DE102022003151B3 - Method for operating an electric drive system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug (1) mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse (3), wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (4) umfasst, die einen ersten Rotor (5) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad (7) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (10) umfasst, die einen zweiten Rotor (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Vorderrad (16) anzutreiben, wobei der erste Rotor (5) permanent drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) gekoppelt ist, wobei die erste elektrische Maschine (4) als eine fremderregte Synchronmaschine und die zweite elektrische Maschine (10) als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist.The invention relates to an electric drive system for a motor vehicle (1) with an electrically driven front axle (2) and an electrically driven rear axle (3), wherein the electrically driven rear axle (3) comprises a first electric machine (4) which has a first rotor (5), which is designed to drive a first rear wheel (7), wherein the electrically driven front axle (2) comprises a second electric machine (10) which has a second rotor (11) which is designed to at least to drive a front wheel (16), the first rotor (5) being permanently torque-transmittingly coupled to the first rear wheel (7), the first electric machine (4) being a separately excited synchronous machine and the second electric machine (10) being a permanently excited synchronous machine is trained.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse.The invention relates to a method for operating an electric drive system for a motor vehicle with an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle.
Elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge sind soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dabei können beispielsweise eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs ebenso elektrisch angetrieben werden, wie eine Hinterachse. Die
Eine Alternative hierzu beschreibt die
Ferner kann auf die
In der
Schließlich zeigt die
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems anzugeben, welches eine energiesparende Betriebsweise ermöglicht und gleichzeitig bei Bedarf eine Steigerung der Fahrleistung, der Zugkraft, der Dynamik und/oder der Sicherheit erlaubt.The object of the present invention is to provide an improved method for operating an electric drive system, which enables energy-saving operation and at the same time allows an increase in driving performance, traction, dynamics and/or safety if necessary.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von diesem Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a method for operating an electric drive system with the features in
Das elektrische Antriebssystem gemäß der Erfindung nutzt einen Grundaufbau, welcher so prinzipiell in der eingangs genannten ersten Schrift gezeigt, aber nicht weiter beschrieben wird. Er besteht im Wesentlichen aus einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse und lässt sich vorzugsweise bei Personenkraftwagen, leichten Nutzfahrzeugen und dergleichen einsetzen. Ein darüberhinausgehender Einsatz beispielsweise bei schweren Nutzfahrzeugen oder dergleichen, wie beispielsweise bei Baumaschinen, bei Militärfahrzeugen oder ähnlichen wäre grundlegend auch denkbar.The electric drive system according to the invention uses a basic structure, which is shown in principle in the first document mentioned at the beginning, but is not described further. It essentially consists of an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle and can preferably be used in passenger cars, light commercial vehicles and the like. A further use, for example in heavy commercial vehicles or the like, such as construction machinery, military vehicles or the like, would also be fundamentally conceivable.
Das elektrische Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrisch angetriebene Hinterachse mit einer ersten elektrische Maschine mit einem ersten Rotor der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad anzutreiben. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug eine elektrische Vorderachse, welche eine zweite elektrische Maschine aufweist, die einen zweiten Rotor umfasst, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Vorderrad anzutreiben.The electric drive system for a motor vehicle includes an electrically driven rear axle with a first electric machine with a first rotor which is designed to drive a first rear wheel. Furthermore, the electric drive system for a motor vehicle comprises an electric front axle, which has a second electric machine which includes a second rotor which is designed to drive a first front wheel.
Bei dem Antriebssystem für das erfindungsgemäße Verfahren ist der erste Rotor permanent drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad gekoppelt. Die erste elektrische Maschine ist dabei erfindungsgemäß als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet, was auch mit dem Kürzel EESM abgekürzt wird. Die zweite elektrische Maschine im Bereich der Vorderachse ist erfindungsgemäß als eine permanenterregte Synchronmaschine PMSM ausgebildet. Der Aufbau des elektrischen Antriebssystems für das Kraftfahrzeug ermöglicht es so, die Aufgaben zwischen der Vorderachse und der Hinterachse bezüglich des Antriebs ideal aufzuteilen, wobei durch den Einsatz der fremderregten Synchronmaschine im Bereich der Hinterachse durch das nicht-bestromen der elektrischen Maschine eine elektrische Entkopplung erreicht werden kann, welche es ermöglicht, auf eine aufwändige mechanische Kupplung samt Aktuatorik in diesem Bereich zu verzichten. Dies spart Bauteile, Montage bzw. Herstellungsaufwand, und damit Kosten, sowie Bauraum und Gewicht ein.In the drive system for the method according to the invention, the first rotor is permanently coupled to the first rear wheel in a torque-transmitting manner. According to the invention, the first electrical machine is designed as an externally excited synchronous machine, which is also abbreviated with the abbreviation EESM. According to the invention, the second electrical machine in the area of the front axle is designed as a permanently excited synchronous machine PMSM. The structure of the electric drive system for the motor vehicle makes it possible to ideally divide the tasks between the front axle and the rear axle with regard to the drive, with electrical decoupling being achieved by using the externally excited synchronous machine in the area of the rear axle by not energizing the electric machine can, which makes it possible to use a complex mechanical clutch including actuators in this area to avoid. This saves components, assembly and manufacturing effort, and thus costs, as well as installation space and weight.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich der Vorderachse eine Trennkupplung dazu ausgebildet ist, den zweiten Rotor drehmomentübertragend mit dem ersten Vorderrad zu koppeln oder zu entkoppeln, je nach Bedarf. Diese Trennkupplung, welche gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als schaltbarer Freilauf ausgebildet sein kann, ermöglicht so eine mechanische Trennung bei Bedarf.Furthermore, it is provided according to the invention that in the area of the front axle a separating clutch is designed to couple or decouple the second rotor to the first front wheel in a torque-transmitting manner, as required. This separating clutch, which according to an extremely favorable development can be designed as a switchable freewheel, enables mechanical separation if necessary.
Das Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Antriebssystems sieht es erfindungsgemäß vor, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, welche größer als ein erster Geschwindigkeitsschwellwert ist, mittels der Trennkupplung der zweite Rotor von dem ersten Vorderrad entkoppelt wird. Der Betrieb erfolgt dann also oberhalb des Geschwindigkeitsschwellwerts ausschließlich mit der fremderregten Synchronmaschine und damit dem Hinterrad. Dieser Betriebsbereich wird primär für schnelle Fahren mit eher kleinen bis mittleren Drehmomenten genutzt.According to the invention, the method for operating such an electric drive system provides that at a vehicle speed which is greater than a first speed threshold, the second rotor is decoupled from the first front wheel by means of the separating clutch. Operation then takes place above the speed threshold exclusively with the externally excited synchronous machine and thus the rear wheel. This operating range is primarily used for fast driving with low to medium torques.
Ferner ist der Geschwindigkeitsschwellwert dabei erfindungsgemäß von der Gleichstromspannung oder von einem Ladezustand einer Fahrzeugbatterie abhängig. Der Schwellwert der Geschwindigkeit, bei dem die permanenterregte Synchronmaschine auf der Vorderachse abgekoppelt wird, ist also entsprechend variabel und kann proportional von der Gleichspannung abhängen. Mit dem Ladezustand oder auch der äußeren Temperatur sinkt die Gleichspannung ebenfalls, was auch dann entsprechend zu einer Reduktion des Schwellwerts der Geschwindigkeit führt, wenn die Abhängigkeit als proportional angenommen wird. Ein beispielhafter Schwellwert der Geschwindigkeit könnte beispielsweise bei ca. 130km/h liegen, welcher entsprechend für die Auslegungsspannung, also die Spannung, für welche das Gleichstromsystem des elektrischen Antriebs ausgelegt ist, angesetzt wird.Furthermore, according to the invention, the speed threshold value depends on the direct current voltage or on a state of charge of a vehicle battery. The speed threshold at which the permanently excited synchronous machine on the front axle is decoupled is therefore correspondingly variable and can depend proportionally on the DC voltage. The DC voltage also decreases with the state of charge or the external temperature, which leads to a reduction in the speed threshold even if the dependence is assumed to be proportional. An exemplary speed threshold value could be, for example, approximately 130km/h, which is set accordingly for the design voltage, i.e. the voltage for which the direct current system of the electric drive is designed.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert ist, die erste elektrische Maschine elektrisch entkoppelt wird, wenn außerdem ein Fahrpedalwert kleiner als ein Fahrpedalschwellwert ist. Es handelt sich hier also um einen Betrieb bei nicht allzu hohen Lasten, was beim Einsatz eines Kraftfahrzeugs ein außerordentlich häufiger Fall, typischerweise sogar der häufigste Fall ist. In dieser Situation wird also primär die Vorderachse genutzt, während die erste elektrische Maschine, also die fremderregte Synchronmaschine der Hinterachse, elektrisch entkoppelt wird, indem der Erregungsstrom abgeschaltet wird. In dieser Situation liegen dann von der Hinterachse lediglich die mechanischen Verluste vor, die elektrische Maschine muss nicht gegen einen elektrischen Widerstand mitgeschleppt werden.Furthermore, it is provided according to the invention that at a vehicle speed that is smaller than the first speed threshold value, the first electric machine is electrically decoupled if an accelerator pedal value is also smaller than an accelerator pedal threshold value. This is therefore an operation with loads that are not too high, which is an extremely common case when using a motor vehicle, and is typically even the most common case. In this situation, the front axle is primarily used, while the first electrical machine, i.e. the separately excited synchronous machine on the rear axle, is electrically decoupled by switching off the excitation current. In this situation, there are only mechanical losses from the rear axle; the electric machine does not have to be dragged along against electrical resistance.
Das elektrische Antriebssystem mit den unterschiedlichen elektrischen Maschinen im Bereich der Vorderachse einerseits und der Hinterachse andererseits ermöglicht nun eine effiziente Steigerung seiner Antriebseffizienz durch die Möglichkeit einer anwendungsindividuellen Auslegung beispielsweise des Vorderradantriebs als Effizienzantrieb und des Hinterradantriebs als Funktionsantrieb zur Erfüllung hoher Fahranforderungen. Dies gilt insbesondere für die beschriebene Variante mit der Kupplung, welche insbesondere als schaltbarer Freilauf ausgebildet ist.The electric drive system with the different electric machines in the area of the front axle on the one hand and the rear axle on the other hand now enables an efficient increase in its drive efficiency through the possibility of an application-specific design, for example of the front wheel drive as an efficient drive and the rear wheel drive as a functional drive to meet high driving requirements. This applies in particular to the variant described with the clutch, which is designed in particular as a switchable freewheel.
Im Sinne einer solchen Aufteilung und Optimierung des Vorderradantriebs für die eine und des Hinterradantriebs für die andere Aufgabe ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems ferner vorgesehen, dass eine Gesamthinterachsübersetzung größer als eine Gesamtvorderachsübersetzung ist. Unter der Gesamthinterachsübersetzung im Sinne der Erfindung ist dabei die Gesamtübersetzung von einer hinteren Seitenwelle, welche mit dem angetriebenen Rad verbunden ist, zu der ersten Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine zu verstehen. In the sense of such a division and optimization of the front wheel drive for one task and the rear wheel drive for the other task, it is further provided, according to a very advantageous embodiment of the electric drive system according to the invention, that an overall rear axle ratio is greater than an overall front axle ratio. The overall rear axle ratio in the sense of the invention is to be understood as the overall ratio from a rear side shaft, which is connected to the driven wheel, to the first rotor shaft of the first electric machine.
Dementsprechend ist unter der Gesamtvorderachsübersetzung die Gesamtübersetzung von einer ersten vorderen Seitenwelle zu der zweiten Rotorwelle der zweiten elektrischen Maschine im Bereich des Vorderrads zu sehen. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Gesamthinterachsübersetzung größer als 6 und die Gesamtvorderachsübersetzung dementsprechend kleiner als 6 ist.Accordingly, the overall front axle ratio is the overall ratio from a first front side shaft to the second rotor shaft of the second electric machine in the area of the front wheel. It can preferably be provided that the overall rear axle ratio is greater than 6 and the overall front axle ratio is correspondingly smaller than 6.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass die erste elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine ausgebildet ist. Insbesondere eine solche eignet sich ideal für die Ausgestaltung des Hinterradantriebs als Funktionsantrieb.A further very advantageous embodiment can provide that the first electrical machine is designed as an axial flux machine. In particular, such a system is ideal for designing the rear wheel drive as a functional drive.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite elektrische Maschine als eine Radialflussmaschine ausgebildet sein, welche sich entsprechend gut als permanenterregte Synchronmaschine für den Effizienzantrieb im Bereich der Vorderachse eignet.According to a further very advantageous embodiment, the second electrical machine can be designed as a radial flux machine, which is correspondingly suitable as a permanently excited synchronous machine for the efficient drive in the area of the front axle.
Sowohl der erste Rotor im Bereich der Hinterachse als auch der zweite Rotor im Bereich der Vorderachse können dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung koaxial zu einem ersten Differentialgetriebe im Falle des ersten Rotors und eines zweiten Differentialgetriebes im Falle des zweiten Rotors angeordnet sein. Koaxial im Sinne der Erfindung bezeichnet dabei ein Drehen um dieselbe Drehachse.According to a very advantageous embodiment, both the first rotor in the area of the rear axle and the second rotor in the area of the front axle can be coaxial with a first one Differential gears may be arranged in the case of the first rotor and a second differential gear in the case of the second rotor. Coaxial in the sense of the invention refers to rotating about the same axis of rotation.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass die elektrische Hinterachse eine dritte elektrische Maschine aufweist, die ebenfalls als eine fremderregte Synchronmaschine und insbesondere wiederum als Axialflussmaschine ausgebildet sein kann. Diese dritte elektrische Maschine weist einen dritten Rotor auf, der dazu ausgebildet ist, das erste Hinterrad und/oder ein zweites Hinterrad anzutreiben. Der Antrieb für die Hinterachse kann also durch zwei Motoren erfolgen. Diese können beide dasselbe Rad oder insbesondere jeder ein eigenes Rad der Hinterachse entsprechend antreiben, sie können also als symmetrisch aufgeteilter Antrieb für das rechte Hinterrad einerseits und das linke Hinterrad andererseits ausgestaltet sein oder alternativ dazu beide gemeinsam das oder die Hinterräder antreiben.A further very advantageous embodiment of the electric drive system for a motor vehicle according to the invention can further provide that the electric rear axle has a third electric machine, which can also be designed as an externally excited synchronous machine and in particular as an axial flux machine. This third electric machine has a third rotor which is designed to drive the first rear wheel and/or a second rear wheel. The drive for the rear axle can be provided by two motors. These can both drive the same wheel or, in particular, each can drive its own wheel on the rear axle, so they can be designed as a symmetrically divided drive for the right rear wheel on the one hand and the left rear wheel on the other, or alternatively they can both drive the rear wheel or wheels together.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die kleiner als ein zweiter Geschwindigkeitsschwellwert ist, und bei einem Fahrpedalwert, der größer als der Fahrpedalschwellwert ist, sowohl die erste elektrische Maschine als auch die zweite elektrische Maschine antreibend betrieben werden, wobei bei diesen Bedingungen eine abgegebene Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine größer als eine abgegebene Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine ist. In diesem dritten beschriebenen Betriebsbereich ist es dann so, dass beide elektrischen Maschinen betrieben werden, wobei die zweite elektrische Maschine, also die permanenterregte Synchronmaschine der Vorderachse, mit entsprechend höherer Leistung betrieben wird, die zweite elektrische Maschine also als Leistungsbereitsteller dominiert. Dieser dritte Betriebsbereich liegt dabei bei eher langsamen Geschwindigkeiten aber höheren Lasten bzw. höheren benötigten Drehmomenten. Der zweite Geschwindigkeitsschwellwert ist dabei vorteilhaft kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert.A further embodiment of the invention can further provide that at a vehicle speed that is smaller than a second speed threshold and at an accelerator pedal value that is greater than the accelerator pedal threshold, both the first electric machine and the second electric machine are operated in a driving manner, wherein under these conditions an output drive power of the second electrical machine is greater than an output drive power of the first electrical machine. In this third operating range described, it is then the case that both electrical machines are operated, with the second electrical machine, i.e. the permanently excited synchronous machine of the front axle, being operated with a correspondingly higher power, i.e. the second electrical machine dominates as a power provider. This third operating range is at rather slow speeds but higher loads or higher required torques. The second speed threshold value is advantageously smaller than the first speed threshold value.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann außerdem ein vierter Betriebsbereich vorgesehen sein, in dem bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert jedoch größer als der zweiter Geschwindigkeitsschwellwert ist, wobei auch hier ein Fahrpedalwert größer als der Fahrpedalschwellwert ist, sowohl die erste elektrische Maschine als auch die zweite elektrische Maschine antreibend betrieben werden, wobei die abgegebene Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine, also der fremderregten Synchronmaschine der Hinterachse, größer als die abgegebene Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine ist. In diesem vierten Betriebsbereich werden also ebenfalls beide elektrischen Maschinen genutzt, wobei hier die erste elektrische Maschine der Hinterachse das Bereitstellen von Antriebsleistung dominiert, indem sie mit größerer Antriebsleistung als die zweite elektrische Maschine betrieben wird. Dieser vierte Betriebsbereich steht dabei für höhere Lasten und höhere Geschwindigkeiten, die jedoch unter dem ersten Geschwindigkeitsschwellwert bleiben.According to a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, a fourth operating range can also be provided in which, at a vehicle speed that is smaller than the first speed threshold but greater than the second speed threshold, here too an accelerator pedal value is greater than the accelerator pedal threshold, both the first electric machine and the second electric machine are operated in a driving manner, the drive power output of the first electric machine, i.e. the externally excited synchronous machine of the rear axle, being greater than the drive power output of the second electric machine. In this fourth operating range, both electric machines are also used, with the first electric machine of the rear axle dominating the provision of drive power by being operated with greater drive power than the second electric machine. This fourth operating range represents higher loads and higher speeds, which, however, remain below the first speed threshold.
Dabei ist es so, dass die Verteilung der Leistung und damit letztlich auch die Verteilung des Drehmoments im Überlappungsbereich, also dem dritten und vierten Betriebsbereich, in welchen beide Antriebe betrieben werden aus einer effizienzoptimierten Betriebsstrategie resultiert. Erfindungsgemäß kann es dafür vorgesehen sein, dass für jeden Betriebspunkt in Abhängigkeit von der Gleichspannung des elektrischen Antriebsystems, von Raddrehzahlen und von einem angeforderten Summen-Raddrehmoment die ideale Drehmomentaufteilung zwischen der angetriebenen Vorderachse und der angetriebenen Hinterachse berechnet wird, wobei die ideale Drehmomentaufteilung auf die elektrische angetriebene Vorderachse einerseits und die elektrische angetriebene Hinterachse andererseits derart berechnet wird, dass eine abgegebene Gesamtleistung des elektrischen Antriebssystems minimiert wird.It is the case that the distribution of the power and ultimately also the distribution of the torque in the overlap area, i.e. the third and fourth operating range, in which both drives are operated, results from an efficiency-optimized operating strategy. According to the invention, it can be provided that the ideal torque distribution between the driven front axle and the driven rear axle is calculated for each operating point depending on the DC voltage of the electric drive system, wheel speeds and a requested total wheel torque, the ideal torque distribution being on the electric driven front axle on the one hand and the electrically driven rear axle on the other hand is calculated in such a way that a total output of the electric drive system is minimized.
Das angeforderte Summen-Raddrehmoment ist dabei proportional zu der Fahrpedalstellung.The requested total wheel torque is proportional to the accelerator pedal position.
Dabei setzt sich die mechanische Verlustleistung der angetriebenen Achsen im Wesentlichen aus einer Verlustleistung der Getriebe und aus einer Verlustleistung der elektrischen Maschinen zusammen. Die mechanische Verlustleistung wird vorteilhaft in Abhängigkeit von Faktoren wie der Drehzahl, des Drehmoments und der Übersetzung berechnet beziehungsweise bestimmt. Verlustkennfelder der elektrischen Maschinen berücksichtigen vorteilhaft die Abhängigkeit von der Gleichspannung, dem maximalen Gleichstrom, der Rotordrehzahl und dem Rotordrehmoment. All dies fließt in die hinsichtlich der Minimierung der Leistung des Gesamtantriebs optimierte Strategie mit ein.The mechanical power loss of the driven axles essentially consists of power loss from the gearboxes and power loss from the electrical machines. The mechanical power loss is advantageously calculated or determined depending on factors such as the speed, torque and gear ratio. Loss maps of electrical machines advantageously take into account the dependence on the direct voltage, the maximum direct current, the rotor speed and the rotor torque. All of this flows into the strategy optimized to minimize the performance of the overall drive.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung sowie des Verfahrens zum Betreiben einer Variante eines derartigen elektrischen Antriebssystems ergeben sich auch aus dem anhand der Figuren nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel.Further advantageous embodiments of the electric drive system for a motor vehicle according to the invention and of the method for operating a variant of such an electric drive system also result from the exemplary embodiment described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung; und -
2 verschiedene Betriebsbereiche in einem Diagramm der Fahrpedalstellung über der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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1 a schematic representation of an electric drive system according to the invention; and -
2 different operating ranges in a graph of accelerator pedal position versus vehicle speed.
In der Darstellung der
Die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 umfasst eine zweite elektrische Maschine 10 in einem zweiten Rotor 11, welcher über ein zweites Differentialgetriebe 12 und zwei Planetengetriebe 13, 14 angetriebene Vorderräder 16 bzw. die drehfest mit ihnen verbundenen Seitenwellen 15 dieser Vorderräder 16 antreibt. Auch hier könnte auf die beiden Planetengetriebe 13, 14 auch verzichtet werden. Im Bereich der Seitenwellen 15 der angetriebenen Vorderachse 2 sind dabei jeweils Trennkupplungen 17 in Form von schaltbaren Freiläufen vorgesehen.The electrically driven
Im Bereich der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 kann optional auch ein Aufbau mit einer weiteren dritten elektrischen Maschine 18 mit einem dritten Rotor 19 vorgesehen sein, welcher über das erste Differentialgetriebe 6 ein zweites abgetriebenes Hinterrad 20 bzw. dessen Seitenwelle 21 über ein optionales Planetengetriebe 22 antreibt. Über das erste Differentialgetriebe 6 könnten auch beide elektrischen Maschinen 4, 18 die beiden Hinterräder 7, 20 zusammen antreiben.In the area of the electrically driven
Das elektrische Antriebssystem für das Kraftfahrzeug 1 sieht es nun vor, dass die erste elektrische Maschine 4 sowie die dritte elektrische Maschine 18 - sofern vorhanden - jeweils als fremderregte Synchronmaschinen EESM, vorzugsweise als Axialflussmaschinen, ausgebildet sind. Dahingegen ist die zweite elektrische Maschine 10 der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 als permanenterregte Synchronmaschine PMSM, und hier insbesondere als Radialflussmaschine, ausgebildet.The electric drive system for the
Die beiden elektrisch angetriebenen Achsen 2, 3 haben dabei für den Betrieb des elektrischen Antriebssystems unterschiedliche Aufgaben. Die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 dient dem Effizienzantrieb. Sie hat die Aufgabe die häufigsten kundenrelevanten Fahranforderungen zu erfüllen und das Fahrzeug im Alltagsbetrieb überwiegend anzutreiben. Der Bedarf erstreckt sich hierbei über ein vergleichsweise großes Drehzahlband, aber ein relativ geringes Drehmoment. Dies kommt der permanenterregten Synchronmaschine prinzipbedingt entgegen. Über die schaltbaren Freiläufe 17 als Trennkupplungen 17 lässt sich der Antrieb der elektrischen Vorderachse 2 bei Bedarf abschalten. Auf eine Parksperre wird hier in idealerweise zur Minimierung von Verlusten verzichtet. Die Gesamtübersetzung zwischen dem zweiten Rotor 11 der zweiten elektrischen Maschine 10 und den beiden Seitenwellen 15 der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 beträgt idealerweise weniger als 6.The two electrically driven
Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 ist dahingegen für den sogenannten Funktionsantrieb ausgelegt. Ihre Aufgabe besteht darin hohe Fahranforderungen jenseits des Alltagsbetriebs zu erfüllen, also beispielsweise Sonderlastfälle wie dem Kickdown, das Anfahren mit Anhänger an einer Steigung und ähnliches. Die erste elektrische Maschine 4 oder die beiden elektrischen Maschinen 4, 18 sind dafür als fremderregte Synchronmaschinen, insbesondere als Axialflussmaschinen, ausgebildet. Hierbei existiert im Bereich der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 keine mechanische Kupplung, sondern der erste Rotor 5 bzw. der erste Rotor 5 und der dritte Rotor 19 sind permanent mit den Seitenwellen 8 bzw. 8 und 21 und verbunden. Dadurch werden keine mechanischen Kupplungselemente und keine Aktuatorik benötigt. Im Falle, dass die angetriebene Hinterachse 3 nicht angetrieben wird, bleibt diese also mechanisch verbunden, der Antrieb wird lediglich nicht bestromt, was bei den verbauten fremderregten Synchronmaschinen dazu führt, dass diese elektrisch verlustfrei mitdrehen, sodass keine elektrischen, sondern lediglich die mechanischen Verluste durch die Reibung in der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 entsprechend auftreten. Dabei ist es so, dass die Auswahl der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 für den Funktionsantrieb ideal geeignet ist, da hier aufgrund der Positionierung die Nutzbarkeit des Antriebs aufgrund der erhöhten Traktion durch die Fahrdynamik von Vorteil ist.The electrically driven
Die verschiedenen denkbaren Betriebsbereiche für ein solches elektrisches Antriebssystem für das Kraftfahrzeug 1 sind nun in dem schematisierten Diagramm der
Dieser Fahrpedalwert S ist im Wesentlichen proportional zur Summe der Antriebsdrehmomente, mithin zu einem angeforderten Gesamtantriebsdrehmoment, an den angetriebenen Fahrzeugrädern.This accelerator pedal value S is essentially proportional to the sum of the drive torques, i.e. to a requested total drive torque, on the driven vehicle wheels.
Ein erster Betriebsbereich I ist dabei in dem Diagramm links unten zu erkennen. Er reicht von einem Fahrpedalwert mit quasi nicht betätigtem Fahrpedal bis zu einem mit gestrichelter Linie eingezeichneten Fahrpedalschwellwert S1 in der Richtung des Fahrpedalwerts S. In der Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit v reicht der erste Betriebsbereich I von Null bis zu einem ersten Geschwindigkeitsschwellwert v1. Dieser Bereich, welcher in der
Ein zweiter Betriebsbereich II schließt sich für größere Fahrzeuggeschwindigkeiten v, also Fahrzeuggeschwindigkeiten v, welche größer als der erste Geschwindigkeitsschwellwert v1 sind, rechts an den ersten Betriebsbereich I an. Er überragt dabei in der Richtung des Fahrpedalwerts S den Fahrpedalschwellwert S1 nach oben. In Richtung des Fahrpedalwerts S oberhalb des Fahrpedalschwellwerts S1 schließt sich an den ersten Betriebsbereich I ein dritter Betriebsbereich III an, welcher in Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit v bis zu einem zweiten Geschwindigkeitsschwellwert v2 reicht, welcher kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert v1 ist. Im Bereich oberhalb des Fahrpedalschwellwerts S1 und zwischen dem ersten Geschwindigkeitsschwellwert v1 sowie dem zweiten kleineren Geschwindigkeitsschwellwert v2 liegt ein vierter Betriebsbereich IV.A second operating range II adjoins the first operating range I on the right for higher vehicle speeds v, i.e. vehicle speeds v which are greater than the first speed threshold value v1. It projects above the accelerator pedal threshold value S1 in the direction of the accelerator pedal value S. In the direction of the accelerator pedal value S above the accelerator pedal threshold value S1, the first operating range I is followed by a third operating range III, which extends in the direction of the vehicle speed v up to a second speed threshold value v2, which is smaller than the first speed threshold value v1. A fourth operating range IV lies in the area above the accelerator pedal threshold value S1 and between the first speed threshold value v1 and the second smaller speed threshold value v2.
Ein Betrieb im ersten Betriebsbereich I erfolgt nun beispielsweise bis zu einem Gesamtantriebsdrehmoment von ca. 3000 Nm am Rad, welcher im Wesentlichen proportional zu dem Fahrpedalwert S ist, im ausschließlichen Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine 10, also dem Effizienzbetrieb mit der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2. Dieser Betrieb nimmt im Alltagsbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 den wesentlichen Teil ein. Er zeichnet sich durch vergleichsweise niedrige Gesamtantriebsdrehmomente und dementsprechend ein nicht voll durchgedrücktes Fahrpedal aus.Operation in the first operating range I now takes place, for example, up to a total drive torque of approximately 3000 Nm on the wheel, which is essentially proportional to the accelerator pedal value S, in exclusive operation of the permanently excited
Der zweite Betriebsbereich II bei höherer Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 1 und bis zu einem bei diesen Geschwindigkeiten auftretenden maximalen Gesamtantriebsdrehmoment ist der Betriebsbereich I, in welchem ausschließlich die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 zum Einsatz kommt, also der reine Funktionsantrieb.The second operating range II at higher speed v of the
Die beiden Betriebsbereiche III und IV dahingegen sind Mischbereiche oder Übergangsbereiche, in denen optimiert auf die Effizienz des Gesamtantriebs hin sowohl die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 als auch die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 zum Einsatz kommt. In diesem Mischbetrieb der Leistungen ist es so, dass in dem dritten Betriebsbereich III die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 und damit die permanenterregte Synchronmaschine 10 dominant ist, die fremderregte Synchronmaschine 4 bzw. die fremderregten Synchronmaschinen 4, 18 der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 liefern lediglich kleine Leistungsteile hinzu. Oberhalb des zweiten Geschwindigkeitsschwellwerts v2 kommt es dann bei höheren geforderten Drehmomenten und damit bei einem Fahrpedalwert S über dem Fahrpedalschwellwert S1 zu einem Antrieb mit beiden angetriebenen Achsen 2, 3, bei welchem nun jedoch die erste elektrische Maschine 4 bzw. die erste elektrische Maschine 4 und die dritte elektrische Maschine 18 der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 hinsichtlich der Bereitstellung von Antriebsleistung dominieren.The two operating areas III and IV, on the other hand, are mixed areas or transition areas in which both the electrically driven
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