WO2023072594A1 - Steuervorrichtung für eine antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen, antriebseinheit und verfahren zur steuerung einer antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen - Google Patents

Steuervorrichtung für eine antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen, antriebseinheit und verfahren zur steuerung einer antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen Download PDF

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Abstract

Betriebsstrategie für Antriebseinheiten mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen. Hierzu ist es vorgesehen, Nutzungsdaten der Komponenten der einzelnen elektrisch angetriebenen Achsen zu erfassen. Die Betriebsmodi der einzelnen elektrisch angetriebenen Achsen werden unter Verwendung der erfassten historischen Nutzungsdaten angepasst.

Description

Beschreibung
Titel
Steuervorrichtung für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen, Antriebseinheit und Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen sowie eine Antriebseinheit mit einer solchen Steuervorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren elektrisch angetriebenen Antriebsachsen, wie sie beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden kann.
Stand der Technik
Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Neben Elektrofahrzeugen, bei welchen jeweils nur eine Achse des Fahrzeugs mit einem Räderpaar angetrieben wird, ist es darüber hinaus auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen bekannt, an Kraftfahrzeugen mehrere Antriebsachsen vorzusehen. Beispielsweise können bei Kraftfahrzeugen mit vier Rädern beide Achsen, das heißt das vordere Räderpaar und das hintere Räderpaar mit einem Antrieb, insbesondere einem elektrischen Antrieb versehen werden. Für Kraftfahrzeuge mit mehr als zwei Achsen ist es darüber hinaus auch möglich, weitere Achsen mit einem elektrischen Antrieb zu versehen.
Die Druckschrift DE 10 2015 000 216 Al beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung von Elektromotoren mit mindestens zwei separat angetriebenen Achsen. Insbesondere wird hierbei vorgeschlagen, den Schlupf der Räder an den Antriebsachsen zu ermitteln und ein Antriebsmoment entsprechend anzupassen. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Steuervorrichtung für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen, eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Steuervorrichtung für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen. Jede der Antriebsachsen umfasst hierbei ein separates elektrisches Antriebssystem. Die Steuervorrichtung umfasst eine Überwachungseinrichtung und eine Steuereinrichtung. Die Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, Nutzungsdaten der einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen zu erfassen. Die Nutzungsdaten können in einem Speicher der Steuervorrichtung abgespeichert werden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen jeweils einen individuellen Betriebsmodus festzulegen. Das Festlegen der individuellen Betriebsmodi für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme erfolgt insbesondere unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme.
Weiterhin ist vorgesehen:
Eine Antriebseinheit für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit mehreren Antriebsachsen und einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung. Jede der mehreren Antriebsachsen umfasst hierbei ein separates elektrisches Antriebssystem.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen, wobei jede Antriebsachse ein separates elektrisches Antriebssystem umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen von Nutzungsdaten der einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Festlegen von individuellen Betriebsmodi für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen. Das Festlegen der einzelnen Betriebsmodi erfolgt insbesondere unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit mehreren Antriebsachsen die elektrischen Antriebssysteme der einzelnen Antriebsachsen individuell angesteuert bzw. betrieben werden können. Beispielsweise kann bei Antriebseinheiten mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen ein Teil der elektrisch angetriebenen Achsen temporär deaktiviert werden. Dies kann zu einer unterschiedlich starken Beanspruchung der einzelnen elektrischen Antriebssysteme führen.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Betriebsstrategie für Antriebssysteme mit mehreren elektrischen Antriebssystemen bereitzustellen, welche die Nutzung und den Verschleiß der einzelnen elektrischen Antriebssysteme anpassen kann.
Hierdurch kann beispielsweise eine ausgeglichenere Nutzung der einzelnen elektrischen Antriebssysteme erzielt werden.
Hierzu ist es vorgesehen, Nutzungsdaten der einzelnen elektrischen Antriebssysteme einer Antriebseinheit mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen zu erfassen. Aus diesen erfassten Nutzungsdaten können Rückschlüsse über die Beanspruchung sowie gegebenenfalls den Verschleiß der einzelnen elektrischen Antriebssysteme ermittelt werden. Ausgehend aus dem ermittelten Nutzungsverhalten der einzelnen elektrischen Antriebssysteme ist es daraufhin möglich, für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme jeweils einen geeigneten Betriebsmodus festzulegen, sodass eine optimierte Nutzung des Gesamtsystems erreicht werden kann. Beispielsweise können die Betriebsmodi der einzelnen elektrischen Antriebssysteme gemäß den gewonnenen Nutzungsdaten derart angepasst werden, dass der Verschleiß in den einzelnen Komponenten der mehreren Antriebsachsen möglichst ausgeglichen wird. Hierdurch kann die Gesamtlebensdauer des Antriebssystems und damit auch die Verfügbarkeit gesteigert werden.
Die Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme können kontinuierlich erfasst und in einer geeigneten Speichereinrichtung der Steuervorrichtung abgespeichert werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, die Nutzungsdaten kontinuierlich während des aktiven Betriebs eines elektrischen Antriebssystems, beispielsweise in einem vorgegebenen Zeitraster, abzutasten. Darüber hinaus ist es beispielsweise auch möglich, nur Nutzungsdaten zu erfassen, welche vorgegebene Kriterien erfüllen. Beispielsweise können auch nur Nutzungsdaten erfasst werden, deren Wert einen vorgegebenen Schwellwert über- bzw. unterschreitet. Ebenso ist es beispielsweise möglich, Gradienten oder andere aus den Nutzungsdaten abgeleiteten Werte zu ermitteln und diese abzuspeichern. Auch in diesem Fall können gegebenenfalls nur Werte abgespeichert werden, welche vorgegebene Schwellwerte über- bzw. unterschreiten. Ferner ist es auch möglich, für einen oder mehrere vorgegebene Nutzungsdaten einen Zähler vorzusehen und den Wert dieses Zählers gemäß den erfassten Nutzungsdaten zu erhöhen oder erniedrigen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Möglichkeiten zur Erfassung und Aufzeichnung von Nutzungsdaten des elektrischen Antriebssystems möglich. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die erfassten Nutzungsdaten zunächst gemäß vorgegebenen Algorithmen zu verarbeiten und daraufhin ein Resultat einer solchen Verarbeitung in einer Speichereinrichtung abzulegen.
Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann es sich bei den Nutzungsdaten beispielsweise um sensorisch erfasste Messwerte, aus Messwerten abgeleitete Größen, Sollwertvorgaben oder beliebige andere geeignete Daten in Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem handeln. Insbesondere ist hierbei jede Art von Daten möglich, welche Rückschlüsse auf Beanspruchung von Komponenten in dem Antriebssystem ermöglicht. Derartige Nutzungsdaten können sich auf beliebige Komponenten des elektrischen Antriebssystems beziehen. Insbesondere sind Nutzungsdaten relevant, welche sich von Nutzungsdaten eines elektrischen Stromrichters für das elektrische Antriebssystem, die elektrische Maschine, das Getriebe oder an das Getriebe angeschlossenen Komponenten bis hin zu den Rädern und Reifen eines Fahrzeugs beziehen können.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, für die einzelnen elektrischen Antriebssystem der mehreren Antriebsachsen jeweils einen Betriebsmodus unter Verwendung eines ermittelten optimalen Wirkungsgrads festzulegen. Beispielsweise kann für jedes der elektrischen Antriebssysteme eine Kennlinie, ein Kennlinienfeld o. ä. vorgegeben werden. Hierdurch kann zum Beispiel ein Wirkungsgrad des jeweiligen elektrischen Antriebssystems in Abhängigkeit von Parametern, wie zum Beispiel Leistung, insbesondere angefordert Leistung, Drehzahl, Drehmoment, Temperatur, insbesondere Rotortemperatur, oder beliebigen anderen geeigneten Parametern ermittelt werden. Dies kann sowohl in Form einer vorgegebenen Formel oder beliebige andere Weise, beispielsweise in Tabellenform erfolgen. Entsprechend kann die Steuereinrichtung zum Beispiel in einem Teillastbetrieb jeweils eine oder mehrere Antriebsachsen aktivieren bzw. deaktivieren. Auf diese Weise können die jeweils aktiven Antriebsachsen mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Nutzungsdaten eine Anzahl von Nutzungsintervallen. Beispielsweise kann für jedes der elektrischen Antriebssysteme ein Zähler vorgesehen sein, der jeweils um 1 hochgezählt wird, falls das jeweilige elektrische Antriebssystem aktiviert wird. Bei einer solchen Aktivierung eines elektrischen Antriebssystems erfährt das jeweilige Antriebssystem in der Regel durch das Aufheizen und anschließende Abkühlen eine Belastung. Durch das Aufsummieren derartiger Nutzungsintervalle kann daher ein Rückschluss auf eine entsprechende Belastung gezogen werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch jeweils eine Dauer der Nutzungsintervalle erfasst und gegebenenfalls aufsummiert werden. Ebenso ist es beispielsweise möglich, in den Nutzungsdaten die Temperaturen des elektrischen Antriebssystems zu erfassen. Hierzu können beispielsweise Temperaturzyklen, das heißt das Aufheizen und anschließende Abkühlen von Komponenten in dem elektrischen Antriebssystem erfasst werden. Ferner ist es beispielsweise auch möglich, ein Überschreiten der Betriebstemperatur in Komponenten des elektrischen Antriebssystems, beispielsweise innerhalb der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems, zu erkennen und für das Festlegen der Betriebsstrategie zu berücksichtigen. Darüber hinaus können die Nutzungsdaten beispielsweise Daten über einen Drehmoment oder eine Drehzahl in dem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in der elektrischen Maschine des Antriebssystems umfassen. Auch hierzu können beispielsweise kontinuierliche Erfassungen vorgenommen werden. Alternativ können auch gegebenenfalls nur Intervalle berücksichtigt werden, bei welchen das Drehmoment oder die Drehzahl vorgegebene Schwellwerte überschreiten. Ferner kann beispielsweise auch ein Leistungswert erfasst werden, welcher eine Leistung spezifiziert, die von dem jeweiligen elektrischen Antriebssystem aufgenommen bzw. abgegeben wird. Darüber hinaus kann zum Beispiel auch die durch das jeweilige elektrische Antriebssystem umgesetzte Energiemenge erfasst und für die Festlegung der Betriebsstrategie bzw. der Betriebsmodi verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen jeweils individuell einen motorischen Betriebsmodus und/oder einen generatorischen Betriebsmodus freizugeben oder diese Betriebsmodi zu deaktivieren. Das Aktivieren bzw. Deaktivieren des motorischen Betriebsmodus bzw. generatorischen Betriebsmodus erfolgt unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme. Durch das individuelle Freigeben bzw. Deaktivieren des motorischen bzw. generatorischen Betriebsmodus kann die in dem jeweiligen elektrischen Antriebssystem auftretende Belastung angepasst werden. In der Regel treten die größten Belastungen während eines motorischen Betriebes auf. Im generatorischen Betrieb, das heißt während einer Rekuperation, also wenn die kinetische Energie des Fahrzeugs mittels der elektrischen Maschine in elektrische Energie umgewandelt wird, sind die dabei auftretenden Belastungen dagegen geringer. Auf diese Weise kann, beispielsweise wenn zuvor bereits eine übermäßige Belastung des jeweiligen elektrischen Antriebssystems auf Grundlage der Nutzungsdaten erkannt worden ist, durch das Beschränken des jeweiligen elektrischen Antriebssystems auf den generatorischen Betriebsmodus die maximale Belastung zumindest zeitweilig reduziert werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel einem übermäßigen Temperaturanstieg entgegengewirkt werden, oder andere temporär auftretende Effekte aufgrund von Belastungsspitzen können minimiert werden. Darüber hinaus ist es beispielsweise auch möglich, ein zuvor deaktiviertes elektrisches Antriebssystem zunächst nur generatorisch zu betreiben, um während Rekuperationsphasen ein abgekühltes Antriebssystem zunächst durch die während der Rekuperation auftretende geringere Belastung zu erwärmen. Auf diese Weise kann der Temperaturanstieg in dem jeweiligen elektrischen Antriebssystem verlangsamt werden. Hierdurch können übermäßige Belastungen vermieden werden, was sich positiv auf Verschleiß und Lebensdauer auswirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme jeweils individuelle Verschleißparameter zu berechnen. Diese individuellen Verschleißparameter können insbesondere unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der jeweiligen elektrischen Antriebssysteme berechnet werden. In diesem Fall können die individuellen Betriebsmodi der einzelnen elektrischen Antriebssysteme jeweils unter Verwendung der berechneten Verschleißparameter festgelegt werden. Beispielsweise kann ein solcher Verschleißparameter basierend auf einem geeigneten vorgegebenen Algorithmus aus mehreren erfassten Nutzungsparametern ermittelt werden. Auf diese Weise kann auf Grundlage eines solchen Verschleißparameters besonders einfach und rasch jeweils ein geeigneter Betriebsmodus für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Verschleißparameter unter Verwendung einer Summation der erfassten Nutzungsdaten berechnet. Zusätzlich oder alternativ können auch beispielsweise Gradienten der erfassten Nutzungsdaten in die Berechnung des Verschleißparameters einbezogen werden. Wie bereits zuvor ausgeführt, können hierfür alle erfassten Nutzungsdaten berücksichtigt werden. Alternativ ist es auch möglich, Nutzungsdaten zu berücksichtigen, welche vorgegebene Kriterien erfüllen, beispielsweise über- oder unterhalb vorgegebener Schwellwerte liegen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Fahrroute, einen Fahrbahnzustand und/oder einen Fahrzustand zu ermitteln und die Betriebsmodi der elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen unter Verwendung der ermittelten Fahrtroute, des ermittelten Fahrbahnzustand und/oder einen Fahrzustand zu ermitteln. Bei der Fahrtroute kann es sich beispielsweise um Informationen aus einem in einem Fahrzeug vorgesehenen Navigationssystem oder Ähnlichem handeln. Insbesondere können auf Grundlage einer solchen Fahrtroute auch bereits vorab Informationen über mögliche Belastungen der elektrischen Antriebssysteme abgeleitet werden. Beispielsweise kann bei einem Höhenunterschied auf eine stärkere Belastung der elektrischen Antriebssysteme geschlossen werden, falls hierbei das Fahrzeug von einem niedrigeren auf ein höheres Niveau fährt. Ebenso kann beispielsweise bei einer Fahrt von einem höheren Niveau auf ein niedrigeres Niveau darauf geschlossen werden, dass eine stärkere Rekuperation, das heißt ein Betrieb im generatorischen Modus zu erwarten ist. Ferner können aus der Fahrtroute auch weitere Eigenschaften abgeleitet werden. Beispielsweise kann bei einer Autobahnfahrt auf höhere Geschwindigkeiten und damit verbundene höhere Drehzahlen der elektrischen Maschinen geschlossen werden. Informationen über den Fahrbahnzustand können beispielsweise aus Umweltsensoren gewonnen werden, welche zum Beispiel Informationen über eine Außentemperatur, Regen bzw. Feuchtigkeit oder Ähnliches liefern. Darüber hinaus kann der Fahrbahnzustand auch aus Informationen eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) oder Ähnlichem abgeleitet werden. So kann beispielsweise bei einem schlechten Fahrbahnzustand, insbesondere bei Glätte oder Ähnlichem ein Antrieb mit mehreren Antriebsachsen vorteilhaft sein. Alternativ kann zum Beispiel bei einem sehr guten Fahrbahnzustand, das heißt bei guter Haftung der Reifen auf einem Untergrund, ein Antrieb mit einer verringerten Anzahl von Antriebsachsen, insbesondere nur einer Antriebsachse ausreichend sein. In gleicher Weise kann beispielsweise auch ein Fahrzustand, das heißt das aktuelle Verhalten eines Fahrzeugs während der Fahrt aus einem elektronischen Stabilitätsprogramm oder Ähnlichem abgeleitet werden, um hieraus die Betriebsmodi der einzelnen elektrischen Antriebssysteme anzupassen. Ferner können beispielsweise auch gerade bei kurvenreichen Fahrstrecken oder anderen speziellen Fahrsituationen jeweils für die Fahrsituation besonders geeignete Antriebsachsen ausgewählt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Betriebsmodi für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen unter Verwendung einer vorgegebenen minimalen Betriebsdauer festzulegen. Mit anderen Worten, nachdem ein vorgegebener Betriebsmodus für ein elektrisches Antriebssystem festgelegt worden ist, wird dieser Betriebsmodus vorzugsweise mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten. Auf diese Weise kann ein häufiger Wechsel zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi vermieden werden. Ein solcher zu häufiger Wechsel zwischen Betriebsmodi kann gegebenenfalls zu erhöhten thermischen Belastungen oder anderen übermäßigen Verschleißerscheinungen führen. Durch eine gesteigerte Kontinuität kann somit ebenfalls der Verschleiß des Antriebssystems reduziert werden.
Die beschriebene Betriebsstrategie für die Wahl der Betriebsmodi elektrischer Antriebssysteme einer Antriebseinheit mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen kann auf Fahrzeuge mit zwei oder mehr elektrisch angetriebenen Achsen angewendet werden. Insbesondere ist die Betriebsstrategie auch für Fahrzeuge, insbesondere LKW, Busse, Baumaschinen, Lokomotiven, elektrisch angetriebenen Anhängern und Waggons (bei Anhängern oder Waggons mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Achse) oder Sonderfahrzeugen mit mehr als zwei angetriebenen Achsen anwendbar. In diesem Fall kann für jede der drei oder mehr Achsen auf Grundlage der gewonnenen Nutzungsdaten jeweils ein individueller Betriebsmodus festgelegt werden.
Die individuellen Betriebsmodi, wie sie gemäß den zuvor beschriebenen Betriebsstrategien festgelegt werden können, können automatisch angewendet werden, das heißt die jeweiligen elektrischen Antriebssysteme werden gemäß den beschriebenen Betriebsstrategien automatisch mit den jeweils festgelegten Betriebsmodi betrieben. Gegebenenfalls kann hierbei die jeweils gewählte Betriebsstrategie, das heißt die einzelnen Betriebsmodi für die elektrischen Antriebssysteme an den jeweiligen Antriebsachsen einem Benutzer angezeigt werden. Auf diese Weise kann der Benutzer sein Fahrverhalten entsprechend der aktuellen Betriebsstrategie anpassen. Alternativ ist es auch möglich, dass die festgelegten Betriebsmodi zunächst einem Benutzer angezeigt werden, und ein Benutzer daraufhin die vorgeschlagenen Betriebsmodi bestätigt oder gegebenenfalls selbst manuell einstellt.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Antriebseinheit in einem Elektrofahrzeug gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: ein Blockschaubild einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinheit mit mehreren elektrischen Antriebssystemen gemäß einer Ausführungsform. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich zum Beispiel um eine Antriebseinheit mit zwei elektrischen Antriebssystemen, wie sie zum Beispiel in zweiachsigen Fahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Grundprinzip jedoch auch auf beliebige elektrische Antriebseinheiten mit zwei oder mehr elektrisch angetriebenen Achsen angewendet werden.
Jedes elektrische Antriebssystem der Antriebseinheit kann beispielsweise einen Stromrichter 2-i, eine elektrische Maschine 3-i und ein Getriebe 4-i umfassen. Die elektrischen Stromrichter 2-i können eine von einem elektrischen Energiespeicher 6, beispielsweise einer Traktionsbatterie bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 3-i gemäß Sollwertvorgaben anzusteuern. Die elektrische Maschine 3-i ist mechanisch mit dem Getriebe 4-i gekoppelt. Weiterhin ist das Getriebe 4-i mit Rädern 5-i verbunden. Zum Abbremsen kann ferner die elektrische Maschine 3-i in einem Generatorbetrieb betrieben werden, wobei die elektrische Maschine 3-i eine elektrische Spannung an dem Stromrichter 2-i bereitstellt. Der Stromrichter 2-i kann die bereitgestellte elektrische Spannung in eine elektrische Gleichspannung wandeln, welche dazu geeignet ist, den elektrischen Energiespeicher 6 aufzuladen.
Je nach Anforderungen ist es möglich, alle elektrischen Antriebssysteme gemeinsam in einem Motorbetrieb zum Antrieb zu nutzen oder in einem Generatorbetrieb zum Abbremsen zu nutzen. Auf diese Weise kann ein maximales Antriebsmoment bzw. ein maximales Bremsmoment erzielt werden. Darüber hinaus ist es beispielsweise in einem Teillastbetrieb auch möglich, ein oder mehrere elektrische Antriebssysteme zu deaktivieren und somit nur ein elektrisches Antriebssystem oder nur eine Teilmenge der verfügbaren elektrischen Antriebssysteme im Motorbetrieb oder Generatorbetrieb zu betreiben. Beispielsweise kann auf diese Weise der Wirkungsgrad der aktiv betriebenen elektrischen Antriebssysteme optimiert werden. Durch den Betrieb nur einer Teilmenge der verfügbaren elektrischen Antriebssysteme kann dabei an den aktiven elektrischen Antriebssystemen ein im Vergleich zu den deaktivierten elektrischen Antriebssystemen erhöhter Verschleiß auftreten. Für eine möglichst gleichmäßige Belastung der Komponenten in den elektrischen Antriebssystemen können daher durch die Steuervorrichtung 1 Nutzungsdaten der einzelnen Komponenten der elektrischen Antriebssysteme erfasst und ausgewertet werden. Auf Grundlage dieser erfassten Nutzungsdaten können daraufhin die verfügbaren elektrischen Antriebssysteme derart ausgewählt werden, dass ein möglichst gleichmäßiger Verschleiß in allen verfügbaren Komponenten auftritt. Ferner können auf Grundlage der verfügbaren Nutzungsdaten auch die zur Verfügung stehenden elektrischen Antriebssysteme derart ausgewählt und betrieben werden, dass über die Lebensdauer gesehen ein möglichst schonender Betrieb realisiert werden kann.
Hierzu können beispielsweise die Nutzungsdaten über die Lebensdauer der einzelnen Komponenten hinweg erfasst und aufgezeichnet werden. Beispielsweise können dabei vorgegebene Nutzungsdaten kontinuierlich aufgezeichnet oder abgespeichert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, nur Nutzungsdaten aufzuzeichnen, welche vorgegebene Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können lediglich Nutzungsdaten aufgezeichnet werden, deren Wert einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet. Ebenso können beispielsweise auch Nutzungsdaten aufgezeichnet werden, wenn in dem Verlauf der Nutzungsdaten vorgegebene Eigenschaften auftreten, beispielsweise wenn ein Gradient des Verlaufs einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Weiterhin ist es beispielsweise auch möglich, Zähler für vorgegebene Nutzungsdaten zu implementieren. In diesem Fall kann beispielsweise eine aktive Betriebsdauer von Komponenten in den elektrischen Antriebssystemen erfasst und protokolliert werden. Hierzu kann beispielsweise die Betriebsdauer in vorgegebenen Zeitintervallen hochgezählt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Möglichkeiten zum Erfassen und Aufzeichnen von Betriebsparametern der elektrischen Antriebssysteme möglich.
Die erfassten Nutzungsdaten können beispielsweise in einem Speicher der Steuervorrichtung 1 abgespeichert und für eine spätere Verarbeitung bereitgestellt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes einer Steuervorrichtung 1 für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen gemäß einer Ausführungsform. Die Steuervorrichtung 1 kann beispielsweise eine Überwachungseinrichtung 11 und eine Steuereinrichtung 12 umfassen. Die Überwachungseinrichtung 11 kann, wie zuvor bereits ausgeführt, Nutzungsdaten von den Komponenten 2-i, 3-i oder 4-i der elektrischen Antriebssysteme einer Antriebseinheit mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen empfangen. Die empfangenen Daten können beispielsweise zunächst in einer Speichereinrichtung 13 abgespeichert werden. Darüber hinaus kann zunächst eine Vorverarbeitung der empfangenen Nutzungsdaten ausgeführt werden und daraufhin die vorverarbeiteten empfangenen Nutzungsdaten in der Speichereinrichtung 13 abgespeichert werden. Beispielsweise können auf diese Weise Nutzungsdaten ausgefiltert werden, welche vorgegebene Schwellwerte über- bzw. unterschreiten, deren Gradient im Verlauf der Nutzungsdaten einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet oder beliebige andere vorgegebene Kriterien erfüllen. Ferner kann beispielsweise aus den Nutzungsdaten auch eine aktive Zeit für Komponenten der elektrischen Antriebssysteme abgeleitet werden und diese Betriebszeit direkt oder in Form eines Zählers in der Speichereinrichtung 13 abgespeichert werden. Die empfangenen Nutzungsdaten können beispielsweise eine von den jeweiligen elektrischen Antriebssystemen aufgenommene Energiemenge im Motorbetrieb und/oder eine von den elektrischen Antriebssystemen im Generatorbetrieb abgegebene Energiemenge umfassen. Ferner können auch beispielsweise Leistungsdaten erfasst werden. So kann zum Beispiel die maximale von den elektrischen Antriebssystemen aufgenommene oder abgegebene Leistung erfasst und protokolliert werden. Ferner können auch beispielsweise Zeitintervalle detektiert werden, in denen die von den elektrischen Antriebssystemen aufgenommene bzw. abgegebene Leistung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Als weitere Beispiele für Nutzungsdaten kann beispielsweise auch ein Drehmoment oder eine Drehzahl der elektrischen Antriebssysteme erfasst werden. Insbesondere können Zeitintervalle protokolliert werden, in denen das Drehmoment oder die Drehzahl vorgegebene Grenzwerte überschreitet. Weiterhin können beispielsweise auch Temperaturen oder Temperaturverläufe in den elektrischen Antriebssystemen erfasst und protokolliert werden. Auch hierbei kann beispielsweise erfasst werden, wenn eine Temperatur in einem der elektrischen Antriebssysteme vorgegebene Grenzwerte überschreitet. Darüber hinaus können beispielsweise auch Zyklen detektiert und protokolliert werden, in denen die elektrischen Antriebssysteme beispielsweise erwärmt und daraufhin wieder abgekühlt werden. Da derartige Erwärmungen und anschließende Abkühlungen und die damit verbundenen Belastungen zu einem erhöhten Verschleiß führen können, sind solche Informationen von Interesse. Die zuvor genannten und beliebige weitere geeignete Betriebsparameter können erfasst und in geeigneter Weise in der Speichereinrichtung 13 abgespeichert werden. Ferner können aus den erfassten Nutzungsdaten auch weitere Eigenschaften abgeleitet werden. Zum Beispiel kann aus erfassten Nutzungsdaten auf einen möglichen Verschleiß der Reifen an den Rädern 5-i geschlossen werden. Weiterhin können beispielsweise auch beliebige andere Daten, die auf eine erhöhte Belastung und einen gegebenenfalls damit verbundenen erhöhten Verschleiß hinweisen, erfasst und protokolliert werden.
Die erfassten und gegebenenfalls abgespeicherten Nutzungsdaten können daraufhin von einer Steuereinrichtung 12 ausgewertet werden. Hierbei kann die Steuereinrichtung 12 auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Nutzungsdaten die unterschiedliche historische Belastung der einzelnen elektrischen Antriebssysteme abschätzen. Auf dieser Grundlage kann die Steuereinrichtung 12 daraufhin bevorzugt solche elektrische Antriebssysteme auswählen, welche im Vergleich zu anderen elektrischen Antriebssystemen in der Vergangenheit einen eher geringen Verschleißwert aufweisen. Hierdurch kann über die gesamte Lebensdauer der Antriebseinheit eine möglichst gleichmäßige Belastung aller elektrischen Antriebssysteme erzielt werden.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 12 auf Grundlage der zur Verfügung stehenden historischen Nutzungsdaten der einzelnen elektrischen Antriebssysteme für jedes elektrische Antriebssystem gemäß einem vorgegebenen Algorithmus einen individuellen Verschleißparameter für jedes elektrische Antriebssystem berechnen. Auf Basis der individuellen Verschleißparameter der einzelnen elektrischen Antriebssysteme können daraufhin beispielsweise in einem Teilbetrieb solche elektrischen Antriebssysteme ausgewählt werden, welche einen im Vergleich zu anderen elektrischen Antriebssystemen geringen Verschleiß aufweisen. Neben vorgegebenen festen Algorithmen für die Berechnung von Verschleißparametern sind selbstverständlich auch beliebige andere Verfahren, beispielsweise Verfahren auf Grundlage von künstlicher Intelligenz oder Ähnlichem möglich.
Während des Betriebs eines elektrischen Antriebssystems wird sich die Betriebstemperatur im Vergleich zu einem nicht aktiven, ruhenden System erhöhen. Entsprechend wird sich ein solches elektrisches Antriebssystem nach dem aktiven Betrieb wieder abkühlen. Solche Temperaturverläufe des Aufwärmens und anschließenden Abkühlens führen zu Belastungen und damit verbunden zu Verschleißerscheinungen. Entsprechend können einerseits solche Zyklen des Erwärmens und Abkühlens mit in die Berechnung der Verschleißparameter einfließen. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, bei der Auswahl der aktiven elektrischen Antriebssysteme im Teillastbereich bevorzugt solche elektrischen Antriebssysteme auszuwählen, welche bereits eine geeignete Betriebstemperatur aufweisen. Ferner kann es vorteilhaft sein, bei einem Wechsel der elektrischen Antriebssysteme im Teillastbereich die einzelnen elektrischen Antriebssysteme jeweils mindestens für eine vorgegebene Zeitspanne aktiv zu betreiben. Auf diese Weise können ein zu häufiger Wechsel und damit verbundene Temperaturschwankungen in den elektrischen Antriebssystemen minimiert werden.
Darüber hinaus ist es auch wünschenswert, einen Temperaturanstieg bzw. eine Temperaturabsenkung in den einzelnen elektrischen Antriebssystemen möglichst sanft, das heißt mit einem geringen Gradienten auszuführen. Hierzu ist es möglich, ein zu aktivierendes elektrisches Antriebssystem zunächst nur mit eingeschränkter maximaler elektrischer Leistung zu betreiben, um zu hohe Temperaturgradienten zu vermeiden. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, zunächst ein elektrisches Antriebssystem nur für einen generatorischen Betrieb freizugeben. Ein solcher generatorischer Betrieb des elektrischen Antriebssystems kann in der Regel auch mit eher geringerer Leistung ausgeführt werden, so dass das elektrische Antriebssystem zunächst schonend auf eine geeignete Betriebstemperatur gebracht werden kann. Nachdem eine gewünschte vorgegebene Betriebstemperatur im Generatorbetrieb erreicht worden ist, kann daraufhin auch ein Motorbetrieb für ein entsprechendes elektrisches Antriebssystem freigegeben werden.
Neben den erfassten und abgespeicherten historischen Betriebsparametern der elektrischen Antriebssysteme können darüber hinaus für die Auswahl und gegebenenfalls Konfiguration der einzelnen elektrischen Antriebssysteme auch weitere geeignete Daten herangezogen werden. Beispielsweise können auch Informationen über einen aktuellen Fahrzustand eines Fahrzeugs mit mehreren elektrisch angetriebenen Antriebsachsen mit in Betracht gezogen werden. Hierzu können beispielsweise Daten von einem elektronischen Stabilitätsprogramm oder einer anderen geeigneten Komponente eines Fahrzeugs an der Steuervorrichtung 12 bereitgestellt und ausgewertet werden. Kann beispielsweise aus den zur Verfügung stehenden Daten abgeleitet werden, dass sich das Fahrzeug in einem eher instabilen Fahrzustand befindet, oder dass die Fahrbahn zum Beispiel aufgrund von Glätte oder Ähnlichem, ungünstige Fahreigenschaften aufweist, so kann es hierzu vorteilhaft sein, bevorzugt mehrere elektrische Antriebssysteme für Antrieb und/oder Rekuperation freizugeben. Bei günstigen Fahreigenschaften oder Fahrbahneigenschaften kann es dagegen vorteilhaft sein, eines oder mehrere der zur Verfügungen stehenden elektrischen Antriebssysteme zu deaktivieren oder zumindest einzuschränken. Auf diese Weise kann gegebenenfalls die Effizienz der aktiven elektrischen Antriebssysteme erhöht werden und/oder ein Verschleiß der deaktivierten elektrischen Antriebssysteme minimiert werden.
Weiterhin können beispielsweise auch die Eigenschaften und die Topologie einer bekannten Fahrtstrecke mit in die Strategie zur Auswahl der aktiven elektrischen Antriebssysteme und der Betriebsmodi für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme mit in Betracht gezogen werden. Hierzu können beispielsweise Informationen über die Fahrtroute von einem in einem Fahrzeug vorhandenen Navigationssystem oder Ähnlichem bereitgestellt werden. Ist zum Beispiel bekannt, dass ein Großteil der Fahrtstrecke über eine Autobahn oder Ähnliches führt, so kann mit einer hierfür erforderlichen hohen Leistung und einer hohen Drehzahl gerechnet werden. Ist dagegen bekannt, dass die Fahrtstrecke über eine besonders kurvenreiche Fahrtstrecke führt, so kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, hierfür eine bestimmte Antriebsachse des Fahrzeugs bevorzugt für motorischen Antrieb bzw. Rekuperation freizugeben. Ferner kann zum Beispiel bei zu erwartenden großen Steigungen bzw. einem großen Gefälle auch mit einem entsprechenden Leistungsbedarf bzw. einer erhöhten Rekuperation gerechnet werden. Darüber hinaus sind je nach Fahrtstrecke gegebenenfalls auch andere Rahmenbedingungen zu berücksichtigen und können entsprechend in die Auswahl der jeweils aktiven elektrischen Antriebssysteme einbezogen werden. Die durch die Steuervorrichtung 1 ermittelten Betriebsmodelle für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme können automatisch durch die Steuervorrichtung 1 eingestellt bzw. aktiviert werden. In einem solchen Fall kann ein Benutzer gegebenenfalls durch eine geeignete Benutzerschnittstelle über die jeweiligen Betriebsmodi der einzelnen Antriebsachsen informiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine optische und/oder akustische Signalisierung erfolgen. Insbesondere kann eine Einstellung des aktuellen Betriebsmodus auf einem Display oder mittels einer Signalleuchte angezeigt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die von der Steuervorrichtung 1 ermittelten Betriebsmodi einem Benutzer beispielsweise über eine Benutzerschnittstelle zunächst ausgegeben, zum Beispiel angezeigt, werden. Daraufhin kann ein Benutzer diesen Vorschlag akzeptieren. Alternativ kann der Benutzer selbst aktiv gewünschte Betriebsmodi für die einzelnen Antriebsachsen einstellen. Hierzu kann der Benutzer die eine Benutzerschnittstelle ausgegebenen Vorschläge der Steuervorrichtung 1 mit in Betracht ziehen.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei der diesem Verfahren zugrundeliegenden Antriebseinheit kann es sich insbesondere um eine zuvor beschriebene Antriebseinheit handeln. Entsprechend kann das Verfahren beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit den beschriebenen Antriebseinheiten sowie der hierfür eingesetzten Steuervorrichtung 1 beschrieben worden sind. Analog kann die zuvor beschriebene Steuervorrichtung 1 auch beliebige Schritte ausführen, wie sie nachfolgend in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben werden.
In einem Schritt S1 werden zunächst Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme mehrerer Antriebsachsen erfasst. Daraufhin wird in Schritt S2 für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der Antriebsachsen jeweils ein individueller Betriebsmodus festgelegt. Das Festlegen der individuellen Betriebsmodi erfolgt insbesondere unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Betriebsstrategie für Antriebseinheiten mit mehreren elektrisch angetriebenen Achsen. Hierzu ist es vorgesehen, Nutzungsdaten der Komponenten der einzelnen elektrisch angetriebenen Achsen zu erfassen. Daraufhin können die Betriebsmodi der einzelnen elektrisch angetriebenen Achsen unter Verwendung der erfassten historischen Nutzungsdaten angepasst werden.

Claims

Ansprüche
1. Steuervorrichtung (1) für eine Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen, wobei jede Antriebsachse ein separates elektrisches Antriebssystem umfasst, und wobei die Steuervorrichtung (1) umfasst: eine Überwachungseinrichtung (11), die dazu ausgelegt ist, Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen zu erfassen; eine Steuereinrichtung (12), die dazu ausgelegt ist, für die einzelnen elektrischen Antriebssystem der mehreren Antriebsachsen jeweils einen individuellen Betriebsmodus unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme festzulegen.
2. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, für die einzelnen elektrischen Antriebssystem der mehreren Antriebsachsen jeweils einen Betriebsmodus unter Verwendung eines ermittelten optimalen Wirkungsgrades festzulegen.
3. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nutzungsdaten eine Anzahl und/oder Dauer von Nutzungsintervallen, eine Temperatur in dem elektrischen Antriebssystem, ein Drehmoment, eine Drehzahl, ein Leistungswert und/oder eine umgesetzte Energiemenge umfasst.
4. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme jeweils individuell einen motorischen Betriebsmodus und/oder einen generatorischen Betriebsmodus freizugeben oder zu deaktivieren.
5. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, unter Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen jeweils einen individuellen Verschleißparameter zu berechnen und die individuellen Betriebsmodi der einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen jeweils einen unter Verwendung der berechneten Verschleißparameter festzulegen. Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, die Verschleißparameter unter Verwendung einer Summation der erfassten Nutzungsdaten und/oder eines Gradienten der erfassten Nutzungsdaten zu berechnen. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, eine Fahrroute, einen Fahrbahnzustand und oder eine Fahrzustand zu ermitteln und die Betriebsmodi der elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen unter Verwendung der ermittelten Fahrroute, des ermittelten Fahrbahnzustand und oder des ermittelten Fahrzustand festzulegen. Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, die Betriebsmodi für die elektrischen Antriebssystem der mehreren Antriebsachsen unter Verwendung einer vorbestimmten minimalen Betriebsdauer zu festzulegen. Antriebseinheit für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit: mehreren Antriebsachsen, wobei jede Antriebsachse ein separates elektrisches Antriebssystem umfasst; einer Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Antriebseinheit nach Anspruch 9, wobei die Antriebseinheit mindestens drei Antriebsachsen umfasst. Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinheit mit mehreren Antriebsachsen, wobei jede Antriebsachse ein separates elektrisches Antriebssystem umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Erfassen (Sl) von Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen; und
Festlegen (S2) von individuellen Betriebsmodi für die einzelnen elektrischen Antriebssysteme der mehreren Antriebsachsen unter
Verwendung der zuvor erfassten Nutzungsdaten der elektrischen Antriebssysteme.
PCT/EP2022/078355 2021-10-26 2022-10-12 Steuervorrichtung für eine antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen, antriebseinheit und verfahren zur steuerung einer antriebseinheit mit mehreren antriebsachsen WO2023072594A1 (de)

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