DE102021214699A1

DE102021214699A1 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021214699A1
Application number: DE102021214699.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Peterseim; Felix Prauße; Gerhard Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22
Also published as: US20230191890A1; CN116317046A

Abstract

Kraftfahrzeug (1), umfassend einen Antriebsstrang (6), der wenigstens eine mit einem mittels einer Ladeschnittstelle von einer externen Ladevorrichtung aufladbaren elektrischen Energiespeicher (3) verbindbare oder verbundene elektrische Maschine (2) aufweist, welche elektrische Maschine (2) dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment zu erzeugen und auf einen Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (6) zu übertragen, wobei eine Entkopplungsvorrichtung (10) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine (2) zur Ausführung eines Ladevorgangs in einem Entkopplungszustand bedarfsweise mechanisch von dem Abtrieb (7) zu entkoppeln, wobei in dem Entkopplungszustand eine Drehbewegung des Rotors (8) der elektrischen Maschine (2) in eine Sollladeausrichtung (19) des Rotors (8) von dem Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (6) entkoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Antriebsstrang, der wenigstens eine mit einem mittels einer Ladeschnittstelle von einer externen Ladevorrichtung aufladbaren elektrischen Energiespeicher verbindbare oder verbundene elektrische Maschine aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment zu erzeugen und auf einen Abtrieb des Antriebsstrangs zu übertragen.
Kraftfahrzeuge, die elektrische Maschinen als Antriebseinrichtungen aufweisen, welche elektrische Maschinen über einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden können, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige elektrische Energiespeicher können, neben einer Aufladung im Betrieb mittels Rekuperation, bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs über eine Ladeschnittstelle von einer externen Ladevorrichtung aufgeladen werden. Beispiele einer solchen externen Ladevorrichtung können eine Ladesäule bzw. eine sogenannte „Wallbox“ sein.
Hierzu ist bekannt, den Wechselrichter des Kraftfahrzeugs, der für den Betrieb der elektrischen Maschine verwendet wird, zum Laden aus einer Gleichspannungsquelle, nämlich der Ladevorrichtung, zu verwenden. Für die Schaltung des DC/AC-Wechselrichters in einen DC/DC-Konverter werden zusätzliche Induktivitäten benötigt, die zweckmäßigerweise durch die Spulen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
Während des Ladevorgangs hängt das Drehmoment, das von dem Rotor aufgrund der Bestromung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers bewirkt wird, von der Ausrichtung des Rotors bzw. der Rotorlage ab. Da die Rotorlage bzw. die Ausrichtung des Rotors bei einem Abstellen des Kraftfahrzeugs an der externen Ladevorrichtung letztlich zufällig ist, muss sichergestellt werden, dass ein solches Drehmoment nicht zu einer ungewünschten Bewegung des Kraftfahrzeugs führen kann, sodass Sicherheitsprobleme ausgeschlossen bleiben. Dennoch wird, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug durch eine Parkbremse und/oder eine Parksperre oder andere Getriebesperren festgehalten wird, ein Drehmoment von dem Rotor bewirkt, das in den Antriebsstrang eingeleitet wird. Da sich die Rotorlage bzw. die Ausrichtung des Rotors, wie beschrieben, zufällig einstellt, können im schlimmsten Fall Drehmomente im Bereich des maximalen Drehmoments der elektrischen Maschine erzeugt werden, die sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten des Antriebsstrangs auswirken können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein demgegenüber verbessertes Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem insbesondere das Ausführen von Ladevorgängen an einer externen Ladevorrichtung verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie eingangs beschrieben, betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine und einem elektrischen Energiespeicher aufweist. Der elektrische Energiespeicher kann durch eine Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs an einer externen Ladevorrichtung aufgeladen werden. Die elektrische Maschine wird vornehmlich dazu benutzt, ein Drehmoment zu erzeugen und auf einen Abtrieb des Antriebsstrangs zu übertragen. Die elektrische Maschine kann somit als Antriebseinrichtung bzw. Traktionsantrieb verstanden werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Kraftfahrzeug eine Entkopplungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine zur Ausführung eines Ladevorgangs in einem Entkopplungszustand bedarfsweise mechanisch von dem Abtrieb zu entkoppeln, wobei in dem Entkopplungszustand eine Drehbewegung des Rotors der elektrischen Maschine in eine Sollladeausrichtung des Rotors von dem Abtrieb des Antriebsstrangs entkoppelt ist.
Dabei ist die elektrische Maschine derart ausgebildet ist, in einem ersten Zustand ein Drehmoment zu erzeugen, das auf einen Abtrieb des Antriebsstrangs übertragen werden kann und in einem zweiten Zustand Strom von einer Ladeschnittstelle an einen elektrischen Energiespeicher zu übertragen. Die Übertragung des Drehmomentes kann bspw. über ein Reduziergetriebe erfolgen. Im zweiten Zustand können z.B. die Spulen des Elektromotors als Teil eines Hochsetzstellers, auch boost converter genannt, verwendet werden. Der zweite Zustand kann auch Entkopplungszustand genannt werden. $\begin{array}{l} / / erster Zustand = Traktionsbetrieb \\ / / Entkopplungszustand = Zustand in dem geladen wird = zweiter Zustand \end{array}$
Mit anderen Worten sieht die Erfindung eine Entkopplungsvorrichtung vor, die eine mechanische Entkopplung zwischen Abtrieb und elektrischer Maschine bewirken kann, insbesondere den Rotor der elektrischen Maschine von dem Abtrieb entkoppeln kann. Die Entkopplung kann ausgeführt werden, um einen Ladevorgang durchzuführen. Beispielsweise kann bei oder vor Einleiten eines Ladevorgangs die Entkopplung durchgeführt werden, sodass eine Drehbewegung des Rotors der elektrischen Maschine in eine Sollladeausrichtung des Rotors möglich ist, bei welcher Drehbewegung der Rotor von dem restlichen Antriebsstrang, insbesondere von dem Abtrieb, entkoppelt ist. Die Entkopplungsvorrichtung ermöglicht somit, dass der Rotor, insbesondere in die Sollladeausrichtung, gedreht werden kann, ohne dabei ein Drehmoment auf den restlichen Antriebsstrang zu erzeugen. Anstatt, wie im Stand der Technik üblich, den Rotor in der zufällig vorliegenden Position zu verwenden, um den Ladevorgang durchzuführen, wird, wie beschrieben, die Entkopplungsvorrichtung dazu verwendet, den Rotor zu entkoppeln und somit eine definierte Drehbewegung des Rotors entkoppelt von dem Abtrieb des Antriebsstrangs auszuführen, sodass der Rotor in die Sollladeausrichtung bewegt werden kann.
Die Sollladeausrichtung bezeichnet insbesondere diejenige Ausrichtung des Rotors bzw. diejenige Rotorlage, in der der Rotor ein vergleichsweise kleines Drehmoment, insbesondere kein Drehmoment, während des Ladevorgangs bewirkt. Somit kann sichergestellt werden, dass bei der Durchführung des Ladevorgangs durch die Bestromung des Rotors kein oder nur ein vergleichsweise geringes Drehmoment bewirkt wird. Sicherheitsrelevante Drehbewegungen des Rotors sowie Übertragung von Drehmoment in den Antriebsstrang, die letztlich gesperrt werden müssen, können somit ausgeschlossen werden. Dadurch lässt sich zum einen die Sicherheit beim Durchführen von Ladevorgängen sowie die Lebensdauer des Antriebsstrangs und seiner Komponenten erhöhen.
Die hierin beschriebene Entkopplungsvorrichtung kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, solange die Entkopplungsvorrichtung eine mechanische Kopplung bei Bedarf, insbesondere bei Ansteuerung durch eine Steuerungseinrichtung, ausführen kann, sodass der Rotor von einem Teil des Antriebsstrangs, insbesondere möglichst rotornah, von dem Abtrieb des Antriebsstrangs entkoppelt werden kann. Die Entkopplungsvorrichtung kann als „mechanische Trennstelle“ verstanden werden, da diese eine mechanische Trennung des Antriebsstrangs vornehmen kann. Die Entkopplungsvorrichtung kann beispielsweise als Kupplungseinrichtung oder als Freilauf ausgeführt sein.
Ist die Entkopplungsvorrichtung als Kupplungseinrichtung ausgeführt, kann diese wahlweise als formschlüssige Kupplungseinrichtung oder als Reibkupplung ausgeführt sein, im Speziellen als Klauenkupplung oder Lamellenkupplung. Wie beschrieben, muss die Entkopplungsvorrichtung eine Entkopplung zwischen Rotor und Abtrieb ermöglichen, wobei es ausreichend ist, eine Entkopplung in einer definierten Drehrichtung zu ermöglichen, beispielsweise bei Verwendung eines Freilaufs. Die Entkopplungsvorrichtung erlaubt somit, den Rotorwinkel zu ändern, ohne ein Drehmoment auf die Räder aufzubringen. Wird das Kraftfahrzeug beispielsweise in einen Auflademodus versetzt, kann die Entkopplungsvorrichtung zunächst die Kopplung des Rotors aufheben, sodass der Rotor in die gewünschte Sollladeausrichtung verbracht werden kann, in der vorteilhaft der Ladevorgang durchgeführt werden kann, wobei kein oder nur ein niedriges Drehmoment durch den Ladevorgang erzeugt und auf den Rotor aufgebracht wird.
Nach einer Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die Entkopplungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Rotor der elektrischen Maschine nach Einnehmen der Sollladeausrichtung zu sperren, insbesondere mittels einer separaten Sperreinrichtung oder durch Herstellen der Kopplung zu dem Abtrieb. Wie beschrieben, wird der Rotor vornehmlich von dem Abtrieb des Antriebsstrangs entkoppelt, um eine Drehbewegung auszuführen, die den Rotor in die gewünschte Sollladeausrichtung überführt. Ist die Sollladeausrichtung des Rotors eingenommen, kann die Entkopplungsvorrichtung den Rotor in der Sollladeausrichtung sperren.
Hierzu kann die Entkopplungsvorrichtung die zuvor aufgehobene Kopplung des Rotors wiederherstellen, d.h., den Rotor wieder an den restlichen Antriebsstrang ankoppeln. Ebenso ist es möglich, eine separate Sperreinrichtung vorzusehen, beispielsweise eine Parkbremse oder eine Parksperre oder dergleichen, die zusätzlich oder alternativ auf den Rotor wirkt, um diesen zu sperren. Die separate Sperreinrichtung kann auch in die elektrische Maschine integriert sein, derart, dass der Rotor gesperrt werden kann, um zu verhindern, dass der Rotor während des Ladevorgangs aus der Sollladeausrichtung auslenkt. Das Sperren des Rotors nach Einnehmen der Sollladeausrichtung bewirkt insbesondere, dass Drehbewegungen des Rotors bei Aufnehmen des Ladevorgangs, beispielsweise aufgrund von Einschwingvorgängen, unterbunden werden. Der Rotor wird daher gesperrt, sodass auch Drehbewegungen aufgrund von Einschwingvorgängen bzw. Abweichungen aus der Sollladeausrichtung in dem Ladevorgang, die ein Verlassen der Sollladeausrichtung bewirken könnten, gesperrt werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass die Entkopplungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Rotor der elektrischen Maschine nach Einnehmen der Sollladeausrichtung durch Aufbringen eines definierten Vorspannmoments in dem Antriebsstrang zu verspannen. Das Verspannen des Rotors in dem Antriebsstrang aus der Sollladeausrichtung heraus kann insbesondere vorsehen, dass das Vorspannmoment mittels der Bestromung während des Ladevorgangs erzeugt wird. Mit anderen Worten kann die Sollladeausrichtung so gewählt werden, dass, insbesondere nach Sperren des Rotors, beispielsweise durch Kopplung an den restlichen Antriebsstrang, ein vergleichsweise geringes Drehmoment bewirkt wird, das den Rotor in dem Antriebsstrang definiert vorspannt.
Durch das definierte Vorspannen bzw. das Aufbringen des definierten Vorspannmoments wird, insbesondere ein Schwingen des Drehmoments bzw. eine Drehmomentschwingung um den Nullpunkt während dem Ladevorgang verhindert. Durch Aufbringen des Vorspannmoments wird dem Rotor eine Vorzugsrichtung aufgeprägt, in der das vergleichsweise definierte kleine Drehmoment aufgebracht werden kann. Das Vorspannmoment kann beispielsweise <10% des maximalen Maschinenmoments betragen, wobei ein Bereich von weniger als 5% des maximalen Maschinenmoments angestrebt werden kann. Beispielsweise kann ein Freilauf als Entkopplungsvorrichtung verwendet werden bzw. kann ein Freilauf einen Bestandteil der Entkopplungsvorrichtung bilden, wobei durch Aufbringen des Vorspannmoments sichergestellt werden kann, dass der Rotor gegen den Freilauf, der mit dem restlichen Antriebsstrang verbunden ist, gesperrt bleibt. Die Auswahl des Vorspannmoments kann letztlich in Abhängigkeit der konkreten elektrischen Maschine und des Antriebsstrangs gewählt werden. Beispielsweise kann mit einbezogen werden, an welcher Stelle die Entkopplungsvorrichtung bzw. der Rotor in dem Antriebsstrang angeordnet ist. Dadurch, dass der Rotor durch das definierte Vorspannmoment vorgespannt wird, werden insbesondere Abweichungen aus der Sollladeausrichtung, die vergleichsweise größere Drehmomente bewirken, verhindert.
Wie zuvor beschrieben, kann die Entkopplungsvorrichtung grundsätzlich beliebige Kupplungseinrichtungen aufweisen. Nach einer Ausführungsform kann die Entkopplungsvorrichtung wenigstens eine Klauenkupplung aufweisen oder als solche ausgebildet sein, wobei die Klauenkupplung eine definierte Zahnanzahl, insbesondere 30 bis 70 Zähne, aufweist, wobei eine Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs dazu ausgebildet ist, die Sollladeausrichtung in Abhängigkeit von einer aktuellen Zahnanordnung zu bestimmen. Bei der Verwendung der Klauenkupplung legt die Zahnanzahl und die Anordnung der Verzahnungen der Gegenstücke bzw. der einzelnen Klauen der Klauenkupplung relativ zueinander fest, welche relativ Orientierungen eingenommen werden können.
Mit anderen Worten kann eine erste Klaue, die mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden ist, nicht in beliebigen Orientierungen mit einer zweiten Klaue, die mit dem Abtrieb des Antriebsstrangs verbunden ist, in Eingriff gebracht werden. Die Verzahnungen weisen jeweils Zähne und Zahnlücken auf, wobei die beiden Klauen nur in Eingriff gebracht werden können, wenn die Zähne der ersten Klaue in Zahnlücken der zweiten Klaue und umgekehrt eingebracht werden können. Die beschriebene Steuerungseinrichtung kann die Sollladeausrichtung, in die der Rotor für den Aufladevorgang gestellt werden soll, in Abhängigkeit von einer aktuellen Zahnanordnung bestimmen. Zum Beispiel kann bestimmt werden, in welche Ausrichtung der Rotor idealerweise gebracht werden soll und welche Sollladeausrichtung realisiert werden kann. Mit anderen Worten kann ermittelt werden, welcher Zahneingriff bzw. welche Rotorausrichtung der gewünschten Sollladeausrichtung am nächsten kommt. Wird der Rotor gesperrt, kann derjenige Zahneingriff bzw. diejenige Orientierung der ersten Klaue relativ zu der zweiten Klaue gewählt werden, die eine möglichst nahe Annäherung an die Sollladeausrichtung des Rotors erlaubt.
Wie zuvor beschrieben, kann der Rotor grundsätzlich nach bzw. zum Einnehmen der Sollladeausrichtung in dem Antriebsstrang vorgespannt werden, um Schwingungen des Drehmoments um den Nullpunkt zu vermeiden. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die zuvor beschriebene oder eine weitere Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs dazu ausgebildet sein, die Sollladeausrichtung durch eine Vorspannung des Rotors einzustellen. Mit anderen Worten kann die gewünschte Vorspannung des Rotors in die Definition bzw. Bestimmung der Sollladeausrichtung mit einbezogen werden. Das eingangs beschriebene Prinzip des Einnehmens der Sollladeausrichtung bleibt davon unberührt. Ist die Sollladeausrichtung eingenommen, soll dennoch ein vergleichsweise geringes Drehmoment auf den Rotor bewirkt werden bzw. durch den Rotor bewirkt werden, die jedoch dem Rotor eine Vorzugsrichtung vorgibt und ein Schwingen um den Nullpunkt des Drehmoments vermeidet. Mit anderen Worten wird die Sollladeausrichtung definiert so gewählt, dass der Rotor durch ein geringes Drehmoment bzw. Vorspannmoment in dem Antriebsstrang vorgespannt ist.
Die Ausgestaltungen bezüglich der Vorspannung des Rotors sowie der Berücksichtigung der möglichen Zahneingriffe können beliebig miteinander kombiniert werden. Mit anderen Worten kann berücksichtigt werden, welche Zahneingriffe grundsätzlich möglich sind und welche Vorspannung des Rotors gewünscht ist. Somit kann die Sollladeausrichtung bzw. die möglichen Sollladeausrichtungen des Rotors, die von einer Polpaarzahl bzw. grundsätzlich einer Symmetrie des Rotors abhängen können, ermittelt werden. Anschließend kann ermittelt werden, welche Zahneingriffe der ersten Klaue und der zweiten Klaue das Einnehmen der Sollladeausrichtung(en) ermöglichen.
Hierbei kann zusätzlich berücksichtigt werden, ob eine Vorspannung des Rotors aufgebracht werden soll oder aufgebracht werden kann, zum Beispiel um Sollpositionen, die von den Klaueneingriffen vorgegeben werden und nicht exakt der Sollladeausrichtung entsprechen, zu korrigieren. Aus der Kombination von möglichen Zahneingriffen und einer möglichen Vorspannung des Rotors kann somit die Sollladeausrichtung für nahezu sämtliche Rotorwinkel durchgeführt werden. Hierbei kann ein Intervall möglicher Vorspannmomente definiert werden, sodass in Abhängigkeit der möglichen Zahneingriffe ein Vorspannmoment aus dem Intervall der möglichen Vorspannmomente gewählt wird, um ausgehend von einer Sollposition die Sollladeausrichtung zu erreichen. Die Vorspannmomente können in beide Drehrichtungen des Rotors aufgebracht werden, sodass ein positives oder negatives Vorspannmoment bewirkt werden kann, um die Sollladeausrichtung zu erreichen.
Insbesondere kann auch berücksichtigt werden, dass ein Mindestmoment als Vorspannmoment nicht unterschritten wird. Hierzu kann beispielsweise ein Zahneingriff realisiert werden, der nicht den zu der Sollladeausrichtung nächsten Zahneingriff darstellt, sondern beispielsweise eine relative Drehung der ersten Klaue zu der zweiten Klaue um einen weiteren Zahneingriff von der Sollladeausrichtung entfernt ist. Der beschriebene Zahneingriff kann gewählt werden, um zumindest das Mindestmoment als Vorspannmoment aufbringen zu können, um den Rotor anschließend in die Sollladeausrichtung zu bewegen.
Das beschriebene Kraftfahrzeug kann, wie beschrieben, wenigstens eine durch die elektrische Maschine angetriebene oder antreibbare Fahrzeugachse aufweisen. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann das Kraftfahrzeug ferner wenigstens zwei angetriebene oder antreibbare Fahrzeugachsen aufweisen. Hierbei kann die Entkopplungsvorrichtung derjenigen Fahrzeugachse zugeordnet sein, deren Wechselrichter zur Durchführung eines Ladevorgangs ausgebildet ist bzw. verwendet wird. Die Ausgestaltung sieht vor, die mechanische Trennstelle an dem Rotor derjenigen elektrischen Maschine vorzusehen, deren Wechselrichter auch zur Durchführung des Ladevorgangs verwendet wird. Beispielsweise kann eine erste Fahrzeugachse durch eine erste elektrische Maschine angetrieben werden, der ein erster Wechselrichter zugeordnet ist. Eine zweite Fahrzeugachse kann durch eine zweite elektrische Maschine angetrieben werden, die durch eine zweiten Wechselrichter gesteuert wird. Je nachdem, ob bei einem Ladevorgang der elektrische Energiespeicher durch die Komponenten der ersten Fahrzeugachse oder der zweiten Fahrzeugachse aufgeladen wird, kann die Entkopplungsvorrichtung in der ersten oder der zweiten Fahrzeugachse zugeordnet sein.
Wie beschrieben, kann das Kraftfahrzeug eine oder mehrere Steuerungseinrichtungen aufweisen. Wenigstens eine der Steuerungseinrichtungen kann dazu ausgebildet sein, den wenigstens einen Wechselrichter zur Durchführung des Ladevorgangs zu steuern und/oder die Entkopplungsvorrichtung zu steuern und/oder eine separate Entkopplungseinrichtung der Kopplungsvorrichtung zu steuern. Die Steuerungseinrichtung kann zum Beispiel den Wechselrichter so ansteuern, dass die durch die Induktivitäten des Rotors geführten Ströme auf den Ladevorgang bzw. die sich daraus einstellende Reaktion angepasst werden kann. Ferner kann die Entkopplungsvorrichtung gesteuert werden, beispielsweise um den Rotor von dem restlichen Antriebsstrang zu entkoppeln oder die Kopplung wiederherzustellen. Die zuvor beschriebene separate Kopplungseinrichtung, die insbesondere zur Feststellung des Rotors vorgesehen sein kann, kann ebenfalls von der Steuerungseinrichtung gesteuert werden. Die Sperreinrichtung kann beispielsweise als Parksperre oder als Parkbremse ausgeführt sein.
Das Kraftfahrzeug kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Kopplungszustand des Rotors zu erfassen. Mit anderen Worten kann die Erfassungseinrichtung erfassen, ob der Rotor mit dem restlichen Antriebsstrang gekoppelt ist bzw. ob der Rotor an den Abtrieb gekoppelt oder davon entkoppelt ist. Somit ist es möglich, zu erfassen, ob die Kopplung zwischen Rotor und Abtrieb hergestellt ist oder ob diese, beispielsweise durch entsprechende Überführung der Entkopplungsvorrichtung in den Entkopplungszustand, entkoppelt ist. Dadurch lässt sich ermitteln, ob eine Drehverbindung zwischen der elektrischen Maschine und den Rädern besteht oder ob diese unterbrochen ist. Die Erfassungseinrichtung kann ferner zur Erfassung der Position des Rotors bzw. der Ausrichtung des Rotors oder der Rotorlage ausgebildet sein. Dazu kann die Erfassungseinrichtung zum Beispiel auf einen Rotorlagesensor zurückgreifen oder die Position mittels Stromsensoren bestimmen. Zur Bestimmung der Sollladeausrichtung kann beispielsweise auf eine Tabelle zurückgegriffen werden, die in einer Steuerungseinrichtung hinterlegt werden kann. Je nach Polpaarzahl bzw. Symmetrie des Rotors, können mehrere Sollladeausrichtungen bzw. mehrere Rotorwinkel möglich sein.
Wenigstens eine Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs kann bei einer erfassten Veränderung der Rotorposition, insbesondere während eines Ladevorgangs, die Sollladeausrichtung verändern. Mit anderen Worten kann die Steuerungseinrichtung, zum Beispiel bei einer Erfassung einer Drehbewegung des Rotors während des Ladevorgangs durch die Erfassungseinrichtung eine Anpassung eines Steuereingriffs vornehmen, insbesondere die Ansteuerung des Wechselrichters verändern, um eine ungewünschte Drehbewegung des Rotors zu verhindern. Ferner können entsprechende Steuersignale an die Entkopplungsvorrichtung gesendet werden, beispielsweise um den Rotor zu sperren.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines zuvor beschriebenen Kraftfahrzeugs, wobei eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs zur Ausführung eines Ladevorgangs in einen Entkopplungszustand überführt wird, in dem die elektrische Maschine, insbesondere der Rotor von einem Abtrieb des Kraftfahrzeugs entkoppelt ist, wobei in dem Entkopplungszustand eine Drehbewegung des Rotors der elektrischen Maschine in eine Sollladeausrichtung ausgeführt wird, bei welcher Drehbewegung der Rotor von dem Abtrieb entkoppelt ist. Mit anderen Worten kann das Verfahren auf dem zuvor beschriebenen Kraftfahrzeug durchgeführt werden. Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf das Kraftfahrzeug beschrieben wurden, sind vollständig auf das Verfahren übertragbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Prinzipdarstellung eines Kraftfahrzeugs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
3 eine Prinzipdarstellung einer Sollladeausrichtung.

1 zeigt einen schematischen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugs 1, das eine elektrische Maschine 2, einen elektrischen Energiespeicher 3, einen Wechselrichter 4 und eine Steuerungseinrichtung 5 aufweist. Die elektrische Maschine 2 ist in einen Antriebsstrang 6 des Kraftfahrzeugs 1 integriert, der einen Abtrieb 7 aufweist, der wie lediglich beispielhaft dargestellt, zu einem Rad führt. Die elektrische Maschine 2 weist einen schematisch angedeuteten Rotor 8 auf, dessen Spulen durch den Wechselrichter 4 gesteuert bzw. bestromt werden können. Ferner weist das Kraftfahrzeug 1 eine Ladeschnittstelle 9 auf, über die das Kraftfahrzeug 1, insbesondere der elektrische Energiespeicher 3, mit einer nicht näher dargestellten externen Ladevorrichtung, beispielsweise einer Ladesäule, verbunden werden kann.
Das Kraftfahrzeug 1 weist weiter eine Entkopplungsvorrichtung 10 auf, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine 2, insbesondere den Rotor 8, von dem restlichen Antriebsstrang 6 abzukoppeln bzw. zu entkoppeln. Zum Beispiel ist die Entkopplungsvorrichtung 10 als Freilauf oder als Kupplungseinrichtung, insbesondere als formschlüssige Kupplungseinrichtung, ausgebildet. Die Anordnung der Entkopplungsvorrichtung 10 in einer dem Rad zugeordneten Seitenwelle ist lediglich beispielhaft. Eine entsprechende Entkopplungsvorrichtung 10 könnte zum Beispiel ebenso in einer Abtriebswelle 11 der elektrischen Maschine 2 angeordnet sein. Als Abtrieb 7 wird der Teil des Antriebsstrangs 6 verstanden, der im Drehmomentfluss zwischen dem Rad und dem Rotor 8 liegt. Grundsätzlich kann jeder Teil des Antriebsstrangs 6, auf den durch die elektrische Maschine 2 bei geschlossener Entkopplungsvorrichtung 10 Drehmoment bewirkt werden kann und von dem der Rotor entkoppelt werden kann, als Abtrieb verstanden werden.
Die Entkopplungsvorrichtung 10 entkoppelt somit den Rotor 8 von dem restlichen Antriebsstrang 6, sodass der Rotor 8 gedreht werden kann, ohne ein Drehmoment auf den restlichen Antriebsstrang 6 zu übertragen, insbesondere ohne ein Drehmoment auf den Abtrieb 7 bzw. die Räder zu übertragen.
Soll ein Ladevorgang durchgeführt werden, bei dem ein Strom von der externen Ladevorrichtung verwendet wird, um den elektrischen Energiespeicher 3 des Kraftfahrzeugs 1 aufzuladen, wird der Wechselrichter 4 letztlich als DC/DC-Konverter verwendet, wobei die Spulen des Rotors 8 als Induktivitäten verwendet werden. Die Steuerungseinrichtung 5 ist dazu ausgeführt, die einzelnen Schalter des Wechselrichters 4, beispielsweise drei Highside- und drei Lowside-Schalter des Wechselrichters 4 individuell anzusteuern.
Um zu vermeiden, dass bei der Leitung des Stroms durch den Rotor 8 ein Drehmoment erzeugt wird, das an den Abtrieb 7 bzw. den Antriebsstrang 6 übertragen wird und entweder zu einer Bewegung des Kraftfahrzeugs 1 führen würde oder bei festgestelltem Kraftfahrzeug 1 eine Belastung für den Antriebsstrang 6 bilden könnte, wird der Rotor 8 in eine Sollladeausrichtung überführt. Hierzu wird der Rotor 8 zunächst durch die Entkopplungsvorrichtung 10 von dem restlichen Antriebsstrang 6 entkoppelt. Die Entkopplungsvorrichtung 10 bildet dabei eine mechanische Trennstelle, die eine mechanische Entkopplung des Rotors 8 bewirkt. Bei der Drehbewegung des Rotors 8 wird somit kein Drehmoment auf den restlichen Antriebsstrang 6 erzeugt. Der Rotor 8 kann somit beliebig gedreht werden und in eine Sollladeausrichtung verbracht werden.
Anschließend kann die Entkopplungsvorrichtung 10 die Kopplung zu dem Antriebsstrang 6 wiederherstellen. Beispielsweise kann ein Sperren des Rotors 8 dadurch bewirkt werden oder es kann zusätzlich oder alternativ eine separate und nicht näher dargestellte Sperreinrichtung verwendet werden, um die Sperrwirkung auf den Rotor 8 zu erzeugen. Als Beispiel einer separaten Sperreinrichtung kann eine Parkbremse oder eine Parksperre 22 oder ein Mittel der elektrischen Maschine 2, das mechanisch den Rotor 8 sperren kann, verstanden werden.
In dem gesperrten Zustand bzw. dem wiederangekoppelten Zustand des Rotors 8, kann der Ladevorgang durchgeführt werden. Da der Rotor 8 in die Sollladeausrichtung verbracht wurde, ist sichergestellt, dass kein Drehmoment oder nur ein geringes Drehmoment zum Beispiel unterhalb von 10 % des maximalen Maschinenmoments, auf den Rotor 8 bzw. die Abtriebswelle 11 durch die Bestromung in dem Ladevorgang bewirkt wird.
Die Steuerungseinrichtung 5 ist ferner mit einer Erfassungseinrichtung 13 gekoppelt. Die Erfassungseinrichtung 13 ist zur Erfassung der Ausrichtung des Rotors 8 ausgebildet und lediglich beispielhaft mit einem Rotorlagesensor verbunden. Zusätzlich oder alternativ zu dem Rotorlagesensor ist es ebenso möglich, dass die Erfassungseinrichtung 13 die Ausrichtung des Rotors 8 basierend auf Sensorwerten von Stromsensoren erfassen kann. Wird bei der Erfassungseinrichtung 13 beispielsweise eine Bewegung des Rotors 8 während des Aufladevorgangs erfasst, kann mittels der Steuerungseinrichtung 5 der Wechselrichter 4 entsprechend angesteuert werden, um den Ladevorgang anzupassen, sodass Drehbewegungen bzw. die Erzeugung von Drehmoment auf den Rotor 8 entsprechend reduziert werden können.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1, das zwei angetriebene bzw. antreibbare Fahrzeugachsen 12, 12` aufweist. Jeder der Fahrzeugachsen 12, 12` ist somit eine elektrische Maschine 2, 2' zugeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird zur Aufladung des gemeinsamen elektrischen Energiespeichers 3, durch den beide elektrische Maschinen 2, 2` gespeist werden können, nur die der ersten Fahrzeugachse 12 zugeordnete elektrische Maschine 2 verwendet. In diesem Fall wird auch nur der Wechselrichter 4, der der elektrischen Maschine 2 zugeordnet ist, als DC/DC-Konverter verwendet. In dem Teil des Antriebsstrangs 6, der die Fahrzeugachse 12 aufweist, ist daher die Entkopplungsvorrichtung 10 angeordnet. Wie dargestellt, ist die Entkopplungsvorrichtung 10 in diesem Ausführungsbeispiel näher an der elektrischen Maschine 2 angeordnet, beispielsweise direkt an oder auf der Antriebswelle 11. Die grundsätzliche Funktion der Entkopplungsvorrichtung 10 bzw. die Durchführung des Ladevorgangs ist vollständig von der Beschreibung aus 1 übertragbar.
3 zeigt einen Teil der Entkopplungsvorrichtung 10 in axialer Darstellung. Wie beschrieben, kann die Entkopplungsvorrichtung 10 grundsätzlich beliebig auch als Kupplungseinrichtung, insbesondere formschlüssige Kupplungseinrichtung, zum Beispiel als Klauenkupplung ausgeführt sein. In diesem Fall kann die Entkopplungsvorrichtung 10 eine erste und eine zweite Klaue umfassen, die miteinander in Eingriff gebracht werden können, wobei der Eingriff zur Entkopplung des Rotors getrennt werden kann.
Lediglich beispielhaft ist eine erste Klaue 14 dargestellt, die mit einer nicht näher dargestellten zweiten Klaue in Eingriff gebracht werden kann. Die erste Klaue 14 weist Zähne 15 auf, die in Umfangsrichtung an der ersten Klaue 14 verteilt und durch Zahnlücken 16 beabstandet sind. In dieser Ausführungsform sind die beiden Klauen ungleichartig ausgeführt, d.h., dass die Zähne 15 in Umfangsrichtung kleiner ausgeführt sind als die zu den Zahnlücken 16 der ersten Klaue 14 korrespondierenden Zähne der zweiten Klaue. Die gezeigte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft. Anstelle der beiden Klauen kann es sich bei dem Getriebeelement, das mit dem Rotor 8 verbunden ist, auch um eine Schiebemuffe oder andere Getriebeelemente handeln, die eine wahlweise Kopplung mit dem Abtrieb 7 zulassen.
Bei der Kopplung der ersten Klaue 14 mit der zweiten Klaue greifen die Zähne 15 der ersten Klaue 14 in die Zahnlücken der zweiten Klaue ein. Korrespondierend dazu greifen die Zähne der zweiten Klaue in die Zahnlücken 16 der ersten Klaue 14 ein. Die Zahnlücken 16 legen somit Winkelbereiche fest, in denen ein Eingriff der korrespondierenden Zähne möglich ist. Mit anderen Worten kann die Entkopplungsvorrichtung 10 nur dann wieder geschlossen werden, wenn die Zähne 15 in korrespondierende Zahnlücken eingreifen können. Da sich die relative Orientierung der ersten Klaue 14 relativ zu der zweiten Klaue letztlich zufällig aus der Bewegung des Kraftfahrzeugs 1 und des Rotors 8 ergibt, kann die Orientierung bzw. die möglichen Eingriffspositionen in die Bestimmung der Sollladeausrichtung einbezogen werden.
Beispielsweise kann bestimmt werden, welche Eingriffspositionen grundsätzlich möglich sind und in welche Position bzw. um welchen Rotorwinkel der Rotor 8, der beispielsweise mit der ersten Klaue 14 gekoppelt ist, verdreht werden muss, um die Sollladeausrichtung zu erreichen. Lediglich beispielhaft ist ein Winkel 17 dargestellt, um den die Mittelpunkte der Zähne 15 in Umfangsrichtung beabstandet sind.
Ersichtlich legt die Anzahl der Zähne 15 sowie deren Ausdehnung in Umfangsrichtung den Winkel 17 fest. Die Anzahl der Zähne 15 bzw. der dazu korrespondierenden Zahnlücken legt dementsprechend die Positionen fest, in denen die einzelnen Zähne 15 in die korrespondierenden Zahnlücken in Eingriff gebracht werden können.
Lediglich beispielhaft ist eine Ausgangsposition 18 dargestellt, in der der Rotor 8 und mit dem Rotor 8 die erste Klaue 14 steht, beispielsweise die Situation in der das Kraftfahrzeug 1 zum Aufladen geparkt ist. Ferner ist in 3 eine Sollladeausrichtung 19 der ersten Klaue 14 gezeigt, wobei die Sollladeausrichtung 19 auch für den Rotor 8 gilt, der, wie beschrieben, mit der ersten Klaue 14 verbunden ist. Die Steuerungseinrichtung 5 kann anschließend eine Sollposition 20 ermitteln, in die die erste Klaue 14 zusammen mit dem Rotor 8 relativ zu der zweiten Klaue gedreht werden kann. Letztlich wird dadurch der Zahneingriff festgelegt, der für das Einnehmen der Sollladeausrichtung 19 verwendet werden soll.
Zusätzlich ist ein Vorspannwinkel 21 dargestellt, um den der Antriebsstrang 6 durch Aufbringen eines definierten Vorspannmoments auf den Rotor 8 verdreht werden kann, um die Sollladeausrichtung 19 einzunehmen. Die Vorspannung des Rotors 8 bzw. des Antriebsstrangs 6 betrifft die im Antriebsstrang 6 vorhandenen Übersetzungen und Elastizitäten. Grundsätzlich kann dabei eine Drehbewegung des Rotors 8 um einen definierten Winkel, der als Vorspannwinkel 21 bezeichnet wird, vorgenommen werden, um den Rotor 8 vorzuspannen. Hierzu kann ein definiertes geringes Vorspannmoment, beispielsweise unterhalb von 10 % des maximalen Maschinenmoments der elektrischen Maschine 2, aufgewendet werden. Dies erlaubt insbesondere, dass Schwingungen bzw. Schwankungen des Rotors 8 oder des Drehmoments um einen Nullpunkt des Drehmoments verhindert werden können.
Das Aufbringen des Vorspannmoments kann insbesondere unter Berücksichtigung der möglichen Zahneingriffe aufgebracht werden. Je nachdem, um welchen Winkel der Rotor 8 gedreht werden muss, um die Sollladeausrichtung 19 zu erreichen, kann es nötig sein, einen bestimmten Vorspannwinkel 21 aufzubringen. Der Vorspannwinkel 21 kann dabei variieren, sodass nach Einnehmen des gewünschten Zahneingriffs, beispielsweise der Sollposition 20, die der Sollladeausrichtung 19 am nächsten ist, der restliche Winkel durch das Vorspannen aufgebracht wird, sodass die Sollladeausrichtung 19 möglichst optimal erreicht werden kann. Je nachdem, wie viele Zähne die Klaue 14 aufweist, sind beliebig feine Unterteilungen des Winkels möglich. Soll ein Mindestmoment als Vorspannmoment realisiert werden, kann auch eine Sollposition 20 gewählt werden, die nicht derjenige Zahneingriff ist, der der Sollladeausrichtung 19 am nächsten ist. Stattdessen kann ein benachbarter Zahneingriff als Sollposition 20 gewählt werden, sodass das Mindestmoment als Vorspannmoment realisiert werden kann.
Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen gezeigten Vorteile, Einzelheiten und Merkmale sind beliebig untereinander austauschbar, aufeinander übertragbar und miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: elektrische Maschine
3: elektrischer Energiespeicher
4: Wechselrichter
5: Steuerungseinrichtung
6: Antriebsstrang
7: Abtrieb
8: Rotor
9: Ladeschnittstelle
10: Entkopplungsvorrichtung
11: Abtriebswelle
12, 12': Fahrzeugachse
13: Erfassungseinrichtung
14: Klaue
15: Zahn
16: Zahnlücke
17: Winkel
18: Ausgangsposition
19: Sollladeausrichtung
20: Sollposition
21: Vorspannwinkel
22: Parksperre

Claims

Kraftfahrzeug (1), umfassend einen Antriebsstrang (6), der wenigstens eine mit einem mittels einer Ladeschnittstelle von einer externen Ladevorrichtung aufladbaren elektrischen Energiespeicher (3) verbindbare oder verbundene elektrische Maschine (2) aufweist, welche elektrische Maschine (2) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Zustand ein Drehmoment zu erzeugen, das auf einen Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (6) übertragen werden kann und in einem zweiten Zustand Strom von einer Ladeschnittstelle an einen elektrischen Energiespeicher zu übertragen, gekennzeichnet durch eine Entkopplungsvorrichtung (10), die dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine (2) zur Ausführung eines Ladevorgangs in einem Entkopplungszustand bedarfsweise mechanisch von dem Abtrieb (7) zu entkoppeln, wobei in dem Entkopplungszustand eine Drehbewegung des Rotors (8) der elektrischen Maschine (2) in eine Sollladeausrichtung (19) des Rotors (8) von dem Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (6) entkoppelt ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, den Rotor (8) der elektrischen Maschine (2) nach Einnehmen der Sollladeausrichtung (19) zu sperren, insbesondere mittels einer separaten Sperreinrichtung und/oder durch Herstellen der Kopplung zu dem Abtrieb (7).
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, den Rotor (8) der elektrischen Maschine (2) nach Einnehmen der Sollladeausrichtung (19) durch Aufbringen eines definierten Vorspannmoments in dem Antriebsstrang (6) zu verspannen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsvorrichtung (10) wenigstens eine Klauenkupplung aufweist oder als solche ausgebildet ist, wobei die Klauenkupplung eine definierte Zahnanzahl, insbesondere 30-70 Zähne (15), aufweist, wobei eine Steuerungseinrichtung (5) des Kraftfahrzeugs (1) dazu ausgebildet ist, die Sollladeausrichtung (19) in Abhängigkeit von einer aktuellen Zahnanordnung zu bestimmen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (5) des Kraftfahrzeugs (1) dazu ausgebildet ist, die Sollladeausrichtung (19) durch eine Vorspannung des Rotors (8) einzustellen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei angetriebene oder antreibbare Fahrzeugachsen (12, 12'), wobei die Entkopplungsvorrichtung (10) derjenigen Fahrzeugachse (12, 12') zugeordnet ist, deren Wechselrichter (4) zur Durchführung eines Ladevorgangs ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Steuerungseinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Wechselrichter (4) zur Durchführung des Ladevorgangs zu steuern und/oder die Entkopplungsvorrichtung (10) zu steuern und/oder eine separate Sperreinrichtung der Entkopplungsvorrichtung (10) zu steuern.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Erfassungseinrichtung (13), die dazu ausgebildet ist, einen Kopplungszustand des Rotors (8) zu erfassen.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuerungseinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, bei einer erfassten Veränderung einer Rotorposition, insbesondere während eines Ladevorgangs, die Sollladeausrichtung (19) zu verändern.
Verfahren zur Durchführung eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers (3) eines Kraftfahrzeugs (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine (2) des Kraftfahrzeugs (1) zur Ausführung eines Ladevorgangs in einen Entkopplungszustand überführt wird, in dem die elektrische Maschine (2), insbesondere der Rotor (8) von einem Abtrieb (7) des Kraftfahrzeugs (1) entkoppelt ist, wobei in dem Entkopplungszustand eine Drehbewegung des Rotors (8) der elektrischen Maschine (2) in eine Sollladeausrichtung (19) ausgeführt wird, bei welcher Drehbewegung der Rotor (8) von dem Abtrieb (7) entkoppelt ist.