DE4446219A1 - Kraftfahrzeug mit mehreren Elektromotoren - Google Patents

Kraftfahrzeug mit mehreren Elektromotoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkma­ len. Ein derartiges Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der DE-OS 42 25 080 bekannt. Hier sind mehrere Elektromo­ toren für den Antrieb von Rädern vorgesehen, wobei die Räder unterschiedlichen Fahrzeugachsen zugeordnet sind. Die Motoren sind über eine Steuereinrichtung derart steu­ erbar, daß sowohl ein Antrieb des Fahrzeugs als auch ein Bremsen mit Energierückgewinnung erfolgen kann. Es werden sowohl die Drehzahl, das Drehmoment und die Drehrichtung der Motoren überwacht, und es sind ABS-Algorithmen vorge­ schlagen worden. Somit soll das Bremsverhalten optimiert werden, worin auch herkömmliche mechanische Bremsen ein­ bezogen sind.
Das generatorische Bremsen von Kraftfahrzeugen unter Nut­ zung ihrer Elektro-Antriebsmotoren ist im Sinne einer Energieoptimierung üblich. Zurückgewonnene Energie wird einer Batterie zugeführt, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird. Ist die Batterie voll geladen, kann die zurückgewonnene Energie nur über elektrische Widerstände verbraucht werden, was als Widerstandsbrem­ sung bezeichnet wird (Beispiel: DE-PS 30 32 603).
Wie auch in der DE-OS 42 36 093 angegeben, stehen bei den Konzepten für Elektro-Fahrzeuge Energieaspekte im Vorder­ grund, wobei eine wesentliche Aufgabe immer darin be­ steht, ein geringes Fahrzeuggewicht zu erreichen und ein optimiertes Energiemanagement sowohl beim Antrieb als auch beim Bremsen zu gewährleisten. Dies konnte jedoch noch nicht optimiert realisiert werden. Sowohl die An­ triebsmotoren als auch die Batterien und die mechanischen Bremsen sind noch größer dimensioniert als dies erforder­ lich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug, das über Elektromotoren angetrieben wird, zu schaffen, wobei ein optimiertes Energiemanagement bei geringer Fahrzeugmasse erreicht werden soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das Kraftfahrzeug nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aus. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 aufgeführt.
Es sind mehrere Elektromotoren für den Antrieb von Rädern vorgesehen, welche unterschiedlichen Fahrzeugachsen zuge­ ordnet sind. Über eine Steuereinrichtung sind die Elek­ tromotoren sowohl in Drehzahl, Drehmoment und Drehrich­ tung überwachbar als auch derart unabhängig voneinander ansteuerbar, daß sie im Antriebsbetrieb, im generatori­ schen Bremsbetrieb mit Energierückgewinnung und im gegen­ motorischen Bremsbetrieb arbeiten. Sowohl beim normalen Antriebsbetrieb als auch beim gegenmotorischen Bremsbe­ trieb ist eine Energieeinspeisung in die jeweiligen Moto­ ren erforderlich. Gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen der genannten Art vergrößert sich die von den Elektromo­ toren auf die Räder übertragbare Bremsleistung, so daß zusätzlich vorhandene mechanische Bremsen kleiner dimen­ sioniert werden können als bisher üblich.
Die Räder verschiedener Achsen werden meist mit unter­ schiedlichen Bremsmomenten beaufschlagt. Somit ist es oftmals möglich, die Elektromotoren zum Antrieb von un­ terschiedlichen Achsen zugehörenden Rädern in einer un­ terschiedlichen Betriebsart zu betreiben. Zumindest ein Motor für die Vorderachsräder kann gegenmotorisch brem­ sen, während zumindest ein Motor für die Hinterachsräder generatorisch bremst oder umgekehrt. Die beim generatori­ schen Bremsen zurückgewonnene Energie kann direkt dem gegenmotorisch bremsenden Motor zugeführt werden. Das genannte Steuergerät optimiert diese Energieverteilung und setzt nur dann zusätzlich elektrische Leistung aus der Batterie ein, wenn dies erforderlich ist. Die genera­ torisch gewonnene Energie wird nicht erst in die Batterie eingespeist, um mit Verlusten in chemische Energie gewan­ delt und dann gleich wieder entnommen zu werden. Alle in Betrieb befindlichen elektrischen Verbraucher werden di­ rekt mit generatorisch gewonnener Energie versorgt, bis diese vollständig verbraucht ist. Nur wenn diese zurück­ gewonnene elektrische Energie den Bedarf übersteigt, wird sie der Batterie zugeführt. Falls diese Energiemenge den Bedarf nicht deckt, wird der Batterie zusätzlich elektri­ sche Energie entnommen. Als elektrische Verbraucher wer­ den vorrangig die im gegenmotorischen Bremsbetrieb arbei­ tenden Antriebsmotoren und Heiz- und Belüftungseinrich­ tungen des Kraftfahrzeug berücksichtigt.
Die Steuereinrichtung der Elektromotoren wird in an sich bekannter Weise mit Sollwerten beaufschlagt, die ein Fah­ rer des Fahrzeugs bestimmt, indem ein Fahr- und/oder Bremspedal (bzw. -schalter) betätigt wird. Zusätzlich ist eine Signalverbindung zwischen dem Steuergerät und einem Bremssteuergerät vorgesehen, das die gesamte Fahrzeug­ bremsung steuert und überwacht. Das Bremssteuergerät aktiviert einerseits die mechanischen Bremsen des Fahr­ zeugs, wenn dies erforderlich ist. Andererseits wird die gesamte Bremsleistung, die von den Elektromotoren und ge­ gebenenfalls den mechanischen Bremsen erzeugt wird, opti­ miert und überwacht, wobei auch das Blockieren der Räder in möglichst allen Betriebszuständen ausgeschlossen wird. Da das Motor- und das Bremsmanagement hier in sehr engem Zusammenhang stehen, kann nur ein Steuergerät sowohl die Antriebssteuerung als auch die gesamte Bremssteuerung übernehmen. Damit ist dann das eingangs genannte Steuer­ gerät mit dem Bremssteuergerät in einem Gerät kombiniert.
Das Bremssteuergerät bzw. das einheitliche Antriebs- Brems-Steuergerät bildet sowohl den Sollwert für die Bremskraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugachsen als auch Sollwerte für die Bremskräfte der einzelnen Räder. Entsprechend der Vorgaben werden die Elektromotoren ange­ steuert und eine optimierte Energieverteilung wird vor­ genommen. Beim Bremsen nicht benötigte zurückgewonnene Energie wird einem Stromkreis, der die anderen elektri­ schen Verbraucher beinhaltet, zugeführt, dort verbraucht bzw. von dort aus der Batterie zugeführt.
Dadurch daß eine gegenüber bekannten Elektrofahrzeugen verstärkte elektromotorische Bremsung möglich ist, werden mechanische Bremsen weniger beansprucht und können leich­ ter dimensioniert werden. Generatorisch beim Bremsen zu­ rückgewonnene Energie wird wirtschaftlicher genutzt als bisher.
Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an­ hand eines Ausführungsbeispiels. Die zugehörige Figur zeigt ein Antriebs-Brems-System eines Kraftfahrzeugs nach der Erfindung in schematischer Darstellungsweise.
In der Figur ist ein Kraftfahrzeug in den Umrissen ge­ zeigt, welches vier auf zwei Achsen 1, 2 verteile Räder 3-6 aufweist. Jeweils ein Elektromotor 7, 8 ist für den Antrieb der Räder 3-6 jeder Achse 1, 2 vorgesehen. Je­ dem Elektromotor 7, 8 sind Getriebe 9, 10 (bzw. ein Dif­ ferential) zugeordnet, und Antriebsdrehmomente sind durch Übertragungsmittel, die nur angedeutet sind, auf die Rä­ der 3-6 übertragbar. Ein Energiespeicher 11 ist im Bei­ spiel zwischen den Achsen 1, 2 angeordnet. Er wird im folgenden als Batterie 11 bezeichnet. Durch den reversi­ blen Prozeß der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ist der Batterie 11 sowohl elektri­ sche Energie entnehmbar als auch in diese einspeisbar. Die an sich bekannten Prozesse dieser Energieumwandlungen sind jedoch verlustbehaftet.
Jedem Rad 3-6 des Kraftfahrzeugs sind mechanische Brem­ sen 12-15 zugeordnet, an die Radsensoren angekoppelt sind. Die Bremsen 12-15 können auf beliebige Weise be­ tätigt werden, wobei die Radsensoren Signale über die Bremswirkung liefern. Diese Signale liegen auch bei nichtbetätigten mechanischen Bremsen 12-15 vor und können ausgewertet werden.
In der Figur sind des weiteren einige ausgewählte elek­ trische Verbraucher des Kraftfahrzeugs angedeutet. Dies sind speziell Frontscheinwerfer 16, 17, Rückleuchten 18, 19 und eine Heizungs- und Belüftungsanlage 20.
Zur Realisierung eines optimierten Energiemanagements ist eine Steuereinrichtung 21 für die Elektromotoren 7, 8 vorgesehen, die mit einem Bremssteuergerät 22 kombiniert ist. Sollwerte für den Betrieb des Kraftfahrzeugs sind über Fahrpedale 23 (bzw. -schalter) vom Fahrzeugführer vorgebbar.
Soll das Fahrzeug positiv beschleunigt oder mit konstan­ ter Geschwindigkeit bewegt werden, wird ein entsprechen­ der Befehl (verdeutlicht durch Pfeil 24) vom Fahrpedal 23 an die Steuereinrichtung 21 übermittelt. Positive Be­ schleunigung kann sowohl in Vorwärts- als auch in Rück­ wärtsrichtung erfolgen. Sie hat einen Anstieg der Fahrge­ schwindigkeit zur Folge, wobei Energie verbraucht wird, was im allgemeinen (ausgenommen eventuell Bergabfahrt) auch dann gilt, wenn ein Befehl zur Konstanthaltung der Geschwindigkeit übertragen wird. Auf Befehl der Steuer­ einrichtung 21 wird der Batterie 11 elektrische Leistung nach Bedarf entzogen (verdeutlicht durch die Pfeile 25). Diese elektrische Leistung wird zu den Elektromotoren 7, 8 übertragen (verdeutlicht durch Pfeile 26, 27 in Rich­ tung der Motoren 7, 8). Es kann eine festgelegte, aber auch eine variable Leistungsverteilung an die Motoren 7, 8 vorgesehen sein, was beispielsweise von der Achslast­ verteilung abhängig zu machen ist. Achslastsensoren kön­ nen in die Steuerung einbezogen werden.
Die elektrische Leistung wird von den Antriebsmotoren 7, 8 in mechanische Leistung gewandelt und an die Räder 3-6 übertragen. Da diese Art des Fahrzeugantriebs an sich bekannt ist, wird hierauf nicht detaillierter eingegan­ gen.
Befehle zur Verringerung der aktuellen Fahrgeschwindig­ keit (negative Beschleunigung) werden ebenfalls von Fahr­ pedalen 23 an die Steuereinrichtung 21 übermittelt. Gleichzeitig wird der Bremsbefehl über eine interne Da­ tenverbindung an das Bremssteuergerät 22 übertragen. Ent­ sprechend einer optimierten Bremskraftverteilung auf die Achsen 1, 2 werden Steuerbefehle (verdeutlicht durch die Pfeile 28, 29) an die Elektromotoren 7, 8 weitergeleitet. Je nach Bremsleistungsbedarf können die Elektromotoren 7, 8 entweder als Generator mechanische in elektrische Ener­ gie wandeln oder aber auch auf gegenmotorischen Antrieb geschaltet werden. Im ersten Fall ist die zurückgewonnene Energie (verdeutlicht durch die Pfeile 30, 31) im Fahr­ zeug verwertbar, im zweiten Fall muß dem jeweils gegenmo­ torisch arbeitenden Motor 7, 8 Energie zugeführt werden (Pfeile 26, 27). Im Gegensatz zum normalen elektromotori­ schen Antrieb hat ein Drehfeld bei gegenmotorischem An­ trieb eine zur Drehrichtung des Rotors entgegengesetzte Drehrichtung. Dabei ist, je nach Höhe der zugeführten elektrischen Leistung (Pfeile 26, 27), das erreichbare Bremsmoment höher als bei einem generatorischen Betrieb des Motors 7, 8.
Somit ist es nunmehr möglich, mehrere Elektromotoren 7, 8 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs unabhängig voneinander in drei unterschiedlichen Betriebszuständen zu betreiben. Zum positiven Beschleunigen des Fahrzeugs wird elektri­ sche Leistung aus der Batterie 11 verbraucht. Beim nega­ tiven Beschleunigen (Bremsen) kann ebenfalls Energie ver­ braucht werden oder aber es wird Energie zurückgewonnen.
Für den Fall, daß über zumindest einen Motor 7 oder 8 Energie zurückgewonnen wird, wird diese nicht der Batte­ rie 11 zugeführt oder über einen elektrischen Widerstand verbraucht, sondern diese elektrische Leistung wird an andere Verbraucher verteilt. Vorzugsweise wird die zu­ rückgewonnene elektrische Leistung den Motoren 8 oder 7 zugeführt, die einen Leistungsbedarf aufweisen, also im gegenmotorischen Bremsbetrieb arbeiten. Ebenso ist es möglich, andere Verbraucher, wie die Heizungs- und Belüf­ tungsanlage 20 oder die Lichtanlage 16-19, mit genera­ torisch gewonnener Energie zu versorgen.
Ein Stromkreis 32 der übrigen elektrischen Verbraucher ist in der Figur nur andeutungsweise dargestellt. Die beim Motorbetrieb überschüssige elektrische Leistung wird an diesen Stromkreis übertragen (verdeutlicht durch Pfei­ le 33), wobei dort nicht benötigte elektrische Leistung der Batterie 11 zugeführt wird (Pfeile 34). Deckt die überschüssige elektrische Leistung der Antriebsmotoren 7, 8 den Bedarf des Stromkreises 32 nicht, kann hier zusätz­ liche elektrische Leistung der Batterie entnommen werden (Pfeile 35). Bevor elektrische Leistung der Batterie 11 zugeführt wird (Pfeile 34) oder wenn diese voll aufgela­ den ist, wird der gesamte Energiebedarf des Fahrzeugs ge­ deckt. Gegebenenfalls kann auch elektrische Leistung außerhalb der Batterie 11 gespeichert werden. Beispielswei­ se kann ein Heizkern der Heizungs- und Belüftungsanlage 20 stark aufgeheizt werden, was in der Anlage 20 durch entsprechende Klappensteuerung auszugleichen ist. Danach kann die Heizungsanlage 20 längere Zeit ohne Energiezu­ fuhr zum Heizen betrieben werden. Ist der Leistungsbedarf der gesamten elektrischen Anlage voll gedeckt und die Batterie 11 voll aufgeladen, kann ein Motor 7 oder 8 grundsätzlich von generatorisch gewonnener elektrischer Leistung zum gegenmotorischen Bremsen betrieben werden, auch wenn vom Bremsleistungsbedarf her kein gegenmotori­ sches Bremsen erforderlich wäre.
Die mechanischen Bremsen 12-15 des Fahrzeugs kommen nur dann zum Einsatz, wenn die von den Motoren 7, 8 aufzu­ bringende Bremsleistung nicht den Bremsleistungsbedarf deckt. Die über die Pedale 23 vorgegebenen Bremsbefehle entsprechen einer gewünschten Verzögerung. Die vom Fahr­ zeugführer vorgegebene Bremsung ist über die Radsensoren (Pfeile 36) und ein dem Bremssteuergerät 22 zuzuführendes Geschwindigkeitssignal kontrollierbar. Ein Blockieren der Räder 3-6 wird durch entsprechende Ansteuerung der Motoren 7, 8 verhindert. Bei hohem Bremsleistungsbedarf werden die mechanischen Bremsen 12-15 zusätzlich ange­ steuert (verdeutlicht durch Pfeile 37). Drei Varianten der Bremssteuerung sind vorwählbar:
  • 1. Zur Erreichung der maximal möglichen Bremsleistung der Motoren 7, 8 kann elektrische Leistung aus der Batterie 11 entnommen werden, wobei die mechanischen Bremsen 12-15 maximal geschont werden.
  • 2. Es wird nur generatorisch gewonnene elektrische Lei­ stung zum gegenmotorischen Bremsen eines Motors 7 oder 8 benutzt. Der übrige Bremsbedarf wird von den mechanischen Bremsen 12-15 gedeckt.
  • 3. Im Energiesparbetrieb wird durch die Motoren 7, 8 ausschließlich generatorisch gebremst. Die mechani­ schen Bremsen 12-15 werden relativ hoch belastet.
Anhand eines kurzen Zahlenbeispiels zur Bremssteuervari­ ante 2. soll das weiter oben ausgeführte verdeutlicht werden:
Das Fahrzeug hat entsprechend einer bestimmten Achslast­ verteilung und -verlagerung beispielsweise einen Brems­ leistungsbedarf an der Vorderachse 1 von Pv = 29,5 kW und einen Bremsleistungsbedarf an der Hinterachse 2 von Ph = 15,8 kW. Die Räder 5, 6 der Hinterachse 2 werden gegenmo­ torisch gebremst, wozu der Motor 8 einen Leistungsbedarf von etwa Pel-h = 17,2 kW hat. Die Räder 3, 4 der Vorder­ achse 1 werden generatorisch derart gebremst, daß die zu­ rückgewonnene elektrische Leistung Pel-v den Leistungsbe­ darf Pel-h des Motors 8 deckt. Etwa 18,7 kW Bremsleistung sind so vorne zu erzeugen, wobei die 17,2 kW elektrische Leistung für den Motor 8 im Motor 7 zurückgewonnen wer­ den. Die fehlenden 10,8 kW Bremsleistung für die Räder 3, 4 der Vorderachse 1 müssen von den mechanischen Bremsen 12, 13 aufgebracht werden.
Einem anderen Steuerungsbeispiel könnte die Hinterachse 2 vollständig generatorisch vom Motor 8 gebremst werden, wobei etwa 14,5 kW elektrische Leistung Pel-h freiwerden. Damit ist über den Motor 7 eine gegenmotorische Bremslei­ stung für die Vorderachse 1 von etwa 13,4 kW erzeugbar. Die fehlende Bremsleistung (16,1 kW) ist von den mechani­ schen Bremsen 12, 13 aufzubringen.
Je nach Ladezustand der Batterie 11, Stromverbrauch in der elektrischen Anlage des Fahrzeugs, Straßen- und Last­ verhältnissen sind diverse Steuerungsvarianten aus führ­ bar, die sich dadurch ergeben, daß die Motoren 7, 8 so­ wohl generatorisch als auch gegenmotorisch Bremsleistung auf die Räder 3-6 übertragen können.
In anderer, nicht gezeigter Ausführung der Erfindung kön­ nen auch einzelne Räder von zugehörigen Elektromotoren angetrieben werden. Beispielsweise können die Räder der Vorderachse jeweils mit Einzelradantrieben ausgerüstet sein, und die Räder der Hinterachse werden von nur einem Motor gemeinsam angetrieben bzw. gebremst. Ebenso ist es möglich, nur einen Antriebsmotor für beide Vorderräder und jeweils einen Motor für jedes Hinterrad vorzusehen oder auch alle vier Räder mit Einzelradantrieben auszu­ rüsten. In jedem Falle werden die drei bzw. vier Elektro­ motoren unabhängig voneinander in den drei möglichen Betriebsarten angesteuert. Somit kann das Antriebssystem besser als bekannte Ausführungen zur Unterstützung der Fahrzeuglenkung, einer Traktionskontrolle und eines Antiblockiersystems eingesetzt werden, wobei das Energie­ management sehr variabel optimierbar ist. Elektronische Motorsteuerungen besitzen die Möglichkeit, sehr schnell auf geänderte Betriebsverhältnisse durch geänderte Motor­ ansteuerung zu reagieren.

Claims (6)

1. Kraftfahrzeug mit mehreren Elektromotoren (7, 8) für den Antrieb von Rädern (3-6), die einer oder meh­ reren Fahrzeugachsen (1, 2) zugeordnet sind, mit zu­ mindest einer Batterie (11) und mit einer Steuerein­ richtung (21, 22) zur Einstellung und Überwachung von Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment der Elek­ tromotoren (7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotoren (7, 8) durch die Steuereinrichtung (21, 22) unabhängig voneinander auf einen Antriebs­ betrieb, auf einen generatorischen Bremsbetrieb mit Energierückgewinnung oder auf einen gegenmotorischen Bremsbetrieb einstellbar sind.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die im generatorischen Bremsbetrieb eines Elektromotors (7, 8) gewonnene elektrische Leistung anderen elektrischen Verbrauchern (7, 8, 16-20) im Kraftfahrzeug zuführbar und/oder in der Batterie (11) speicherbar ist, wobei als elektrischer Ver­ braucher (7, 8, 16-20) vorzugsweise im Antriebsbe­ trieb oder im gegenmotorischen Bremsbetrieb arbei­ tende Elektromotoren (7, 8) Berücksichtigung finden.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß neben den vorzugsweise anzusteuernden Elek­ tromotoren (7, 8) im Antriebsbetrieb oder gegenmoto­ rischen Bremsbetrieb als weitere elektrische Ver­ braucher Heiz- und Belüftungseinrichtungen (20) und Beleuchtungseinrichtungen (16-19) mit generatori­ sch gewonnener elektrischer Leistung versorgt wer­ den.
4. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21, 22) die generatorisch durch zumindest einen Elektromotor (7, 8) gewonnene elektrische Leistung vorrangig vor der in der Batterie (11) gespeicherten elektrischen Leistung an die elektrischen Verbraucher (7, 8, 16-20) verteilt.
5. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21) eine Signalverbindung zu einem Bremssteuergerät (22) des Kraftfahrzeugs aufweist.
6. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vom Bremssteuergerät (22) sowohl eine Bremskraftverteilung auf die verschiedenen
Fahrzeugachsen (1, 2) als auch auf die einzelnen Rä­ der (3-6) regelbar ist, wobei das Fahrzeug sowohl über die Elektromotoren (7, 8) als auch durch mecha­ nische Radbremsen (12-15) abbremsbar ist.
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