WO2024046705A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen antriebssystems - Google Patents

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WO2024046705A1
WO2024046705A1 PCT/EP2023/071623 EP2023071623W WO2024046705A1 WO 2024046705 A1 WO2024046705 A1 WO 2024046705A1 EP 2023071623 W EP2023071623 W EP 2023071623W WO 2024046705 A1 WO2024046705 A1 WO 2024046705A1
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electric machine
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Raphael Mieth
Aleksandar Markovik
Samar Singh
Tobias Schilder
Philipp Hollstegge
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Mercedes-Benz Group AG
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    • B60L2260/26—Transition between different drive modes

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electric drive system for a motor vehicle with an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle.
  • Electric drive systems for motor vehicles are known from the general state of the art.
  • a front axle of the motor vehicle can be driven electrically just like a rear axle.
  • DE 102018 220 809 A1 describes such a vehicle with a focus of the description on the power electronic control of the electric drive system.
  • the vehicle shown as an example essentially shows the generic structure of the electric drive system present here, in which a first electric machine has a first rear wheel, a second electric machine has a second rear wheel and a third electric machine via an axle drive, such as a differential, the front wheels of the vehicle shown.
  • DE 102020 127 790 A1 This document describes a switchable electrical machine, which can be switched on via a planetary transmission stage with switchable freewheeling.
  • DE 38 01 351 A1 also describes the basic possibility of a switchable four-wheel drive for a non-electrically driven motor vehicle.
  • EP 2 567 859 A1 shows an electric drive system for a motor vehicle with two driven axles, each of which has 2 electric motors.
  • the vehicle has at least one asynchronous motor and one synchronous motor.
  • One method for operating this system provides, among other things, that a different rotor is used for starting the motor vehicle than for operation after starting.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for operating an electric drive system, which enables energy-saving operation and at the same time allows an increase in driving performance, traction, dynamics and/or safety if necessary.
  • this object is achieved by a method for operating an electric drive system with the features in claim 1.
  • Advantageous refinements and further developments of the method according to the invention result from the subclaims dependent on this claim 1.
  • the electric drive system uses a basic structure, which is shown in principle in the first document mentioned at the beginning, but is not described further. It essentially consists of an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle and can preferably be used in passenger cars, light commercial vehicles and the like. A further use, for example in heavy commercial vehicles or the like, such as construction machinery, military vehicles or the like, would also be fundamentally conceivable.
  • the electric drive system for a motor vehicle includes an electrically driven rear axle with a first electric machine with a first rotor which is designed to drive a first rear wheel. Furthermore, the electric drive system for a motor vehicle includes an electric front axle, which has a second electric machine that includes a second rotor that is designed to drive a first front wheel.
  • the first rotor is permanently coupled to the first rear wheel in a torque-transmitting manner.
  • the first electrical machine is designed as an externally excited synchronous machine, which is also abbreviated with the abbreviation EESM.
  • the second electrical machine in the area of the front axle is designed as a permanently excited synchronous machine PMSM.
  • the structure of the electric drive system for the motor vehicle makes it possible to ideally divide the tasks between the front axle and the rear axle with regard to the drive, with electrical decoupling being achieved by using the externally excited synchronous machine in the area of the rear axle by not energizing the electric machine which makes it possible to dispense with a complex mechanical clutch including actuators in this area. This saves components, assembly and manufacturing effort, and thus costs, as well as installation space and weight.
  • a separating clutch in the area of the front axle a separating clutch is designed to couple or decouple the second rotor to the first front wheel in a torque-transmitting manner, as required.
  • This separating clutch which according to an extremely favorable development can be designed as a switchable freewheel, enables mechanical separation if necessary.
  • the method for operating such an electric drive system provides that at a vehicle speed which is greater than a first speed threshold, the second rotor is decoupled from the first front wheel by means of the separating clutch. Operation then takes place above the speed threshold exclusively with the externally excited synchronous machine and thus the rear wheel.
  • This operating range is primarily used for fast driving with low to medium torques.
  • the speed threshold value depends on the direct current voltage or on a state of charge of a vehicle battery.
  • the speed threshold at which the permanently excited synchronous machine on the front axle is decoupled is therefore correspondingly variable and can be proportional depend on the direct voltage.
  • the DC voltage also decreases with the state of charge or the external temperature, which also leads to a reduction in the speed threshold value even if the dependence is assumed to be proportional.
  • An exemplary threshold value for the speed could be approximately 130km/h, which is set accordingly for the design voltage, i.e. the voltage for which the direct current system of the electric drive is designed.
  • the first electric machine is electrically decoupled if an accelerator pedal value is also smaller than an accelerator pedal threshold value.
  • This is therefore an operation with loads that are not too high, which is an extremely common case when using a motor vehicle, and typically even the most common case.
  • the front axle is primarily used, while the first electrical machine, i.e. the externally excited synchronous machine on the rear axle, is electrically decoupled by switching off the excitation current. In this situation, there are only mechanical losses from the rear axle; the electric machine does not have to be dragged along against electrical resistance.
  • the electric drive system with the different electric machines in the area of the front axle on the one hand and the rear axle on the other hand now enables an efficient increase in its drive efficiency through the possibility of an application-specific design, for example of the front wheel drive as an efficient drive and the rear wheel drive as a functional drive to meet high driving requirements.
  • an overall rear axle ratio is greater than an overall front axle ratio.
  • the overall rear axle ratio in the sense of the invention is to be understood as the overall ratio from a rear side shaft, which is connected to the driven wheel, to the first rotor shaft of the first electric machine.
  • the overall front axle ratio is the overall ratio from a first front side shaft to the second rotor shaft of the second electric machine in the area of the front wheel. It can preferably be provided that the overall rear axle ratio is greater than 6 and the overall front axle ratio is correspondingly smaller than 6.
  • a further very advantageous embodiment can provide that the first electrical machine is designed as an axial flux machine.
  • the first electrical machine is designed as an axial flux machine.
  • such a system is ideal for designing the rear wheel drive as a functional drive.
  • the second electrical machine can be designed as a radial flux machine, which is correspondingly suitable as a permanently excited synchronous machine for the efficient drive in the area of the front axle.
  • both the first rotor in the area of the rear axle and the second rotor in the area of the front axle can be arranged coaxially to a first differential gear in the case of the first rotor and a second differential gear in the case of the second rotor.
  • Coaxial in the sense of the invention refers to rotating about the same axis of rotation.
  • a further very advantageous embodiment of the electric drive system for a motor vehicle according to the invention can further provide that the electric rear axle has a third electric machine, which can also be designed as an externally excited synchronous machine and in particular as an axial flux machine.
  • This third electric machine has a third rotor which is designed to drive the first rear wheel and/or a second rear wheel.
  • the drive for the rear axle can be provided by two motors. These can both drive the same wheel or, in particular, each can drive its own wheel on the rear axle, so they can be designed as a symmetrically divided drive for the right rear wheel on the one hand and the left rear wheel on the other, or alternatively they can both drive the rear wheel or wheels together.
  • a further embodiment of the invention can further provide that at a vehicle speed that is smaller than a second speed threshold, and at an accelerator pedal value that is greater than the accelerator pedal threshold value, both the first electrical machine and the second electrical machine are operated in a driving manner, wherein under these conditions an output drive power of the second electrical machine is greater than an output drive power of the first electrical machine.
  • This third operating range described it is then the case that both electrical machines are operated, with the second electrical machine, i.e. the permanently excited synchronous machine of the front axle, being operated with a correspondingly higher power, i.e. the second electrical machine dominates as a power provider.
  • This third operating range is at rather slow speeds but higher loads or higher required torques.
  • the second speed threshold value is advantageously smaller than the first speed threshold value.
  • a fourth operating range can also be provided in which, at a vehicle speed that is smaller than the first speed threshold but greater than the second speed threshold, here too an accelerator pedal value is greater than the accelerator pedal threshold, both the first electric machine and the second electric machine are operated in a driving manner, the drive power output of the first electric machine, i.e. the externally excited synchronous machine of the rear axle, being greater than the drive power output of the second electric machine.
  • both electric machines are also used, with the first electric machine of the rear axle dominating the provision of drive power by being operated with greater drive power than the second electric machine.
  • This fourth operating area represents higher loads and higher speeds, which, however, remain below the first speed threshold.
  • the distribution of the power and ultimately also the distribution of the torque in the overlap area results from an efficiency-optimized operating strategy.
  • the ideal torque distribution between the driven Front axle and the driven rear axle is calculated, the ideal torque distribution between the electrically driven front axle on the one hand and the electrically driven rear axle on the other hand being calculated in such a way that a total output of the electric drive system is minimized.
  • the requested total wheel torque is proportional to the accelerator pedal position.
  • the mechanical power loss of the driven axles essentially consists of power loss from the gearboxes and power loss from the electrical machines.
  • the mechanical power loss is advantageously calculated or determined depending on factors such as the speed, torque and gear ratio.
  • Loss maps of electrical machines advantageously take into account the dependence on the direct voltage, the maximum direct current, the rotor speed and the rotor torque. All of this flows into the strategy optimized to minimize the performance of the overall drive.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electric drive system according to the invention.
  • Fig. 2 different operating ranges in a diagram of the accelerator pedal position versus the vehicle speed.
  • a vehicle 1 is indicated schematically in the illustration in FIG.
  • the vehicle 1 is to be driven by an electric drive system, which includes an electrically driven front axle 2 and an electrically driven rear axle 3.
  • the electrically driven rear axle 3 includes a first electric machine 4 with a first rotor 5, which in the exemplary embodiment shown here has a first differential gear 6 is in a permanent torque-transmitting connection to a driven rear wheel 7 or a side shaft 8 connected to it in a rotationally fixed manner.
  • a planetary gear 9 is indicated between the first differential gear 6 and the side shaft 8, which is to be understood as optional.
  • the electrically driven front axle 2 includes a second electric machine 10 in a second rotor 11, which drives front wheels 16 driven via a second differential gear 12 and two planetary gears 13, 14 or the side shafts 15 of these front wheels 16 which are connected to them in a rotationally fixed manner.
  • the two planetary gears 13, 14 could also be dispensed with.
  • separating clutches 17 in the form of switchable freewheels are provided.
  • a structure with a further third electric machine 18 with a third rotor 19 can optionally be provided, which drives a second driven rear wheel 20 or its side shaft 21 via the first differential gear 6 via an optional planetary gear 22. Both electric machines 4, 18 could also drive the two rear wheels 7, 20 together via the first differential gear 6.
  • the electric drive system for the motor vehicle 1 now provides that the first electric machine 4 and the third electric machine 18 - if present - are each designed as externally excited synchronous machines EESM, preferably as axial flux machines.
  • the second electrical machine 10 of the electrically driven front axle 2 is designed as a permanently excited synchronous machine PMSM, and here in particular as a radial flux machine.
  • the two electrically driven axes 2, 3 have different tasks for operating the electric drive system.
  • the electrically driven front axle 2 serves as an efficient drive. Its task is to meet the most common customer-relevant driving requirements and to predominantly drive the vehicle in everyday use. The requirement extends over a comparatively large speed range, but a relatively low torque. This suits the principle of the permanently excited synchronous machine.
  • the electric front axle can be driven via the switchable freewheels 17 as separating clutches 17 2 switch off if necessary. Ideally, a parking lock is not required here to minimize losses.
  • the total gear ratio between the second rotor 11 of the second electric machine 10 and the two side shafts 15 of the electrically driven front axle 2 is ideally less than 6.
  • the electrically driven rear axle 3 is designed for the so-called functional drive. Their task is to meet high driving requirements beyond everyday operation, for example special load cases such as kickdown, starting with a trailer on an incline and the like.
  • the first electrical machine 4 or the two electrical machines 4, 18 are designed as externally excited synchronous machines, in particular as axial flux machines.
  • the driven rear axle 3 In the event that the driven rear axle 3 is not driven, it remains mechanically connected, the drive is simply not energized, which in the installed externally excited synchronous machines means that they rotate electrically without loss, so that there are no electrical losses, only mechanical losses the friction in the electrically driven rear axle 3 occurs accordingly. It is the case that the selection of the electrically driven rear axle 3 is ideally suited for the functional drive, since the positioning means that the usability of the drive is advantageous due to the increased traction due to the driving dynamics.
  • FIG. 1 An accelerator pedal position or an accelerator pedal value S is plotted against a speed v of the vehicle 1.
  • the accelerator pedal value S is the value, for example in percent, by which the accelerator pedal is actuated.
  • This accelerator pedal value S is essentially proportional to the sum of the drive torques, i.e. to a requested total drive torque, on the driven vehicle wheels.
  • a first operating range I can be seen in the diagram at the bottom left. It ranges from an accelerator pedal value with the accelerator pedal essentially not actuated to an accelerator pedal threshold value S1 shown with a dashed line in the direction of the accelerator pedal value S. In the direction of the vehicle speed v, the first operating range I ranges from zero to a first speed threshold value v1. This area, which is shown somewhat schematically in FIG. 2, would actually end with a hyperbolically downward sloping curve in its right-hand area in the direction of the vehicle speed. However, this is no longer relevant to the explanation here, so it is not shown.
  • a second operating range II adjoins the first operating range I on the right for higher vehicle speeds v, i.e. vehicle speeds v which are greater than the first speed threshold value v1. It projects above the accelerator pedal threshold value S1 in the direction of the accelerator pedal value S. In the direction of the accelerator pedal value S above the accelerator pedal threshold value S1, the first operating range I is followed by a third operating range III, which extends in the direction of the vehicle speed v up to a second speed threshold value v2, which is smaller than the first speed threshold value v1.
  • a fourth operating range IV lies in the area above the accelerator pedal threshold value S1 and between the first speed threshold value v1 and the second smaller speed threshold value v2.
  • Operation in the first operating range I now takes place, for example, up to a total drive torque of approximately 3000 Nm on the wheel, which is essentially proportional to the accelerator pedal value S, in exclusive operation of the permanently excited synchronous machine 10, i.e. efficient operation with the electrically driven front axle 2.
  • This Operation takes up a significant part of the everyday operation of the motor vehicle 1. It is characterized by comparatively low total drive torque and, accordingly, an accelerator pedal that is not fully depressed.
  • the second operating range II at a higher speed v of the motor vehicle 1 and up to a maximum total drive torque occurring at these speeds is the operating range I, in which only the Electrically driven rear axle 3 is used, i.e. the pure functional drive.
  • the two operating areas III and IV are mixed areas or transition areas in which both the electrically driven front axle 2 and the electrically driven rear axle 3 are used, optimized for the efficiency of the overall drive.
  • this mixed operation of the services it is the case that in the third operating range III the electrically driven front axle 2 and thus the permanently excited synchronous machine 10 is dominant, the externally excited synchronous machine 4 or the externally excited synchronous machines 4, 18 of the electrically driven rear axle 3 only deliver small power parts added.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug (1) mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse (3), wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (4) umfasst, die einen ersten Rotor (5) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad (7) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (10) umfasst, die einen zweiten Rotor (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Vorderrad (16) anzutreiben, wobei der erste Rotor (5) permanent drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) gekoppelt ist, wobei die erste elektrische Maschine (4) als eine fremderregte Synchronmaschine und die zweite elektrische Maschine (10) als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist.

Description

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse.
Elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge sind soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dabei können beispielsweise eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs ebenso elektrisch angetrieben werden, wie eine Hinterachse. Die DE 102018 220 809 A1 beschreibt ein derartiges Fahrzeug mit einem Schwerpunkt der Beschreibung auf der leistungselektronischen Regelung des elektrischen Antriebssystems. Das beispielhaft abgebildete Fahrzeug zeigt dabei im Wesentlichen den gattungsgemäßen Aufbau des hier vorliegenden elektrischen Antriebssystems, bei welchem eine erste elektrische Maschine ein erstes Hinterrad, eine zweite elektrische Maschine ein zweites Hinterrad und eine dritte elektrische Maschine über ein Achsgetriebe, wie beispielsweise ein Differential, die Vorderräder des dargestellten Fahrzeugs antreibt.
Eine Alternative hierzu beschreibt die DE 102011 080236 A1. In dieser Schrift ist eine Antriebsvorrichtung für ein einzelnes Rad eines Kraftfahrzeugs beschrieben, welche auch so für zwei oder mehr Räder des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen könnte. Dabei ist eine elektrische Maschine für jedes angetriebene Rad vorgesehen. Der Rotor dieser elektrischen Maschine ist über eine Planetenübersetzungsstufe mit dem jeweiligen angetriebenen Rad gekoppelt.
Ferner kann auf die DE 102020 127 790 A1 verwiesen werden. In dieser Schrift wird eine zuschaltbare elektrische Maschine beschrieben, welche über eine Planetenübersetzungsstufe mit schaltbarem Freilauf zugeschaltet werden kann. In der DE 38 01 351 A1 ist außerdem bei einem nicht elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug die grundlegende Möglichkeit eines zuschaltbaren Vierradantriebs beschrieben.
Schließlich zeigt die EP 2 567 859 A1 ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit zwei angetriebenen Achsen, welche jeweils 2 Elektromotoren aufweisen. Dabei besitzt das Fahrzeug zumindest einen Asynchronmotor und einen Synchronmotor. Ein Verfahren zum Betreiben dieses Systems sieht unter anderem vor, dass zum Anfahrbetrieb des Kraftfahrzeugs ein anderer Rotor verwendet wird als zu einem Betrieb nach dem Anfahren.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems anzugeben, welches eine energiesparende Betriebsweise ermöglicht und gleichzeitig bei Bedarf eine Steigerung der Fahrleistung, der Zugkraft, der Dynamik und/oder der Sicherheit erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von diesem Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
Das elektrische Antriebssystem gemäß der Erfindung nutzt einen Grundaufbau, welcher so prinzipiell in der eingangs genannten ersten Schrift gezeigt, aber nicht weiter beschrieben wird. Er besteht im Wesentlichen aus einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse und lässt sich vorzugsweise bei Personenkraftwagen, leichten Nutzfahrzeugen und dergleichen einsetzen. Ein darüberhinausgehender Einsatz beispielsweise bei schweren Nutzfahrzeugen oder dergleichen, wie beispielsweise bei Baumaschinen, bei Militärfahrzeugen oder ähnlichen wäre grundlegend auch denkbar.
Das elektrische Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrisch angetriebene Hinterachse mit einer ersten elektrische Maschine mit einem ersten Rotor der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad anzutreiben. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug eine elektrische Vorderachse, welche eine zweite elektrische Maschine aufweist, die einen zweiten Rotor umfasst, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Vorderrad anzutreiben.
Bei dem Antriebssystem für das erfindungsgemäße Verfahren ist der erste Rotor permanent drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad gekoppelt. Die erste elektrische Maschine ist dabei erfindungsgemäß als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet, was auch mit dem Kürzel EESM abgekürzt wird. Die zweite elektrische Maschine im Bereich der Vorderachse ist erfindungsgemäß als eine permanenterregte Synchronmaschine PMSM ausgebildet. Der Aufbau des elektrischen Antriebssystems für das Kraftfahrzeug ermöglicht es so, die Aufgaben zwischen der Vorderachse und der Hinterachse bezüglich des Antriebs ideal aufzuteilen, wobei durch den Einsatz der fremderregten Synchronmaschine im Bereich der Hinterachse durch das nicht-bestromen der elektrischen Maschine eine elektrische Entkopplung erreicht werden kann, welche es ermöglicht, auf eine aufwändige mechanische Kupplung samt Aktuatorik in diesem Bereich zu verzichten. Dies spart Bauteile, Montage bzw. Herstellungsaufwand, und damit Kosten, sowie Bauraum und Gewicht ein.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich der Vorderachse eine Trennkupplung dazu ausgebildet ist, den zweiten Rotor drehmomentübertragend mit dem ersten Vorderrad zu koppeln oder zu entkoppeln, je nach Bedarf. Diese Trennkupplung, welche gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als schaltbarer Freilauf ausgebildet sein kann, ermöglicht so eine mechanische Trennung bei Bedarf.
Das Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Antriebssystems sieht es erfindungsgemäß vor, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, welche größer als ein erster Geschwindigkeitsschwellwert ist, mittels der Trennkupplung der zweite Rotor von dem ersten Vorderrad entkoppelt wird. Der Betrieb erfolgt dann also oberhalb des Geschwindigkeitsschwellwerts ausschließlich mit der fremderregten Synchronmaschine und damit dem Hinterrad. Dieser Betriebsbereich wird primär für schnelle Fahren mit eher kleinen bis mittleren Drehmomenten genutzt.
Ferner ist der Geschwindigkeitsschwellwert dabei erfindungsgemäß von der Gleichstromspannung oder von einem Ladezustand einer Fahrzeugbatterie abhängig. Der Schwellwert der Geschwindigkeit, bei dem die permanenterregte Synchronmaschine auf der Vorderachse abgekoppelt wird, ist also entsprechend variabel und kann proportional von der Gleichspannung abhängen. Mit dem Ladezustand oder auch der äußeren Temperatur sinkt die Gleichspannung ebenfalls, was auch dann entsprechend zu einer Reduktion des Schwellwerts der Geschwindigkeit führt, wenn die Abhängigkeit als proportional angenommen wird. Ein beispielhafter Schwellwert der Geschwindigkeit könnte beispielsweise bei ca. 130km/h liegen, welcher entsprechend für die Auslegungsspannung, also die Spannung, für welche das Gleichstromsystem des elektrischen Antriebs ausgelegt ist, angesetzt wird.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert ist, die erste elektrische Maschine elektrisch entkoppelt wird, wenn außerdem ein Fahrpedalwert kleiner als ein Fahrpedalschwellwert ist. Es handelt sich hier also um einen Betrieb bei nicht allzu hohen Lasten, was beim Einsatz eines Kraftfahrzeugs ein außerordentlich häufiger Fall, typischerweise sogar der häufigste Fall ist. In dieser Situation wird also primär die Vorderachse genutzt, während die erste elektrische Maschine, also die fremderregte Synchronmaschine der Hinterachse, elektrisch entkoppelt wird, indem der Erregungsstrom abgeschaltet wird. In dieser Situation liegen dann von der Hinterachse lediglich die mechanischen Verluste vor, die elektrische Maschine muss nicht gegen einen elektrischen Widerstand mitgeschleppt werden.
Das elektrische Antriebssystem mit den unterschiedlichen elektrischen Maschinen im Bereich der Vorderachse einerseits und der Hinterachse andererseits ermöglicht nun eine effiziente Steigerung seiner Antriebseffizienz durch die Möglichkeit einer anwendungsindividuellen Auslegung beispielsweise des Vorderradantriebs als Effizienzantrieb und des Hinterradantriebs als Funktionsantrieb zur Erfüllung hoher Fahranforderungen. Dies gilt insbesondere für die beschriebene Variante mit der Kupplung, welche insbesondere als schaltbarer Freilauf ausgebildet ist.
Im Sinne einer solchen Aufteilung und Optimierung des Vorderradantriebs für die eine und des Hinterradantriebs für die andere Aufgabe ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems ferner vorgesehen, dass eine Gesamthinterachsübersetzung größer als eine Gesamtvorderachsübersetzung ist. Unter der Gesamthinterachsübersetzung im Sinne der Erfindung ist dabei die Gesamtübersetzung von einer hinteren Seitenwelle, welche mit dem angetriebenen Rad verbunden ist, zu der ersten Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine zu verstehen. Dementsprechend ist unter der Gesamtvorderachsübersetzung die Gesamtübersetzung von einer ersten vorderen Seitenwelle zu der zweiten Rotorwelle der zweiten elektrischen Maschine im Bereich des Vorderrads zu sehen. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Gesamthinterachsübersetzung größer als 6 und die Gesamtvorderachsübersetzung dementsprechend kleiner als 6 ist.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass die erste elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine ausgebildet ist. Insbesondere eine solche eignet sich ideal für die Ausgestaltung des Hinterradantriebs als Funktionsantrieb.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite elektrische Maschine als eine Radialflussmaschine ausgebildet sein, welche sich entsprechend gut als permanenterregte Synchronmaschine für den Effizienzantrieb im Bereich der Vorderachse eignet.
Sowohl der erste Rotor im Bereich der Hinterachse als auch der zweite Rotor im Bereich der Vorderachse können dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung koaxial zu einem ersten Differentialgetriebe im Falle des ersten Rotors und eines zweiten Differentialgetriebes im Falle des zweiten Rotors angeordnet sein. Koaxial im Sinne der Erfindung bezeichnet dabei ein Drehen um dieselbe Drehachse.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass die elektrische Hinterachse eine dritte elektrische Maschine aufweist, die ebenfalls als eine fremderregte Synchronmaschine und insbesondere wiederum als Axialflussmaschine ausgebildet sein kann. Diese dritte elektrische Maschine weist einen dritten Rotor auf, der dazu ausgebildet ist, das erste Hinterrad und/oder ein zweites Hinterrad anzutreiben. Der Antrieb für die Hinterachse kann also durch zwei Motoren erfolgen. Diese können beide dasselbe Rad oder insbesondere jeder ein eigenes Rad der Hinterachse entsprechend antreiben, sie können also als symmetrisch aufgeteilter Antrieb für das rechte Hinterrad einerseits und das linke Hinterrad andererseits ausgestaltet sein oder alternativ dazu beide gemeinsam das oder die Hinterräder antreiben.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit, die kleiner als ein zweiter Geschwindigkeitsschwellwert ist, und bei einem Fahrpedalwert, der größer als der Fahrpedalschwellwert ist, sowohl die erste elektrische Maschine als auch die zweite elektrische Maschine antreibend betrieben werden, wobei bei diesen Bedingungen eine abgegebene Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine größer als eine abgegebene Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine ist. In diesem dritten beschriebenen Betriebsbereich ist es dann so, dass beide elektrischen Maschinen betrieben werden, wobei die zweite elektrische Maschine, also die permanenterregte Synchronmaschine der Vorderachse, mit entsprechend höherer Leistung betrieben wird, die zweite elektrische Maschine also als Leistungsbereitsteller dominiert. Dieser dritte Betriebsbereich liegt dabei bei eher langsamen Geschwindigkeiten aber höheren Lasten bzw. höheren benötigten Drehmomenten. Der zweite Geschwindigkeitsschwellwert ist dabei vorteilhaft kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann außerdem ein vierter Betriebsbereich vorgesehen sein, in dem bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert jedoch größer als der zweiter Geschwindigkeitsschwellwert ist, wobei auch hier ein Fahrpedalwert größer als der Fahrpedalschwellwert ist, sowohl die erste elektrische Maschine als auch die zweite elektrische Maschine antreibend betrieben werden, wobei die abgegebene Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine, also der fremderregten Synchronmaschine der Hinterachse, größer als die abgegebene Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine ist. In diesem vierten Betriebsbereich werden also ebenfalls beide elektrischen Maschinen genutzt, wobei hier die erste elektrische Maschine der Hinterachse das Bereitstellen von Antriebsleistung dominiert, indem sie mit größerer Antriebsleistung als die zweite elektrische Maschine betrieben wird. Dieser vierte Betriebs be re ich steht dabei für höhere Lasten und höhere Geschwindigkeiten, die jedoch unter dem ersten Geschwindigkeitsschwellwert bleiben.
Dabei ist es so, dass die Verteilung der Leistung und damit letztlich auch die Verteilung des Drehmoments im Überlappungsbereich, also dem dritten und vierten Betriebsbereich, in welchen beide Antriebe betrieben werden aus einer effizienzoptimierten Betriebsstrategie resultiert. Erfindungsgemäß kann es dafür vorgesehen sein, dass für jeden Betriebspunkt in Abhängigkeit von der Gleichspannung des elektrischen Antriebsystems, von Raddrehzahlen und von einem angeforderten Summen- Raddrehmoment die ideale Drehmomentaufteilung zwischen der angetriebenen Vorderachse und der angetriebenen Hinterachse berechnet wird, wobei die ideale Drehmomentaufteilung auf die elektrische angetriebene Vorderachse einerseits und die elektrische angetriebene Hinterachse andererseits derart berechnet wird, dass eine abgegebene Gesamtleistung des elektrischen Antriebssystems minimiert wird.
Das angeforderte Summen-Raddrehmoment ist dabei proportional zu der Fahrpedalstellung.
Dabei setzt sich die mechanische Verlustleistung der angetriebenen Achsen im Wesentlichen aus einer Verlustleistung der Getriebe und aus einer Verlustleistung der elektrischen Maschinen zusammen. Die mechanische Verlustleistung wird vorteilhaft in Abhängigkeit von Faktoren wie der Drehzahl, des Drehmoments und der Übersetzung berechnet beziehungsweise bestimmt. Verlustkennfelder der elektrischen Maschinen berücksichtigen vorteilhaft die Abhängigkeit von der Gleichspannung, dem maximalen Gleichstrom, der Rotordrehzahl und dem Rotordrehmoment. All dies fließt in die hinsichtlich der Minimierung der Leistung des Gesamtantriebs optimierte Strategie mit ein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung sowie des Verfahrens zum Betreiben einer Variante eines derartigen elektrischen Antriebssystems ergeben sich auch aus dem anhand der Figuren nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 verschiedene Betriebsbereiche in einem Diagramm der Fahrpedalstellung über der Fahrzeuggeschwindigkeit.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Fahrzeug 1 schematisch angedeutet. Das Fahrzeug 1 soll von einem elektrischen Antriebssystem angetrieben werden, welches eine elektrisch angetriebene Vorderachse 2 und eine elektrisch angetriebene Hinterachse 3 umfasst. Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 umfasst eine erste elektrische Maschine 4 mit einem ersten Rotor 5, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über ein erstes Differentialgetriebe 6 in permanent drehmomentübertragender Verbindung zu einem angetriebenen Hinterrad 7 bzw. einer mit diesem drehfest verbundenen Seitenwelle 8 steht. Zwischen dem ersten Differentialgetriebe 6 und der Seitenwelle 8 ist dabei ein Planetengetriebe 9 angedeutet, welches als optional zu verstehen ist.
Die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 umfasst eine zweite elektrische Maschine 10 in einem zweiten Rotor 11 , welcher über ein zweites Differentialgetriebe 12 und zwei Planetengetriebe 13, 14 angetriebene Vorderräder 16 bzw. die drehfest mit ihnen verbundenen Seitenwellen 15 dieser Vorderräder 16 antreibt. Auch hier könnte auf die beiden Planetengetriebe 13, 14 auch verzichtet werden. Im Bereich der Seitenwellen 15 der angetriebenen Vorderachse 2 sind dabei jeweils Trennkupplungen 17 in Form von schaltbaren Freiläufen vorgesehen.
Im Bereich der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 kann optional auch ein Aufbau mit einer weiteren dritten elektrischen Maschine 18 mit einem dritten Rotor 19 vorgesehen sein, welcher über das erste Differentialgetriebe 6 ein zweites abgetriebenes Hinterrad 20 bzw. dessen Seitenwelle 21 über ein optionales Planetengetriebe 22 antreibt. Über das erste Differentialgetriebe 6 könnten auch beide elektrischen Maschinen 4, 18 die beiden Hinterräder 7, 20 zusammen antreiben.
Das elektrische Antriebssystem für das Kraftfahrzeug 1 sieht es nun vor, dass die erste elektrische Maschine 4 sowie die dritte elektrische Maschine 18 - sofern vorhanden - jeweils als fremderregte Synchronmaschinen EESM, vorzugsweise als Axialflussmaschinen, ausgebildet sind. Dahingegen ist die zweite elektrische Maschine 10 der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 als permanenterregte Synchronmaschine PMSM, und hier insbesondere als Radialflussmaschine, ausgebildet.
Die beiden elektrisch angetriebenen Achsen 2, 3 haben dabei für den Betrieb des elektrischen Antriebssystems unterschiedliche Aufgaben. Die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 dient dem Effizienzantrieb. Sie hat die Aufgabe die häufigsten kundenrelevanten Fahranforderungen zu erfüllen und das Fahrzeug im Alltagsbetrieb überwiegend anzutreiben. Der Bedarf erstreckt sich hierbei über ein vergleichsweise großes Drehzahlband, aber ein relativ geringes Drehmoment. Dies kommt der permanenterregten Synchronmaschine prinzipbedingt entgegen. Über die schaltbaren Freiläufe 17 als Trennkupplungen 17 lässt sich der Antrieb der elektrischen Vorderachse 2 bei Bedarf abschalten. Auf eine Parksperre wird hier in idealerweise zur Minimierung von Verlusten verzichtet. Die Gesamtübersetzung zwischen dem zweiten Rotor 11 der zweiten elektrischen Maschine 10 und den beiden Seitenwellen 15 der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 beträgt idealerweise weniger als 6.
Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 ist dahingegen für den sogenannten Funktionsantrieb ausgelegt. Ihre Aufgabe besteht darin hohe Fahranforderungen jenseits des Alltagsbetriebs zu erfüllen, also beispielsweise Sonderlastfälle wie dem Kickdown, das Anfahren mit Anhänger an einer Steigung und ähnliches. Die erste elektrische Maschine 4 oder die beiden elektrischen Maschinen 4, 18 sind dafür als fremderregte Synchronmaschinen, insbesondere als Axialflussmaschinen, ausgebildet. Hierbei existiert im Bereich der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 keine mechanische Kupplung, sondern der erste Rotor 5 bzw. der erste Rotor 5 und der dritte Rotor 19 sind permanent mit den Seitenwellen 8 bzw. 8 und 21 und verbunden. Dadurch werden keine mechanischen Kupplungselemente und keine Aktuatorik benötigt. Im Falle, dass die angetriebene Hinterachse 3 nicht angetrieben wird, bleibt diese also mechanisch verbunden, der Antrieb wird lediglich nicht bestromt, was bei den verbauten fremderregten Synchronmaschinen dazu führt, dass diese elektrisch verlustfrei mitdrehen, sodass keine elektrischen, sondern lediglich die mechanischen Verluste durch die Reibung in der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 entsprechend auftreten. Dabei ist es so, dass die Auswahl der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 für den Funktionsantrieb ideal geeignet ist, da hier aufgrund der Positionierung die Nutzbarkeit des Antriebs aufgrund der erhöhten Traktion durch die Fahrdynamik von Vorteil ist.
Die verschiedenen denkbaren Betriebsbereiche für ein solches elektrisches Antriebssystem für das Kraftfahrzeug 1 sind nun in dem schematisierten Diagramm der Figur 2 dargestellt. Dabei ist eine Fahrpedalstellung bzw. ein Fahrpedalwert S über einer Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 aufgetragen. Der Fahrpedalwert S ist dabei der Wert, beispielsweise in Prozent, um welchen das Fahrpedal betätigt ist.
Dieser Fahrpedalwert S ist im Wesentlichen proportional zur Summe der Antriebsdrehmomente, mithin zu einem angeforderten Gesamtantriebsdrehmoment, an den angetriebenen Fahrzeugrädern. Ein erster Betriebsbereich I ist dabei in dem Diagramm links unten zu erkennen. Er reicht von einem Fahrpedalwert mit quasi nicht betätigtem Fahrpedal bis zu einem mit gestrichelter Linie eingezeichneten Fahrpedalschwellwert S1 in der Richtung des Fahrpedalwerts S. In der Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit v reicht der erste Betriebsbereich I von Null bis zu einem ersten Geschwindigkeitsschwellwert v1. Dieser Bereich, welcher in der Figur 2 etwas schematisiert dargestellt ist, würde in seinem in Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit rechten Bereich eigentlich mit einer hyperbolisch nach unten abfallenden Kurve enden. Dies ist für die hier vorliegende Erläuterung jedoch nicht weiter relevant, sodass dies nicht eingezeichnet ist.
Ein zweiter Betriebsbereich II schließt sich für größere Fahrzeuggeschwindigkeiten v, also Fahrzeuggeschwindigkeiten v, welche größer als der erste Geschwindigkeitsschwellwert v1 sind, rechts an den ersten Betriebsbereich I an. Er überragt dabei in der Richtung des Fahrpedalwerts S den Fahrpedalschwellwert S1 nach oben. In Richtung des Fahrpedalwerts S oberhalb des Fahrpedalschwellwerts S1 schließt sich an den ersten Betriebsbereich I ein dritter Betriebsbereich III an, welcher in Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit v bis zu einem zweiten Geschwindigkeitsschwellwert v2 reicht, welcher kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert v1 ist. Im Bereich oberhalb des Fahrpedalschwellwerts S1 und zwischen dem ersten Geschwindigkeitsschwellwert v1 sowie dem zweiten kleineren Geschwindigkeitsschwellwert v2 liegt ein vierter Betriebsbereich IV.
Ein Betrieb im ersten Betriebsbereich I erfolgt nun beispielsweise bis zu einem Gesamtantriebsdrehmoment von ca. 3000 Nm am Rad, welcher im Wesentlichen proportional zu dem Fahrpedalwert S ist, im ausschließlichen Betrieb der permanenterregten Synchronmaschine 10, also dem Effizienzbetrieb mit der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2. Dieser Betrieb nimmt im Alltagsbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 den wesentlichen Teil ein. Er zeichnet sich durch vergleichsweise niedrige Gesamtantriebsdrehmomente und dementsprechend ein nicht voll durchgedrücktes Fahrpedal aus.
Der zweite Betriebsbereich II bei höherer Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 1 und bis zu einem bei diesen Geschwindigkeiten auftretenden maximalen Gesamtantriebsdrehmoment ist der Betriebsbereich I, in welchem ausschließlich die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 zum Einsatz kommt, also der reine Funktionsantrieb.
Die beiden Betriebsbereiche III und IV dahingegen sind Mischbereiche oder Übergangsbereiche, in denen optimiert auf die Effizienz des Gesamtantriebs hin sowohl die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 als auch die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 zum Einsatz kommt. In diesem Mischbetrieb der Leistungen ist es so, dass in dem dritten Betriebsbereich III die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 und damit die permanenterregte Synchronmaschine 10 dominant ist, die fremderregte Synchronmaschine 4 bzw. die fremderregten Synchronmaschinen 4, 18 der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 liefern lediglich kleine Leistungsteile hinzu. Oberhalb des zweiten Geschwindigkeitsschwellwerts v2 kommt es dann bei höheren geforderten Drehmomenten und damit bei einem Fahrpedalwert S über dem Fahrpedalschwellwert S1 zu einem Antrieb mit beiden angetriebenen Achsen 2, 3, bei welchem nun jedoch die erste elektrische Maschine 4 bzw. die erste elektrische Maschine 4 und die dritte elektrische Maschine 18 der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 hinsichtlich der Bereitstellung von Antriebsleistung dominieren.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug (1) mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse (3), wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (4) umfasst, die einen ersten Rotor (5) aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens ein erstes Hinterrad (7) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (10) umfasst, die einen zweiten Rotor (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens ein erstes Vorderrad (16) anzutreiben, wobei der erste Rotor (5) permanent drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (4) als eine fremderregte Synchronmaschine und die zweite elektrische Maschine (10) als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist, wobei eine Trennkupplung (17) dazu ausgebildet ist, den zweiten Rotor (11) drehmomentübertragend mit dem wenigstens einen ersten Vorderrad (16) zu koppeln und zu entkoppeln, wobei bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die größer als ein erster Geschwindigkeitsschwellwert (v1) ist, mittels der Trennkupplung (17) der zweite Rotor (11) von dem wenigstens einen angetriebenen Vorderrad (16) entkoppelt wird, wobei der erste Geschwindigkeitsschwellwert (v1) von einer Gleichspannung oder von einem Ladezustand einer Fahrzeugbatterie abhängt, wobei bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert (v1) ist, die erste elektrische Maschine (4) elektrisch entkoppelt wird, wenn außerdem ein Fahrpedalwert (S) kleiner als ein Fahrpedalschwellwert (S1) ist. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung als schaltbarer Freilauf (17) ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthinterachsübersetzung größer als eine Gesamtvorderachsübersetzung ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (4) als eine Axialflussmaschine ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (10) als eine Radialflussmaschine ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (5) koaxial zu einem ersten Differentialgetriebe (6) angeordnet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotor (11) koaxial zu einem zweiten Differentialgetriebe (12) angeordnet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) zusätzlich eine dritte elektrische Maschine (18) aufweist, die als eine fremderregte Synchronmaschine ausgebildet ist, und die einen dritten Rotor (19) aufweist, der dazu ausgebildet ist, das erste Hinterrad (7) und/oder ein zweites Hinterrad (20) anzutreiben. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Gleichspannung der Fahrzeugbatterie, von Raddrehzahlen und von einem angeforderten Gesamtantriebsdrehmoment eine ideale Drehmomentaufteilung zwischen der angetriebenen Vorderachse (2) und der angetriebenen Hinterachse (3) berechnet wird, derart, dass eine abgegebene Gesamtleistung des elektrischen Antriebssystems minimiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die kleiner als ein zweiter Geschwindigkeitsschwellwert (v2) ist und bei einem Fahrpedalwert (S) der größer als der Fahrpedalschwellwert (S1) ist, sowohl die erste elektrische Maschine (4) als auch die zweite elektrische Maschine (10) antreibend betrieben werden, wobei eine Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine (10) größer als eine Antriebsleistung der ersten elektrische Maschine (4) ist und wobei der zweite Geschwindigkeitsschwellwert (v2) kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert (v1) ist. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die kleiner als der erste Geschwindigkeitsschwellwert (v1), jedoch größer als der zweite Geschwindigkeitsschwellwert (v2) ist, sowohl die erste elektrische Maschine (4) als auch die zweite elektrische Maschine (10) antreibend betrieben werden, wobei die Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine (4) größer als die Antriebsleistung der zweiten elektrischen Maschine (10) ist.
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