BRUNNER, Harald (Am Sportplatz 7, Greding, 91171, DE)
KRUSE, Alexander (Leibnizstr. 10a, Gaimersheim, 85080, DE)
MAIER, Ruben (Schillerstraße 5/3, Herbrechtingen, 89542, DE)
BRUNNER, Harald (Am Sportplatz 7, Greding, 91171, DE)
KRUSE, Alexander (Leibnizstr. 10a, Gaimersheim, 85080, DE)
| Patentansprüche Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug mit einem Vorderachsantrieb (5, 7) und einem Hinterachsantrieb (19; 33, 34), welche Antriebsvorrichtung eine elektronische Steuereinrichtung aufweist, die auf der Grundlage eines Fahrerwunsches ein Antriebsmoment (MSumme) zum Antrieb des Fahrzeugs bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischen Steuereinrichtung eine Momentenverteilungseinheit (25) zugeordnet ist, mit der das Antriebsmoment (MSumme) in Abhängigkeit von in einer Fahrerassistenzregelung (31 ) generierten Eingangsparametern variabel auf den Vorderachsantrieb (5, 7) und den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) verteilbar ist. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenverteilungseinheit (25) die Aufteilung des Antriebsmoments (Msumme) auf den Vorderachsantrieb (5, 7) und auf den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) in Abhängigkeit von einer verfügbaren Fahrbatterieleistung vornimmt. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Momentenverteilungseinheit (25), insbesondere bei Erfassung niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten, ausschließlich den Vorderachsantrieb (5, 7) oder den Hinterachsantrieb (19; 33, 34) mit dem gesamten Antriebsmoment (MSumme) ansteuert. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderachsantrieb (5, 7) und der Hinterachsantrieb (19) voneinander mechanisch entkoppelt sind. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an einer ersten Fahrzeugachse (3), insbesondere Vorderachse, vorgesehene erste Achsantrieb (5, 7) eine Brennkraftmaschine (5) und/oder eine Elektromaschine (7) aufweist. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an einer zweiten Fahrzeugachse (17), insbesondere Hinterachse, vorgesehene zweite Achsantrieb (19; 33, 34) zumindest eine Elektromaschine (19) aufweist. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Allradfahrbetriebs die Brennkraftmaschine (5) des ersten Achsantriebs (5, 7) die erste Fahrzeugachse (3) antreibt, wobei mit der zusätzlich zur Brennkraftmaschine (5) im ersten Achsantrieb (5, 7) vorgesehenen Elektromaschine (7) eine elektrische Leistung generierbar ist, die für die Elektromaschine (19) des zweiten Achsantriebs bereitstellbar ist. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromaschine (19) des zweiten Achsantriebs im Allradfahrbetrieb die von der Elektromaschine (7) des ersten Achsantriebs generierte elektrische Leistung und die elektrische Leistung einer Fahrbatterie (2) zur Verfügung stehen. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Elektromaschine (7) des ersten Achsantriebs (5, 7) generierte elektrische Leistung über eine Versorgungsleitung (22, 24) unmittelbar und/oder unter Zwischenschaltung der Fahrbatterie (2) zur Elektromaschine (19) des zweiten Achsantriebs übertragbar ist. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderachsantrieb und/oder der Hinterachsantrieb jeweils zwei Elektromaschinen (33, 34) aufweist, die insbesondere mechanisch voneinander entkoppelt sind und/oder jeweils einem linken und einem rechten Fahrzeugrad zugeordnet sind. Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zusammen mit der Brennkraftmaschine (5) den ersten Achsantrieb bildende Elektromaschine (7) in einem Allradfahrbetrieb elektrische Leistung für die Elektromaschine (19) des zweiten Achsantriebs generiert. |
ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR EIN ALLRADGETRIEBENES FAHRZEUG UND VERFAHREN ZUR VERTEILUNG DES ANTRIEBSMOMENTS AUF EINEN VORDERACHSANTRIEB UND EINEN HINTERACHSANTRIEB
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung nach dem Patentanspruch 11.
Unter den Hybrid-Antriebssystemen für Fahrzeuge ist eine Variante als Through-the-Road Hybrid bekannt, bei der eine Fahrzeugachse konventionell mit einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und die andere Fahrzeugachse mit einer Elektromaschine angetrieben wird. Alternativ dazu kann die vorder und/oder hintere Fahrzeugachse auch durch ein aus Brennkraftmaschine und Elektromaschine bestehendes Hybridmodul, oder durch mehrere Elektromaschinen angetrieben werden. Die Allradregelung ergibt sich hierbei durch die Straße.
In einem Allradfahrbetrieb eines solchen Hybrid-Fahrzeugs wird die Brennkraftmaschine mit vorbestimmter Leistung betrieben. Zusätzlich stellt auch die Elektromaschine ein Drehmoment über die elektrische Achse zur Verfügung, um insgesamt das Abtriebsdrehmoment zu erhöhen. Die elektrische Energie wird dabei von der Batterie entnommen.
Aus der DE 10 2005 026 874 A1 ist eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein solches allradgetriebenes Fahrzeug bekannt. Dieses weist an der Vorderachse eine Brennkraftmaschine auf, die über ein Getriebe die beiden
BESTÄTIGUNGSKOPIE vorderen Fahrzeugräder antreibt. Mechanisch davon entkoppelt sind zwei Elektromaschinen an der Hinterachse vorgesehen. Die beiden Elektromaschinen sind über Kupplungen miteinander sowie mit den hinteren Fahrzeugräder trieblich verbindbar oder zueinander entkoppelbar. Mit dieser Antriebsvorrichtung lässt sich die Fahrdynamik, insbesondere das Kurvenverhalten und die Wendigkeit des Fahrzeuges, effektiv steuern bzw. unterstützen. Durch die elektrische Antriebseinrichtung wird außerdem ein intelligenter Allradantrieb geschaffen, der auch ohne eine relativ aufwändige mechanische Kraftübertragung über Kardanwelle und Hinterachsdifferenzial auskommen kann, wodurch ein sehr effektives Torque Vectoring mit zwei relativ kleinen Elektromotoren oder einer Elektromaschine mit Kupplungen an der Hinterachse ermöglicht ist.
Zur Durchführung eines Allradfahrbetriebs wird die an der Vorderachse vorgesehene Brennkraftmaschine mit einem Antriebsmoment belastet. Gleichzeitig werden auch die beiden an der Hinterachse vorgesehenen Elektromaschinen mit einem Antriebsmoment belastet. Die beiden Elektromaschinen werden im Allradfahrbetrieb daher ausschließlich von der Fahrbatterie mit elektrischer Leistung versorgt. Der Allradfahrbetrieb hängt somit sehr stark von der verfügbaren Batterieleistung der Fahrbatterie ab.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung bereitzustellen, bei der ein im Vergleich zum Stand der Technik dauerhafter Allradantrieb gewährleistet ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 weist die elektronische Steuereinrichtung, die auf der Grundlage des Fahrerwunsches ein Antriebsmoment bestimmt, eine IVlomentenverteilungseinheit auf, mit der das Antriebsmoment in Abhängigkeit von in einer Fahrerassistenzregelung generierten Eingangsparametern variabel auf den Vorderachsantrieb und den Hinterachsantrieb verteilbar ist. Im Gegensatz zur Erfindung erfolgt bei einem mechanisch realisierten Allradantrieb der Durchtrieb zu den Fahrzeugrädern mechanisch, wodurch die Momentenverteilung von der Vorderachse zur Hinterachse und umgekehrt nur innerhalb der durch die mechanischen Baulelemente gegebenen Grenzen variiert werden kann.
Als Eingangsparameter für die IVlomentenverteilungseinheit seien beispielhaft die verfügbare Batterieleistung, Wirkungsgradkennfelder aller Antriebsaggregate, Aggregate-/Umgebungstemperaturen, Fahrdynamikgrenzen, Lastpunkte der Antriebsaggregate sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit, der eingelegte Gang und auch der Getriebewirkungsgrad genannt.
Bei einem gemäß Fahrerwunsch über ein Pedalmodul eingegebenen Momenten-Eingangssprung kann daher in Abhängigkeit von diesen Eingangsparametern das Antriebsmoment auf die Vorderachs- und Hinterachsantriebe aufgeteilt werden.
In Abhängigkeit vom gewählten Fahrmodus (zum Beispiel Hybrid-, Sport- oder Elektrofahrmodus) kann das berechnete Antriebsmoment variabel auf die Vorder- und Hinterachsen verteilt werden. So kann die elektronische Steuereinrichtung bei Erfassung niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten einen Effizienzmodus festlegen, bei dem das gesamte Antriebsmoment auf die ausschließlich elektrisch betriebene Fahrzeugachse übertragen wird. In diesem Fall wird im Geschwindigkeitswechselgetriebe der Brennkraftmaschine der Gang ausgelegt und nur mit der Hinterachse gefahren, um Energie zu sparen. Derart niedrige Fahrgeschwindigkeiten können sich im Stadtbetrieb bei Fahrzeuggeschwindigkeiten im Bereich von 50km/h ergeben. Sofern dagegen querdynamische Einflüsse vorliegen, kann die elektronische Steuereinrichtung dagegen die Antriebsvorrichtung mit einem Allradantriebsmodus ansteuern.
Außerdem kann die elektronische Steuereinrichtung die Aufteilung des Antriebsmomentes auf den Vorderachs- und Hinterachsantrieb in Abhängigkeit von der verfügbaren Fahrbatterieleistung vornehmen. Generell gilt bei einer Momentenverteilung, dass diese stets innerhalb von Fahrdynamikgrenzen vorgenommen werden müssen, um ein höchstmögliches Maß an Sicherheit zu gewährleisten.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Vorderachsantrieb und der Hinterachsantrieb, ohne eine relativ aufwändige mechanische Kraftüber- tragung über Kardanwelle und Differenziale, voneinander mechanisch entkoppelt sind. In diesem Fall sind daher die Vorderachse und die Hinterachse nicht durch einen gemeinsamen Antriebsstrang antreibbar, sondern unabhängig voneinander durch die beiden oben erläuterten Achsantriebe. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Antriebssystem an der Fahrzeugvorderachse nicht nur eine Brennkraftmaschine, sondern zusätzlich auch eine Elektromaschine die beiden Vorderräder des Fahrzeugs antreiben. An der Fahrzeughinterachse kann der Hinterachsantrieb zumindest eine Elektromaschine aufweisen, die die beiden Hinterräder des Fahrzeugs antreiben kann. Auf diese Weise kann in einem Allradfahrbetrieb die dem Vorderachsantrieb zugeordnete Elektromaschine eine elektrische Leistung generieren, die der dem Hinterachsantrieb zugeordneten Elektromaschine bereitgestellt werden kann, ohne die Fahrbatterie zu belasten. Dadurch kann die an der Hinterachse vorgesehene Elektromaschine im Allradfahrbetrieb nicht nur von der Fahrbatterie mit elektrischer Leistung versorgt werden, sondern zusätzlich auch von der an der Vorderachse angeordneten Elektromaschine.
Alternativ zur oben erwähnten Ausführungsform umfasst die Erfindung selbstverständlich auch eine Antriebsanordnung, bei der die Brennkraftmaschine nicht an der Vorderachse, sondern an der Hinterachse angeordnet ist. In diesem Fall kann im Allradfahrbetrieb die an der Hinterachse angeordnete Elektromaschine elektrische Leistung generieren, die der an der Vorderachse angeordneten Elektromaschine zur Verfügung gestellt werden kann. Im All radfahrbetrieb werden daher die Antriebsmomente jeweils von der Brennkraftmaschine des Vorderachs-/Hinterachsantriebs und von der Elektromaschine des anderen Achsantriebs auf die Fahrzeugräder gebracht.
Die zusammen mit der Brennkraftmaschine einen Achsantrieb bildende Elektromaschine wird im vorbeschriebenen Allradfahrbetrieb eingesetzt, um elektrische Leistung zu generieren. Die so generierte elektrische Leistung kann von der auf der anderen Fahrzeugachse angeordneten Elektromaschine abgeschöpft werden. Hierzu ist die im Rekuperationsbetrieb befindliche Elektromaschine über Versorgungsleitungen unmittelbar und/oder unter Zwischenschaltung einer Fahrbatterie mit der motorisch genutzten Elektromaschine in Verbindung. Die elektrische Leistung kann somit unmittelbar auf die motorisch angetriebene Elektromaschine übertragen werden. Alternativ kann die generierte elektrische Leistung auch in der Fahrbatterie zwischengespeichert werden.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Ansicht ein Antriebssystem eines
Kraftfahrzeugs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm, das ausgehend von einer fahrerseitigen
Momentenvorgabe den Signalfluss zum Vorderachsantrieb und zum Hinterachsantrieb prinzipiell veranschaulicht;
Fig. 3 ein Momenten-Zeit-Diagramm, in dem ein Anfahrvorgang mit ASR- Eingriff veranschaulicht ist; und
Fig. 4 in einer der Fig. 1 entsprechenden Ansicht ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
In der Fig. 1 ist in einer Prinzipdarstellung das Antriebssystem eines Hybridfahrzeuges gezeigt, das mit einer Allradantriebseinheit 1 versehen ist. An der vorderen Fahrzeugachse 3 ist eine Brennkraftmaschine 5 sowie eine Elektromaschine 7 in einen Antriebsstrang geschaltet und mit einem Getriebe 9 in Verbindung. Das Getriebe 9 ist über eine Getriebeausgangswelle 11 sowie ein nun angedeutetes Achsdifferenzial 13 in trieblicher Verbindung mit der Vorderachse 3. Zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der Elektromaschine 7 ist eine Kupplung 15 geschaltet, die je nach Fahrsituation geöffnet oder geschlossen ist.
An der Hinterachse 17 des Kraftfahrzeuges ist eine weitere Elektromaschine 19 angeordnet, die die beiden hinteren Fahrzeugräder über ein Achsdifferenzial 21 antreibt. Soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist, sind in der Fig. 1 der aus der Brennkraftmaschine 5 und der Elektromaschine 7 bestehende Vorderachsantrieb und der aus der Elektromaschine 19 bestehende Hinterachsantrieb skizziert. Weitere Antriebskomponenten, etwa die Hochvoltbatterie 2 zur Stromversorgung der beiden Elektromaschinen 7, 19, oder etwa das Motorsteuergerät 4, das Getriebesteuergerät 6 oder die Leistungselektronik 8 der beiden Elektromaschinen 7, 19, sind dagegen aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne nähere Beschreibung nur grob angedeutet. Wie aus der Fig. 1 weiter hervorgeht, ist die Elektromaschine 7 des Vorderachsantriebes über eine Versorgungsleitung 22 unmittelbar mit der Hochvoltbatterie 2 in Verbindung. Zusätzlich ist die Elektromaschine 1 mittels einer von der Versorgungsleitung 22 abzweigenden Teilleitung 24 unmittelbar mit der Elektromaschine 19 des Hinterachsantriebs in Verbindung.
Für die Ansteuerung der Antriebsaggregate 5, 7, 19 des allradgetriebenen Fahrzeuges ist eine zentrale elektronische Steuereinrichtung 25 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 25 erfasst als Eingangsparameter unter anderem eine verfügbare Batterieleistung, die Wirkungsgradkennfelder sämtlicher Antriebsaggregate 5, 7, 19, Umgebungs- bzw. Aggregate-Temperaturen, Fahrdynamikgrenzen, Lastpunkte der Aggregate 5, 7, 19 sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit, den eingelegten Gang und auch den Getriebewirkungsgrad, wodurch eine achsbezogene Momentenverteilung ermöglicht ist. Zusätzlich wird der Steuereinrichtung 25 vom Pedalmodul 23 ein Fahrerwunschmoment übermittelt. Auf der Grundlage dieser Eingangsgrößen berechnet die Steuereinrichtung 25 die Sollmomente bis M 3 , mit denen die Brennkraftmaschine 5, die Elektromaschine 7 sowie die Elektromaschine 19 entsprechend angesteuert werden können. Ein Signalfluß zwischen dem Pedalmodul 23 und dem Vorderachsantrieb 5, 7 sowie dem Hinterachsantrieb 19 ist in der Fig. 2 stark vereinfacht dargestellt. Demzufolge wird der Steuereinrichtung 25 vom Pedalmodul 23 ein Fahrerwunschwert als Sollwert zugeführt. Dabei handelt es sich um ein Drehmoment, eine Leistung oder eine aus dem Drehmoment oder der Leistung abgeleitete Größe. Im vorliegenden Fall entspricht der Sollwert einem Summenmoment M Su mme- Die Steuereinrichtung 25 teilt das Summenmoment Msumme in Abhängigkeit von an sich bekannten Eingangsparametern in Sollmomente Iv^ und M 2 für den Vorderachsantrieb 5, 7 und in ein Söllmoment M 3 für den Hinterachsantrieb 19 auf. Die Aufteilung des Summenmomentes Msumme erfolgt gemäß der Fig. 2 unter Berücksichtigung einer Fahrerassistenzregelung 31.
In der Steuereinrichtung 25 werden die Sollmomente M ( M 2 und M 3 etwa in einem Tiefpassfilter und/oder in einem Lastschlagdämpfungsfilter 37 gefiltert, so dass die Sollmomente entsprechend bearbeitet zum Vorderachsantrieb 5, 7 und zum Hinterachsantrieb 19 weitergeleitet werden.
Um auch bei nur reduziert zur Verfügung stehender Batterieleistung einen dauerhaften Allradfahrbetrieb zu gewährleisten, kann die Steuereinrichtung 25 das für den Vorderachsantrieb 5, 7 bestimmte Antriebsmoment so steuern, dass lediglich die Brennkraftmaschine 5 mit einem Sollmoment I ^ beaufschlagt wird, während die Elektromaschine 7 nicht mit einem Sollmoment angesteuert wird. Die Elektromaschine 7 des Vorderachsantriebs kann in diesem Betriebszustand rekuperieren, das heißt elektrische Leistung generieren. Die so generierte elektrische Leistung kann noch bei laufendem Allradfahrbetrieb zur an der Hinterachse 17 angeordneten Elektromaschine 19 übertragen werden, die mit einem vorgegebenen Antriebsmoment M 3 angesteuert wird. Der Allradfahrbetrieb wird somit ohne Belastung der Fahrbatterie 2 aufrechterhalten. Abhängig von der Effizienz des Hinterachsantriebes und/oder dem Batteriezustand kann die von der Elektromaschine 7 generierte elektrische Leistung auch zunächst in der Fahrbatterie 2 zwischengespeichert werden. Auf diese Weise kann im Allradfahrbetrieb die an der Hinterachse 17 vorgesehene Elektromaschine 1 9 sowohl die Fahrbatterie 2 als auch die an der Vorderachse 3 angeordnete Elektromaschine 7 als Energiequelle ausschöpfen.
Nachfolgend ist anhand des Momenten-Zeit-Diagramms aus der Fig. 3 eine Fahrsituation beschrieben, bei der bis zum Zeitpunkt t 0 zunächst nur der Hinterachsantrieb 19 mit dem Sollwert M H A angesteuert wird. Der Sollwert M H A entspricht daher dem Summenmoment Sum me- Eine derartige Fahrsituation kann sich aus Effizienzsicht zum Beispiel bei einem Anfahrvorgang am Berg ergeben.
Nach dem Zeitpunkt t 0 wird von der Fahrerassistenzregelung 31 ein Schlupf an der Hinterachse 17 festgestellt. Daraufhin erfolgt ein ASR-Eingriff, bei dem die Momentenverteilungseinheit 25 in Abhängigkeit von Eingangsparametern der Fahrerassistenzregelung 31 eine Umverteilung des Antriebsmoments auf die Vorderachse 3 vornimmt.
Ab dem Zeitpunkt ^ nimmt der erfasste Antriebsschlupf wieder ab, so dass auch das für die Hinterachse 17 bestimmte Sollmoment M H A entsprechend wieder zunimmt. Zum Zeitpunkt t 2 ist der ASR-Eingriff abgeschlossen. Das heißt es ist kein Schlupf mehr an der Hinterachse 17 vorhanden und der Fahrzeugantrieb erfolgt alleine über die Hinterachse 17.
In der Fig. 4 ist ein Antriebssystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, deren Aufbau und Funktionsweise grundsätzlich dem des ersten Ausführungsbeispiels gleicht. Im Unterschied zur Fig. 1 sind an der Hinterachse 2 Elektromaschinen 33, 34 vorgesehen, von denen die erste Elektromaschine 33 das an der rechten Fahrzeugseite befindliche Antriebsrad antreibt, während die zweite Elektromaschine 34 das an der linken Fahrzeugseite angeordnete Antriebsrad antreibt.
Wie aus der Fig. 4 weiter hervorgeht, sind die beiden hinteren Elektromaschinen 33, 34 mit Sollmomenten M 3 und M 4 ansteuerbar. Die beiden hinteren Elektromaschinen 33, 34 können mittels einer dynamischen Momentenverteilung angesteuert werden, bei der in Abhängigkeit von Fahrsituationen die vorgegebenen Sollmomente M 3 und M dynamisch angepasst werden können, um beispielsweise eine Kurvenagilität des Fahrzeugs beim Durchfahren von Kurven zu erhöhen. Hierzu ist eine zusätzliche Fahrwerksregelung mit damit verknüpften Fahrdynamiksensoren, etwa Gierratensensoren, Beschleunigungssensoren und Drehzahlsensoren im Fahrzeug vorgesehen, auf deren Grundlage diese dynamische Momentenverteilung in der Steuereinrichtung 25 erfolgen kann.
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