DE10240266A1 - Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit - Google Patents

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Lars Weinschenker
Ralf Ziesenis
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit, einem Fahrpedal sowie einer Fahrzeugbremse. Das Fahrzeug wird zumindest zeitweise von einer elektrischen Maschine angetrieben. Bei Unterschreiten der Drehzahl Null der elektrischen Maschine wird beim erstmaligen oder erneuten Betätigen des Fahrpedals zunächst die Fahrzeugbremse betätigt. Erst bei Überschreitung des Haltemoments liefert der elektrische Antrieb bei gleichzeitigem Lösen der Bremse Drehmoment.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei Fahrzeugen, die nur einen oder mehrere Elektromotoren als Fahrantrieb haben und bei Fahrzeugen, die zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor einen Elektromotor als Fahrantriebsmotor haben, kommt der Elektromotor häufig in Fahrsituationen, in denen er beim Rückwärtsrollen oder bei Stillstand des Fahrzeugs längere Zeit (mehr als ca. 100 ms) hohe Momente aufbringen muß, beispielsweise beim zögerlichen Auffahren auf eine Bordsteinkante, beim Halten am Berg mit dem Fahrpedal usw. Beim üblichen Beschleunigen aus dem Stillstand tritt dieser Effekt nicht auf, da entweder langsam mit unkritischer Teillast beschleunigt wird oder der Beschleunigungsvorgang bei Volllast in ausreichend kurzer Zeit stattfindet.
  • In diesen Situationen entstehen hohe Verlustwärmen sowohl in der mindestens einen elektrischen Maschine, die als Elektromotor für den Fahrantrieb dient, als auch in den Leistungshalbleitern, welche heutzutage zur Steuerung solcher elektrischer Maschinen in Fahrantrieben verwendet werden. Während diese Verlustwärme bei normaler Fahrt des Kraftfahrzeugs gleichmäßig in allen Wicklungssträngen des Elektromotors und in allen Leistungshalbleitern der Steuerung elektrischen Antriebs verteilt sind, staut sich im Stillstand oder bei langsamen Rückwärtsrollen des Kraftfahrzeugs die Wärme in den momentan mit Strom beaufschlagten Wicklungen und in den zugehörigen Halbleitern der elektrischen Maschine.
  • Dadurch werden die zulässigen Dauerhaltedrehmomente der elektrischen Maschine, je nach Bauart, zum Teil erheblich herabgesetzt. Eine Überdimensionierung der elektrischen Maschine auf das erforderliche Dauerstillstandsmoment ist aus Kosten- und aus Gewichtsgründen nicht wünschenswert.
  • Bei geschalteten Reluktanzmaschinen oder permanent erregten Synchronmaschinen wird bei dieser Fahrsituation „Halten am Berg" der Strom üblicherweise nur von einem Strang geführt. Bei Asynchronmaschinen tritt dieser Fall beim langsamen Rückwärtsrollen auf. So ist es etwa bekannt, bei Steuergeräten für Elektroantriebe eine Begrenzung des Stroms und damit des Motordrehmoments bei niedrigen Ständerfrequenzen durchzuführen.
  • In der nicht vorveröffentlichten DE 101 58 536.5 wird das Problem der Fahrt bei sehr geringer Geschwindigkeit oder bei Stillstand des Kraftfahrzeugs und beispielsweise gleichzeitiger Forderung nach einem hohen Moment der elektrischen Maschine gegenüber Normalbetrieb dadurch gelöst, mindestens eine Kupplung in den Antriebsstrang zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Antriebsrädern zu legen, die im genannten Betriebsfall langsam schlupfend betrieben wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für elektrische oder Hybridfahrzeuge anzugeben, welches in Betriebszuständen, bei denen die elektrische Maschine ein hohes Haltemoment aufbringen muss, eine Überlastung der elektrischen Maschine vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß der Erfindung wird in den genannten Fahrzeugsituationen das Moment der elektrischen Maschine durch das Betätigen der Fahrzeugbremse unterstützt.
  • Besonders vorteilhaft ist die Kombination von sogenannten „brake-by-wire" Systemen und einem Elektroantrieb derart, dass beispielsweise beim Rückwärtsrollen des Fahrzeugs, etwa auf einer Gefällstrecke, oder beim Stillstand die Bremse automatisch betätigt wird. Die Bremskraft wird dabei über z. B. über einen Drehzahlregler eingestellt. Beim Anfahren wird die Bremse erst dann gelöst, wenn das über das Fahrpedal angeforderte Drehmoment das aktuelle Bremsdrehmoment übersteigt und damit ein Anfahren möglich wird.
  • Eine entsprechende Ablöseschaltung erfolgt sinngemäß auch beim Bremsen und beim Rückwärtsfahren.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
    •
  • Die Erfindung ist im weiteren anhand einer Zeichnung beschrieben von denen die Figuren zeigen:
  • 1 schematisch die Energieflussvarianten bei verschiedenen Betriebszuständen eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb beim Fahren (a), Rückwärtsrollen mit Gegenstrombremse (b) und beim generatorischen Bremsen (c),
  • 2 schematisch eine Kommunikationsstruktur eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb und einem Datenbus,
  • 3 eine weitere Kommunikationsstruktur eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb und einem zusätzlichen Verteilerrechner.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt, welches zumindest zeitweise von einer elektrischen Maschine angetrieben wird. Es kann ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem elektrischen und vorzugsweise einem mechanischen Antriebsmotor sein. Dabei wird in bestimmten Fahrsituationen das Moment der elektrischen Maschine durch das Betätigen der Fahrzeugbremse unterstützt.
  • Eine solche Unterstützung erfolgt sinnvollerweise, wenn der elektrische Antrieb als sogenannte Gegenstrombremse arbeiten würde, also wenn sowohl durch eine Energiequelle (z.B. Batterie) als auch durch Einspeisung kinetischer Energie des Fahrzeugs ("Rückwärtsrollen") Energie in den Elektroantrieb flösse und dort in Wärme umgesetzt würde. In 1 ist aufgezeigt, welche Energieflussvarianten in einem bevorzugten Fahrzeug auftreten können.
  • Im normalen Fahrbetrieb erhält der elektrische Fahrantrieb Energie von der Energiequelle, z.B. einer Batterie, und treibt damit das Rad an (1a, oberstes Bild).
  • Beim generatorischen Bremsen wird die kinetische Energie des Rades über den elektrischen Antrieb der Energiequelle zugeführt und kann dort gespeichert werden (1c, unteres Bild).
  • Beim Rückwärtsrollen mit sogenannter „Gegenstrombremse" speist das Rad Energie in den elektrischen Antrieb zurück. Soll das Fahrzeug sich nicht bewegen, muss der elektrische Antrieb von der Energiequelle bestromt werden (1b, mittleres Bild). Dieser Betriebsfall ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Rad als auch die Energiequelle in den elektrischen Antrieb Energie speisen und dieser dadurch erhitzt wird.
  • Das "Halten am Berg" ist ein Grenzfall der Gegenstrombremse mit der Drehzahl Null. Bei Vorwärtsfahrt ist die Drehzahl größer Null, beim Rückwärtsrollen unterschreitet die Drehzahl Null. Gemäß der Erfindung wird insgesamt der elektrische Fahrantrieb immer durch eine Bremse ersetzt, wenn ansonsten zwar elektrische Leistung in den Antrieb eingespeist würde, aber dabei keine positive mechanische Leistung entstünde.
  • Besonders zweckmäßig lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine geeignete Kommunikationsstruktur in einem Fahrzeug implementieren.
  • In 2 ist eine Kommunikationsstruktur eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb dargestellt, wobei ein Bussystem 1 verschiedene Komponenten, etwa Sensoren 2.1, 2.2, und Steuergeräte 3.1, 3.2 verbindet und digitale Signale zwischen den Sensoren 2.1, 2.2 und Steuergeräten 3.1, 3.2 überträgt. Selbstverständlich können auch weitere Komponenten an dem Datenbus 1, etwa weitere Sensoren, Aktoren oder Steuergeräte angeschlossen sein.
  • Ein Fahrpedalsensor 2.1 und ein Bremspedalsensor 2.2 sind über den Bus 1 mit dem Elektroantriebssteuergerät 3.1 und dem Bremssteuergerät 3.2 verbunden. Zwischen den Steuergeräten 3.1, 3.2 besteht eine monokausale funktionale Verbindung, indem z.B. beim Bremsen ein Teil der Bremsleistung zur Rekuperation mit dem Elektroantrieb realisiert wird. Die elektrische Maschine fungiert dann als Generator und speichert die Bremsenergie zumindest teilweise als elektrische oder mechanische Energie in einem Energiespeicher, etwa einer Batterie, einem Superkondensator oder einem Schwungrad.
  • Bei Stillstand oder Rückwärtsrollen des Fahrzeugs und betätigtem Fahrpedal wird die Fahrzeugbremse so stark betätigt, dass das Fahrzeug gerade den Stillstand beibehält bzw. über das Fahrpedal kontrolliert rückwärts rollt. Dabei kann vor der Betätigung das Bremspedal betätigt worden sein, oder das Fahrpedal vom Zustand einer hohen Lastanforderung zu einer geringeren Leistungsanforderung entlastet worden sein.
  • Wird dann das Fahrpedal wieder stärker betätigt, löst der elektrische Antrieb die Bremse ab und beschleunigt das Fahrzeug. Das Fahrzeug wird also zunächst durch die Fahrzeugbremse gehalten. Erst bei Überschreiten der zum Anfahren notwendigen Drehmomentanforderung wird die Bremse gelöst und ein entsprechendes Drehmoment vom elektrischen System geliefert. Durch die sich dann einstellende Beschleunigung des Fahrzeugs wird schnell eine Drehzahl erreicht, bei der das System dauerhaft mit dem vollen Drehmoment belastbar ist. Bei einem System, welches kein Fahrpedal aufweist, sondern die Leistungsanforderung an den Antrieb über andere Stellgrößen statt einem Fahrpedalweg ermittelt wird, ist dies entsprechend anzuwenden.
  • In elektrischen oder Hybridfahrzeugen wird häufig eine Funktion „Halten am Berg" oder eine Begrenzung der Rückwärts-Rollgeschwindigkeit gefordert. Mehrsträngige Elektroantriebe können jedoch üblicherweise bei niedrigen Drehzahlen nicht dauernd mit dem Nenndrehmoment belastet werden, da in diesem Falle der gesamte Motorstrom nur über ein Strang fließen kann und dieser dadurch überhitzt würde. Insbesondere die Leistungselektronik kann nur wenige 10 msec mit dem vollen Nennstrom beaufschlagt werden.
  • Befindet sich das Fahrzeug in einer derartigen Fahrsituation, so gibt der Fahrpedalsensor 2.1 ein Signal über den Datenbus 1, sobald das Fahrpedal betätigt wird, und dieser überträgt das Signal an das Steuergerät 3.1. Zweckmäßigerweise ist der Sensor 2.1 so ausgestaltet, dass er in der Lage ist, selbst ein digitales Ausgangssignal an den Bus 1 abzugeben, welches der Leistungsanforderung des Fahrers an den Antrieb entspricht. Das Steuergerät 3.1 vergleicht die Leistungsanforderung des Fahrers, bzw. die Fahrpedalstellung, mit Betriebsparametern des Fahrzeugs, vorzugsweise mit der Drehzahl der elektrischen Maschine. Liegt die Drehzahl im Bereich "Halten am Berg" oder "Rückwärtsrollen", wird bei erstmaligem oder erneutem Betätigen des Fahrpedals im Sinne einer Erhöhung der Leistungsanforderung zunächst die Fahrzeugbremse betätigt. Dazu wird vom Steuergerät 3.1 ein Signal über den Datenbus 1 an das Bremssteuergerät 3.2 gegeben und ein Bremsaktor ausgelöst. Gibt der Fahrer eine Beschleunigung durch stärkeres Betätigen des Fahrpedals vor, wird die Bremse gelöst und das Fahrsignal im Elektroantrieb in Drehmoment umgesetzt.
  • Das Betätigen der Fahrzeugbremse gewährleistet die Haltefunktion am Berg oder die Begrenzung der Rückwärts-Rollgeschwindigkeit, ohne dass die elektrische Maschine das Fahrzeug halten muss. Daher fließt durch die Stränge der Maschine kein Strom. Erst bei entsprechend stärkerem Durchdrücken des Fahrpedals wird ein Drehmoment im Elektromotor aufgebaut, das dann nach Lösen der Bremse eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs bewirkt. Bei Rückwärtsfahrt kann dieser Ablauf sinngemäß angewendet werden.
  • 3 zeigt eine Kommunikationsstruktur entsprechend der in 2. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In 2 ist zusätzlich ein Verteilerrechner 3.3 aufgeführt, der an den Datenbus 1 angeschlossen ist. Der Verteilerrechner 3.3 übernimmt die Erkennung der Fahrzustände "Halten am Berg" oder "Rückwärtsrollen" und steuert in Abhängigkeit davon die Verteilung der Drehmomente auf die Fahrzeugbremse und den Elektroantrieb.
  • Dieser Teil der Fahrfunktion beinhaltet den Zustand „Halten am Berg" und „Rückwärtsrollen" und gibt diesen Teil der Fahrfunktion an das Bremssteuergerät 3.2 weiter und bildet diese Funktionen dort ab. Dieser Verteilerrechner 3.3 kann je nach Ausprägung des Systems mit einem der etwaig vorhandenen weiteren Steuergeräte des Fahrzeugs kombiniert werden.
  • Die Erfindung ist besonders für Fahrzeuge geeignet bei denen sog. „brake-by-wire" Systeme zum Einsatz kommen. Als elektrische Maschinen sind dabei verschiedene Elektromotortypen günstig, namentlich sog. geschaltete Reluktanzmaschinen, permanent erregte Synchronmaschinen uns Asynchronmaschinen.
  • Besonders zweckmäßig ist es, einen Neigungssensor im Fahrzeug vorzusehen, der beim Erkennen von Steigungen oder Gefälle beim Stillstand der Antriebseinheit des Fahrzeug die Bremsfunktion des Fahrzeugbremse in Gang setzt, um ein ungewolltes Rückwärtsrollen oder Vorwärtsrollen zu unterbinden, wenn das Fahrzeug eigentlich dem Fahrerwunsch entsprechend zum Halten kommen soll. Dies kann zusätzlich oder parallel zur Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer erfolgen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit, einem Fahrpedal sowie einer Fahrzeugsbremse, wobei das Fahrzeug zumindest zeitweise von einer elektrischen Maschine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der Drehzahl Null der elektrischen Maschine beim erstmaligen oder erneuten Betätigen des Fahrpedals zunächst die Fahrzeugbremse betätigt wird und erst bei Überschreitung des Haltemoments der elektrische Antrieb bei gleichzeitigem Lösen der Bremse Drehmoment liefert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Rückwärtsrollen des Fahrzeugs ohne Antrieb oder bei Stillstand der Antriebseinheit eine Betätigung des Fahrpedals zunächst eine Betätigung der Fahrzeugbremse bewirkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungssensor die Fahrzeugneigung erfasst und beim Erkennen von Steigungen oder Gefälle beim Stillstand der Antriebseinheit des Fahrzeugs die Fahrzeugbremse das Fahrzeug bremst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbremse elektrisch aktiviert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verteilerrechner (3.3) zumindest einen Teil der Haltebremsfunktion auf die Bremse abbildet und eine Fahrfunktion erkennt und nach Lösen der Bremse an das Fahrsteuergerät weitergibt und dort abbildet.
DE10240266A 2002-08-31 2002-08-31 Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit Withdrawn DE10240266A1 (de)

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DE102020131439A1 (de) 2020-11-27 2022-06-02 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zur Realisierung einer Haltefunktion in einem Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt
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