Beschreibung
Titel
Elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung.
Stand der Technik
Bei Wirbelstrombremsen werden meist ein Rotor und ein zugehöriger Stator eingesetzt, wobei in dem Rotor durch dessen Drehung Wirbelströme erzeugt werden können, die dann ein Bremsmoment erzeugen können.
Wirbelstrombremsen haben üblicherweise einen Stator mit einer Erregerspule, wobei im Rotor dann Wirbelströme fließen können und damit im Rotor kinetische Energie in Wärme verwandelt werden kann. Die Wirbelströme werden im Leiter induziert, die ihrerseits eigene, dem äußeren Magnetfeld gemäß der Lenzschen Regel entgegengesetzte Induktionsspannungen und folglich wiederum eigene Magnetfelder erzeugen können, die die Bewegung des Leitermaterials schlussendlich abbremsen können.
Üblicherweise können in Fahrzeugen zwei unterschiedliche Komponenten für Traktion und Bremsen vorhanden sein, etwa eine elektrische Maschine und eine Bremse als separate Elemente. Die elektrische Maschine kann dabei zusätzlich zum Antrieb auch für eine Rekuperation genutzt und damit zum Bremsen verwendet werden. Für den Fall, dass die elektrische Maschine bei Drehzahlen verwendet wird, welche größer sind als die Eckdrehzahl der Maschine, kann diese Maschine dann ein geringeres maximales Drehmoment haben, wobei dann nicht das volle Drehmoment als Bremsmoment über den gesamten Drehzahlbereich zur Verfügung steht.
Die DE 10 2014210 444 Al beschreibt ein Elektrofahrzeug mit einem Retarder, der mit einem Rad mechanisch verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung nach Anspruch 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung anzugeben, wobei die elektrische Maschine im Betrieb oberhalb einer Eckdrehzahl beim Bereitstellen eines Bremsmoments am Fahrzeug durch eine Wirbelstrombremse unterstützt werden kann um dadurch ein solches Gesamtbremsmoment erzeugen zu können, wie dies dem maximalen Bremsmoment der elektrischen Maschine unterhalb der Eckdrehzahl entspricht.
Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug eine elektrische Maschine; eine Antriebswelle, welche mit der elektrischen Maschine verbunden ist und durch welche die elektrische Maschine mit
zumindest einem Antriebsrad des Fahrzeugs verbindbar ist; eine Wirbelstrombremse, welche an der Antriebswelle angeordnet ist; und eine Steuereinrichtung, welche mit der elektrischen Maschine und mit der Wirbelstrombremse verbunden ist, und mit welcher in einem Drehzahlbereich der elektrischen Maschine oberhalb einer Eckdrehzahl ein erstes Bremsmoment der elektrischen Maschine durch ein zweites Bremsmoment von der Wirbelstrombremse ergänzbar ist.
Die Antriebswelle kann sich durch die elektrische Maschine hindurch erstrecken, etwa von einer zweiten Seite, an welcher ein Getriebe an der Antriebswelle angeordnet sein kann bis zu der ersten Seite, welche dem Getriebe abgewandt sein kann. An der ersten Seite kann sich die Antriebswelle auch über die elektrische Maschine um eine vorbestimmte Distanz hinwegerstrecken, an welcher dann die Wirbelstrombremse angeordnet sein kann. Dabei kann die Wirbelstrombremse einen Rotor umfassen, der drehfest mit der Drehachse verbunden sein kann und sich mit dieser mitdrehen kann. Die Verbindung der elektrischen Maschine mit zumindest einem Rad kann über die zweite Seite und das Getriebe realisiert sein.
Die Wirbelstrombremse kann dabei vorteilhaft derart ausgelegt und dimensioniert sein, dass sie in jenem Drehzahlbereich, in dem die elektrische Maschine nicht das maximale Bremsmoment stellen kann, die Differenz zwischen dem möglichen und dem Maximalwert des Bremsmoments erzeugen kann. Dabei ist als „mögliches“ Bremsmoment jenes Bremsmoment gemeint, welches bei der momentanen Drehzahl der Maschine von dieser maximal erzeugt werden kann, oder auch geringer als dieses. Im Bereich oberhalb der Eckdrehzahl ist dieses geringer als das maximale Bremsmoment (aus Rekuperation), wobei unterhalb und an der Eckdrehzahl das mögliche Bremsmoment auch das maximale (Maximalwert) Bremsmoment der elektrischen Maschine, oder geringer, sein kann. Der Maximalwert des Bremsmoments der elektrischen Maschine kann dabei jenes Bremsmoment sein, welches die elektrische Maschine unterhalb und an der Eckdrehzahl maximal erzeugen kann. Oberhalb der Eckdrehzahl muss somit das bei dieser Drehzahl mögliche Bremsmoment der Maschine ergänzt werden, um ein Gesamtbremsmoment gleich dem Maximalwert erzeugen zu
können. Diese Differenz kann durch eine Wirbelstrombremse erzeugt (kompensiert) werden.
Auf diese Weise ist es möglich, durch eine Kombination aus einer elektrischen Maschine und einer sehr kleinen kompakten Wirbelstrombremse über den kompletten Drehzahlbereich das volle Bremsmoment in der Höhe des Maximalwerts des Bremsmoments der elektrischen Maschine abzurufen oder darüber.
Das zum Bremsen erzeugbare Drehmoment der elektrischen Maschine unterhalb der Eckdrehzahl kann auch geringer ausfallen, als das situationsbedingte Bremsmoment erfordert.
Des Weiteren kann die Wirbelstrombremse auch schon bei kleineren Drehzahlen als bei der Eckdrehzahl ein Bremsmoment erzeugen und das Bremsmoment von der elektrischen Maschine ergänzen.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Wirbelstrombremse größer auslegt sein kann als zur Erzeugung des maximalen Gesamtbremsmoments nötig, um im Falle eines Fehlers in der elektrischen Maschine noch ausreichend Bremsmoment zur Verfügung zu haben, wobei sich das Ausreichende auf die jeweilige Momentsituation stützen kann und adaptiv bewertet werden kann oder im Vorfeld bei der Herstellung der Wirbelstrombremse. Eine solche Auslegung kann unabhängig sein von der Lücke im Feldschwächebetrieb.
Durch die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung kann eine Wirbelstrombremse auf die Welle der elektrischen Maschine gesetzt werden und in Kombination mit der elektrischen Maschine als alleinige Bremse auf der Achse verwendet werden und damit die Hydraulikbremse ersetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung erstreckt sich die Antriebswelle an einer ersten Seite der elektrischen Maschine über diese hinaus, welche einem Getriebe abgewandt ist und auf dieser ersten Seite die Wirbelstrombremse an der Antriebswelle angeordnet ist.
Durch die Anordnung an der ersten Seite kann die Wirbelstrombremse vorteilhaft einfach austauschbar oder zumindest einfach montierbar sein, etwa als Modul auf die Antriebswelle anbringbar. Dabei kann auch eine Kühlung der Wirbelstrombremse einfach von der ersten Seite aus realisierbar sein, etwa in Kombination mit einer Kühlvorrichtung der elektrischen Maschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung umfasst die Wirbelstrombremse einen Rotor, welcher drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist und Gusseisen umfasst.
Der Rotor kann vollständig aus Gusseisen ausgeformt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung umfasst die Wirbelstrombremse einen Rotor, welcher eine Beschichtung umfasst, die eine Oberfläche des Rotors bildet.
Die Beschichtung kann alle Oberflächen des Rotors bilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung umfasst die Beschichtung Kupfer und/oder Aluminium.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung entspricht eine elektrische Leitfähigkeit und/oder ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der Beschichtung, innerhalb eines Toleranzbereichs, jener elektrischen Leitfähigkeiten und/oder dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des Rotors.
Das Bremsmoment (Drehmoment zum Bremsen), welches die Wirbelstrombremse erzeugen kann, kann neben den geometrischen Abmessungen hauptsächlich von der Drehzahl und dem Material des Rotors abhängen. Daher kann mittels einer Auswahl geeigneter Materialeigenschaften, etwa für deren elektrische und magnetische Leitfähigkeit, die Drehzahl beeinflusst werden, bei welcher die Wirbelstrombremse ihr maximales Bremsmoment erzeugen kann. Da die elektrische und magnetische Eigenschaft der Wirbelstrombremse meist nicht beliebig kombiniert werden können, kann
vorteilhaft der Rotor aus Gusseisen mit guten magnetischen Eigenschaften und einer Beschichtung aus einem Material, etwa Kupfer oder Aluminium, mit einer an das Gusseisen passenden elektrischen Leifähigkeit aufgebaut sein. Des Weiteren kann berücksichtigt werden, dass ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Kompositstruktur aus Gusseisen und leitfähiger Schicht vorhanden sein können um eine mechanische Abhebung der Beschichtung von dem Rotor durch unterschiedliche Ausdehnungen bei den im Betrieb entstehenden hohen Temperaturhüben zu verhindern oder zumindest zu verringern. Unter „ähnlich“ kann dann verstanden werden, dass sich das Material der leitfähigen Schicht bei hohen Temperaturschwankungen nicht ablöst.
Eine Kombination von Eisen mit einem anderen Material (beim Rotor) ist möglich, um die Vorteile des Eisens (magnetische Leitfähigkeit) und des anderen Metalls (z.B. Kupfer mit guter elektrischer Leitfähigkeit) zu kombinieren. Dadurch kann mittels Eisen ein niedriger magnetischer Widerstand erreicht werden und mittels des anderen Metalls die elektrische Leitfähigkeit in der Oberfläche des Rotors so gewählt werden, dass die maximale Drehzahl am gewünschten Punkt liegt (je besser die Oberfläche des Rotors leitet, desto kleiner ist die Drehzahl, an der das Drehmoment maximal ist). Des Weiteren kann angestrebt sein, so hoch zu drehen, dass Gusseisen das passende Material sein kann und somit auf einen Verbund aus zwei Materialien verzichtet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung beträgt die Eckdrehzahl zwischen 4000 und 6000 Umdrehungen pro Minute.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung entspricht eine Summe aus ersten Bremsmoment und zweiten Bremsmoment einem maximal erzeugbaren Bremsmoment der elektrischen Maschine, welches durch die elektrische Maschine unterhalb der Eckdrehzahl erzielbar ist.
Das maximal erzeugbare Bremsmoment ist der bereits genannte Maximalwert des Bremsmoments, welcher unterhalb und an der Eckdrehzahl erzielbar sein kann. Dieses maximal erzeugbare Bremsmoment kann aber auch darüber oder darunter liegen, je nach Fahrzeug und Anforderung.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung; ein Ermitteln ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine eine Eckdrehzahl übersteigt; und ein Erzeugen eines ersten Bremsmoments durch die elektrische Maschine und eines zweiten Bremsmoments von der Wirbelstrombremse, wobei das erste Bremsmoment durch das zweite Bremsmoment zu einem Gesamtbremsmoment ergänzt wird.
Dabei kann davon ausgegangen werden, das die elektrische Maschine unterhalb und an der Eckdrehzahl den Maximalwert des Bremsmoments selbst erzeugen kann und dass oberhalb der Eckdrehzahl das Bremsmoment, welches die elektrische Maschine erzeugen kann geringer ist als der Maximalwert, dies wurde bereits als das mögliche Bremsmoment bezeichnet. Wenn ermittelt wird, dass die elektrische Maschine oberhalb der Eckdrehzahl betrieben wird, so kann die Wirbelstrombremse zusätzlich zum Erzeugen des Gesamtbremsmoments an dem Fahrzeug genutzt werden um vorteilhaft den Maximalwert erreichen zu können. Im Falle einer Notbremsung kann auch die Wirbelstrombremse maximal bestromt werden und somit ihr maximales Moment liefern und die elektrische Maschine die Dynamik, also Regelung/Steuerung des gesamt erforderlichen Drehmomentes übernehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Maximalwert des ersten Bremsmoments unterhalb der Eckdrehzahl der elektrischen Maschine ermittelt und wenn die elektrische Maschine oberhalb der Eckdrehzahl betrieben wird, wird das aktuelle erste Bremsmoment ermittelt und die Wirbelstrombremse derart betrieben, dass oberhalb der Eckdrehzahl eine Differenz zwischen dem aktuellen ersten Bremsmoment und dem Maximalwert des ersten Bremsmoments durch das zweite Bremsmoment ausgeglichen wird.
Dieser Schritt des Ergänzens der Bremsmomente kann jedoch auch unterhalb und/oder an der Eckdrehzahl erfolgen.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der elektrischen Antriebseinrichtung auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand den in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit des Bremsmoments an der elektrischen Antriebseinrichtung von der Drehzahl der elektrische Maschine;
Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die elektrische Antriebseinrichtung 10 für ein Fahrzeug F, umfasst eine elektrische Maschine EM; eine Antriebswelle AW, welche mit der elektrischen Maschine EM verbunden ist und durch welche die elektrische Maschine EM mit zumindest einem Antriebsrad des Fahrzeugs F verbindbar ist; eine Wirbelstrombremse WB, welche an der Antriebswelle AW angeordnet ist; und
eine Steuereinrichtung SE, welche mit der elektrischen Maschine EM und mit der Wirbelstrombremse WB verbunden ist, etwa in einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet sein kann, und mit welcher in einem Drehzahlbereich der elektrischen Maschine EM oberhalb einer Eckdrehzahl ein erstes Bremsmoment der elektrischen Maschine EM durch ein zweites Bremsmoment von der Wirbelstrombremse WB ergänzbar ist.
Die Antriebswelle AW kann sich an einer ersten Seite Al der elektrischen Maschine EM über diese hinaus erstrecken, welche einem Getriebe GT abgewandt sein kann und auf dieser ersten Seite Al die Wirbelstrombremse WB an der Antriebswelle AW angeordnet sein kann.
Durch eine Platzierung der Wirbelstrombremse WB auf der ersten Seite Al, welche eine hochdrehenden Getriebeseite sein kann, und der Aufteilung des Gesamtbremsmoments zwischen der elektrischen Maschine EM und der Wirbelstrombremse WB, kann die Wirbelstrombremse WB derart ausgeformt sein, dass diese sehr klein sein kann, leicht und mit einfachen Bauteilen und Materialien aufgebaut werden kann.
Die Wirbelstrombremse kann alternativ (nicht gezeigt) auch zwischen Getriebe und elektrischer Maschine angeordnet sein, oder derart dass die Antriebswelle durch das Getriebe geht und die Wirbelstrombremse auf der abgewandten Seite des Getriebes von der Maschine sitzt.
Das Drehzahlniveau ermöglicht es einen Rotor aus einfachem Gusseisen zu verwenden. Es kann jedoch auch ein anderes Material mit elektrisch und magnetisch ähnlichen Eigenschaften genutzt werden.
Eine Wirbelstrombremse kann ein drehzahlabhängiges Bremsmoment aufweisen, das zu kleinen Drehzahlen hin kleiner werden kann und bei Sillstand null sein kann. Da das Bremsmoment bei elektrischen Maschinen bei großen Drehzahlen kleiner werden kann, können sich die elektrische Maschine und die Wirbelstrombremse vorteilhaft perfekt ergänzen um ein benötigtes Gesamtbremsmoment erzeugen zu können, etwa den Maximalwert des Bremsmoments.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit des Bremsmoments an der elektrischen Antriebseinrichtung von der Drehzahl der elektrischen Maschine.
In der Fig. 2 wird eine Abhängigkeit eines Drehmoments der elektrischen Maschine und der Wirbelstrombremse, welches jeweils einem Gesamtbremsmoment M entsprechen kann, in einer Abhängigkeit von einer Drehzahl D der elektrischen Maschine und der Wirbelstrombremse gezeigt. Im oberen Bild wird das (maximale) erste Bremsmoment Bl der elektrischen Maschine gezeigt, welches unterhalb und an der Eckdrehzahl ED einen Maximalwert max des Bremsmoments erreichen kann, vorteilhaft einer Konstante. Oberhalb der Eckdrehzahl ED kann dann das maximale (mögliche) erste Bremsmoment Bl asymptotisch zur Abszisse (Nullwert des Bremsmoments) fallen.
Das untere Bild der Fig. 2 zeigt eine gespiegelte Ansicht zum oberen Bild, wobei das erste Bremsmoment Bl ebenfalls eingezeichnet ist und jenem des oberen Bildes entsprechen kann. Zusätzlich dazu ist noch das zweite Bremsmoment B2 der Wirbelstrombremse gezeigt, welches das erste Bremsmoment Bl ergänzen kann, um etwa den Maximalwert max als Gesamtbremsmoment zu erreichen.
Übliche Traktionsantriebe können typischerweise eine Eckdrehzahl ED im Bereich von 4000 - 6000 rpm (Drehungen pro Minute) aufweisen, ab der diese nicht mehr das volle Drehmoment aufbringen können. Die Maximaldrehzahl kann dabei typischerweise zwischen 10.000 und 20.000 rpm betragen. Für diesen Drehzahlbereich oberhalb der Eckdrehzahl eignet sich Gusseisen sowohl hinsichtlich der magnetischen, als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften vorteilhaft gut als Rotormaterial. Durch diesen Umstand und dadurch, dass die Wirbelstrombremse lediglich einen Teil des Gesamtbremsmomentes aufbringen muss, ist ein sehr einfacher und damit günstiger Aufbau möglich.
Bei der Kombination der Wirbelstrombremse mit der elektrischen Maschine kann es sich um ein auf einen Notbremsbetrieb (als Ergänzung zur elektrischen
Maschine) ausgelegtes Design handeln. Wirbelstrombremsen für die erfindungsgemäße Anordnung, die ein Bremsmoment erst oberhalb der Eckdrehzahl gewährleisten brauchen, können gegenüber solchen, die über den ganzen Drehzahlbereich genutzt werden, deutlich kleiner und einfacher ausgeführt werden und können über ein einfacheres und robusteres thermisches Design verfügen.
Die Erfindung kann für kleine und leichte Elektrofahrzeuge eingesetzt werden um eine hydraulische Bremse auf der Hinterachse zu vermeiden.
Erfindungsgemäß kann ein Maximalwert max des ersten Bremsmoments Bl unterhalb der Eckdrehzahl der elektrischen Maschine ermittelt werden und wenn die elektrische Maschine oberhalb der Eckdrehzahl betrieben wird das aktuelle erste Bremsmoment Bl ermittelt werden und die Wirbelstrombremse derart betrieben werden, dass oberhalb der Eckdrehzahl eine Differenz zwischen dem aktuellen ersten Bremsmoment Bl und dem Maximalwert des ersten Bremsmoments Bl durch das zweite Bremsmoment B2 ausgeglichen werden kann.
Die Fig. 2 zeigt im unteren Bild auch das bereits unterhalb der Eckdrehzahl vorhandene zweite Bremsmoment (nicht markiert), welches vom Ursprung aus parabolisch anwachsen kann. Im Allgemeinen ist noch zu nennen, dass der Maximalwert max den möglichen Wert des ersten Bremsmoments zeigt, es ist nicht zwingend nötig, dass dieser unterhalb der Eckdrehzahl stets erzeugt wird.
Die Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung, erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung; ein Ermitteln S2, ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine eine Eckdrehzahl übersteigt; und ein Erzeugen S3 eines ersten Bremsmoments durch die elektrische Maschine und eines zweiten Bremsmoments von der Wirbelstrombremse, wobei das erste Bremsmoment durch das zweite
Bremsmoment zu einem Gesamtbremsmoment ergänzt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten
Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.