EP4284673A1 - Elektrische antriebseinrichtung für ein fahrzeug und verfahren zum betreiben einer elektrischen antriebseinrichtung - Google Patents

Elektrische antriebseinrichtung für ein fahrzeug und verfahren zum betreiben einer elektrischen antriebseinrichtung

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Publication number
EP4284673A1
EP4284673A1 EP21835724.2A EP21835724A EP4284673A1 EP 4284673 A1 EP4284673 A1 EP 4284673A1 EP 21835724 A EP21835724 A EP 21835724A EP 4284673 A1 EP4284673 A1 EP 4284673A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
braking torque
drive device
eddy current
speed
electric machine
Prior art date
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Pending
Application number
EP21835724.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lennard Bender
Marina Keller
Marcel Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4284673A1 publication Critical patent/EP4284673A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/28—Eddy-current braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/003—Dynamic electric braking by short circuiting the motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/006—Dynamic electric braking by reversing current, i.e. plugging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/18—Controlling the braking effect

Definitions

  • Electric drive device for a vehicle and method for operating an electric drive device
  • the present invention relates to an electric drive device for a vehicle and a method for operating an electric drive device.
  • a rotor and an associated stator are usually used, with eddy currents being able to be generated in the rotor by its rotation, which can then generate a braking torque.
  • Eddy current brakes usually have a stator with an excitation coil, in which case eddy currents can then flow in the rotor and kinetic energy can thus be converted into heat in the rotor.
  • the eddy currents are induced in the conductor, which in turn can generate their own induction voltages, which oppose the external magnetic field according to Lenz's law, and consequently their own magnetic fields, which can ultimately slow down the movement of the conductor material.
  • the electric machine can also be used for recuperation and thus for braking. In the event that the electric machine is used at speeds which are greater than the corner speed of the machine, this machine can then have a lower maximum torque, in which case the full torque is not available as braking torque over the entire speed range.
  • DE 10 2014210 444 A1 describes an electric vehicle with a retarder that is mechanically connected to a wheel.
  • the present invention provides an electric drive device for a vehicle according to claim 1 and a method for operating an electric drive device according to claim 9.
  • the idea on which the present invention is based is to specify an electric drive device for a vehicle and a method for operating an electric drive device, wherein the electric machine can be supported by an eddy current brake when operating above a cut-off speed when providing a braking torque on the vehicle, in order to thereby to be able to generate such a total braking torque as corresponds to the maximum braking torque of the electrical machine below the cut-off speed.
  • the electric drive device for a vehicle comprises an electric machine; a drive shaft which is connected to the electric machine and through which the electric machine with at least one drive wheel of the vehicle is connectable; an eddy current brake arranged on the drive shaft; and a control device which is connected to the electric machine and to the eddy current brake and with which a first braking torque of the electric machine can be supplemented by a second braking torque from the eddy current brake in a speed range of the electric machine above a corner speed.
  • the drive shaft can extend through the electric machine, for example from a second side, on which a gearbox can be arranged on the drive shaft, to the first side, which can face away from the gearbox.
  • the drive shaft can also extend beyond the electric machine by a predetermined distance, on which the eddy current brake can then be arranged.
  • the eddy current brake can comprise a rotor which can be connected in a rotationally fixed manner to the axis of rotation and can rotate with it.
  • the electrical machine can be connected to at least one wheel via the second side and the transmission.
  • the eddy current brake can advantageously be designed and dimensioned in such a way that it can generate the difference between the possible and the maximum value of the braking torque in that speed range in which the electric machine cannot provide the maximum braking torque.
  • the "possible" braking torque is the braking torque that can be generated by the machine at the current speed or less than this. In the area above the cut-off speed, this is lower than the maximum braking torque (from recuperation), with the possible braking torque below and at the cut-off speed also being the maximum (maximum value) braking torque of the electrical machine, or less.
  • the maximum value of the braking torque of the electrical machine can be that braking torque which the electrical machine can generate at most below and at the corner speed. Above the corner speed, the braking torque of the machine that is possible at this speed must be supplemented in order to generate a total braking torque equal to the maximum value be able. This difference can be generated (compensated) by an eddy current brake.
  • the torque of the electrical machine that can be generated for braking below the cut-off speed can also be lower than the situation-related braking torque requires.
  • the eddy current brake can generate a braking torque even at lower speeds than the cut-off speed and supplement the braking torque from the electrical machine.
  • the eddy current brake can be designed to be larger than is necessary to generate the maximum total braking torque, in order to still have sufficient braking torque available in the event of a fault in the electric machine, with the sufficient amount being able to be based on the respective torque situation and evaluated adaptively can be or in advance during the manufacture of the eddy current brake.
  • Such a design can be independent of the gap in field weakening operation.
  • an eddy current brake can be placed on the shaft of the electric machine and used in combination with the electric machine as the sole brake on the axle, thus replacing the hydraulic brake.
  • the drive shaft extends beyond the electric machine on a first side thereof, which faces away from a transmission and the eddy current brake is arranged on the drive shaft on this first side. Due to the arrangement on the first side, the eddy current brake can advantageously be easily exchanged or at least easily mountable, for example mountable as a module on the drive shaft. Cooling of the eddy current brake can also be implemented easily from the first side, for example in combination with a cooling device for the electrical machine.
  • the eddy current brake comprises a rotor which is connected to the drive shaft in a rotationally fixed manner and comprises cast iron.
  • the rotor can be formed entirely from cast iron.
  • the eddy current brake includes a rotor, which includes a coating that forms a surface of the rotor.
  • the coating can form all surfaces of the rotor.
  • the coating comprises copper and/or aluminum.
  • an electrical conductivity and/or a thermal expansion coefficient of the coating corresponds, within a tolerance range, to those electrical conductivities and/or the thermal expansion coefficient of the rotor.
  • the braking torque (torque for braking), which the eddy current brake can generate, can mainly depend on the speed and the material of the rotor, in addition to the geometric dimensions.
  • the speed at which the eddy-current brake can generate its maximum braking torque can therefore be influenced by selecting suitable material properties, for example for their electrical and magnetic conductivity. Since the electrical and magnetic properties of the eddy current brake usually cannot be combined arbitrarily advantageously the rotor can be made of cast iron with good magnetic properties and a coating made of a material such as copper or aluminum with an electrical conductivity that matches the cast iron.
  • Similar coefficients of thermal expansion of the composite structure made of cast iron and conductive layer can be present in order to prevent or at least reduce mechanical detachment of the coating from the rotor due to different expansions during the high temperature rises occurring during operation. “Similar” can then be understood to mean that the material of the conductive layer does not become detached in the event of high temperature fluctuations.
  • a combination of iron with another material (on the rotor) is possible to combine the advantages of the iron (magnetic conductivity) and the other metal (e.g. copper with good electrical conductivity).
  • the aim can be to turn it so high that cast iron can be the right material and thus a composite of two materials can be dispensed with.
  • the corner speed is between 4000 and 6000 revolutions per minute.
  • a sum of the first braking torque and the second braking torque corresponds to a maximum braking torque that can be generated by the electric machine, which can be achieved by the electric machine below the corner speed.
  • the maximum braking torque that can be generated is the already mentioned maximum value of the braking torque, which can be achieved below and at the corner speed. However, this maximum braking torque that can be generated can also be higher or lower, depending on the vehicle and the requirement.
  • an electric drive device in the method for operating an electric drive device, is provided; determining whether a speed of the electric machine exceeds a corner speed; and generating a first braking torque by the electric machine and a second braking torque by the eddy current brake, wherein the first braking torque is supplemented by the second braking torque to form a total braking torque.
  • the electric machine can generate the maximum value of the braking torque itself below and at the cut-off speed and that above the cut-off speed the braking torque that the electric machine can generate is lower than the maximum value, this has already been referred to as the possible braking torque .
  • the eddy current brake can also be used to generate the total braking torque on the vehicle in order to be able to advantageously reach the maximum value.
  • the eddy current brake can also be supplied with maximum current and thus deliver its maximum torque and the electric machine can take over the dynamics, ie regulation/control of the total torque required.
  • a maximum value of the first braking torque is determined below the cut-off speed of the electric machine and if the electric machine is operated above the cut-off speed, the current first braking torque is determined and the eddy-current brake is operated in such a way that above the cut-off speed there is a difference between the current first braking torque and the maximum value of the first braking torque is compensated by the second braking torque.
  • this step of supplementing the braking torques can also take place below and/or at the corner speed.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an electric drive device for a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a dependency of the braking torque on the electric drive device on the speed of the electric machine
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of a method for operating an electric drive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive device for a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the electric drive device 10 for a vehicle F includes an electric machine EM; a drive shaft AW, which is connected to the electric machine EM and through which the electric machine EM can be connected to at least one drive wheel of the vehicle F; an eddy current brake WB arranged on the drive shaft AW; and a control device SE, which is connected to the electrical machine EM and to the eddy-current brake WB, can be arranged in a housing of the electrical machine, for example, and with which a first braking torque of the electrical machine EM is applied in a speed range of the electrical machine EM above a cut-off speed a second braking torque can be supplemented by the eddy current brake WB.
  • the drive shaft AW can extend beyond this on a first side Al of the electric machine EM, which can face away from a transmission GT and the eddy current brake WB can be arranged on the drive shaft AW on this first side Al.
  • the eddy current brake WB By placing the eddy current brake WB on the first side Al, which can be a high-speed transmission side, and dividing the total braking torque between the electrical machine EM and the eddy current brake WB, the eddy current brake WB can be shaped in such a way that it can be very small, light and can be built with simple components and materials.
  • the eddy current brake can also be arranged between the transmission and the electric machine, or in such a way that the drive shaft goes through the transmission and the eddy current brake sits on the opposite side of the transmission from the machine.
  • the speed level allows using a simple cast iron rotor. However, another material with electrically and magnetically similar properties can also be used.
  • An eddy current brake can have a speed-dependent braking torque, which can decrease towards low speeds and can be zero at standstill. Since the braking torque in electrical machines can decrease at high speeds, the electrical machine and the eddy current brake can advantageously complement each other perfectly in order to be able to generate a required total braking torque, approximately the maximum value of the braking torque.
  • 2 shows a schematic representation of a dependency of the braking torque on the electric drive device on the speed of the electric machine.
  • the top image shows the (maximum) first braking torque Bl of the electrical machine, which can reach a maximum value max of the braking torque below and at the corner speed ED, advantageously a constant.
  • the maximum (possible) first braking torque Bl can then fall asymptotically to the abscissa (zero value of the braking torque) above the corner speed ED.
  • the lower image in FIG. 2 shows a mirrored view of the upper image, with the first braking torque B1 also being drawn in and it being able to correspond to that of the upper image.
  • the second braking torque B2 of the eddy current brake is also shown, which can supplement the first braking torque B1 in order to approximately achieve the maximum value max as the total braking torque.
  • Conventional traction drives can typically have a corner speed ED in the range of 4000-6000 rpm (revolutions per minute), from which they can no longer generate the full torque.
  • the maximum speed can typically be between 10,000 and 20,000 rpm.
  • cast iron is advantageously well suited as a rotor material with regard to both the magnetic and the electrical properties. This circumstance and the fact that the eddy current brake only has to apply a part of the total braking torque allows for a very simple and therefore inexpensive construction.
  • the combination of the eddy current brake with the electric machine can be an emergency braking operation (as a supplement to the electric machine) designed design act.
  • Eddy current brakes for the arrangement according to the invention which only need to ensure a braking torque above the corner speed, can be made significantly smaller and simpler than those used over the entire speed range and can have a simpler and more robust thermal design.
  • the invention can be used for small and light electric vehicles to avoid a hydraulic brake on the rear axle.
  • a maximum value max of the first braking torque Bl can be determined below the corner speed of the electrical machine and if the electric machine is operated above the corner speed, the current first braking torque Bl can be determined and the eddy current brake can be operated in such a way that above the corner speed there is a difference between the current first braking torque Bl and the maximum value of the first braking torque Bl can be compensated by the second braking torque B2.
  • FIG. 2 also shows the second braking torque (not marked) that is already present below the cut-off speed, which can increase parabolically from the origin.
  • the maximum value max shows the possible value of the first braking torque, it is not absolutely necessary for this to always be generated below the cut-off speed.
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of a method for operating an electric drive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • an electric drive device In the method for operating an electric drive device, an electric drive device according to the invention is provided S1; determining S2 whether a speed of the electric machine exceeds a corner speed; and generating S3 a first braking torque by the electric machine and a second braking torque by the eddy current brake, the first braking torque being generated by the second Braking torque is added to a total braking torque.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Antriebseinrichtung (10) für ein Fahrzeug (F), umfassend 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, und mit welcher in einem Drehzahlbereich der elektrischen Maschine (EM) oberhalb einer Eckdrehzahl ein erstes Bremsmoment (B1) der elektrischen Maschine (EM) durch ein zweites Bremsmoment (B2) von der Wirbelstrombremse (WB) ergänzbar ist.

Description

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.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Antriebseinrichtung (10) für ein Fahrzeug (F), umfassend:
- 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, und mit welcher in einem Drehzahlbereich der elektrischen Maschine (EM) oberhalb einer Eckdrehzahl ein erstes Bremsmoment (Bl) der elektrischen Maschine (EM) durch ein zweites Bremsmoment (B2) von der Wirbelstrombremse (WB) ergänzbar ist.
2. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher sich die Antriebswelle (AW) an einer ersten Seite (Al) der elektrischen Maschine (EM) über diese hinaus erstreckt, welche einem Getriebe (GT) abgewandt ist und auf dieser ersten Seite (Al) die Wirbelstrombremse (WB) an der Antriebswelle (AW) angeordnet ist.
3. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Wirbelstrombremse (WB) einen Rotor umfasst, welcher drehfest mit der Antriebswelle (AW) verbunden ist und Gusseisen umfasst.
4. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Wirbelstrombremse (WB) einen Rotor umfasst, welcher eine Beschichtung umfasst, die eine Oberfläche des Rotors bildet.
5. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 4, bei welcher die Beschichtung Kupfer und/oder Aluminium umfasst.
6. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder
5, bei welcher eine elektrische Leitfähigkeit und/oder ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der Beschichtung innerhalb eines Toleranzbereichs jener elektrischen Leitfähigkeiten und/oder dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des Rotors entspricht.
7. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Eckdrehzahl zwischen 4000 und 6000 Umdrehungen pro Minute beträgt.
8. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher eine Summe aus ersten Bremsmoment (Bl) und zweiten Bremsmoment (B2) einem maximal erzeugbaren Bremsmoment der elektrischen Maschine (EM) entspricht, welches durch die elektrische Maschine (EM) unterhalb der Eckdrehzahl erzielbar ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung (10), umfassend die Schritte:
- Bereitstellen (Sl) einer elektrischen Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8;
- Ermitteln (S2), ob eine Drehzahl der elektrischen Maschine (EM) eine Eckdrehzahl übersteigt; und
- Erzeugen (S3) eines ersten Bremsmoments (Bl) durch die elektrische Maschine (EM) und eines zweiten Bremsmoments (B2) von der Wirbelstrombremse (WB), wobei das erste Bremsmoment (Bl) durch das zweite Bremsmoment (B2) zu einem Gesamtbremsmoment ergänzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem ein Maximalwert des ersten Bremsmoments (Bl) unterhalb der Eckdrehzahl der elektrischen Maschine ermittelt wird und wenn die elektrische Maschine oberhalb der Eckdrehzahl betrieben wird das aktuelle erste Bremsmoment (Bl) ermittelt wird und die Wirbelstrombremse derart betrieben wird, 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 wird.
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