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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines elektrischen Achsantriebs.
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Ein elektrischer Achsantrieb ist dazu eingerichtet, an einer Vorderachse oder einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs eingesetzt zu werden. Dabei umfasst der elektrische Achsantrieb eine elektrische Maschine und zwei Radantriebe, die dazu eingerichtet sind, mit einem linken beziehungsweise rechten Antriebsrad des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden. Eine Steuervorrichtung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine in Abhängigkeit einer Anforderung seitens des Kraftfahrzeugs zu steuern, um die Antriebsräder anzutreiben.
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Die
DE 10 2012 206 783 A1 , sowie die
DE 10 2017 200 999 A1 offenbaren beispielsweise jeweils eine Steuervorrichtung bzw. ein Zusatzsteuergerat oder insbesondere auch ein Steuersystem, welches dazu ausgebildet ist, die Antriebsmechanik, bzw. die Lenkung des das Kraftfahrzeug zu steuern.
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Der Achsantrieb kann einfach ausgeführt und lediglich dazu eingerichtet sein, Drehmomente an den Radantrieben bereitzustellen. In einer anderen Ausführungsform kann der Achsantrieb dazu eingerichtet sein, eine weitere Funktion auszuführen. Beispielsweise kann ein Quersperre vorgesehen sein, die ein zwischen der elektrischen Maschine, dem linken und dem rechten Radantrieb wirkendes Differential sperren kann. Zwar kann ein mechanisches Glied zur Unterstützung der Funktion nachträglich am Achsantrieb angebaut werden, jedoch kann es aufwendig sein, das Glied im Zusammenspiel mit anderen Komponenten zu steuern. Aus Sicherheitsgründen kann eine für die Ansteuerung des Glieds vorgesehene Steuervorrichtung zusammen mit den restlichen Elementen des Achsantriebs einer langwierigen Überprüfung unterzogen werden, bevor ein serienhafter Einsatz an Kraftfahrzeugen möglich ist. Mit der Änderung verbundene Entwicklungs- und Testkosten können insgesamt signifikant sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher in der Angabe einer verbesserten Technik zur Bereitstellung und Steuerung eines elektrischen Achsantriebs für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Steuervorrichtung für einen elektrischen Achsantrieb eines Kraftfahrzeugs eine erste Schnittstelle zur Verbindung mit dem Kraftfahrzeug; eine zweite Schnittstelle zur Verbindung mit einem optionalen Funktionselement des Achsantriebs; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein vom Achsantrieb umfasstes Funktionselement in Abhängigkeit einer Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug zu steuern.
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Erfindungsgemäß wird das Funktionselement nicht durch das Kraftfahrzeug, sondern durch die zwischengeschaltete Steuervorrichtung gesteuert. Dabei ist die Steuervorrichtung bevorzugt unabhängig vom Vorhandensein eines Funktionselements zu dessen Steuerung vorbereitet. So kann die Steuervorrichtung einmalig getestet bzw. abgenommen werden, bevor sie zur Steuerung des elektrischen Achsantriebs mit oder ohne das Funktionselement freigegeben wird. Dadurch können Test- und Abnahmekosten reduziert sein.
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Außerdem kann die Steuervorrichtung an einem nach dem Baukastenprinzip gestalteten elektrischen Achsantrieb mit unterschiedlichen Funktionselementen unverändert eingesetzt werden. Der Achsantrieb kann mit einem oder mehreren Funktionselementen jeweils optional ausgestattet werden, ohne die Steuervorrichtung austauschen zu müssen. So kann der Achsantrieb zum Einsatz an verschiedenen Kraftfahrzeugen leicht konfiguriert werden. In einer Ausführungsform ist der Achsantrieb alternativ für eine Vorderachse oder eine Hinterachse eines Kraftfahrzeugs verwendbar.
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Die erste Schnittstelle ist bevorzugt zur Verbindung mit einem Datenbus des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem CAN-Bus, eingerichtet. Die zweite Schnittstelle kann eine Datenübertragung nach einem beliebigen bekannten Standard oder nach einer proprietären Vorgehensweise ermöglichen. Für das Kraftfahrzeug kann die zweite Schnittstelle nicht zugänglich sein.
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Der Achsantrieb umfasst bevorzugt eine elektrische Maschine und einen Stromrichter, wobei die Steuervorrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine mittels des Stromrichters eingerichtet ist. Der Stromrichter arbeitet bevorzugt mit einer Brückenspannung eines dedizierten Hochvolt-Versorgungskreises. Ein solcher Versorgungskreis kann einen elektrischen Energiespeicher an Bord des Kraftfahrzeugs umfassen, der eine Spannung im Bereich von ca. 80 bis ca. 800 V bereitstellen kann.
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Bevorzugt ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, eine Steuerung eines vom Achsantrieb umfassten Funktionselements und der elektrischen Maschine aufeinander abzustimmen. Auch die Steuerungen verschiedener Funktionselemente können aufeinander abgestimmt sein. Durch die zentrale Steuerung durch eine einzige Verarbeitungseinrichtung kann eine höhere funktionale Integration erreicht werden. Mechanische oder logische Abläufe innerhalb des elektrischen Achsantriebs können verbessert gesteuert werden. So kann beispielsweise die Menge eines durch die elektrische Maschine bereitgestellten Drehmoments in Abhängigkeit der Steuerung des Funktionselements erhöht oder verringert werden. Sinnfreie oder schädliche Kombinationen von Ansteuerungen können verhindert werden.
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Das Funktionselement ist bevorzugt dazu eingerichtet, auf eine Bereitstellung oder Übertragung von Drehmoment der elektrischen Maschine einzuwirken. Dabei umfasst das Funktionselement üblicherweise eine mechanische Komponente zur Beeinflussung der Drehmomentübertragung.
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Obwohl die Verarbeitungseinrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, alle einsetzbaren Funktionselemente des elektrischen Achsantriebs zu steuern, ist zur tatsächlichen Steuerung des Achsantriebs bevorzugt bekannt, welches Funktionselement vorhanden ist und welches nicht.
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In einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, ein vom Achsantrieb umfasstes Funktionselement selbst zu erkennen. Dazu kann das Funktionselement mittels der zweiten Schnittstelle kontaktiert und gegebenenfalls bezüglich seiner Konfiguration befragt werden. Alternativ dazu kann das Funktionselement angesteuert und ein erwarteter Effekt mittels eines Sensors nachverfolgt werden. Bleibt der Effekt aus, so ist das Funktionselement nicht vorhanden und kann nicht weiter angesteuert werden. So kann die Steuervorrichtung eines oder mehrere am Achsantrieb vorgesehene Funktionselemente selbsttätig erkennen. In der Folge kann sie ihre Steuerung an das umfasste Funktionselement anpassen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuervorrichtung auf eine oder mehrere vom Achsantrieb umfasste Funktionselemente konfiguriert werden. Die Konfiguration kann insbesondere mittels der ersten Schnittstelle erfolgen. Eine kryptographische Methode kann dazu eingesetzt werden, eine unbefugte oder unbeabsichtigte Konfiguration zu verhindern.
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In einer Ausführungsform ist die Konfiguration nur einmal möglich. In diesem Fall kann die Steuervorrichtung eine Änderung einer erfolgten Konfiguration verhindern. Die Konfiguration kann insbesondere erfolgen, nachdem die Steuervorrichtung mit einem konkret konfigurierten Achsantrieb zusammengeführt wurde. Eine nachträgliche Funktionserweiterung des Achsantriebs kann dadurch verhindert sein. Ferner kann verhindert sein, dass eine Steuervorrichtung eines ersten Achsantriebs an einem möglicherweise anders konfigurierten zweiten Achsantrieb eingesetzt wird. Eine Fehlfunktion, beispielsweise durch eine unzulässige Kombination von Funktionselementen, kann so verhindert werden. In einer Variante dieses Gedankens kann die Steuervorrichtung auch dazu eingerichtet sein, die vom Achsantrieb umfassten Funktionselemente nur einmalig zu erkennen und sich entsprechend auf deren Steuerung zu konfigurieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, mittels Strom aus einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs betrieben zu werden. Die Stromversorgung der Steuervorrichtung kann insbesondere unabhängig von einem Stromrichter zur Ansteuerung der elektrischen Maschine sein. Ein Versorgungskreis für die elektrische Maschine kann so verbessert unabhängig von der Steuervorrichtung ausgelegt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine, zwei Radantriebe, eine hierin beschriebene Steuervorrichtung und optional eines oder mehrere Funktionselemente. Dabei ist der Achsantrieb dazu eingerichtet, mittels der elektrischen Maschine Drehmomente an den Radantrieben bereitzustellen.
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Ein rechter Radantrieb ist üblicherweise einem rechten Antriebsrad und ein linker Radantrieb einem linken Antriebsrad des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Der Achsantrieb kann als integrierte, eigenständige Komponente an einem Kraftfahrzeug verbaut werden. Durch Vorsehen unterschiedlicher der optionalen Funktionselemente können unterschiedliche Achsantriebe bereitgestellt werden. Die Achsantriebe können an einem oder unterschiedlichen Kraftfahrzeugen flexibel eingesetzt werden.
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Der Achsantrieb kann ein Funktionselement umfassen, das eines von einer Quersperre, einem Schaltgetriebe, einer Schaltkupplung, einer Parksperre und einer Lenkunterstützung umfasst. Diese Komponenten können eine Übertragung von durch die elektrische Maschine bereitgestelltem Drehmoment an die Achsantriebe beeinflussen. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein Zusatzaggregat vom Achsantrieb umfasst sein, beispielsweise eine Ölpumpe. Alle Funktionselemente sind entweder steuerbar oder beeinflussen potentiell eine Bereitstellung, Übertragung oder Steuerung bereitgestellten Drehmoments durch die elektrische Maschine.
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Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen hierin beschriebenen Achsantrieb.
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Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Achsantriebs mit einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug Schritte des Bestimmens eines vom Achsantrieb umfassten optionalen Funktionselements; des Erfassens einer Anforderung des Kraftfahrzeugs; und des aufeinander abgestimmten Steuerns des Funktionselements und der Maschine in Abhängigkeit der Anforderung.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung eines Funktionselements genau dann, wenn es zuvor als vorhanden bestimmt worden ist.
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Das Verfahren kann teilweise oder vollständig mittels einer hierin beschriebenen Steuervorrichtung und insbesondere einer von ihr umfassten Verarbeitungseinrichtung ausgeführt werden. Die Verarbeitungseinrichtung kann einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen. Das Verfahren kann auch als Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln vorliegen. Optional ist das Computerprogrammprodukt auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert. Merkmale oder Vorteile der Steuervorrichtung, des Achsantriebs und des Verfahrens sind untereinander in allen Richtungen übertragbar.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Achsantrieb; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 100 mit einem elektrischen Achsantrieb 105. Das Kraftfahrzeug 100 ist bevorzugt dazu eingerichtet, mittels des elektrischen Achsantriebs 105 angetrieben zu werden. Zusätzlich kann ein weiterer elektrischer Achsantrieb 105, eine Brennkraftmaschine oder ein anderer Antrieb vorgesehen sein.
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Der elektrische Achsantrieb 105 umfasst eine elektrische Maschine 110, die mittels eines Stromrichters 115 gesteuert werden kann. Dazu kann der Stromrichter 115 mit einem Versorgungskreis 120 verbunden werden, der üblicherweise mit einem Hochvolt-Energiespeicher an Bord des Kraftfahrzeugs 100 verbunden ist. Ein durch die elektrische Maschine 110 bereitgestelltes Drehmoment wird mittels des elektrischen Achsantriebs 105 an einem linken Radantrieb 125 und/oder einem rechten Radantrieb 130 bereitgestellt. Mit jedem der Radantriebe 125, 130 kann ein Antriebsrad 135 des Kraftfahrzeugs 100 verbunden sein.
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Eine Verteilung von Drehmoment der elektrischen Maschine 110 auf die Radantriebe 125, 130 oder eine vom bereitgestellten Drehmoment abhängige Funktion kann mittels eines optionalen Funktionselements 140 gesteuert werden. Das Funktionselement 140 umfasst üblicherweise eine mechanische Komponente, die von Drehmoment der elektrischen Maschine 110 durchflossen ist.
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In einer ersten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Funktionselement 140 eine Quersperre. Ist die Quersperre aktiviert, so können die Radantriebe 125, 130 starr miteinander gekoppelt sein, sodass ihre Drehzahlen gleich sind. Die Kopplung kann auch partiell sein, beispielsweise indem zwischen den Radantrieben 125, 130 eine vorbestimmte Bremskraft wirkt. Eine Differenzdrehzahl zwischen den Radantrieben 125, 130 kann dadurch gesteuert und insbesondere begrenzt werden.
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In einer zweiten Ausführungsform umfasst das Funktionselement 140 ein Schaltgetriebe. Das Schaltgetriebe kann elektrisch aktiviert werden, um beispielsweise zwei unterschiedliche Untersetzungen bereitzustellen. Dem Schaltgetriebe nachgeordnet ist üblicherweise ein Differential zur Verteilung des bereitgestellten Drehmoments an die Radantriebe 125, 130.
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In einer dritten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Funktionselement 140 eine Schaltkupplung. Die Schaltkupplung kann dazu verwendet werden, einen oder beide Radantriebe 125, 130 von der elektrischen Maschine 110 abzukoppeln. Die abgekoppelten Radantriebe 125, 130 können mittels eines Differentials miteinander verbunden sein oder vollständig frei laufen.
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In einer vierten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Funktionskomponente 140 eine Parksperre. Die Parksperre kann eine formschlüssige Bremse umfassen, um eine Drehung eines der Antriebsräder 135 gegenüber dem Kraftfahrzeug 100 zu verhindern. Die Parksperre kann aktiviert werden, wenn das Kraftfahrzeug 100 abgestellt ist.
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In einer fünften beispielhaften Ausführungsform kann eine Verteilung von Drehmoment der elektrischen Maschine 110 auf die Radantriebe 125 und 130 gesteuert werden. Insbesondere kann dafür gesorgt werden, dass eines der Antriebsräder 135 einen geringeren und das andere einen höheren Anteil des bereitgestellten Drehmoments erhält. Dadurch kann eine Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs 100 unterstützt werden. Diese Technik ist unter der Bezeichnung Torque Vectoring bekannt.
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In einem sechsten Ausführungsbeispiel umfasst das Funktionselement 140 ein angetriebenes Aggregat wie beispielsweise eine Ölpumpe.
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Zur Steuerung des elektrischen Achsantriebs 105 ist eine Steuervorrichtung 145 vorgesehen, die mit dem Stromrichter 115 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 145 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 150, die mit einer ersten Schnittstelle 155 und einer zweiten Schnittstelle 160 verbunden ist. Die erste Schnittstelle 155 ist dazu eingerichtet, mit dem Kraftfahrzeug 100 bzw. einem davon umfassten Steuergerät verbunden zu werden. Beispielsweise kann die erste Schnittstelle 155 mit einem CAN-Bus verbunden werden. Die zweite Schnittstelle 160 ist dazu eingerichtet, mit einem oder mehreren der optionalen Funktionselemente 140 verbunden zu werden. Dabei kann beispielsweise eine Punkt-zu-Punkt Verbindung, ein Datenbus oder eine andere Topologie unterstützt werden. Ein verwendetes Kommunikationsprotokoll kann frei gewählt werden. Bevorzugt kann die Verarbeitungseinrichtung 150 mittels einer Verbindung 165 mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs 100 verbunden werden. Das Bordnetz hat üblicherweise eine deutlich geringere Spannung als der Versorgungskreis 120, beispielsweise ca. 12 bis ca. 48 V.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Verarbeitungseinrichtung 150 dazu eingerichtet ist, sämtliche am elektrischen Achsantrieb 105 einsetzbaren Funktionselemente 140 und mittels des Stromrichters 115 die elektrische Maschine 110 zu steuern. Die Steuerung erfolgt bevorzugt in aufeinander abgestimmter Weise und in Abhängigkeit einer Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug 100 über die erste Schnittstelle 155.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zur Steuerung eines elektrischen Achsantriebs 105. Das Verfahren 200 kann durch die Steuervorrichtung 145 und insbesondere die Verarbeitungseinrichtung 150 ausgeführt werden.
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In einem ersten Schritt 205 kann ein vom elektrischen Achsantrieb 105 umfasstes Funktionselement 140 bestimmt werden. Welche Funktionselemente 140 vom elektrischen Achsantrieb 105 umfasst sind, kann in einer Konfiguration abgelegt sein. Alternativ kann das Vorhandensein von Funktionskomponenten 140 dynamisch bestimmt werden.
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In einem Schritt 210 kann eine Konfiguration des elektrischen Achsantriebs 105 an das Kraftfahrzeug 100 bereitgestellt werden. Dadurch kann eine vom Kraftfahrzeug 100 umfasste Steuervorrichtung ihren eigenen Betrieb in Abhängigkeit verfügbarer Funktionen steuern. So kann beispielsweise ein weiterer Antriebsmotor an Bord des Kraftfahrzeugs 100 in Abhängigkeit der Information gesteuert werden, ob eine Quersperre 140 im elektrischen Achsantrieb 105 vorhanden ist oder nicht.
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In einem Schritt 215 kann eine Anforderung vom Kraftfahrzeug 100 über die erste Schnittstelle 155 empfangen werden. Die Anforderung kann insbesondere ein bereitzustellendes Drehmoment oder eine bereitzustellende Drehzahl umfassen.
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In einem Schritt 220 kann eine Ansteuerung der elektrischen Maschine 110 bestimmt werden. Parallel dazu kann in einem Schritt 225 eine Ansteuerung eines als vorhanden bestimmten Funktionselements 140 bestimmt werden. Die beiden Bestimmungen können in einseitiger oder gegenseitiger Abhängigkeit voneinander erfolgen.
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In einem Schritt 230 kann die elektrische Maschine 110 angesteuert werden und in einem Schritt 235 das Funktionselement 140. Wie an den Schritten 225 und 235 graphisch dargestellt ist, können mehrere Bestimmungen bzw. Ansteuerungen für mehrere Funktionselemente 140 durchgeführt werden.
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In einem Schritt 240 kann eine Rückmeldung über die durchgeführte Ansteuerung der elektrischen Maschine 110 und/oder des bzw. der Funktionselemente 140 an das Kraftfahrzeug 100 mittels der Schnittstelle 155 erfolgen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 105
- elektrischer Achsantrieb
- 110
- elektrische Maschine
- 115
- Stromrichter
- 120
- Versorgungskreis
- 125
- erster (linker) Radantrieb
- 130
- zweiter (rechter) Radantrieb
- 135
- Antriebsrad
- 140
- Funktionselement
- 145
- Steuervorrichtung
- 150
- Verarbeitungseinrichtung
- 155
- erste Schnittstelle
- 160
- zweite Schnittstelle
- 165
- Verbindung
- 200
- Verfahren
- 205
- Funktionselement bestimmen
- 210
- Konfiguration bereitstellen
- 215
- Anforderung erfassen
- 220
- Ansteuerung elektrische Maschine bestimmen
- 225
- Ansteuerung Funktionselement bestimmen
- 230
- elektrische Maschine ansteuern
- 235
- Funktionselement ansteuern
- 240
- Rückmeldung bereitstellen
