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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2018 010 033 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Vermeidung eines Radschlupfes bei elektrisch angetriebenen Achsen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt. Eine erste Steuerung zum Stellen von motorischen und generatorischen Drehmomenten mindestens einer elektrischen Maschine wirkt mit einer zweiten, einen ersten ASR-Regler umfassenden Steuerung zur Auswertung des Fahrzeugzustandes zusammen. Die erste Steuerung umfasst einen zweiten ASR-Regler, wobei das Drehmoment in Abhängigkeit von einem durch den zweiten ASR-Regler erfassten Radschlupf reduziert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse wird eine Drehzahl einer die Achse antreibenden elektrischen
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Antriebseinheit erfasst. Die elektrische Antriebseinheit ist eine elektrische Maschine oder weist eine solche elektrische Maschine auf.
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Erfindungsgemäß wird ein Anstieg der Drehzahl auf einen vorgegebenen maximalen Drehzahlgradienten begrenzt.
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Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass ein Drehzahlschwellwert ermittelt wird, indem ein Drehzahlsignal der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit mittels eines Tiefpasses gefiltert wird und zu einem daraus resultierenden tiefpassgefilterten Drehzahlsignal ein vorgegebener Abweichungswert addiert wird, wobei ein zu begrenzender Anstieg der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit erkannt wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit den Drehzahlschwellwert überschreitet. Insbesondere wird nur dann, d. h. nur bei einem erkannten zu begrenzenden Anstieg der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit, dieser Anstieg der Drehzahl auf den vorgegebenen maximalen Drehzahlgradienten begrenzt. Dies erfolgt insbesondere, indem die Drehzahl auf einen vorgegebenen Grenzdrehzahlwert eingeregelt wird, der aus einem Startwert und dem vorgegebenen maximalen Drehzahlgradienten gebildet wird, wobei der Startwert einem Wert des Drehzahlschwellwertes zum Zeitpunkt des Überschreitens des Drehzahlschwellwertes entspricht.
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Wenn zwei Achsen des Fahrzeugs mittels jeweils einer elektrischen Antriebseinheit angetrieben werden, dann ist insbesondere vorgesehen, dass eine Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit der jeweiligen Achse zuzüglich eines vorgegebenen Achsdrehzahlabweichungswertes als Grenzdrehzahl für die elektrische Antriebseinheit der jeweils anderen Achse verwendet wird. Bei Überschreiten der Grenzdrehzahl wird ein Drehmoment der elektrischen Antriebseinheit, die die Grenzdrehzahl überschritten hat, soweit reduziert, dass die Drehzahl dieser elektrischen Antriebseinheit nicht weiter ansteigt. Dies gilt jedoch insbesondere nur, solange die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit größer ist als die Grenzdrehzahl, d. h. sinkt die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit wieder unter die Grenzdrehzahl ab und/oder erhöht sich die Grenzdrehzahl, wird der Anstieg der Drehzahl dieser elektrischen Antriebseinheit wieder freigegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein vollständiges Deaktivieren einer Fahrdynamikregelung des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ermöglicht, wobei auch dann noch ein vorgegebenes Mindestmaß einer Kontrollierbarkeit eines Fahrverhaltens des Fahrzeugs durch einen Fahrer ermöglicht wird. Das Fahrzeug ist durch die erfindungsgemäße Lösung bei deaktivierter Fahrdynamikregelung deutlich besser beherrschbar als bisher. Bisher konnte bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen die Fahrdynamikregelung nicht vollständig deaktiviert werden, da das Fahrzeug sonst aufgrund einer hohen Drehzahldynamik der elektrischen Antriebseinheit nicht mehr beherrschbar war.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Drehzahlgradientenerkennung für eine mindestens eine Achse eines Fahrzeugs antreibende elektrische Antriebseinheit, und
- 2 schematisch eine Funktionsweise der in 1 dargestellten Drehzahlgradientenerkennung im Zeitverlauf.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Anhand der 1 und 2 wird im Folgenden ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse beschrieben.
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Üblicherweise weisen Fahrzeuge eine auch als elektronisches Stabilitätsprogramm bezeichnete Fahrdynamikregelung auf, die in fahrdynamischen Grenzsituationen einen Fahrer darin unterstützt, die Kontrolle über sein Fahrzeug zu behalten. Ein Bestandteil einer solchen Fahrdynamikregelung ist eine Antriebsschlupfregelung, die ein Durchdrehen angetriebener Räder des Fahrzeugs bei einem Beschleunigen verhindert.
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In einem Fahrzeug mit elektrischem Traktionsantrieb, welches somit beispielsweise als ein Hybridfahrzeug oder als ein batterieelektrisches Fahrzeug ausgebildet ist, ist eine Funktionalität der Antriebsschlupfregelung üblicherweise über mehrere Steuergeräte verteilt. Beispielsweise berechnet ein Fahrdynamik- und/oder Bremsensteuergerät aus einer aktuellen Fahrsituation und gemessenen bzw. modellierten Umgebungsbedingungen einen Sollschlupf für die angetriebenen Räder. Dieser Sollschlupf, der für eine ideale Traktion und damit für eine maximale Beschleunigung bei gleichzeitig stabilem Fahrverhalten sorgt, wird an die elektrische Antriebseinheit oder an die mehreren elektrischen Antriebseinheiten, beispielsweise an den Achsen oder Rädern des Fahrzeugs, übertragen und von dieser bzw. diesen mit hoher Dynamik eigenständig eingeregelt.
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Üblicherweise besteht für den Fahrer des Fahrzeugs die Möglichkeit, die Fahrdynamikregelung zu deaktivieren. Dies dient beispielsweise dazu, geübten Fahrern die Möglichkeit zu geben, Grenzen der Fahrphysik selbst auszuloten bzw. über diese hinauszugehen, beispielsweise zu driften. Diese Deaktivierung hat zur Folge, dass die oben beschriebene Antriebsschlupfregelung nicht mehr wirkt. Die Fahrdynamikregelung und Antriebsschlupfregelung greifen nicht mehr ein, so dass ein vom Fahrer über ein Fahrpedal des Fahrzeugs angefordertes Drehmoment direkt von der elektrischen Antriebseinheit oder von den elektrischen Antriebseinheiten umgesetzt wird. Eventuell durchdrehende angetriebene Räder des Fahrzeugs müssen somit vom Fahrer selbstständig erkannt und durch seine Regelung mittels seines Fußes auf dem Fahrpedal kompensiert werden.
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Die Problematik besteht darin, dass sich elektrische und konventionelle Antriebsstränge in kritischen Punkten unterscheiden. Ein Verbrennungsmotor ist vergleichsweise träge, d. h. Zeiten, die er für einen Drehmomentenaufbau oder -abfall benötigt, liegen im Rahmen einer Reaktionszeit des Fahrers. Dadurch kann der Fahrer auch die Drehzahl der angetriebenen Räder besser beeinflussen, da sich auch diese entsprechend relativ träge verändert. Wesentliche Ursache ist eine deutlich größere Massenträgheit eines konventionellen Antriebs, sodass sich dort vergleichsweise flache Drehzahlgradienten ergeben.
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Bei elektrischen Antriebssträngen stellt sich dies anders dar. Die elektrische Antriebseinheit ist vergleichsweise leicht und hat somit ein geringes Massenträgheitsmoment. Gleichzeitig ist sie hochdynamisch und kann somit viel schneller als ein Verbrennungsmotor ihr Drehmoment aufbauen und wieder abbauen, wenn das vom Fahrer gefordert wird. Dies führt dazu, dass bei entsprechender Anforderung über • das Fahrpedal sehr schnell ein hohes Drehmoment gestellt werden kann. Dies führt dann über die geringe Trägheit dazu, dass die elektrische Antriebseinheit innerhalb weniger Millisekunden auf sehr hohe Drehzahlen beschleunigt, bevor der Fahrer dem richtig entgegensteuern kann.
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Bei Fahrzeugen mit Allradantrieb kommt ein zusätzlicher Aspekt hinzu. Bei einem konventionellen Antrieb sind die angetriebenen Achsen mechanisch gekoppelt. Dadurch ist ein Schlupfverhalten der einen angetriebenen Achse eng mit dem Schlupfverhalten der anderen angetriebenen Achse verbunden. Bei Fahrzeugen mit elektrischem Traktionsantrieb sind hingegen die angetriebenen Achsen oder Räder oft jeweils mit einer eigenen elektrischen Antriebseinheit ausgestattet. Beispielsweise ist eine elektrische Antriebseinheit für die Vorderachse und eine elektrische Antriebseinheit für die Hinterachse vorgesehen. In der Regel wird die Drehmomentanforderung vom Fahrpedal über eine Betriebsstrategie auf die beiden angetriebenen Achsen aufgeteilt, der Fahrer kann diese jedoch nicht beeinflussen. Dadurch kommt es zu dem Effekt, dass die beiden angetriebenen Achsen unabhängig voneinander durchdrehen können. Da der Fahrer keinen richtigen Durchgriff auf die Verteilung der Drehmomente hat, ist dieses Verhalten vom Fahrer nicht beherrschbar.
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Das hier beschriebene Verfahren unterstützt den Fahrer bei der Beherrschung dieser Situationen aus der elektrischen Antriebseinheit oder aus den elektrischen Antriebseinheiten heraus, ohne dabei wie eine Fahrdynamikregelung stabilisierend einzugreifen. Dadurch wird es ermöglicht, auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen die Fahrdynamikregelung vollständig zu deaktivieren und dennoch dem Fahrer die Möglichkeit zu geben, die Kontrolle über das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu behalten.
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Die im Folgenden näher beschriebene Lösung umfasst insbesondere zwei Lösungskomponenten, die einerseits die Problematik der hohen Drehzahldynamik, die für den Fahrer schwer beherrschbar ist, und andererseits die Problematik der Entkopplung der angetriebenen Achsen voneinander lösen.
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Die hohe Drehzahldynamik ergibt sich aus den physikalischen Randbedingungen der geringen Massenträgheit und der hohen Drehmomentdynamik elektrischer Antriebseinheiten. Bei der hier beschriebenen Lösung ist daher vorgesehen, dieser Drehzahldynamik einen Gradientenbegrenzer entgegenzusetzen, d. h. steile Drehzahlanstiege abzuflachen bzw. den Drehzahlgradienten zu begrenzen.
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In dem hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugs mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse ist somit insbesondere vorgesehen, dass die Drehzahl der die Achse antreibenden elektrischen Antriebseinheit erfasst wird und der Anstieg der Drehzahl auf einen vorgegebenen maximalen Drehzahlgradienten nG begrenzt wird.
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Eine Drehzahl-Gradientenbegrenzung ist herausfordernd, da die Drehzahl von der elektrischen Antriebseinheit nicht direkt eingestellt wird. Sie ist eine resultierende Größe aus dem von der elektrischen Antriebseinheit gestellten Drehmoment, Gegenmomenten von angetriebenem Rad und Straße, sowie der Massenträgheiten. Vorgesehen ist daher insbesondere eine Umsetzung der Gradientenbegrenzung in zwei Schritten.
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Zunächst erfolgt eine Gradientenerkennung. Dabei wird die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit, die insbesondere in einer Invertersoftware eines Inverters der elektrischen Antriebseinheit verarbeitet wird, dauerhaft auf steile Drehzahlanstiege überwacht. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Gradientenerkennung nicht durch ein Signalrauschen ausgelöst wird, denn innerhalb des Rauschens kann durchaus ein sehr steiler Gradient auftreten, der in einer Großsignalbetrachtung aber unkritisch ist.
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1 verdeutlicht das Prinzip der Gradientenerkennung der hier beschriebenen Lösung. Ein Drehzahlsignal n der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit wird zunächst mittels eines Tiefpasses TP, auch als Tiefpassfilter bezeichnet, gefiltert und mit einem vorgegebenen Offset, d. h. einem vorgegebenen Abweichungswert OS, versehen. D. h. das Drehzahlsignal n wird mittels des Tiefpasses TP gefiltert und zu einem daraus resultierenden tiefpassgefilterten Drehzahlsignal nF wird der vorgegebene Abweichungswert OS addiert. Der so ermittelte Wert stellt nun einen Drehzahlschwellwert SW dar, den die aktuelle Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit in einem Normalbetrieb nicht überschreitet. D. h. im Normalbetrieb ist eine Differenz von Drehzahlschwellwert SW und Drehzahlsignal n kleiner Null oder gleich Null.
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Ein exemplarischer Zeitverlauf ist in 2 dargestellt. Gezeigt sind hier der Verlauf des Drehzahlsignals n der elektrischen Antriebseinheit und des tiefpassgefilterten Drehzahlsignals nF sowie des Drehzahlschwellwertes SW über die Zeit t. Im Normalbetrieb liegt das Drehzahlsignal n unterhalb des Drehzahlschwellwertes SW oder erreicht diesen, überschreitet ihn jedoch nicht. Wird der Drehzahlschwellwert SW überschritten, d. h. ist die Differenz von Drehzahlschwellwert SW und Drehzahlsignal n größer Null, dann wird die Gradientenerkennung getriggert, d. h. es wird ein Auslöser T für die nun folgende Gradientenbegrenzung erkannt. Mit anderen Worten wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit den Drehzahlschwellwert SW überschreitet, ein zu begrenzender Anstieg der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit erkannt. Daraufhin startet die Gradientenregelung.
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Durch eine entsprechende Vorgabe des Tiefpasses TP und/oder des Abweichungswertes OS kann beeinflusst werden, bei welchem Anstieg der Drehzahl der Auslöser T erfolgt. Dies kann beispielsweise bei der Fahrzeugentwicklung ermittelt und dann durch einen Hersteller des Fahrzeugs entsprechend vorgegeben werden. Beispielsweise können diese Vorgaben jeweils auch nachträglich geändert werden, zum Beispiel durch den Fahrer.
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In der Gradientenregelung wird, wenn der Auslöser T vorliegt, d. h. bei einem erkannten zu begrenzenden Anstieg der Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit, der Anstieg der Drehzahl auf den vorgegebenen maximalen Drehzahlgradienten nG begrenzt, indem die Drehzahl auf einen vorgegebenen Grenzdrehzahlwert eingeregelt wird. Dieser Grenzdrehzahlwert ergibt sich aus einem Startwert und von dort ansteigend mit dem vorgegebenen maximalen Drehzahlgradient nG. Der Startwert ist der Drehzahlschwellwert SW zum Zeitpunkt des Auslösers T, d. h. ein Wert des Drehzahlschwellwertes SW zum Zeitpunkt des Überschreitens des Drehzahlschwellwertes SW. In der elektrischen Antriebseinheit wird nun über eine Regelung das Drehmoment derart begrenzt, dass dieser vorgegebene Grenzdrehzahlwert nicht überschritten wird, wie in 2 gezeigt. Wird über das Fahrpedal weniger Drehmoment angefordert, dann kann die Drehzahl nach unten abweichen, nach oben jedoch nicht, da hier der Gradientenbegrenzer wirkt.
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Das Fahrverhalten und die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs durch den Fahrer kann durch die Vorgabe des maximalen Drehzahlgradienten nG beeinflusst werden. Beispielsweise wird der maximale Drehzahlgradient nG bei der Fahrzeugentwicklung ermittelt und dann durch den Hersteller des Fahrzeugs entsprechend vorgegeben. Beispielsweise kann diese Vorgabe auch nachträglich geändert werden, zum Beispiel durch den Fahrer, um das Fahrverhalten des Fahrzeugs mit deaktivierter Fahrdynamikregelung verändern zu können und beispielsweise an Bedürfnisse des jeweiligen Fahrers anpassen zu können.
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Wenn zwei Achsen des Fahrzeugs mittels jeweils einer elektrischen Antriebseinheit angetrieben werden, kann, um dem Problem der entkoppelten angetriebenen Achsen zu begegnen, ebenfalls das Prinzip der Grenzdrehzahl-Regelung eingesetzt werden. Um zu verhindern, dass beispielsweise bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit Allradantrieb die Drehzahl an einer angetriebenen Achse in Folge eines Radabrisses, d. h. eines Reibungsabrisses zwischen Rad und Untergrund, stark ansteigt, während die andere angetriebene Achse nicht beschleunigt wird, können die beiden elektrischen Antriebseinheiten miteinander verschränkt werden.
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Hierfür ist vorgesehen, dass die Drehzahl der jeweils anderen elektrischen Antriebseinheit, mit einem, insbesondere kleinen, Offset, als Grenzdrehzahl dient. D. h. die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit der jeweiligen Achse zuzüglich eines vorgegebenen Achsdrehzahlabweichungswertes wird als Grenzdrehzahl für die elektrische Antriebseinheit der jeweils anderen Achse verwendet.
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Bei Überschreiten der Grenzdrehzahl wird das Drehmoment der elektrischen Antriebseinheit, die die Grenzdrehzahl überschritten hat, soweit reduziert, dass die Drehzahl dieser elektrischen Antriebseinheit nicht weiter ansteigt. Dies gilt jedoch insbesondere nur, solange die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit größer ist als die Grenzdrehzahl, d. h. sinkt die Drehzahl der elektrischen Antriebseinheit wieder unter die Grenzdrehzahl ab und/oder erhöht sich die Grenzdrehzahl, wird der Anstieg der Drehzahl dieser elektrischen Antriebseinheit wieder freigegeben.
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Der Achsdrehzahlabweichungswert wird beispielsweise bei der Fahrzeugentwicklung ermittelt und dann durch den Hersteller des Fahrzeugs entsprechend vorgegeben. Beispielsweise kann diese Vorgabe auch nachträglich geändert werden, zum Beispiel durch den Fahrer, um das Fahrverhalten des Fahrzeugs mit deaktivierter Fahrdynamikregelung verändern zu können und beispielsweise an Bedürfnisse des jeweiligen Fahrers anpassen zu können.
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Die beschriebene Kopplung der angetriebenen Achsen wird im Folgenden anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht. Gemäß diesem Beispiel rollen sowohl Vorderachse als auch Hinterachse des Fahrzeugs gleichmäßig mit einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute. Bei einem beispielhaft vorgegebenen Achsdrehzahlabweichungswert von 50 Umdrehungen pro Minute ergibt sich für beide Achsen eine Grenzdrehzahl von 1050 Umdrehungen pro Minute. Fährt das Fahrzeug nun beispielsweise einen Berg hinauf, wird auf beiden Achsen ein positives Drehmoment abgesetzt. Kommt nun die Vorderachse auf einen glatten Untergrund, wodurch ein Rad der Vorderachse durchdreht, dann steigt die Drehzahl der Vorderachse plötzlich stark an. Sobald die Vorderachse nun die Grenzdrehzahl von 1050 Umdrehungen pro Minute durchbricht, wird das Drehmoment derart reduziert, dass die Drehzahl nicht weiter ansteigt.
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Falls nun auch die Hinterachse auf den glatten Untergrund kommt, dann wird auch hier die Drehzahl ansteigen. Dadurch steigt dann auch die Grenzdrehzahl für die Vorderachse an, so dass nun auch eine höhere Drehzahl für die Vorderachse zulässig ist. Es kommt somit dazu, dass beide Achsen hochdrehen. Dies ist bei abgeschalteter Fahrdynamikregelung so gewollt. Durch diese Kopplung der angetriebenen Achsen über die beschriebene Grenzdrehzahlregelung sorgen die elektrischen Antriebseinheiten jedoch dafür, dass die Drehzahl zwischen den beiden elektrischen Antriebseinheiten und somit zwischen den beiden angetriebenen Achsen, innerhalb des vorgegebenen Achsdrehzahlabweichungswertes, synchron gehalten wird.
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Über die oben beschriebenen Mechanismen wird es dem Fahrer ermöglicht, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit oder mehreren elektrischen Antriebseinheiten auch in einem Modus mit deaktivierter Fahrdynamikregelung zu beherrschen, d. h. die Kontrolle über das Fahrzeug behalten zu können. Über die Gradientenbegrenzung kann der Drehzahlanstieg derart reduziert werden, dass dies durch den Fahrer beherrschbar bleibt. Durch die Verkopplung der angetriebenen Achsen kann ein Verhalten erreicht werden, das dem konventionellen Allradantrieb mit seiner festen Verbindung von Vorderachse und Hinterachse entspricht. Die vom Fahrer nicht kontrollierbare Unabhängigkeit der angetriebenen Achsen wird aufgelöst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018010033 A1 [0002]
