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Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit mindestens einem hydraulischen Verbraucher.
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Aus dem Stand der Technik sind Nutzfahrzeuge bekannt, die einen hydraulischen Verbraucher aufweisen. Beispiele für bekannte hydraulische Verbraucher sind hydraulisch arbeitende Zusatzgeräte oder Arbeitsgeräte von Nutzfahrzeugen, die das Nutzfahrzeug bei der Ausführung einer vorgesehenen Funktion unterstützen. So sind beispielsweise Fahrzeuge, die zum Transport von Schüttgut ausgelegt sind, häufig mit hydraulisch arbeitenden Kippvorrichtungen ausgestattet, die effizientes und unkompliziertes Abladen des Schüttguts ermöglichen.
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Ein weiteres Beispiel für bekannte hydraulische Verbraucher sind hydrostatische Zusatzantriebe von Nutzfahrzeugen, die zumindest zwei hydraulische Radmotoren zum Antreiben von zumindest zwei Rädern aufweisen. Die zumindest zwei Radmotoren sind in einen geschlossenen hydrostatischen Kreislauf integriert. Damit können gegenüber Fahrzeugen mit permanentem Allradantrieb erhebliche Gewichts- und Effizienzvorteile realisiert werden, insbesondere in Fahrzeugen, bei denen der Allradantrieb nur für einen kleinen Teil der tatsächlichen Fahrtstrecke benötigt wird. So zeigt die
EP 3 406 474 A1 eine elektrohydraulische Hybridantriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Die elektrohydraulische Hybridantriebsvorrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine, die über einen Nebenabtrieb von der Brennkraftmaschine antreibbar ist, und eine hydraulische Maschine, die in Antriebsverbindung mit dieser elektrischen Maschine steht.
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Nachteilig an der dort offenbarten Vorrichtung ist, dass die elektrische Maschine über einen Nebenabtrieb der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen wäre dieser verbrennungsmotorisch angetriebene Nebenabtrieb bei einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug nicht vorhanden.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zum Betreiben eines hydraulischen Verbrauchers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, umfassend eine rein elektrisch angetriebene Achse (z. B. eine elektrisch angetriebene Hinterachse). Der Begriff „angetriebene Achse“ bedeutet in diesem Dokument, dass die Achse aktiv antreibbar ist. Diese Achse kann in diesem Zusammenhang auch als Antriebsachse oder Primärantriebsachse bezeichnet werden. Die elektrisch angetriebene Achse kann als Starrachse ausgeführt sein. Das Fahrzeug ist bevorzugt ein Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise ein Nutzfahrzeug. Das Fahrzeug wird verbrennungsmotorfrei angetrieben. Das Fahrzeug umfasst ferner mindestens einen hydraulischen Verbraucher. Der hydraulische Verbraucher kann beispielsweise ein hydrostatischer Hilfsfahrantrieb des Fahrzeugs sein oder ein hydraulisch arbeitendes Arbeitsaggregat des Fahrzeugs.
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Das Fahrzeug umfasst weiterhin ein erstes Spannungsnetz und ein zweites Spannungsnetz, die durch einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Spannungswandler) miteinander gekoppelt sind und/oder koppelbar sind, wobei das zweite Spannungsnetz eine niedrigere Nennspannung als das erste Spannungsnetz aufweist. Das Kraftfahrzeug umfasst somit zwei Bordteilnetze mit unterschiedlicher Nennspannung, die über einen DC/DC-Spannungswandler elektrisch gekoppelt und/oder koppelbar sind.
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Das erste Spannungsnetz umfasst eine Speichereinrichtung für elektrische Antriebsenergie (z. B. eine Traktionsbatterie) und eine elektrische Maschine (nachfolgend als erste elektrische Maschine bezeichnet), die in mechanischer Antriebsverbindung mit der elektrisch angetriebenen Achse steht und/oder bringbar ist. Das erste Spannungsnetz kann ferner einen Hochvoltverteiler umfassen. Der Hochvoltverteiler (eng. high voltage distribution unit) ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die von der Speichereinrichtung bereitgestellte elektrische Energie an mehrere elektrische Verbraucher zu verteilen.
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Das zweite Spannungsnetz umfasst eine elektrische Maschine (nachfolgend bezeichnet als zweite elektrische Maschine zur besseren Unterscheidung von der im ersten Spannungsnetz angeordneten ersten elektrischen Maschine), die zur Leistungsübertragung in mechanischer Antriebsverbindung mit dem mindestens einen hydraulischen Verbraucher steht und/oder bringbar ist.
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Vorteilhaft kann der hydraulische Verbraucher rein elektrohydraulisch angetrieben werden, wobei sowohl die elektrisch angetriebene Achse als auch der hydraulische Verbraucher von derselben Speichereinrichtung für elektrische Antriebsenergie mit Energie versorgt werden können. Besonders vorteilhaft ist vorliegend, dass der mindestens eine hydraulische Verbraucher nicht mit der ersten elektrischen Maschine, die als Antriebsquelle für die Primärantriebsachse dient, zur Leistungsübertragung in Antriebsverbindung bringbar ist, sondern mit einer weiteren elektrischen Maschine (hier der zweiten elektrischen Maschine), die in einem Teilbordnetz mit niedrigerer Nennspannung angeordnet ist, zur Leistungsübertragung in Antriebsverbindung steht und/oder bringbar ist. Entsprechend kann die zweite elektrische Maschine gezielt (und unabhängig von Anforderungen für die erste elektrische Maschine und der Primärantriebsachse) für die Leistungsanforderungen für den mindestens einen hydraulischen Verbraucher ausgelegt und angepasst werden, sodass ein effizienterer Betrieb des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers ermöglicht wird. Während die Nennspannung im ersten Spannungsnetz üblicherweise in einem Bereich von mehreren Hundert Volt, z. B. im hohen dreistelligen Volt-Bereich liegt, kann die zweite Nennspannung in niedrigen dreistelligen Voltbereich liegen oder vorzugsweise in einem Niederspannungsbereich von z. B. 24 V oder 48 V liegen. Entsprechend können die Komponenten zur elektrischen Leistungsversorgung des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers vorteilhaft für Niederspannungen ausgelegt sein, was kostengünstiger ist.
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Die gewünschte Spannung für das zweite Spannungsnetz kann über den DC/DC-Spannungswandler eingestellt werden. Die zweite elektrische Maschine steht in mechanischer Antriebsverbindung mit dem hydraulischen Verbraucher, sodass kein mechanischer Nebenabtrieb benötigt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektrisch angetriebene Fahrzeug ferner eine steuerbare Kupplungseinrichtung zur Verteilung, insbesondere zur wahlweisen Unterbrechung und Durchleitung, mechanischer Antriebsenergie an den mindestens einen hydraulischen Verbraucher. Die mechanische Antriebsenergie wird von der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellt. Die Kupplungseinrichtung ist im Leistungsfluss zwischen der zweiten elektrischen Maschine und dem mindestens einen hydraulischen Verbraucher angeordnet. Die Kupplungseinrichtung kann als Reibkupplung oder Klauenkupplung ausgeführt sein.
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In einer Ausführungsform, bei der der mindestens eine hydraulische Verbraucher mehrere hydraulische Verbraucher umfasst, kann die Kupplungseinrichtung mehrere ansteuerbare Kupplungen umfassen, die jeweils einem der mehreren hydraulischen Verbraucher zugeordnet sind, um den mechanischen Leistungsfluss zwischen der zweiten elektrischen Maschine und dem zugeordneten hydraulischen Verbraucher wahlweise zu unterbrechen oder durchzuleiten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der hydraulische Verbraucher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs eine erste hydraulische Maschine, die in mechanischer Antriebsverbindung mit der zweiten elektrischen Maschine steht und/oder bringbar ist. Anders ausgedrückt können die erste hydraulische Maschine und die zweite elektrische Maschine bewegungsgekoppelt sein. Beispielsweise kann die erste hydraulische Maschine dazu über eine Welle direkt mit der zweiten elektrischen Maschine antriebsmäßig verbunden sein und/oder über eine steuerbare Kupplung miteinander verbunden sein. Vorzugsweise ist die erste hydraulische Maschine sowohl als Hydraulikmotor als auch als Hydraulikpumpe betreibbar. Die hydraulische Maschine kann mechanische Energie und hydraulische Energie ineinander umwandeln, indem Druck in einer Hydraulikflüssigkeit erzeugt wird. Umgekehrt kann hydraulischer Druck auch zur Erzeugung von mechanischer Antriebsenergie verwendet werden. Bei der Hydraulikflüssigkeit kann es sich um Mineralöl, Öl-Wasser-Emulsionen, Wasserglykole, synthetische Flüssigkeiten oder andere handelsübliche Hydraulikflüssigkeiten handeln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann der hydraulische Verbraucher eine zweite hydraulische Maschine umfassen, die in fluidischer Verbindung mit der ersten hydraulischen Maschine steht und/oder bringbar ist. Die zweite hydraulische Maschine steht mit der ersten hydraulischen Maschine in Fluidkommunikation und ist mit dieser antriebstechnisch in Reihe verbunden. Vorzugsweise kann die zweite hydraulische Maschine sowohl als Hydraulikmotor als auch als Hydraulikpumpe betreibbar sein. Anders ausgedrückt sind die besagten hydraulischen Maschinen fluidisch gekoppelt. Dies kann beispielsweise mittels in Hydraulikleitungen geführten Flüssigkeiten (z. B. Mineralöl) und/oder sonstigen dem Fachmann bekannten flüssigen Druckmedien zur hydrostatischen Leistungsübertragung erfolgen, wobei die besagten hydraulischen Maschinen vorzugsweise in einem offenen oder geschlossenen Hydraulikkreislauf angeordnet sind. Auf diese Weise kann hydraulische Energie, die von der ersten hydraulischen Maschine erzeugt wird, wieder in mechanisch nutzbare Energie umgewandelt werden. Somit können auch hydraulisch arbeitende Zusatzaggregate betrieben werden, die einen mechanischen Antrieb benötigen, ohne dass ein Nebenabtrieb einer Brennkraftmaschine dazu notwendig wäre. Umgekehrt kann auch mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt und gespeichert werden. Diese Energie kann später wieder zum Betrieb eines hydraulischen Verbrauchers eingesetzt werden, sodass der Energieverbrauch verringert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der hydraulische Verbraucher ferner eine steuerbare Ventileinrichtung zur wahlweisen Zu- und Abschaltung des hydraulischen Verbrauchers. Dazu können z. B. steuerbare Ventile in den Hydraulikleitungen angeordnet sein. Durch die Steuerung können die Ventile geöffnet oder geschlossen werden. Auf diese Weise erlangt man eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Leistungsaufnahme und/oder Begrenzung des hydraulischen Verbrauchers.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das elektrisch angetriebene Fahrzeug eine Steuervorrichtung umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die Steuervorrichtung ein erstes Steuergerät und ein zweites Steuergerät. Das erste Steuergerät ist dazu ausgebildet, Betriebsanforderungen für den mindestens einen hydraulischen Verbraucher zu empfangen, die Betriebsanforderungen zu Betriebsanweisungen zu verarbeiten und die Betriebsanweisungen an das zweite Steuergerät weiterzuleiten. Das zweite Steuergerät ist dazu ausgebildet, Betriebsanweisungen von dem ersten Steuergerät zu empfangen und abhängig von den empfangenen Betriebsanweisungen den hydraulischen Verbraucher anzusteuern.
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Diese Ausführungsform ermöglicht eine effiziente Steuerung des hydraulischen Verbrauchers. Das erste Steuergerät empfängt Betriebsanforderungen für den hydraulischen Verbraucher, beispielsweise durch eine Betätigung eines Tasters durch den Benutzer oder durch ein automatisches Assistenzsystem des Fahrzeugs. Das erste Steuergerät verarbeitet diese Betriebsanforderung zu Betriebsanweisungen. Vorteilhaft ist hier, dass das erste Steuergerät auf weitere Fahrzeugdaten anderer Fahrzeugkomponenten zugreifen kann, um optimale Betriebsanweisungen für den hydraulischen Verbraucher zu ermitteln. Im Anschluss werden die Betriebsanweisungen von dem zweiten Steuergerät empfangen, zu einer ausführbaren Ansteuerung weiterverarbeitet und die Ansteuerung des hydraulischen Verbrauchers durchgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das erste Steuergerät als ein Hauptsteuergerät und/oder ein domänenübergreifendes Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Das zweite Steuergerät ist in dieser Ausführungsvariante als ein Nebensteuergerät und/oder ein domänenspezifisches Steuergerät ausgebildet. Eine Domäne bezeichnet ein abgegrenztes Arbeitsgebiet des Fahrzeugs, das für die Durchführung einer bestimmten Aufgabe, z. B. das Abbremsen des Fahrzeugs, zuständig ist. Das bedeutet, dass gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise über das erste Steuergerät Daten vieler Fahrzeugkomponenten (Domänen) zusammenlaufen. Zumindest verarbeitet das erste Steuergerät Daten einer größeren Anzahl an Fahrzeugkomponenten und/oder Domänen als das zweite Steuergerät. Das erste Steuergerät kann somit einen größeren Funktionsumfang und/oder eine größere Funktionsbreite als das zweite Steuergerät aufweisen.
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Diese Aufteilung der Steuerfunktionen des hydraulischen Verbrauchers auf zwei Steuergeräte ist besonders vorteilhaft, da einerseits im ersten Steuergerät übergeordnet viele Betriebsdaten zum Kraftfahrzeug zur Verfügung stehen und optional zur Steuerung des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers und in die Bestimmung der Betriebsanweisungen einfließen können. Anderseits kann die direkte Ansteuerung des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers abhängig von den Betriebsanweisungen dann an ein weiteres Steuergerät (das zweite Steuergerät) ausgelagert werden. Dies entlastet das erste Steuergerät und ermöglicht eine direktere hardwarenähere Steuerung des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers.
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Die Ausführung des zweiten Steuergeräts als Nebensteuergerät und/oder domänenspezifisches Steuergerät bietet ferner den Vorteil einer schnellen und spezialisierten Verarbeitung der bereits vom ersten Steuergerät anhand umfassender Daten optimierten Betriebsanweisungen. Das zweite Steuergerät kann z. B. als Hardware-Steuerung ausgebildet sein, bei der die Ansteuerung direkt über vorzugsweise programmierbare Hardwarekomponenten erfolgt. Vorteil dieser Ausführung ist die besonders schnelle Datenverarbeitung sowie eine große Robustheit gegenüber Störungen. Außerdem kann die Auswahl der Hardwarekomponenten genau auf die jeweilige Komponente zugeschnitten sein, wodurch unnötige Kosten für allgemeiner nutzbarer Hardwarekomponenten vermieden werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Nebensteuergerät und/oder das domänenspezifische Steuergerät zur Steuerung einer weiteren Fahrzeugkomponente, die nicht in mechanischer Antriebsverbindung mit der zweiten elektrischen Maschine steht, ausgebildet. Beispielsweise kann das zweite Steuergerät ein Chassis-Steuergerät, ein Kabinensteuergerät eines Nutzfahrzeugs oder ein Bremssteuergerät sein. Darunter werden Steuergräte verstanden, die primär zur Steuerung von Chassis-Funktionen, von Kabinenfunktionen oder von Bremsfunktionen ausgebildet sind. Dies bietet den Vorzug, dass ein bestehendes Nebensteuergerät und/oder das domänenspezifische Steuergerät in einer Doppelfunktion genutzt wird, nämlich zusätzlich zur Ansteuerung des mindestens einen hydraulischen Verbrauchers, sodass hierfür kein weiteres separates Steuergerät vonnöten ist.
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Viele hydraulische Verbraucher werden nur in zeitlich begrenztem Umfang verwendet. Eine hydraulisch betriebene Kippvorrichtung oder ein hydrostatischer Hilfsfahrantrieb ist während eines Großteils der Fahrzeit weitgehend inaktiv, sodass auch ein exklusives Steuergerät während dieser Inaktivitätszeiten weitgehend ungenutzt wäre. In einem typischen Fahrzeug sind allerdings bereits eine Vielzahl von spezialisierten Steuergeräten für die Ausführung unterschiedlichster Steuerungsaufgaben verbaut. Durch den Einsatz eines solchen Steuergeräts für die Steuerung des hydraulischen Verbrauchers kann der Einbau zusätzlicher Steuergeräte vermieden und so Kosten und Gewicht eingespart werden.
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Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuergerät“ auf eine Elektronik (z. B. ausgeführt als eine Treiberschaltung oder mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Steuerung beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben und/oder Verarbeitungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ und/oder „Verarbeiten“ umfasst bzw. gemeint sein.
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Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass der hydraulische Verbraucher eine erste hydraulische Maschine und eine zweite hydraulische Maschine umfassen kann, wobei die zweite hydraulische Maschine mit der ersten hydraulischen Maschine in Fluidkommunikation steht und mit dieser antriebstechnisch in Reihe verbunden ist. Die beiden hydraulischen Maschinen können einen hydrostatischen Hilfsantrieb ausbilden, wobei die erste hydraulische Maschine primär als Pumpe und die zweite hydraulische Maschine primär als Hydraulikmotor betrieben wird. Die zweite hydraulische Maschine kann als Radnabenmotor ausgebildet sein.
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Entsprechend umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der mindestens eine hydraulische Verbraucher einen hydraulischen Verbraucher, der als hydrostatischer Hilfsfahrantrieb ausgebildet ist. Vorteilhaft kann eine rein elektrisch angetriebene Primärantriebsachse um eine bedarfsweise elektrohydraulisch angetriebene Achse erweitert werden, wobei die zweite elektrische Maschine zum Antrieb des hydrostatischen Hilfsfahrantriebs durch die Anordnung im zweiten Spannungsnetzt gezielt für den hydrostatischen Hilfsfahrantriebs optimiert und ausgelegt werden kann.
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Der hydrostatische Hilfsfahrantrieb weist eine von mindestens einem Radnabenmotor (zweite hydraulische Maschine) hydraulisch angetriebene Radachse, vorzugsweise eine Vorderachse, auf. Die vom hydrostatische Hilfsfahrantrieb angetriebene Radachse stellt eine bedarfsweise antreibbare Sekundärantriebsachse dar.
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Der hydrostatische Hilfsantrieb kann derart ausgeführt sein, dass bei Antrieb der zweiten elektrischen Maschine die mechanische Leistung der zweiten elektrischen Maschine durch die erste hydraulische Maschine als Hydropumpe (Arbeitsmaschine) in hydraulische Leistung umgewandelt wird. Diese Leistung kann vom hydrostatischen Hilfsantrieb wieder in mechanische Leistung zum Antrieb der hydraulisch angetriebenen Radachse umgeformt werden. Der mindestens eine Radnabenmotor ist in den geschlossenen hydrostatischen Kreislauf integriert. Der hydrostatische Hilfsantrieb kann zur flexiblen Verbesserung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs beitragen, wann immer der ausschließliche Antrieb des Fahrzeugs mittels der elektrisch angetriebenen Achse zu mangelhafter Fahrstabilität führt und daher die Verteilung von Antriebsleistung auf weitere Achsen ratsam wäre. Ein hydrostatischer Hilfsantrieb bietet gegenüber einem konventionellen Allradantrieb vor allem Gewichts- und Effizienzvorteile, insbesondere, wenn der Allradbetrieb nur für einen kleinen Teil der tatsächlichen Fahrtstrecke benötigt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante, bei der das Fahrzeug einen hydrostatischen Hilfsantrieb aufweist, umfasst das Fahrzeug ferner eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse zu bestimmen und abhängig von dem bestimmten Radschlupf eine Leistungsanforderung für die zweite elektrische Maschine und/oder eine als Hydraulikpumpe betriebene hydraulische Maschine des hydrostatischen Hilfsantriebes und/oder ein Drehmoment an der hydraulisch angetriebenen Radachse zu bestimmen zur Reduzierung des bestimmten Radschlupfes. Anders ausgedrückt wird abhängig vom bestimmten Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse der hydrostatische Hilfsfahrantrieb so angesteuert, dass dieser ein Antriebsmoment erzeugt, das dazu führt, dass sich der Radschlupf verringert.
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Vorteilhaft kann die Antriebsleistung des hydrostatischen Antriebs gezielt angepasst werden, um bei Auftreten von Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Primärantriebsachse den Radschlupf an dieser Achse durch eine zweckmäßig angepasste Antriebsleistung des hydrostatischen Antriebs an der elektrohydraulisch angeriebenen Sekundärantriebsachse zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der mindestens eine hydraulische Verbraucher einen hydraulischen Verbraucher umfassen, der als auf dem Fahrzeug montiertes, hydraulisch angetriebenes Arbeitsgerät ausgebildet ist, beispielsweise eine Kippvorrichtung, eine Hubvorrichtung oder ein anderes hydraulisches Nebenaggregat des Fahrzeugs.
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Die Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es, dass diese Arbeitsgeräte betriebseffizient ohne mechanischen Nebenabtrieb einer Brennkraftmaschine betrieben werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das zweite Spannungsnetz ferner einen AC/DC-Spannungswandler umfassen, der schaltungstechnisch zwischen dem DC/DC-Spannungswandler und der zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist. Der AC/DC-Spannungswandler kann die Gleichspannung, die von dem DC/DC-Spannungswandler bereitgestellt wird, in entsprechende Wechselspannung umwandeln. Elektrische Maschinen können als Gleichspannungsmotoren ausgebildet sein, in vielen Fällen werden aber elektrische Maschinen verwendet, die für den Betrieb mit Wechselspannung ausgebildet sind. Der zusätzliche AC/DC-Spannungswandler ermöglicht es, diejenige zweite elektrische Maschine auszuwählen, die optimal an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden kann.
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Das erste Spannungsnetz kann als Hochspannungsnetz und das zweite Spannungsnetz als Niederspannungsnetz ausgebildet sein. Ein Hochspannungsnetz meint ein Spannungsnetz, dessen Nennspannung mindestens 300 V beträgt. Die Nennspannung eines Niederspannungsnetzes beträgt höchstens 100 V, z. B. 12 V, 24 V oder 48 V.
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Bevorzugt ist das elektrisch angetriebene Fahrzeug ein rein elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug, vorzugsweise ein Lastkraftwagen, ein Baustellenfahrzeug oder ein Omnibus.
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Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine schematische Darstellung eines ersten Spannungsnetzes, eines DC/DC-Spannungswandlers, eines zweiten Spannungsnetzes, mehrerer hydraulischer Verbraucher, einer steuerbaren Kupplungseinrichtung und einer steuerbaren Ventileinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Steuerung eines hydrostatischen Hilfsantriebs gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, sodass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrisch angetrieben Fahrzeugs 1 (kurz auch als Fahrzeug bezeichnet), vorzugsweise eines Nutzfahrzeugs, beispielsweise eines Lastkraftwagens, eines Baustellenfahrzeugs oder eines Omnibusses. Das elektrisch angetriebene Fahrzeug 1 umfasst eine rein elektrisch angetriebene Achse 2, hier eine Hinterachse, einen hydraulischen Verbraucher 3 (hier einen hydrostatischen Hilfsfahrantrieb), ein erstes Spannungsnetz 4 und ein zweites Spannungsnetz 5. Das erste Spannungsnetz 4 umfasst eine Speichereinrichtung 7 für elektrische Antriebsenergie, hier als Traktionsbatterie ausgeführt, und einen Hochvolt-Verteiler 8. Die Nennspannung des ersten Spannungsnetzes 4 beträgt einige 100 V, z. B. 700 V.
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Der Hochvolt-Verteiler 8 leitet elektrische Antriebsenergie an eine erste elektrische Maschine 9, die über eine mechanische Antriebsverbindung 10 mit der elektrisch angetriebenen Achse 2 in Verbindung steht. Der Hochvoltverteiler 8 (englisch „High Voltage Distribution (HVD) unit/module“) ist eine Hochspannungsverteilungseinrichtung, die mittels einer Leiteranordnung zur Strom- und Spannungsverteilung ausgebildet ist. Die Funktion des Hochvoltverteilers ist die Strom- und Spannungsversorgung anderer Hochvoltkomponenten und Verbraucher im gesamten elektrifizierten Antriebsstrang, wie z. B. elektrischer Nebenaggregate verschiedener Leistungsklassen oder Antriebseinheiten. Weiterhin kann der Hochvoltverteiler Träger von Hochvolt-Absicherungsmaßnahmen, z. B. Schmelzsicherungen, Halbleiterschutzelementen, und/oder Schützen sein etc. Der Hochvoltverteiler kann optional ferner steuerbare Schütze (Schaltschütze) umfassen, z. B. Schütze, deren Schaltzustand von einer Steuerung gesteuert werden kann. Alternativ hierzu kann zusätzlich zum Hochvoltverteiler auch eine separate Schützbox eingesetzt werden, die steuerbare und/oder nicht steuerbare Schütze umfasst.
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Mit den Schützen können u. a. zwei Dinge erreicht werden: eine sichere Trennung (z. B. in Verbindung mit den Schmelzsicherungen) des Bordnetzes von der Spannungsversorgung und eine Abschaltung von Verbrauchern zur Realisierung eines Teilnetzbetriebs (z. B. während des Ladens). Die Verwendung von steuerbaren Schützen bietet den Vorteil, dass das Auslösen der Schütze flexibler abhängig von Betriebsbedingungen gesteuert und angepasst werden kann und somit ein intelligenterer Betrieb des Hochvoltverteilers ermöglicht wird. Bei den Schützen kann es erforderlich sein und entsprechend zweckmäßig realisiert sein, dass die Schütze eine Rückmeldung über ihren Schaltzustand geben. Diese Anforderung hängt von Sicherheitsanforderungen, z. B. von den „Safety“-Zielen ab.
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Ein solcher Hochvoltverteiler wird beispielsweise bei Elektrofahrzeugen im Hochspannungsbordnetz, an das ein elektrischer Traktionsenergiespeicher und ein elektromotorischer Antrieb angeschlossen sind, eingesetzt. Über die Leitungsanordnung des Hochvoltverteilers kann somit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher zum Antrieb des Fahrzeugs an ein Hauptaggregat und zur Versorgung von Nebenaggregaten bereitgestellt werden. Ferner kann über die Leitungsanordnung des Hochvoltverteilers elektrische Energie aus dem Antriebsstrang aufgenommen und an den elektrischen Energiespeicher weitergeleitet werden.
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Die erste elektrische Maschine 9 kann auf ein Differenzialgetriebe (nicht dargestellt) der Achse 2 wirken. Die mechanische Antriebsverbindung 10 kann ein Untersetzungsgetriebe umfassen. Diese elektrisch angetriebene Achse 2 (Primärantriebsachse) stellt den Primärantrieb zur Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 1 dar. Anstelle einer ersten elektrischen Maschine 9, die zentral auf die Achse 2 wirkt, können auch zwei erste elektrische Maschinen vorgesehen sein, die jeweils einem der Räder antriebstechnisch zugeordnet sind.
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Zusätzlich zu dem ersten Spannungsnetz 4 umfasst das Fahrzeug 1 noch ein zweites Spannungsnetz 5, das eine niedrigere Nennspannung als das erste Spannungsnetz 4 aufweist. Die Nennspannung des zweiten Spannungsnetzes 5 kann z. B. 12 V, 24 V oder 48 V betragen. Das erste Spannungsnetz 4 und das zweite Spannungsnetz 5 sind durch einen DC/DC-Spannungswandler 6 miteinander elektrisch gekoppelt. Der DC/DC-Spannungswandler 6 ist ebenfalls über den Hochvolt-Verteiler 8 mit der Speichereinrichtung für elektrische Antriebsenergie 7 verbunden und regelt die bereitgestellte Hochspannung auf die für das zweite Spannungsnetz 5 gewünschte Nennspannung herunter.
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In dem zweiten Spannungsnetz 5 kann sich ein AC/DC-Spannungswandler 27 befinden, der die von dem DC/DC-Spannungswandler 6 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung transformiert. Diese Wechselspannung wird anschließend von einer zweiten elektrischen Maschine 11 in mechanische Antriebsenergie umgewandelt, die dem hydraulischen Verbraucher 3 über eine mechanische Antriebsverbindung zur Verfügung gestellt wird. Ein mechanischer Nebenabtrieb einer Brennkraftmaschine wird nicht benötigt.
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Im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem hydraulischen Verbraucher 3 um einen hydrostatischen Hilfsantrieb 24. Eine erste hydraulische Maschine 13 wird als Hydraulikpumpe betrieben und wandelt die von der zweiten elektrischen Maschine 11 bereitgestellte mechanische Antriebsenergie in hydraulische Antriebsenergie um, indem Druck in einer Hydraulikleitung erzeugt wird. Bei dem Hydraulikfluid in der Hydraulikleitung kann es sich um Mineralöl, eine Öl-Wasser-Emulsion, ein Wasserglykol, eine synthetische Flüssigkeit oder eine andere handelsübliche Hydraulikflüssigkeit handeln. Die erste hydraulische Maschine 13 steht in fluidischer Verbindung 15 mit zwei weiteren hydraulischen Maschinen 14, die jeweils im rechten und linken Bereich einer hydraulisch angetriebenen Radachse 25 angebracht sind.
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Die zweiten hydraulischen Maschinen 14 werden jeweils als Hydraulikmotor betrieben und wandeln die zugeführte hydraulische Energie wieder in mechanische Antriebsenergie um. Dabei kann es sich um Radnabenmotoren handeln, in denen durch den in der Hydraulikleitung herrschenden Druck Kolben in Bewegung versetzt werden, die das zugehörige Rad in Rotation versetzen.
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Das in der 1 gezeigte System fluidischer Verbindungen 15 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit stark vereinfacht dargestellt. In einem realen System bestehen die Hydraulikleitungen in an sich bekannter Weise aus einem System aus Vorlaufleitungen und Rücklaufleitungen. Die Vorlaufleitungen transportieren das von der ersten hydraulischen Maschine 13 komprimierte Hydraulikfluid zu den zweiten hydraulischen Maschinen 14. Von dort aus läuft das Hydraulikfluid in einem geschlossenen Kreislauf wieder zur ersten hydraulischen Maschine 13 zurück. Der Kreislauf kann weiterhin zusätzliche Komponenten wie ein Reservoir, eine Kühlung oder Ventile umfassen.
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Der hydrostatische Hilfsantrieb 24 wird von einer Steuervorrichtung 17 gesteuert, um diesen zu aktivieren, zu deaktivieren und um dessen Leistung zu steuern. Beispielsweise erkennt die Steuervorrichtung 17 optional ferner, ob Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse 2 vorliegt. In diesem Fall kann die Steuervorrichtung 17 die Antriebsleistung an der elektrisch angetriebenen Achse 2 reduzieren, das benötigte Drehmoment für den Betrieb der zweiten hydraulischen Maschinen 14 bestimmen und die zweite elektrische Maschine 11, die erste hydraulische Maschine 13 und die zweiten hydraulischen Maschinen 14 entsprechend ansteuern, was nachfolgend noch in Zusammenhang mit 4 näher beschrieben wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Spannungsnetzes 4, des zweiten Spannungsnetzes 5, des DC/DC-Spannungswandlers 6 und mehrerer hydraulischer Verbraucher 3. Wie bereits beschrieben ist die zweite elektrische Maschine 11 im zweiten Spannungsnetz 5 angeordnet und stellt mechanische Antriebsenergie für die hydraulischen Verbraucher 3 bereit. Dazu wandelt die zweite elektrische Maschine 11 elektrische Antriebsenergie in mechanische Antriebsenergie um. Zwischen der zweiten elektrischen Maschine 11 und den hydraulischen Verbrauchern kann eine steuerbare Kupplungseinrichtung 12 angeordnet sein, mittels derer die mechanische Antriebsverbindung 10 zwischen der zweiten elektrischen Maschine 11 und den hydraulischen Verbrauchern 3 wahlweise unterbrochen oder hergestellt werden kann.
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2 zeigt lediglich beispielhaft drei erste hydraulische Maschinen 13. Es könnte sich aber um eine andere davon abweichende Anzahl handeln. Die steuerbare Kupplungseinrichtung 12 ermöglicht es, dass die unterschiedlichen ersten hydraulischen Maschinen unabhängig voneinander mit der zweiten elektrischen Maschine 11 antriebstechnisch verbunden werden oder von ihr getrennt werden können. Ferner können zwischen der zweiten elektrischen Maschine 11 und den einzelnen ersten hydraulischen Maschinen 13 optional Getriebe angeordnet sein, sodass die einzelnen ersten hydraulischen Maschinen 13 gleichzeitig mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden können.
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Die von den ersten hydraulischen Maschinen 13 erzeugte hydraulische Leistung kann von unterschiedlichen hydraulisch angetriebenen Arbeitsgeräten (nicht dargestellt) verwendet werden. Bei den Arbeitsgeräten kann es sich beispielsweise um eine Kippvorrichtung oder eine Hubvorrichtung handeln. Eine einzelne erste hydraulische Maschine 13 kann entweder ein einzelnes oder aber mehrere solcher Arbeitsgeräte antreiben. Vorteilhafterweise kann die erste hydraulische Maschine 13 dazu in fluidischer Verbindung 15 mit einer steuerbaren Ventileinrichtung 16 stehen. Die einzelnen Ventile können unabhängig voneinander geöffnet oder geschlossen werden. Bei der in der 2 dargestellten Ventileinrichtung 16 handelt es sich um drei separat ansteuerbare 1/1 Ventile. Eine Verwendung eines 3-Wege Ventils oder einer Kombination unterschiedlicher Ventile wäre aber genauso möglich. Außerdem ist die Ausführung nicht auf eine Ausgestaltung von drei Fluidwegen beschränkt. Stattdessen ist eine beliebige Anzahl an Fluidwegen möglich. Außerdem können auch Druckregelventile verwendet werden, sodass die fluidisch gekoppelten hydraulischen Verbraucher mit unterschiedlicher hydraulischer Leistung versorgt werden können.
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Die ersten hydraulischen Maschinen 13 können sowohl als Hydraulikpumpe zur Bereitstellung von hydraulischer Leistung als auch als Hydraulikmotor zur Rückgewinnung von mechanischer Antriebsenergie verwendet werden.
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Nachfolgend wird eine Steuerung zur Ansteuerung eines hydraulischen Verbrauchers beschrieben.
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3 zeigt entsprechend eine Steuervorrichtung 17 zur Ansteuerung eines hydraulischen Verbrauchers gemäß einer weiteren Ausführungsvariante. Zuerst wird eine Betriebsanforderung 20 für den hydraulischen Verbraucher erzeugt, beispielsweise durch eine Betätigung eines Bedienelements 26 durch einen Benutzer oder durch ein Signal eines automatisches Fahrassistenzsystems. Falls der hydraulische Verbraucher als hydrostatischer Hilfsfahrantrieb ausgeführt ist, kann z. B. ein Benutzer diesen aktiv mittels einer Betätigung eines Bedienelements 26 zuschalten. Die Betätigung des Bedienelements 26 erzeugt eine entsprechende Betriebsanforderung (Leistungsanforderung) 20 für den hydrostatischen Hilfsfahrantrieb. Diese Betriebsanforderung 20 wird von einem ersten Steuergerät 18 eingangsseitig empfangen. Das erste Steuergerät 18 kann als Hauptsteuergerät oder als domänenübergreifendes Steuergerät ausgebildet sein. Das bedeutet, dass das erste Steuergerät 18 Daten unterschiedlicher weiterer Fahrzeugkomponenten 23 verwenden kann, um die Betriebsanforderung 20 zu Betriebsanweisungen (Steueranweisungen) 21 zu verarbeiten. Beispielsweise kann das erste Steuergerät abhängig von anderen Fahrzeugdaten prüfen, ob eine über das Bedienelement 26 geforderte Aktivierung des hydraulischen Verbrauchers erlaubt wird oder ggf. nicht, z. B. weil vorab hinterlegte Sicherheitsbedingungen nicht erfüllt sind. Ferner ist das erste Steuergerät 18 eingerichtet, neben der Steuerung des hydraulischen Verbrauchers mehrere weitere Komponenten des Fahrzeugs zu steuern.
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Das zweite Steuergerät 19 ist dazu ausgebildet, die Betriebsanweisungen 21 von dem ersten Steuergerät 18 zu empfangen und abhängig von den empfangenen Betriebsanweisungen 21 eine Ansteuerung 22 des hydraulischen Verbrauchers 3 vorzunehmen. Das zweite Steuergerät 19 kann als Nebensteuergerät und/oder domänenspezifisches Steuergerät ausgebildet sein. Das zweite Steuergerät 19 kann zur Ansteuerung 22 einer weiteren Fahrzeugkomponente 23 ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich um ein Bremssteuergerät handeln. Das Bremssteuergerät ist in vielen Fahrzeugen dazu ausgelegt, Fahrassistenzfunktionen wie die eines elektronischen Stabilitätsprogramms umzusetzen. Daher kann es gut dazu geeignet sein, beispielsweise die Ansteuerung 22 eines hydrostatischen Hilfsantriebs 24 vorzunehmen, der ebenfalls zur Stabilisierung des Fahrverhaltens verwendet wird.
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Das zweite Steuergerät 19 kann als Hardware-Steuerung ausgebildet sein, bei der die Ansteuerung 22 direkt über vorzugsweise programmierbare Hardwarekomponenten, beispielsweise die Pin-Belegung einer integrierten Schaltungsanordnung, erfolgt. Vorteil dieser Ausführung ist die besonders schnelle Datenverarbeitung sowie eine große Robustheit gegenüber Störungen durch äußere Begebenheiten. Bei dem ersten Steuergerät 18 handelt es sich beispielsweise um einen zentralen Bordcomputer oder ein zentrales Fahrzeugsteuergerät, das Betriebsanweisungen 21 an weitere zweite Steuergeräte 19 (in 3 gestrichelt dargestellt) senden kann.
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Nachfolgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel betreffend die Steuerung eines hydrostatischen Hilfsantriebs erläutert, die besonders vorteilhaft in der Steuer-Architektur der 3 implementiert werden kann.
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Die 4 illustriert hierzu beispielhaft ein Verfahren zur Steuerung des hydrostatischen Hilfsantriebs 24 bei Vorhandensein von Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse 2. Das Verfahren kann in einem ersten Steuergerät 18 und einem zweiten Steuergerät 19 implementiert werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Alternativ kann das Verfahren auch nur in einer Steuervorrichtung implementiert werden.
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Radschlupf kann z. B., insbesondere bei Nutzfahrzeugen, bei der Fahrt auf unebenem, matschigem Untergrund, beispielsweise im Bereich von Baustellen, auftreten. Dabei dreht mindestens eines der Räder der angetriebenen Achse schneller als theoretisch berechnet, d. h., die Ist-Drehzahl des Rades ist größer als seine Soll-Drehzahl. Dieses Rad trägt dann nichts zum Vortrieb und nur begrenzt zur Seitenführung des Fahrzeugs bei.
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Im ersten Schritt S1 wird von dem ersten Steuergerät 18 bestimmt, dass Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse 2 vorliegt. Dazu wird z. B. die Soll-Drehzahl mit der Ist-Drehzahl verglichen, um anhand einer Abweichung zwischen der Soll-Drehzahl und der erfassten Ist-Drehzahl eines Rades das Vorliegen von Radschlupf zu erkennen. Die Soll-Drehzahlen der Räder einer Achse können in an sich bekannter Weise bestimmt werden. Beispielsweise basieren die theoretischen Drehzahlen der Räder (Soll-Drehzahlen der Räder) der elektrisch angetriebenen Achse auf den kinematischen Randbedingungen, d. h. dem Radstand, der Spurweite bzw. dem Abstand zwischen linkem und rechten Radaufstandspunkt der Achse, dem Reifenradius, dem Kurvenradius bzw. dem gemittelten Lenkwinkel des Fahrzeugs und der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
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Im nächsten Schritt S2 bestimmt das erste Steuergerät 18 den Wert des benötigten Drehmoments an der hydraulisch angetriebenen Radachse 25, sodass diese der Entstehung von Radschlupf entgegenwirken kann. Dazu stehen dem ersten Steuergerät 18 Daten bezüglich einer Vielzahl weiterer Fahrzeugkomponenten 23 zur Verfügung. Das benötigte Drehmoment kann etwa durch die Gesamtmasse des Fahrzeugs 1, den Lenkwinkel oder die Neigung und die Beschaffenheit des Untergrunds beeinflusst werden.
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Sobald das benötigte Drehmoment von dem ersten Steuergerät 18 bestimmt wurde, wird eine entsprechende Betriebsanweisung an das zweite Steuergerät 19 gesendet, in welches Steuerfunktionen zur Ansteuerung des hydrostatischen Hilfsfahrantriebs integriert sind. Dieses zweite Steuergerät 19 berechnet dann in Schritt S3 die benötigte hydraulische Leistung, die von der ersten hydraulischen Maschine 13 erzeugt werden muss, um das angeforderte Drehmoment an der hydraulisch angetriebenen Radachse 25 zu erzeugen. Das zweite Steuergerät 19 berechnet ferner die benötigte Leistung der zweiten elektrischen Maschine 11 und nimmt eine entsprechende Ansteuerung 22 vor. Daraufhin stellt die zweite elektrische Maschine die vorgegebene elektrische Leistung bereit (Schritt S4).
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Anschließend überprüft in Schritt S5 das erste Steuergerät 18, ob weiterhin Radschlupf an der elektrisch angetriebenen Achse 2 vorliegt. Ist der Radschlupf beseitigt oder zumindest auf ein vorgegebenes, akzeptables Maß verringert worden, ist der Steuervorgang abgeschlossen. Hat sich der Radschlupf dagegen nicht ausreichend reduziert, weil beispielsweise unvollständige Informationen über die Fahrzeugumgebung vorliegen, wird der beschriebene Vorgang ab Schritt S2 wiederholt. Eine derartige Steuerung kann beispielsweise im Rahmen einer Proportional-Integral-Differenzial-Schleife ausgeführt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrisch angetriebenes Fahrzeug
- 2
- Elektrisch angetriebene Achse
- 3
- Hydraulischer Verbraucher
- 4
- Erstes Spannungsnetz
- 5
- Zweites Spannungsnetz
- 6
- DC/DC-Spannungswandler
- 7
- Speichereinrichtung für elektrische Antriebsenergie
- 8
- Hochvolt-Verteiler
- 9
- Erste elektrische Maschine
- 10
- Mechanische Antriebsverbindung, z. B. Untersetzungsgetriebe
- 11
- Zweite elektrische Maschine
- 12
- Steuerbare Kupplungseinrichtung
- 13
- Erste hydraulische Maschine
- 14
- Zweite hydraulische Maschine
- 15
- Fluidische Verbindung
- 16
- Steuerbare Ventileinrichtung
- 17
- Steuervorrichtung
- 18
- Erstes Steuergerät
- 19
- Zweites Steuergerät
- 20
- Betriebsanforderung
- 21
- Betriebsanweisung
- 22
- Ansteuerung
- 23
- Weitere Fahrzeugkomponenten
- 24
- Hydrostatischer Hilfsantrieb
- 25
- Hydraulisch angetriebene Radachse
- 26
- Bedienelement
- 27
- AC/DC-Spannungswandler
- S1
- Bestimmung Radschlupf
- S2
- Bestimmung Drehmoment
- S3
- Berechnung hydraulischer Leistung
- S4
- Bereitstellung elektrischer Leistung
- S5
- Überprüfung Radschlupf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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