damit ergibt sich eine bessere Regelfähigkeit durch das Bremssystems 7 nicht nur durch die nasse Bremse, sondern vor allem auch kürzere Regelstrecken und mithin geringere Störanfälligkeit) sowie die gemeinsame Steuerung durch Kombination mit einem Rekuperationsmoment oder negativen Drehmoment der Antriebseinheiten 51 mittels der zentralen Steuereinheit 6.
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Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung wird die strikte Trennung der Bremseinrichtungen 52 vom elektrischen System der Antriebsachse 1 aufgehoben, wodurch neben der Umstellung auf eine feinstaubfreie Nassbremse vor allem eine Mehrfachnutzung des zur Kühlung verwendeten Wärmetauschers 4 und ein besseres Wärmemanagement sowie eine Verknüpfung mit den Bremsmöglichkeiten der elektrischen Antriebseinheit 51 ermöglicht wird.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der beiden Antriebsstränge 5 einer Antriebsachse 1 in Form eines Getriebeschaltbilds. Wie bereits oben erläutert, weisen die beiden Antriebsstränge 5 jeweils ein Übersetzungsgetriebe 53 auf. Dieses kann als Planetengetriebe ausgebildet sein, bei dem die Bremseinrichtung 52 und die Antriebseinheit 51 formschlüssig mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden sind. Um einen gemeinsamen Wärmehaushalt zu schaffen, sind ein Hohlrad des Planetengetriebes, die Außenlamellen der als Nassbremse ausgebildeten Bremseinrichtung 52 und ein Stator der Antriebseinheit 51 mit einem gemeinsamen Gehäuse 8 verbunden und es ist ein gemeinsamer Ölhaushalt eingerichtet. Alternativ zum Planetengetriebe kann eine Stirnradstufe verwendet werden, bei der dann ein Achsversatz zwischen einer Antriebswelle der Antriebseinheit 51 und der Antriebsseitenwelle 54. Je nach Fahrzeugtyp sind dabei weitere Faktoren wie zum Beispiel Bauraumbedarf, zu übertragendes Drehmoment oder Skalierbarkeit zu berücksichtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsachse
- 2
- Wärmesenke
- 3
- Rad
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Antriebsstrang
- 51
- Antriebseinheit
- 52
- Bremseinrichtung
- 53
- Übersetzungsgetriebe
- 54
- Antriebsseitenwelle
- 6
- zentrale Steuereinheit
- 7
- Bremssystem
- 8
- Gehäuse
- 10
- Fahrzeug
