Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Allradfahrzeuges

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Allradfahrzeuges mit mindestens einer elektronischen Steuereinheit, mit einem einer Primärachse (z. B. Hinterachse) zugeordneten ersten Elektroantriebsmotor und mit einem einer Sekundärachse (z. B. Vorderachse) zugeordneten zweiten Elektroantriebsmotor.

Beispielsweise aus der DE 102014200427 A1 ist ein straßengekoppeltes Hybridfahrzeug mit zwei unterschiedlichen Antriebseinheiten auf der jeweiligen Achse bekannt. Die unterschiedlichen Antriebseinheiten, insbesondere ein Verbrennungsmotor und ein Elektroantriebsmotor, weisen unterschiedliche Dynamikeigenschaften auf; d.h. die Soll-Momente an den einzelnen Achsen sind nicht gleich schnell einstellbar. Insbesondere ist eine Momenterhöhung mittels eines Elektroantriebsmotors wesentlich schneller möglich als dieselbe Momenterhöhung mittels eines Verbrennungsmotors. Die aus der DE 102014200427 A1 bekannte elektronische Steuerung geht insbesondere auf Probleme dieser unterschiedlichen Antriebseinheiten ein.

Bei einem sogenannten straßengekoppelten Allradfahrzeug sind der Primär- und der Sekundärmotor nicht über eine Kupplung, sondern lediglich über die Räder durch die Straße antriebsbezogen gekoppelt. Derartige 2 straßengekoppelte Allradfahrzeuge werden auch als „Axle-Split“-Fahrzeuge bezeichnet. Derartige Allradfahrzeuge werden üblicherweise in einem ersten Betriebsmodus (vorzugsweise einem effizienzoptimierten Antriebsmodus) mit dem Primärmotor allein betrieben (Einachs-Betrieb) und sind in einem zweiten Betriebsmodus (vorzugsweise einem leistungsoptimierten Antriebs- Modus), bei dem der Sekundärmotor automatisch zu- und abschaltbar ist, auch als Allradfahrzeug mit beiden Antriebsmotoren (Zweiachs-Betrieb) betreibbar.

Im Folgenden wird der „Elektroantriebsmotor“ auch kurz „Elektromotor“ und das „Antriebsdrehmoment“ auch kurz „Moment“ genannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Allradfahrzeug eingangs genannter Art im Hinblick auf die Fahrleistung, auf die Effizienz sowie auf den Komfort zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Allradfahrzeuges mit mindestens einer elektronischen Steuereinheit, mit mindestens einem einer Primärachse zugeordneten ersten Elektroantriebsmotor als Primärmotor und mit mindestens einem einer Sekundärachse zugeordneten zweiten Elektroantriebsmotor als Sekundärmotor. Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit ein Drehmoment- Begrenzung-Modul dergestalt auf, dass bei Erkennen einer zu erwartenden Änderung des Allradfaktors aufgrund eines definierten Signals, das dem gefilterten Fahrerwunsch-Signal vorauseilt, sprungartig die Drehmoment- Grenzen für die Einzel-Sollmomente der Elektroantriebsmotoren 3 entsprechend dem vorausbestimmten geänderten Allradfaktor voreingestellt werden, bevor die Einzel-Sollmomente selbst eingestellt werden.

Bevorzugt wird die Drehmoment-Begrenzungsfunktion dann durchgeführt, wenn eine Änderung des Allradfaktors bei Erkennen einer definierten dynamischen Fahrweise des Fahrers, z. B. anhand des Gradienten des ungefilterten Rohsignals des Fahrpedalsensors, vorliegt und dadurch eine Drehmoment-Begrenzung für die Einzelsollmomente erforderlich ist.

Vorzugsweise wird als Signal, das dem gefilterten Fahrerwunsch-Signal vorauseilt, das ungefilterte Rohsignal des Fahrpedalsensors (insbesondere bei einer dynamischen Fahrweise des Fahrers) oder die Erkennen einer Schlupfsituation oder eine Überhitzung des Primärmotors definiert.

Die Drehmoment-Begrenzungsfunktion rechnet ständig und ändert zu jeder Zeit die Limits (Drehmoment-Grenzen) digital, wenn sich der Allradfaktor ändert (in Richtung 2-Achs- und auch in Richtung 1 -Achs-Betrieb) und die Limits vom Sollmoment (noch) nicht abgerufen werden. Also auch im Teillastbetrieb oder im Schubbetrieb, wenn sich die Information für den Zugbetrieb ändert, umgekehrt auch im Zugbetrieb, wenn sich die Information für den Schubbetrieb ändert. Hauptanwendungsgebiet ist bevorzugt ein „Tipln“ (wie weiter unten genauer definiert, also bei einer definierten dynamischen Fahrweise des Fahrers), also dann, wenn die Limits vom Sollmoment (bzw. vom jeweiligen Einzelsollmoment) angefahren werden und es eine Umverteilung gibt.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Die Erfindung betrifft die Antriebsleistungsverteilung, insbesondere nach einer Fahrerwunsch-Änderung, die zu einem Übergang vom Einachs- Antriebsbetrieb zu einem Zweiachs- (Allrad-) Antriebsbetrieb führt, in dem ein 4 sogenannter Allradfaktor (AWD) das Verhältnis der Soll-Momentenverteilung auf die E-Maschine(n) pro Achse vorgibt.

Dabei geht es einerseits um eine Strategie zum automatischen Zuschalten des elektrischen Sekundärmotors bei Vorhandensein eines ebenfalls elektrischen Primärmotors und andererseits um eine Strategie zur Änderung des Soll-Moments des Primärmotors beim Übergang vom Einachs- in den Zweiachs-Betrieb. Beim Stand der Technik wird dabei üblicherweise fahrstabilitätsorientiertes Fahren mit einer Antriebsmomentverteilung auf die Achsen zur Traktionserhöhung in den Vordergrund gestellt. Die Erfindung beschäftigt sich jedoch vorrangig mit einer Komforterhöhung durch Verminderung von spürbaren Rucken.

Beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2021 105 341 ist bereits eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Allradfahrzeuges mit mindestens einer elektronischen Steuereinheit, mit einem einer Primärachse zugeordneten ersten Elektroantriebsmotor (Primärmotor) und mit einem einer Sekundärachse zugeordneten zweiten Elektroantriebsmotor (Sekundärmotor) beschrieben. Diese Steuereinheit enthält ein Dynamik-Funktionsmodul dergestalt, dass bei Erkennen einer definierten dynamischen Fahrweise des Fahrers anhand des Fahrerwunsch- Gradienten während einer (Einachs-) Betriebsweise mit aktiviertem Primärmotor und deaktiviertem Sekundärmotor für ein vorgegebenes Zeitfenster ein durch den neuen Fahrerwunsch vorgegebener Gesamt-Soll- Momentverlauf ermittelt wird. Dieser wird entsprechend einem ebenfalls vorgegebenen Achsverteilungsfaktor durch Reduzieren des Soll-Moments des Primärmotors und durch Aktivieren sowie Erhöhen des Soll-Moments des Sekundärmotors eingestellt, auch wenn der vorgegebene Gesamt-Soll- Momentverlauf unterhalb eines maximal möglichen Moments des Primärmotors liegt. 5

Hierbei wird bei einem geforderten Aktivieren des Sekundärmotors ausgehend von einem ausgeschalteten Magnetfeld des Sekundärmotors die erforderliche Magnetisierungszeit als vorgegebene Verzögerungszeit vorausbestimmt. Der Primärmotor stellt das geforderte Gesamt-Soll-Moment für die Dauer dieser Verzögerungszeit allein. Erst danach werden die Soll- Momente beider Elektroantriebsmotoren synchron entsprechend einem vorgegebenen Allradverteilungsfaktors gestellt.

Eine definierte dynamische Fahrweise des Fahrers wird anhand des Fahrerwunsch-Gradienten vorzugsweise erkannt, wenn der aktuelle Fahrerwunsch-Gradient einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Der vorgegebene Gesamt-Soll-Momentverlauf wird vorzugsweise abhängig vom Fahrerwunsch-Gradienten sowie abhängig von der Differenz des durch den Fahrerwunsch vorgegebenen Soll-Moments zum aktuell verfügbaren Moment des Primärmotors bestimmt.

Zur Verbesserung derartiger straßengekoppelter elektrischer Allradantriebssysteme betrifft die vorliegende Erfindung eine Leistungskoordination zur gezielten Verteilung der Antriebsleistung der Energiequelle (z.B. HV-Speicher) auf zwei Achsen mit je einer E-Maschine, die unkomfortable Rucke verhindert, wenn beispielsweise in jedem Abtasttask eine neue Allrad-Wunsch-Verteilung („Allradfaktor“) angefordert werden könnte.

Sind pro Achse jeweils (mindestens) eine E-Maschine verbaut, denen gemeinsam mehr Leistung zugewiesen werden könnte als die Speicherquelle (z.B. ein Hochvoltspeicher) absetzen könnte, muss gezielt jeder E-Maschine pro Achse eine bestimmte begrenzte Leistung zugewiesen werden.

Diese begrenzende Leistungszuweisung wird erfindungsgemäß grundsätzlich durch entsprechende Programmierung der Steuereinheit in 6

Drehmoment-Grenzen umgewandelt. Um Rucke zu vermeiden, könnten diese Drehmoment-Grenzen rampenförmig "angefahren" werden. Dies kann jedoch kurzzeitig zu ungewollten Allradverteilungen aufgrund von Leistungsverschiebungen führen.

Der Fahrer-Leistungs-Wunsch wird grundsätzlich als Summensollmoment aus dem gefilterten Fahrpedal-Sensorsignal erfasst. Abhängig von diesem gefilterten Summensollmoment wird ein Allradfaktor bestimmt, aus dem sich die Einzelsollmomente der Achsen bzw. E-Maschinen ergeben, die dann beispielsweise mittels eines „Faders“ über die E-Maschinen komfortabel eingestellt werden. Als Fader wird eine geeignete Allradüberblendfunktion bei einer Allrad-Faktor-Änderung verstanden.

Bei einer schnellen Änderung des Summensollmoments (z.B. bei schlagartiger Volllastanforderung aus dem Schubbetrieb, auch als „Punch“ oder „Tipln“ bezeichnet) kann es zu einem Ruck kommen, da zunächst die E- Maschine der Primärachse ausgehend von einem Einachsbetrieb überschwingt, bevor die vergleichsweise langsame Allradüberblendfunktion die neuen Drehmoment-Grenzen für den Zweiachsbetrieb vorgibt.

Daher werden erfindungsgemäß aufgrund eines definierten Signals (ungefilterter Soll-Pfad), das schneller als das gefilterte Summensollmoment (gefilterter Soll-Pfad) auf eine kommende schnelle Allradfaktor-Änderung schließen lässt, digital (also sprunghaft und nicht rampenförmig) die Drehmoment-Grenzen für den kommenden Allradfaktor vorgegeben, also bevor die Einzelsollmomente der E-Maschinen für den kommenden Allradfaktor tatsächlich eingestellt werden.

Mit anderen Worten kann also die Leistung, die vom langsameren gefilterten Soll-Pfad noch nicht angefahren wird, aufgrund eines schnelleren ungefilterten Soll-Pfades digital im gewünschten Allradfaktor-Verhältnis unter 7

Berücksichtigung der jeweiligen Maximal-Leistungs-Kennlinie pro E- Maschine verteilt werden. Fährt dann der gefilterte Soll-Pfad die verteilte Leistung an, so ist sie schon korrekt durch die zuvor eingestellten Drehmoment-Grenzen verteilt.

Der ungefilterte Soll-Pfad kann vorzugsweise das Rohsignal des Fahrpedalsensors sein. Er kann aber auch das Erkennen einer Schlupfsituation oder einer Überhitzung der E-Maschine der Primärachse sein.

Die Verwendung des ungefilterten Soll-Pfads als Vorbereitung für die Umverteilung, insbesondere bei einem Übergang vom Einachs-Betrieb in den Zweiachs-Betrieb, läuft also dem gefilterten Soll-Pfad voraus, wodurch der neue Allradfaktor an die Leistungskoordination versendet werden kann, bevor die Leistung abhängig vom gefilterten Soll-Pfad tatsächlich angefahren wird.

Der Erfindung betrifft insbesondere eine Allrad-Antriebsstrategie bei instationären Vorgängen für elektrifizierte Fahrzeuge mit zwei Elektroantriebsmotoren, einem ersten Elektro(antriebs)motor auf einer Primärachse und einem zweiten Elektro(antriebs)motor für eine Sekundärachse.

Aus Effizienzgründen kann es sinnvoll sein, bei elektrifizierten Allradfahrzeugen möglichst lange im Einachs-Betrieb (Heckantrieb oder Frontantrieb) zu fahren. Die im vorzugsweise Einachs-Betrieb angetriebene Achse wird als Primärachse bezeichnet.

Bei dynamischer („instationärer“) Fahrweise ist es aus Leistungsgründen sinnvoll, die zweite Achse (Sekundärachse) zuzuschalten, um eine sportliche Leistungsreaktion (auch als „Response“ oder „Punch“ bezeichnet) des 8

Fahrzeugs zu generieren. Eine dynamische Fahrweise wird insbesondere anhand eines steilen Gradienten der Fahrpedalbetätigung erkannt (auch als „Tip-in“ bezeichnet).

Insbesondere nach einer „Tipln“-Erkennung wird mittels eines vorgegebenen Achsverteilungsfaktors das Gesamt-Sollmoment durch die beiden Elektromotoren auf beiden Achsen gestellt. Dabei wird das Soll-Moment des Primärmotors reduziert und das Soll-Moment des Sekundärmotors erhöht.

Durch die Erfindung erhält nun nicht mehr nur das Stellen des Gesamtmomentes die höchste Priorität, sondern es wird auch die optimale Verteilung der Achsdrehmomente bezogen auf Effizienz, Leistung und Komfort berücksichtigt.

Details der Erfindung werden in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen straßengekoppelten Elektro-Allrad-Fahrzeuges mit den für die erfindungsgemäße Drehmoment-Begrenzungs-Funktion wesentlichen Komponenten,

Fig. 2 eine Diagramm-Darstellung des technischen Problems ohne erfindungsgemäße Steuervorrichtung und

Fig. 3 eine Diagramm-Darstellung einer möglichen erfindungsgemäßen Lösung des in Fig. 2 dargestellten Problems.

In Fig. 1 ist ein sogenanntes straßengekoppeltes Allradfahrzeug mit einem ersten Elektromotor 1 als Primärmotor, der als Antriebsmotor beispielsweise auf die Hinterachse PA als Primärachse im Einachs-Betrieb wirkt, und mit 9 einem zweiten Elektromotor 2 als Sekundärmotor, der als Antriebsmotor auf die Vorderachse SA als Sekundärachse im Zweiachs-Betrieb wirkt, dargestellt. Die Elektromotoren 1 und 2 werden auch als Elektromaschinen oder E-Maschinen bezeichnet. Die Gesamt-Leistung bzw. das Gesamt- Drehmoment beider E-Maschinen (M_soll_ges = M_soll_1 + M_soll_2) wird durch ein gefiltertes Fahrerwunschsignal FPJnt vorgegeben und durch die maximal mögliche Leistung eines Hochvoltspeichers HV begrenzt: M_HV = M_soll_ges_grenz.

Der Primärmotor 1 kann eine eigene mechatronisch angebundene Teilsteuereinheit 4 und der Sekundärmotor 2 kann eine eigene mechatronisch angebundene Teilsteuereinheit 5 aufweisen. Beide Teilsteuereinheiten 4 und 5 sind mit einer zentralen elektronischen Steuereinheit 3 verbunden.

Ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Elektro-Allradfahrzeuges wird durch die zentrale elektronische Steuereinheit 3 durchgeführt, die ein entsprechendes programmierbares Funktionsmodul 6 sowie Verbindungen zu den erforderlichen Sensoren, Aktuatoren und/oder zu den optionalen Teilsteuereinheiten 4 und 5 aufweist. Erfindungsgemäß ist in der Steuereinheit 3 ein Drehmoment-Begrenzungs-Funktionsmodul 6 beispielsweise in Form eines Software-Programms (Computerprogramm- Produkt) enthalten, auf dessen Ausgestaltung und Funktionsweise in der Beschreibung zu den Figuren 2 und 3 näher eingegangen wird.

Fig. 2 zeigt - auch stellvertretend für Fig. 3 - ein Diagramm, auf dessen x- Achse die Zeit t und auf dessen y-Achse das Moment M (Drehmoment) aufgetragen ist. Die dicke durchgezogene Linie zeigt die Speicherleistung als maximal mögliche Leistung M_HV. Mit dünner durchgezogener Linie ist der Fahrerwunsch in Form eines gefilterten Summensollmoments FPJnt basierend auf der Fahrpedalstellung hier bei einem Übergang von Null oder Schubbetrieb zu Volllast dargestellt („Punch“ oder „Tipln“). Dieser 10

Fahrerwunsch FPJnt entspricht dem ermittelten Gesamt-Soll-Momentverlauf M_soll_ges. Durch die hier dargestellte „Punch“ oder „Tipln“-Situation findet zum Zeitpunkt t1 der Übergang vom Einachs-Betrieb zum Zweiachs-Betrieb mit vorgegebenem Allradfaktor FAWD_SOII (Z.B. 50:50) statt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, würde ohne das erfindungsgemäße digitale Drehmoment-Begrenzungs-Funktionsmodul 6 die vorgegebene Drehmoment-Begrenzung M_soll_1_grenz für den Primärmotor 1 rampenförmig reduziert werden, wodurch das Soll-Drehmoment M_soll_1 des Primärmotors 1 zunächst vergleichsweise ruckartig ansteigen würde und erst langsam mit Flochfahren des Sekundärmotors 2 (hier nicht näher dargestellt, weil komfortbezogen nicht relevant) reduziert werden würde. Erst nach einer Überblendzeit At wird der vorgegebene Allradfaktor FAWD_SOII (Z.B. 50:50) verzögert erreicht.

Strich-doppelpunktiert ist das Soll-Moment M_soll_1 des Primärmotors 1 gekennzeichnet. Das durch den Primärmotor 1 maximal stellbare Moment ist mit M_soll_1_grenz bezeichnet.

Das Diagramm gemäß Fig. 2 zeigt anfangs Schubbetrieb mit einem Allradverteilungsfaktor FAWD_SOII =100:0. Das Moment M_soll_2 ist Null, da der Sekundärmotor 2 zunächst abgeschaltet ist.

Zum Zeitpunkt t1 wird durch den steilen Gradienten der Fahrpedalstellung FPJnt ein dynamischer Fahrerwunsch (Tipln-Situation) erkannt.

In Fig. 3 wird das erfindungswesentliche Drehmoment-Begrenzungs- Funktionsmodul 6 genauer erläutert:

Durch entsprechende Ausgestaltung bzw. Programmierung des Drehmoment-Begrenzung-Modul 6 wird eine Drehmoment- Begrenzungsfunktion durchführbar. Dabei werden bei Erkennen einer zu erwartenden Änderung des Allradfaktors FAWD_SOII - hier von 100:0 auf 50:50 11

- zu einem Zeitpunkt tO, der kurz vor dem Zeitpunkt t1 liegt, aufgrund eines definierten Signals, nämlich dem ungefilterten Rohsignal FP_roh des Fahrpedalsensors, das dem gefilterten Fahrerwunsch-Signal FPJnt vorauseilt, sprungartig die Drehmoment-Grenzen M_soll_1_grenz und M_soll_2_grenz für die Einzel-Sollmomente M_soll_1 und M_soll_2 der Elektroantriebsmotoren 1 und 2 entsprechend dem vorausbestimmten geänderten Allradfaktor FAWD_SOII 50: 50 voreingestellt, bevor die Einzel- Sollmomente M_soll_1 und M_soll_2 selbst eingestellt werden.

Beispielweise kann die erfindungsgemäße Drehmoment- Begrenzungsfunktion nur dann durchgeführt, wenn eine Änderung des Allradfaktors FAWD_SOII im Sinne eines Übergangs von einem Einach-Betrieb in einen Zweiachs-Betrieb erkannt wird, insbesondere bei Erkennen einer definierten dynamischen Fahrweise des Fahrers anhand des Gradienten des ungefilterten Rohsignals FP_roh des Fahrpedalsensors während eines Einachs- Betriebs.