DE102022205246A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebstrangs - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (400) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (113) eines Antriebstrangs, wobei der Antriebsstrang eine erste und eine zweite Fahrzeugachse (101, 103) umfasst und die elektrische Maschine (113) mit der zweiten Fahrzeugsachse (103) zum Antreiben der zweiten Fahrzeugsachse (103) wahlweise koppelbar ist, und wobei das Verfahren (400) während eines abgekoppelten Zustands der elektrischen Maschine (113) erfolgt und umfasst:Ermitteln (403) einer Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf; undSteuern (405), in Abhängigkeit der ermittelten Wahrscheinlichkeit, einer Synchronisierung der elektrischen Maschine (113) auf eine Synchronisierungsdrehzahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebstrangs, der eine erste und eine zweite Fahrzeugachse umfasst, wobei die elektrische Maschine mit der zweiten Fahrzeugsachse zum Antreiben derselben wahlweise koppelbar ist.
  • Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, die auf ein Einkoppeln der elektrischen Maschine mit einer Fahrzeugachse gerichtet sind.
  • So offenbart die DE 10 2012 213 647 A1 ein Verfahren, bei dem ein elektromotorisches Antriebsaggregat aktiv durch eine Elektroantriebskontrolleinheit geregelt auf einer Bereitschaftsdrehzahl gehalten wird während eines Fahrbetriebes eines Kraftfahrzeugs bei geöffneter Kupplung, wobei die Bereitschaftsdrehzahl einer Synchronisierungsdrehzahl nachläuft.
  • Aus der DE 10 2009 055 249 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Klauenkupplung in einem Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Antrieb bekannt, wobei über die Klauenkupplung eine Kraft von dem elektromotorischen Antrieb auf eine Achse übertragen werden kann. Vor dem Schließen der Klauenkupplung werden beide Kupplungsteile der Klauenkupplung auf eine vorgegebene Drehzahldifferenz zwischen der Achse und dem elektromotorischen Antrieb eingestellt, wobei die vorgegebene Drehzahldifferenz aus einer Synchronisierungsdrehzahl des elektromotorischen Antriebes und einer Drehzahl des Rades des Kraftfahrzeugs gebildet wird.
  • Die EP 2 512 894 B1 offenbart ein Verfahren zum Koppeln einer elektrischen Maschine mit Rädern eines Fahrgestells eines Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug fährt. Dabei werden ausgehend von einer Kopplungsanfrage zwei Schritte nacheinander aktiviert. Zunächst wird ein Drehzahlsteuerschritt der elektrischen Maschine aktiviert, so dass ein Unterschied zwischen einer stromaufwärtigen Kuppelmuffenklaue, die mit der elektrischen Maschine verbunden ist, und einer Drehzahl einer stromabwärtigen Kuppelmuffenklaue, die mit den Rädern verbunden ist, verringert wird. Anschließend wird ein Schritt des Koppelns aktiviert, wenn der Drehzahlunterschied kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Dabei wird die elektrische Maschine auf einem Drehmomentsollwert gesteuert und die Kuppelmuffenklauen angenähert, bis ein formschlüssiger Zustand der zwei Kuppelmuffenklauen erhalten wird.
  • Bei abkoppelbaren Achsantrieben nimmt einen wesentlichen Teil der gesamten Einkopplungsdauer eine Synchronisierung der Drehzahl der elektrischen Maschine auf eine Drehzahl der mit der elektrischen Maschine zu koppelnden Fahrzeugachse in Anspruch. Dabei dauert die Einkopplung umso länger, je schneller das Fahrzeug fährt. Die Einkopplungsdauer umfasst eine Dauer für die Synchronisierung und eine Dauer für das Schließen einer Kupplung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine Einkopplungsdauer reduziert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Antriebstrangs bereit. Dabei umfasst der Antriebsstrang eine erste und eine zweite Fahrzeugachse und die elektrische Maschine ist mit der zweiten Fahrzeugsachse zum Antreiben der zweiten Fahrzeugsachse wahlweise koppelbar. Das Verfahren erfolgt während eines abgekoppelten Zustands der elektrischen Maschine und umfasst:
    • Ermitteln einer Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf; und
    • Steuern, in Abhängigkeit der ermittelten Wahrscheinlichkeit, einer Synchronisierung der elektrischen Maschine auf eine Synchrondrehzahl.
  • Der Antriebsstrang umfasst einen abkoppelbaren Achsantrieb, d. h. die zweite Fahrzeugachse ist mit der elektrischen Maschine wahlweise koppelbar. Die erste Fahrzeugachse kann mit einer weiteren Antriebsvorrichtung, bspw. einer Verbrennungskraftmaschine oder einer weiteren elektrischen Maschine, verbunden sein und durch diese angetrieben werden. In manchen Beispielen kann die erste Fahrzeugachse die Vorderachse des Fahrzeugs sein und die zweite Fahrzeugachse die Hinterachse. In anderen Beispielen kann dies auch der umgekehrte Fall sein.
  • Ein Antriebsmoment der weiteren Antriebsvorrichtung und der (im Bedarfsfall an der zweiten Fahrzeugachse angekoppelten) elektrischen Maschine werden über die entsprechenden Fahrzeugsachsen auf Räder übertragen, die an den Fahrzeugachsen vorgesehen sind.
    Die elektrische Maschine kann über eine entsprechende Kupplung (Kupplungsvorrichtung) mit der zweiten Fahrzeugachse verbunden sein. Dabei kann die Kupplung bspw. als eine Klauenkupplung ausgebildet sein. Aber auch andere Kupplungsarten sind möglich. Dabei kann die Kupplung eine erste (motorseitige) Kupplungshälfte umfassen, die mit der elektrischen Maschine verbunden ist, und eine zweite (achsseitige) Kupplungshälfte, die mit der zweiten Fahrzeugachse verbunden ist.
  • Über die Kupplung kann die elektrische Maschine mit der zweiten Fahrzeugachse wahlweise verbunden werden, um bspw. einen Momentenbeitrag zum Umsetzen einer Momentenanforderungen (Fahrerwunsch) beizusteuern. Bspw. kann somit ein bedarfsgerechter Allradbetrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
  • Das obige Verfahren wird durchgeführt während eines abgekoppelten Zustands der elektrischen Maschine, d. h. die elektrische Maschine ist nicht mit der zweiten Fahrzeugachse gekoppelt bzw. verbunden. Damit ist gemeint, dass eine Drehzahl oder ein Drehmoment der elektrischen Maschine nicht auf die zweite Fahrzeugachse übertragen wird.
  • Das Verfahren umfasst das Ermitteln der Wahrscheinlichkeit für den Allradbedarf (Allradbedarfswahrscheinlichkeit). Dabei kann ein Allradbedarf dadurch gekennzeichnet sein, dass eine Verteilung des Sollmomentes zwischen der ersten und zweiten Fahrzeugachse erfolgt.
  • Es wird somit die Wahrscheinlichkeit ermittelt, dass innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters (Vorausschauzeit) ein Allradbedarf besteht. Das vorbestimmte Zeitfenster kann bspw. eine Sekunde betragen. Das Ermitteln der Wahrscheinlichkeit kann in vorbestimmten Zeitabständen (regelmäßig) durchgeführt werden.
  • In manchen Beispielen kann die Wahrscheinlichkeit einen Wert von 0% bis zu 100% umfassen. In anderen Beispielen kann die Wahrscheinlichkeit auch ein Wert von 0 bis zu 10 sein, wobei der Wert „0“ einer Wahrscheinlich von 0% entspricht und ein Wert von 10 einer Wahrscheinlichkeit von 100%.
  • In Abhängigkeit der ermittelten Wahrscheinlichkeit wird eine Synchronisierung der elektrischen Maschine auf die Synchronisierungsdrehzahl gesteuert. Das Steuern der Synchronisierung der elektrischen Maschine umfasst hierbei ein Starten oder ein Beenden der Synchronisierung.
  • Beim Starten der Synchronisierung wird die elektrische Maschine auf die Synchronisierungsdrehzahl eingestellt (z. B. hoch- oder runtergefahren). Die Synchronisierungsdrehzahl ist dabei eine Drehzahl der elektrischen Maschine, bei der die elektrische Maschine mit der zweiten Fahrzeugachse gekoppelt werden kann. Bei Einkoppeln der elektrischen Maschine mit der zweiten Fahrzeugachse ist es erforderlich, dass die motorseitige Kupplungshälfte und die achsseitige Kupplungshälfte mit ungefähr der gleichen Drehzahl drehen. Dafür wird beim Einstellen der elektrischen Maschine auf die Synchronisierungsdrehzahl der elektrischen Maschine eine Solldrehzahl aufgeprägt, so dass die motorseitige Kupplungshälfte mit einer Drehzahl läuft, die im Wesentlichen der Drehzahl der achsseitigen Kupplungshälfte entspricht. In manchen Beispielen kann die Drehzahl der elektrischen Maschine über ein Getriebe an die motorseitige Kupplungshälfte übertragen werden. In solchen Fällen wird die Solldrehzahl der elektrischen Maschine zum Einkoppeln derart gewählt, dass die motorseitige Kupplungshälfte mit der Drehzahl läuft, die im Wesentlich der Drehzahl der achsseitigen Kupplungshälfte entspricht.
  • Beim Beenden der Synchronisierung kann die elektrische Maschine in einen Ruhezustand versetzt werden. Dabei kann der Ruhezustand bspw. ein Herunterfahren der elektrischen Maschine auf eine Ruhedrehzahl umfassen. Die Ruhedrehzahl kann bspw. null sein.
  • Indem die Synchronisierung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit des Allradbedarfs gesteuert wird, kann ein Hochfahren der elektrischen Maschine auf eine Synchronisierungsdrehzahl erfolgen, bevor überhaupt ein Koppelbefehl bzw. ein Koppelsignal zum Einkoppeln vorliegt. Dadurch kann die Einkopplungsdauer verkürzt werden im Vergleich zu einem Synchronisierungsstart in Abhängigkeit des Koppelbefehls (d. h., die Synchronisierung der elektrischen Maschine wird erst gestartet, wenn der Koppelbefehl vorliegt), da die elektrische Maschine zum Zeitpunkt des Koppelbefehls bereits mit der Synchronisierungsdrehzahl betrieben wird.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Steuern der Synchronisierung ein Starten der Synchronisierung umfassen, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Start-Schwellwert überschreitet. Der Start-Schwellwert wird überschritten, wenn die Wahrscheinlichkeit gleich oder größer als der Start-Schwellwert ist. Der Start-Schwellwert kann bspw. einen Wert von 80% bis zu 90% einnehmen. Damit kann ein energieeffizientes Betreiben der elektrischen Maschine ermöglicht werden, da diese nur in einem wahrscheinlichen Bedarfsfall auf die Synchronisierungsdrehzahl eingestellt wird.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Steuern der Synchronisierung ein Beenden der Synchronisierung umfassen, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Stopp-Schwellwert unterschreitet und keine Einkopplung der elektrischen Maschine mit der zweiten Fahrzeugachse erfolgt. Der Stopp-Schwellwert wird unterschritten, wenn die Wahrscheinlichkeit gleich oder kleiner als der Stopp-Schwellwert wird. Das heißt, nachdem die Wahrscheinlichkeit den Start-Schwellwert überschreitet und somit die Synchronisierung gestartet wird, wird die Synchronisierung wieder beendet, wenn die (neu ermittelte) Wahrscheinlichkeit den Stopp-Schwellwert unterschreitet. Der Stopp-Schwellwert kann bspw. einen Wert von 60% bis zu 80% einnehmen. Durch das Beenden der Synchronisierung der elektrischen Maschine kann ferner ein energieeffizientes Betreiben der elektrischen Maschine ermöglicht werden, da die elektrische Maschine (bspw. in den Ruhezustand) heruntergefahren wird.
  • In manchen Beispielen kann der Start-Schwellwert größer sein als der Stopp-Schwellwert. Dadurch kann ein Hystereverhalten der Start- und Stoppbedingungen für die Synchronisierung der elektrischen Maschine erreicht werden, wodurch ein häufiges (und ggf. unnötiges) Wechseln („toggeln“) zwischen Starten und Stoppen der Synchronisierung reduziert werden kann.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln der Wahrscheinlichkeit ein Auslesen aus einem Kennfeld umfassen und das Kennfeld auf Basis von Historiendaten erstellt werden. Die Historiendaten können fahrerspezifisch oder fahrzeugspezifisch sein. Alternativ oder optional können die Historiendaten auch (vergangene) Flottendaten einer Fahrzeugflotte umfassen. Basierend auf den Historiendaten kann über eine Analyse (bspw. Mustererkennung) erkannt werden, bei welchen Fahrbetriebsparametern üblicherweise zeitnah ein Allradbedarf vorliegt. Dadurch ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf basierend auf den derzeitigen Fahrbetriebsparametern zu ermitteln.
  • Der Zusammenhang zwischen Fahrbetriebsparameter und der Wahrscheinlichkeit für einen (zukünftigen) Allradbedarf wird in dem Kennfeld abgelegt. Somit kann aus dem Kennfeld die Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf basierend auf den derzeitigen Fahrbetriebsparametern für einen Fahrbetrieb innerhalb der vorbestimmten Vorausschauzeit ermittelt werden. Das Kennfeld kann dabei außerhalb des betrachteten Fahrzeugs erstellt werden.
  • Das Kennfeld kann dabei in einem fahrzeugseitigen Steuergerät hinterlegt sein. Dadurch kann das Ermitteln der Wahrscheinlichkeit eines Allradbedarfs fahrzeugseitig erfolgen, wodurch das Bereitstellen der Wahrscheinlichkeit (zur weiteren Verarbeitung) vergleichsweise schnell erfolgt, da bspw. eine Datenübertragung von einer (hinsichtlich des Fahrzeugs) externen Recheneinheit zum dem Fahrzeug wegfällt.
  • In manchen Ausführungsformen können die Historiendaten mindestens eines von Erprobungsdaten und Flottendaten umfassen. Die Erprobungsdaten und Flottendaten umfassen Daten von Fahrzeugen, die von dem derzeitigen Fahrzeug oder baugleichen Fahrzeugen gewonnen bzw. erhalten werden.
  • So kann das Kennfeld zur Ermittlung der Wahrscheinlichkeit einem konkreten Fahrzeug oder baugleichen Fahrzeugen und Allradapplikation zugeordnet werden. Eine Grundbedatung des Kennfelds ergibt sich aus Erprobungsdaten bspw. eines baugleichen Fahrzeugs.
  • Durch das Erstellen des Kennfelds basierend auf Erprobungsdaten eines (zum betrachteten Fahrzeug im Wesentlichen) baugleichen Fahrzeugs kann initial ein vergleichsweise genaues Kennfeld für das derzeit betrachtete Fahrzeug erstellt werden.
  • Ferner kann in weiteren Beispielen das Kennfeld basierend auf Historiendaten von Flottendaten erstellt bzw. aktualisiert werden. Dabei umfasst die Flotte ebenfalls Fahrzeuge, die im Wesentlichen baugleich zum dem derzeit betrachteten Fahrzeug sind. Dadurch kann mithilfe des Kennfelds die Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf genauer ermittelt werden.
    Ferner kann sichergestellt werden, dass bei Änderung der Allradapplikation, keine unplausiblen Synchronisierungsvorgänge stattfinden, da die fortlaufende Ermittlung der Wahrscheinlichkeiten immer auf Basis von Flottendaten zugehöriger Fahrzeug-/Antriebsvarianten und Allradapplikationen (d. h. im Wesentlichen baugleichen Fahrzeug) erfolgt.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Kennfeld in vorbestimmten Zeitabständen aktualisiert werden. Dies kann bspw. mit neuen Historiendaten des betrachteten Fahrzeugs und/oder der oben erwähnten Flottendaten erfolgen. Dabei kann das Kennfeld bspw. „over the air“ aktualisiert werden. Hierzu wird das Kennfeld außerhalb des Fahrzeugs aktualisiert und dann kabellos an das Fahrzeug gesendet zum Aktualisieren des in dem fahrzeugseitigen Steuergerät hinterlegten Kennfelds. Durch die Aktualisierung kann das Kennfeld kontinuierlich verbessert werden und erlaubt genauere Aussagen über ein tatsächliches Nutzer-/ Fahrerverhalten.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner umfassen:
    • Erfassen von mindestens einem derzeitigen Fahrbetriebsparameter, der indikativ für einen Allradbedarf sind; und
    • Ermitteln der Wahrscheinlichkeit basierend auf dem mindestens einen derzeitigen Fahrbetriebsparametern.
  • Wie oben erwähnt, umfassen die Historiendaten die Fahrbetriebsparamater, die indikativ für einen Allradbedarf sind.
  • Zum Ermitteln der Wahrscheinlichkeit eines Allradbedarfs werden die derzeitigen Fahrbetriebsparameter erfasst. Anschließend wird das Kennfeld herangezogen, um die Wahrscheinlichkeit eines zukünftigen Allradbedarfs ausgehend von den derzeitigen Fahrbetriebsparametern zu ermitteln. Dabei kann die Wahrscheinlichkeit basierend auf einem derzeitigen Fahrbetriebsparameter oder einer Kombination von verschiedenen derzeitigen Fahrbetriebsparametern ermittelt werden, dass innerhalb der vorbestimmten Vorausschauzeit ein Allradbedarf vorliegen wird.
  • In manchen Ausführungsformen kann der mindestens eine (derzeitige) Fahrbetriebsparameter mindestens eines von Folgenden umfassen: eine Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Fahrpedalwert, einen Bremspedalwert, einen Lenkwinkel, Reibschätzwert, eine (Strecken-)Steigung, einen Fahrmodus, und Wetterdaten.
  • Dabei kann der Fahrpedalwert einem Wert entsprechen, der indikativ für ein Niederdrücken des Beschleunigungspedals ist. Entsprechend kann der Bremspedalwert einem Wert entsprechen, der indikativ für ein Niederdrücken des Bremspedals ist. In manchen Beispielen kann der Bremspedalwert einer Pedalposition, einem Pedalweg oder einem Pedalwinkel entsprechen.
  • Der Lenkwinkel kann einem Wert entsprechen, der indikativ für einen Lenkwinkel eines Lenkrads des Fahrzeugs ist.
  • Der Reibschätzwert kann einem Wert entsprechen, der indikativ für eine Reibung (Reibungskoeffizienten) zwischen den Räder und dem Fahruntergrund ist.
  • Der Fahrmodus kann bspw. einer von Eco-, Sport- und Normal-Modus sein. Je nach Fahrmodus wird ein Dynamik- bzw. Schaltverhalten des Antriebsstrangs entsprechend eingestellt.
  • Zusätzlich sind auch die Berücksichtigung von weiteren Fahrbetriebsparametern möglich, die indikativ für einen Allradbedarf sind, wie bspw. Schwarmdaten (wie Car2Car-Daten, z. B. von vorausfahrenden Fahrzeugen erfasste Daten, oder von vorausfahrenden Fahrzeugen ausgegebene Meldungen, bspw. über das Vorliegen von Glatteis auf einem Fahrbahnabschnitt) und/oder Gradienten von mindestens eines von dem Fahrzeugpedalwert, Bremspedalwert, Lenkwinkel.
  • In manchen Beispielen umfassen die erfassten (derzeitigen) Fahrbetriebsparameter zumindest den Lenkwinkel, die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Fahrpedalwert.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Synchronisierungsdrehzahl einer Drehzahl der zweiten Fahrzeugachse entsprechen. Die zweite Fahrzeugachse dreht passiv mit aufgrund des Kontakts der an der zweiten Fahrzeugachse vorgesehen Räder mit dem Fahruntergrund und dem Antrieb des Fahrzeugs durch die weitere Antriebsvorrichtung, die mit der ersten Fahrzeugachse gekoppelt ist.
  • Indem die elektrische Maschine auf die Synchronisierungsdrehzahl eingestellt wird, kann die elektrische Maschine oder die motorseitige Kupplungshälfte, die mit der elektrischen Maschine (ggfs. über ein Getriebe) verbunden ist, im Wesentlichen die gleiche Drehzahl aufweisen wie die zweite Fahrzeugachse. Mit anderen Worten, die Synchronisierung der elektrischen Maschine erfolgt auf eine derzeitige Raddrehzahl (der Räder an der zweiten Fahrzeugsachse). Dadurch kann ein Einkoppeln der elektrischen Maschine ermöglicht werden.
  • In manchen Ausführungsformen kann mindestens einer von dem Start- und oder Stopp-Schwellwert von einem Fahrmodus abhängig sein.
  • Dadurch kann das Steuern der Synchronisierung der elektrischen Maschine besser an das aktuelle Fahrverhalten des Fahrers bzw. des Fahrzeugs angepasst werden.
  • So kann in manchen Beispielen in einem Eco-Fahrmodus eine hohe Effizienz und wenig Dynamik priorisiert werden, so dass bspw. der Start-Schwellwert für die Synchronisierung bei einer ermittelten Wahrscheinlichkeit von 90% liegt und der Stopp-Schwellwert bei 80%. Ferner kann in einem normalen Fahrmodus eine ausgewogene Abstimmung zwischen Effizienz und Dynamik erwünscht sein, so dass der Start-Schwellwert für die Synchronisierung bei einer ermittelten Wahrscheinlichkeit von 70 % liegt und der Stopp-Schwellwert bei 60%. In einem Sport-Fahrmodus kann wenig Effizienz und eine hohe Dynamik erwünscht sein, so dass der Start-Schwellwert für die Synchronisierung bei einer ermittelten Wahrscheinlichkeit von 40 % liegt und der Stopp-Schwellwert bei 30%.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Kennfeld aus einer Vielzahl von Kennfeldern ausgewählt werden basierend auf dem derzeitigen Fahrmodus. Beispielsweise kann für jeden Fahrmodus ein entsprechendes Kennfeld vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können für verschiedene Anwendungsfälle (oder Nutzertypen) entsprechende Anwendungsfall-Kennfelder vorgesehen sein. Die Anwendungsfälle umfassen bspw. einen Anhänger-, einen (Winter-) Sport-, einen Schotter-Allrad-Anwendungsfall oder dergleichen. Die Auswahl des zu applizierenden Kennfelds kann auf dem Anwendungsfall/Nutzertyp des betrachteten Fahrzeugs basieren, wobei der Anwendungsfall/Nutzertyp durch einen Musterabgleich mit den verfügbaren Historiendaten (bspw. der gesamtem Flotte) bestimmt werden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • 1 schematisch ein Kraftfahrzeug;
    • 2 schematisch ein Synchronisierungssystem ;
    • 3 schematische Drehzahl-, Momenten- und Zustandsverläufe;
    • 4 ein Verfahren zum Synchronisieren einer elektrischen Maschine; und
    • 5 schematisch Drehzahl-, Wahrscheinlichkeits- und Zustandsverläufe.
  • 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Antriebsstrang, der Räder 105 antreibt. Der Antriebsstrang umfasst eine erste Fahrzeugachse (Primärachse) 101 und eine zweite Fahrzeugachse (Sekundärachse) 103, an welchen Antriebsräder 105 angebracht sind.
  • Eine Antriebsvorrichtung 107, bspw. eine Verbrennungskraftmaschine oder eine (weitere) elektrische Maschine, treibt über ein (optionales) Getriebe 109 und ein Differentialgetriebe 111 die erste Fahrzeugachse 101 und somit die (vorderen) Räder 105 an.
  • Eine (als Antriebsvorrichtung verwendete) elektrische Maschine 113 ist über eine Kupplungsvorrichtung 115 mit der zweiten Fahrzeugachse 103 wahlweise koppelbar. In einem gekoppelten Zustand kann eine Antriebsleistung der elektrischen Maschine 113 über ein hinteres Differentialgetriebe 117 (sowie ein nicht gezeigtes optionales Getriebe) auf die zweite Fahrzeugsachse 103 übertragen werden und somit auf die (hinteren) Räder 105. Die in 1 gezeigte Kopplung der elektrischen Maschine 113 ist lediglich beispielhaft und auch andere Kopplungsarten sind möglich. Beispielsweise kann die Kupplungsvorrichtung 115 auch in dem hinteren Differentialgetriebe 117 integriert sein. In anderen Beispielen kann die Kopplung auch so ausgeführt sein, dass beide Seitenwellen des hinteren Differentialgetriebes 117 abkoppelbar gestaltet sind.
  • Die Antriebsvorrichtung 107, das Getriebe 109, die elektrische Maschine 113 und die Kupplungsvorrichtung 115 werden durch ein Steuergerät 119 (an)gesteuert.
  • In 2 ist schematisch ein Synchronisierungssystem für eine Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 auf eine Synchronisierungsdrehzahl dargestellt.
  • Dabei ist ein Synchronisierungsmodul 201 dazu eingerichtet, eine Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf zu ermitteln basierend auf einem Satz von Eingangsparametern 203, einem Kennfeld 207 und einem von einem Allradkoordinationsmodul 209 ausgegebenen Kupplung-Sollzustandssignal 217 für die Kupplungsvorrichtung 115. Basierend auf der ermittelten Wahrscheinlichkeit steuert das Synchronisierungsmodul 201 die Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 mittels eines Synchronisierungssteuersignals 205.
  • Das Synchronisierungsmodul 201 ist dabei eingerichtet, dass es die Allradbedarfswahrscheinlichkeit ermittelt, wenn das Kupplung-Sollzustandssignal 217 einen nicht gekoppelten (also offenen) Zustand der Kupplungsvorrichtung 115 anzeigt. Mit anderen Worten, das Ermitteln der Wahrscheinlichkeit erfolgt nur, wenn die Kupplungsvorrichtung 115 nicht geschlossen ist, d. h. die elektrische Maschine 113 von der zweiten Fahrzeugachse 103 entkoppelt ist.
  • Der Satz von Eingangsparametern 203 geht eingangsseitig in das Synchronisierungsmodul 201 ein. Der Satz von Eingangsparametern 203 umfasst mindestens einen Eingangsparameter. Dabei sind die Eingangsparameter 203 indikativ für Fahrbetriebsparamater des Fahrzeugs 100. Die Fahrbetriebsparameter können über entsprechende (ggfs. fahrzeugseitige) Sensoren erfasst und an das Steuergerät 119 übergeben werden.
  • Das Synchronisierungsmodul 201 gibt das Synchronisierungssteuersignal 205 aus, das die Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 startet oder stoppt.
  • Mithilfe des Kennfelds 207 wird ausgehend von den Eingangsparametern für das Synchronisierungsmodul 203 die Allradbedarfswahrscheinlichkeit ermittelt.
  • Das Allradkoordinationsmodul 209 ist eingerichtet, ein Kupplungssteuerungssignal 213 auszugeben, aus dessen Basis ein Öffnen und Schließen der Kupplungsvorrichtung 115 gesteuert wird . Ferner gibt das Allradkoordinationsmodul 209 das Kupplung-Sollzustandssignal 217 aus, das angibt, ob sich die Kupplung in einem geschlossenen und offenen Zustand befindet (befinden soll). In manchen Beispielen können das Kupplungssteuerungssignal 213 und das Kupplungs-Sollzustandssignal 217 dasselbe Signal sein. Ferner ist das Allradkoordinationsmodul 209 eingerichtet, eine Momentenverteilung über die erste und die zweite Fahrzeugachse 101, 103 zu ermitteln und über ein Momentenverteilungssignal 215 zu steuern.
  • Das Kupplungssteuerungssignal 213, das Momentenverteilungssignal 215 und das Kupplungssollzustandssignal 217 wird basierend auf entsprechenden Eingangsparameter für das Allradkoordinationsmodul 211 erzeugt. Der Satz von Eingangsparametern für das Allradkoordinationsmodul 211 kann dabei mindestens einen von den Eingangsparametern für das Synchronisierungsmodul 211 umfassen. Ferner kann der Satz von Eingangsparametern für das Allradkoordinationsmodul 211 auch Signale für eine direkte Allradanforderung umfassen, die bspw. von einem (nicht gezeigten) Modul für eine elektronische Stabilitätskontrolle (Fahrdynamikregelung, ESC (electronic stability control)) ausgegeben werden.
  • 3 zeigt Diagramme mit schematischen Drehzahl-, Momenten- und Zustandsverläufen bei einem üblichen Synchronisierungsprozess der elektrischen Maschine 113 beim Ankoppeln an die Fahrzeugachse 103 gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind fünf verschiedene Phasen dargestellt, nämlich eine Konstantfahrtphase 0, eine Synchronisierungsphase I, eine Einkopplungsphase II, eine Positionserkennungsphase III und eine Momentenübergabephase IV. Zum Zeitpunkt ts liegt ein Fahrerwunsch für eine Fahrzeugbeschleunigung vor.
  • Das obere Diagramm zeigt eine Drehzahl der ersten und zweiten Fahrzeugachse (Achsdrehzahl) 301, eine Drehzahl der Antriebsvorrichtung (Antriebsvorrichtungsdrehzahl) 303 und eine Drehzahl der elektrischen Maschine (EM-Drehzahl) 305, die jeweils über die Zeit aufgetragen sind. Die Achsdrehzahl 301 ist für die erste und die zweite Fahrzeugachse 101, 103 gleich.
  • Das mittlere Diagramm zeigt eine von der ersten Fahrzeugachse 101 maximal übertragbares Drehmoment 307, eine Drehmomentenanforderung (Fahrerwunsch) 309, ein von der Antriebsvorrichtung 107 und der elektrischen Maschine 113 bereitgestelltes Gesamtdrehmoment 311, ein von der Antriebsvorrichtung 107 bereitgestelltes Drehmoment (Antriebsvorrichtungsdrehmoment) 313 und ein von der elektrischen Maschine 113 bereitgestellte Drehmoment (EM-Drehmoment) 315.
  • Das untere Diagramm zeigt einen Kupplungszustand 317 der Kupplungsvorrichtung 115.
  • In der Konstantfahrtphase 0 wird die gesamte Antriebsleistung des Fahrzeugs 100 von der Antriebsvorrichtung 107 erzeugt und auf die erste Fahrzeugachse 101 übertragen, wodurch das Fahrzeug 100 angetrieben wird. Die zweite Fahrzeugachse 103 dreht mit der gleichen Drehzahl wie die erste Fahrzeugachse 101, ohne dabei ein Antriebsmoment von der elektrischen Maschine 113 zu erhalten. Daher entspricht in der Konstantfahrtphase 0 die Antriebsvorrichtungsdrehzahl 303 der Achsdrehzahl 301, während die elektrische Maschine 113 keinen Beitrag zum Fahrzeugantrieb leistet und entsprechend die EM-Drehzahl 305 null sein kann.
  • In der Konstantfahrtphase 0 wird die Drehmomentanforderung 309 durch das Antriebsvorrichtungsdrehmoment 313 umgesetzt, während das EM-Drehmoment gleich null ist. Entsprechend wird das Gesamtdrehmoment (des Antriebsstrangs) 311 allein durch die Antriebsvorrichtung 107 bereitgestellt.
  • Da während der Konstantfahrtphase 0 die Drehmomentanforderung 309 durch das Antriebsvorrichtungsmoment 313 der Antriebsvorrichtung 107 allein bereitgestellt werden kann, ist die Kupplungsvorrichtung 115 offen und somit die elektrische Maschine 113 von der zweiten Fahrzeugachse 103 entkoppelt, wie aus dem Kupplungszustand 317 der Kupplungsvorrichtung zu entnehmen ist.
  • Die Synchronisierungsphase I beginnt zum Zeitpunkt ts, bei dem der Fahrerwunsch für eine Beschleunigung vorliegt und entsprechend springt die Drehmomentanforderung 309 auf einen höheren Wert, der über dem Maximalmoment 307 liegt, der von der ersten Fahrzeugachse 101 allein übertragen werden kann. Daher wird die EM-Drehzahl 305 in der Synchronisierungsphase I auf die Synchronisierungsdrehzahl hochgefahren, damit die elektrische Maschine 113 mit der zweiten Fahrzeugachse gekoppelt werden kann. Dabei beginnt zum Zeitpunkt ts ferner eine dynamische Nullmomentenregelung der elektrischen Maschine, die bis zum Ende der Positionserkennungsphase III durchgeführt wird, um die beiden Seiten der Kupplungsvorrichtung115 synchron zu halten unabhängig vom Zustand der Kupplungsvorrichtung 115. Ferner wird die Antriebsvorrichtungsdrehzahl 303 hochgefahren, weil das Fahrzeug 100 schneller wird. Die Kupplungsvorrichtung 113 ist weiterhin geöffnet.
  • Zum Beginn der Einkopplungsphase II entspricht die EM-Drehzahl 305 im Wesentlichen der Achsdrehzahl 301 (und daher der Drehzahl der zweiten Fahrzeugachse 103), so dass die Kupplungsvorrichtung 115 sukzessive geschlossen werden kann. Das Schließen der Kupplungsvorrichtung 115 ist durch den Anstieg im Verlauf des Kupplungszustands 317 repräsentiert. Zum Ende der Einkopplungsphase III sind die beiden Kupplungshälften der Kupplungsvorrichtung 115 geschlossen.
  • In der Positionserkennungsphase III wird der Ist-Zustand der Kupplungsvorrichtung 115 durch eine geeignete Prüfung abgesichert. Dazu kann ein Positionssensor oder eine Prüfsequenz verwendet werden. In einer beispielhaften Prüfsequenz wird ein Prüfmoment aufgeben und beobachtet, ob die Drehzahlen der beiden Kupplungshälften synchron bleibt.
  • Zum Beginn der Momentenübergabephase IV ist die Kupplungsvorrichtung 115 vollständig geschlossen, so dass ein Antriebsmoment von der elektrischen Maschine 113 auf die zweite Fahrzeugachse 103 übertragen werden kann. Zum Erfüllen des Fahrerwunschs wird das EM-Drehmoment 315 angehoben, so dass das Gesamtdrehmoment 311 (Summe aus Antriebsvorrichtungsmoment 313 und EM-Drehmoment 315) der Drehmomentanforderung 309 entspricht.
  • Eine Dauer der Synchronisierungsphase I hängt von einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs 100 und somit von der Achsdrehzahl 301 ab. Die Dauer der Synchronisierungsphase I kann bspw. zwischen 50 bis 300 ms betragen. Eine Dauer der Einkopplungsphase II und der Positionserkennungsphase III kann bspw. um die 150 ms bzw. 50 ms betragen. Diese Dauern sind lediglich beispielhaft und können je nach Ausgestaltung des Antriebsstrangs variieren.
  • 4 zeigt ein Verfahren 400 zum Betreiben der elektrischen Maschine 113. Mit dem Verfahren 400 wird die Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 auf die Synchronisierungsdrehzahl gesteuert.
  • Im Block 401 wird mindestens ein derzeitiger Fahrbetriebsparameter des Fahrzeugs 100 erfasst, der indikativ für einen Allradbedarf ist.
  • Im Block 403 wird die Allradbedarfswahrscheinlichkeit ermittelt. Dabei kann die Allradbedarfswahrscheinlichkeit mit dem Kennfeld 207 ermittelt werden, in dem ein Zusammenhang zwischen Allradbedarfswahrscheinlichkeit und Fahrbetriebsparametern abgelegt ist.
  • Im Block 405 erfolgt ein Steuern der Synchronisierung der elektrische Maschine 113 in Abhängigkeit der ermittelten Allradbedarfswahrscheinlichkeit. Das Steuern der Synchronisierung umfasst ein Starten oder Stoppen der Synchronisierung. Dabei kann bspw. die Synchronisierung gestartet werden, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Start-Schwellwert überschreitet, und gestoppt, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Stopp-Schwellwert unterschreitet.
  • 5 zeigt Diagramme 500 mit schematischen Drehzahl-, Wahrscheinlichkeits- und Zustandsverläufen bei einem Synchronisierungsprozess der elektrischen Maschine 113 der vorliegenden Erfindung.
  • Das obere Diagramm zeigt eine Drehzahl der zweiten Fahrzeugachse (Sekundärachsendrehzahl) 501 und die Drehzahl der elektrischen Maschine (EM-Drehzahl) 503, die jeweils über die Zeit aufgetragen sind. Die Sekundärachsendrehzahl 501 kann auch eine Drehzahl sein, die auf die Ebene der elektrischen Maschine 113 umgerechnet ist. Die umgerechnete Sekundärachsendrehzahl 501 berücksichtigt dabei eine etwaige Übersetzung der Drehzahl der elektrischen Maschine 113 durch ein Getriebe. Somit entspricht die umgerechnete Sekundärachsendrehzahl 501 einer Drehzahl, die die elektrische Maschine 113 bereitstellen muss zum Antreiben der zweiten Fahrzeugachse 103.
  • Das mittlere Diagramm zeigt die Allradbedarfswahrscheinlichkeit 505 über die Zeit aufgetragen sowie einen Start-Schwellwert 507 und einen Stopp-Schwellwert 509 für die Synchronisierung.
  • Das untere Diagramm zeigt einen Kupplungszustand 511 der Kupplungsvorrichtung 115.
  • Dabei ist zu sehen, dass die Allradbedarfswahrscheinlichkeit 505 vom Zeitpunkt t0 ab ansteigt und zum Zeitpunkt t1 den Start-Schwellwert 507 überschreitet. Währenddessen ist die Kupplungsvorrichtung 115 noch geöffnet, was sich aus dem Kupplungszustand 511 erkennen lässt. In Reaktion auf das Überschreiten des Start-Schwellwerts 507 wird die Synchronisierung der elektrischem Maschine 113 gestartet, so dass die elektrische Maschine 113 auf die Synchronisierungsdrehzahl, d. h. auf die Sekundärachsendrehzahl 501, hochgefahren wird. Die EM-Drehzahl 501 entspricht dann der Sekundärachsendrehzahl 501.
  • Zum Zeitpunkt t2 fällt die Allradbedarfswahrscheinlichkeit 505 unter den Stopp-Schwellwert 509, ohne dass das Allradkoordinationsmodul 209 ein Kupplungssteuerungssignal 213 zum Einkoppeln der Kupplungsvorrichtung 115 abgegeben hat und somit die Kupplungsvorrichtung 115 nicht geschlossen wird. Das heißt, zum Zeitpunkt t2 liegt voraussichtlich kein Allradbedarf mehr vor und die Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 wird gestoppt.
  • Zum Zeitpunkt t3 überschreitet die Wahrscheinlichkeit 505 wieder den Start-Schwellwert 507 und die Synchronisierung der elektrischen Maschine 113 wird gestartet. Zum Zeitpunkt t4 erfolgt ein Einkoppeln der elektrischen Maschine 113, die nun mit der Synchronisierungsdrehzahl betrieben wird, mit der zweiten Fahrzeugachse 103. Das Einkoppeln der elektrischen Maschine 113 ist aus dem sprunghaften Anstieg im Verlauf des Kupplungszustands 511 ersichtlich. Das Einkoppeln erfolgt auf Basis des von dem Allradkoordinationsmodul 209 ausgegebenen Kupplungssteuerungssignal 213 zum Einkoppeln. Ab dem Zeitpunkt t4 wird der Antriebsstrang im Allradmodus betrieben.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Fahrzeug
    101
    erste Fahrzeugachse
    103
    zweite Fahrzeugachse
    105
    Räder
    107
    Antriebsvorrichtung
    109
    Getriebe
    111
    vorderes Differentialgetriebe
    113
    elektrische Maschine
    115
    Kupplungsvorrichtung
    117
    hinteres Differentialgetriebe
    119
    Steuergerät
    200
    Blockdiagramm
    201
    Synchronisierungsmodul
    203
    Eingangsparameter für das Synchronisierungsmodul (Fahrbetriebsparameter)
    205
    Synchronisierungssteuersignal
    207
    Kennfeld
    209
    Allradkoordinationsmodul
    211
    Eingangsparameter für das Allradkoordinationsmodul
    213
    Kupplungssteuersignal
    215
    Momentenverteilung
    217
    Kupplungssollzustandssignal
    300
    Diagramme
    301
    Drehzahl der Fahrzeugachsen
    303
    Drehzahl der Antriebsvorrichtung
    305
    Drehzahl der elektrischen Maschine
    307
    Maximalmoment der ersten Fahrzeugachse
    309
    Fahrerwunsch (Drehmomentanforderung)
    311
    Gesamtdrehmoment
    313
    Drehmoment der Antriebsvorrichtung
    315
    Drehmoment der elektrischen Maschine
    317
    Zustand der Kupplung (Kupplungszustand)
    400
    Verfahren zum Steuern der Synchronisierung
    401
    Erfassen von mindestens einem derzeitigen Fahrbetriebsparameter
    403
    Ermitteln einer Wahrscheinlichkeit für den Allradbedarf
    405
    Steuern der Synchronisierung in Abhängigkeit der ermittelten Wahrscheinlichkeit
    500
    Diagramme
    501
    Drehzahl zweite Fahrzeugachse (umgerechnet auf Ebene der elektrischen Maschine)
    503
    Drehzahl der elektrischen Maschine
    505
    Wahrscheinlich für einen Allradbedarf
    507
    Start-Schwellwert für eine Synchronisierung
    509
    Stopp-Schwellwert für die Synchronisierung
    511
    Zustand der Kupplungsvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012213647 A1 [0003]
    • DE 102009055249 A1 [0004]
    • EP 2512894 B1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren (400) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (113) eines Antriebstrangs, wobei der Antriebsstrang eine erste und eine zweite Fahrzeugachse (101, 103) umfasst und die elektrische Maschine (113) mit der zweiten Fahrzeugsachse (103) zum Antreiben der zweiten Fahrzeugsachse (103) wahlweise koppelbar ist, und wobei das Verfahren (400) während eines abgekoppelten Zustands der elektrischen Maschine (113) erfolgt und umfasst: Ermitteln (403) einer Wahrscheinlichkeit für einen Allradbedarf; und Steuern (405), in Abhängigkeit der ermittelten Wahrscheinlichkeit, einer Synchronisierung der elektrischen Maschine (113) auf eine Synchronisierungsdrehzahl.
  2. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Steuern (405) der Synchronisierung ein Starten der Synchronisierung umfasst, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Start-Schwellwert (505) überschreitet.
  3. Verfahren (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuern (405) der Synchronisierung ein Beenden der Synchronisierung umfasst, wenn die Wahrscheinlichkeit einen Stopp-Schwellwert (507) unterschreitet und keine Einkopplung der elektrischen Maschine (113) mit der zweiten Fahrzeugachse (103) erfolgt.
  4. Verfahren (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln (403) der Wahrscheinlichkeit ein Auslesen aus einem Kennfeld (207) umfasst und das Kennfeld (207) auf Basis von Historiendaten erstellt wird.
  5. Verfahren (400) nach Anspruch 4, wobei die Historiendaten mindestens eines von Erprobungsdaten und Flottendaten umfassen.
  6. Verfahren (400) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Kennfeld (207) in vorbestimmten Zeitabständen aktualisiert wird.
  7. Verfahren (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend: Erfassen (401) von mindestens einem derzeitigen Fahrbetriebsparameter, der indikativ für einen Allradbedarf sind; und Ermitteln (403) der Wahrscheinlichkeit basierend auf dem mindestens einen derzeitigen Fahrbetriebsparametern.
  8. Verfahren (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens derzeitige eine Fahrbetriebsparameter mindestens eines von Folgenden umfasst: eine Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Fahrpedalwert, einen Bremspedalwert, einen Lenkwinkel, eine Steigung, einen Fahrmodus, und Wetterdaten.
  9. Verfahren (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Synchronisierungsdrehzahl einer Drehzahl der zweiten Fahrzeugachse (103) entspricht.
  10. Verfahren (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens einer von dem Start- und oder Stopp-Schwellwert (507, 509) von einem Fahrmodus abhängig ist.
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