Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dessen Hilfe eine elektrische Maschine in ei- nem Antriebsstrang betrieben werden kann, sowie einen einsprechenden Antriebs- strang.

Aus US 5,934,398 B ist es bekannt bei einer zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorge- sehenen elektrischen Maschine die Stromstärke der elektrischen Maschine zu redu- zieren, um ein Überhitzen der elektrischen Maschine zu vermeiden.

Es besteht ein ständiges Bedürfnis eine elektrische Maschine in einem Antriebsstrang auch bei Volllast effizient und sicher zu betreiben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen effizienten und sicheren Betrieb einer elektrische Maschine in einem Antriebsstrang ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1 sowie einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des An- spruchs 8. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombi- nation einen Aspekt der Erfindung darstellen können.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, bei dem bei einem Beschleunigen des Kraftfahrzeugs die elektrische Maschine bei Volllast in einem Betriebsbereich ent- lang einer Volllastkurve betrieben wird, in dem bei einer weiteren Erhöhung einer Drehzahl der elektrischen Maschine ein Drehmoment der elektrischen Maschine ab- nimmt, nachfolgend das Drehmoment und/oder die Drehzahl der elektrischen Maschi- ne reduziert wird, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebs- punkt der elektrischen Maschine anzusteuern und nachfolgend die Drehzahl der elektrischen Maschine erhöht wird. Wenn die elektrische Maschine im Motorbetrieb aus dem Stillstand beschleunigt wird, erhöht sich zunächst das Drehmoment, während die Drehzahl allenfalls geringfügig steigt. Sobald die elektrische Maschine ihr maximales Drehmoment erreicht hat, er- höht sich die Drehzahl bis eine Volllastkurve im Kennfeld der elektrischen Maschine erreicht ist. Bei einem weiteren Volllastbetrieb der elektrischen Maschine, um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen, bewegt sich der Betriebspunkt der elektrischen Ma- schine entlang der Volllastkurve, wobei sich mit steigender Drehzahl der elektrischen Maschine das Drehmoment verringert. Der Betrieb der elektrischen Maschine entlang der Volllastkurve findet jedoch in einem Betriebsbereich statt, der von einer Kennlinie mit optimalen Wirkungsgrad deutlich beabstandet ist. Die elektrische Maschine wird dadurch mit einem im Vergleich zum optimalen Wirkungsgrad deutlich geringeren Wirkungsgrad betrieben. Gleichzeitig kann sich die elektrische Maschine unter Volllast schnell erheblich aufwärmen, wodurch zusätzlich der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird und sogar eine thermische Beschädigung von Komponenten der elektrischen Maschi- ne eintreten kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch, wenn die elektrische Maschine entlang der Volllastkurve betrieben wird, insbesondere auch bei einem voll durchge- drückten Gaspedal des Kraftfahrzeugs, das Drehmoment und/oder die Drehzahl der elektrische Maschine derart reduziert, dass der Betriebspunkt der elektrischen Ma- schine von der Volllastkurve zur Kennlinie des optimalen Wirkungsgrad im Kennlinien- feld der elektrischen Maschine verschoben wird. Insbesondere liegt der durch die Re- duzierung des Drehmoments und/oder der Drehzahl erreichte Betriebspunkt im We sentlichen auf der Kennlinie des optimalen Wirkungsgrad oder zumindest in deren Nähe. Die elektrische Maschine wird dadurch mit einem besseren Wirkungsgrad be- trieben, so dass bezogen auf den Energieeinsatz eine energieeffizientere Beschleuni- gung des Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Gleichzeitig ist aufgrund des besseren Wir- kungsgrads eine geringere Wärmedissipation in der elektrischen Maschine zu erwar- ten, so dass ein Aufheizen der elektrischen Maschine reduziert wird oder sogar ein Kühlen erfolgen kann, wodurch ein Überhitzen der elektrischen Maschine vermieden werden kann. Bei einem weiteren Beschleunigen des Kraftfahrzeugs wird von dem Betriebspunkt mit dem besseren Wirkungsgrad aus die Drehzahl der elektrischen Ma- schine erhöht. Hierbei kann vorzugsweise das Drehmoment der elektrischen Maschi- ne im Wesentlichen konstant gehalten werden. Trotz der kurzzeitigen Reduktion des Drehmoments und/oder der Drehzahl kann der Beschleunigungsprozess bis zum Er- reichen der maximalen Drehzahl der elektrischen Maschine fortgesetzt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der zum Erreichen einer gewünschten Fahr- geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erforderliche Energieeinsatz und eine Erwärmung der elektrischen Maschine abgemildert werden, ohne das Erreichen der gewünschten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs signifikant zu beeinträchtigen. Durch das zwischenzeitliche Ansteuern eines von der Volllastkurve entfernten Betriebspunktes mit besseren Wirkungsgrad für die elektrische Maschine beim Beschleunigen ist ein effizienter und sicherer Betrieb einer elektrische Maschine in einem Antriebsstrang ermöglicht.

Aufgrund der sich im Vergleich zum Drehmoment stärker ändernden Drehzahl der elektrischen Maschine erhält der Fahrer ein besseres Gefühl für die stattfindende Be- schleunigung des Kraftfahrzeugs, als wenn sich der Betriebspunkt der elektrischen Maschine entlang der Volllastkurve bewegt. Dies erhöht die Aufmerksamkeit und Sen- sibilität des Fahrers für die erreichte Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, wodurch die Fahrsicherheit gesteigert wird. Insbesondere wenn die elektrische Maschine über ein Stufenlosgetriebe mit einem Antriebsrad des Antriebsstrangs gekoppelt ist, kann das Fahrgefühl für die stattfindende Beschleunigung und die erreichte Fahrgeschwindig- keit verbessert werden.

Insbesondere wird eine Betriebstemperatur der elektrischen Maschine überwacht, wobei des Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzu- steuern, nur erfolgt, wenn eine vordefinierte Schwelltemperatur der elektrischen Ma- schine überschritten ist. Dadurch ist es möglich vorzusehen, dass nur dann ein von der Volllastkurve weg verschobener Betriebspunkt für die elektrische Maschine ange- steuert wird, wenn eine Überhitzung der elektrischen Maschine droht. Ein bezüglich der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine unnötiger Eingriff in die Betriebs- weise der elektrischen Maschine kann dadurch vermieden werden und auf notwenige Maßnahmen beschränkt werden. Vorzugsweise wird nach dem Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, die Drehzahl der elektrischen Maschine solange erhöht bis der Betriebspunkt der elektrischen Maschine die Volllastkurve erreicht und/oder inner- halb eines vordefinierten Grenzbereich vor der Volllastkurve eintritt, wobei nachfol- gend erneut das Drehmoment und/oder die Drehzahl der elektrischen Maschine redu- ziert wird, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, und nachfolgend die Drehzahl der elektrischen Maschine erhöht wird. Die Verlagerung des Betriebspunkts der elektrischen Maschine von der Volllastkurve weg zu einem Betriebspunkt mit besserem Wirkungsgrad kann dadurch wiederholt werden, so dass auch bei einer längeren Beschleunigung des Kraftfahrzeugs ein effizienter Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehen werden kann. Insbesondere erfolgt das Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, unmittelbar, wenn beim Erhöhen der Drehzahl die Volllastkur- ve erreicht wird. Alternativ ist es möglich, dass vor dem Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Be- triebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, der Betriebspunkt der elektri- schen Maschine über einen Teil der Volllastkurve entlangläuft, so dass der Betriebs- punkt eine Zeit lang der Volllastkurve folgt.

Besonders bevorzugt wird das erneute Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, und das nachfolgende Erhöhen der Drehzahl so- lange wiederholt, bis die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine erreicht ist und/oder ein Volllastbetrieb der elektrischen Maschine beendet wird. Jedes Mal wenn beim Erhöhen der Drehzahl der elektrischen Maschine die Volllastkurve erreicht wird, kann wieder ein von der Volllastkurve entfernter Betriebspunkt mit besserem Wir- kungsgrad angesteuert werden. Insbesondere erfolgt das Reduzieren des Drehmo- ments und/oder der Drehzahl, um einen näher am optimalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, unmittelbar, wenn beim Erhö- hen der Drehzahl die Volllastkurve erreicht wird. Das Verweilen des Betriebspunkts an der Volllastkurve kann dadurch minimiert werden. Alternativ ist es möglich, dass vor dem Reduzieren des Drehmoments und/oder der Drehzahl, um einen näher am opti- malen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern, der Betriebspunkt der elektrischen Maschine über einen Teil der Volllastkurve entlang- läuft, so dass der Betriebspunkt eine Zeit lang der Volllastkurve folgt. Ein Verschieben des Betriebspunkts zu einem von der Volllastkurve entfernten Betriebspunkt ist nicht mehr erforderlich, wenn der Fahrer das Kraftfahrzeugs nicht mehr beschleunigen will oder die maximal mögliche Drehzahl der elektrischen Maschine bereits erreicht ist.

Insbesondere wird bei im Wesentlichen konstant gehaltenem Drehmoment nur die Drehzahl der elektrischen Maschine reduziert, um einen näher am optimalen Wir- kungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteuern. Dadurch ist es möglich, dass die elektrische Maschine während des Beschleunigens mit dem selben Drehmoment betrieben wird. Hierbei wird insbesondere ein Drehmoment aus- gewählt, bei dem der Abstand des Betriebspunkts zwischen der Vollastkurve und der Kennlinie des optimalen Wirkungsgrads besonders gering, vorzugsweise minimal ist. Das Beschleunigen des Kraftfahrzeugs kann dadurch besonders energieeffizient er- folgen. Gegebenenfalls kann ab einer vordefinierten Situation beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, beispielsweise wenn eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erreicht ist, eine Reduktion des Drehmoments, um einen näher am op- timalen Wirkungsgrad liegenden Betriebspunkt der elektrischen Maschine anzusteu- ern, zugelassen werden, so dass die elektrische Maschine einen Betriebspunkt mit ei- ner höheren Drehzahl ansteuern kann, als dies bei dem vorherigen vorgesehenen Drehmoment möglich wäre.

Vorzugsweise wird in einem Betriebsmodus, in dem die elektrische Maschine im Ge- neratorbetrieb betrieben wird, insbesondere zur Rekuperation von Bremsenergie, die elektrische Maschine entlang der Volllastkurve betrieben. Wenn das Kraftfahrzeug nicht beschleunigt, sondern verzögert wird, kann es vorteilhaft sein, den Betriebspunkt der elektrischen Maschine entlang der Volllastkurve wandern zu lassen, damit in die elektrische Maschine eine möglichst hohe Leistung zur Erzeugung elektrischer Ener- gie eingespeist werden kann.

Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine über ein Stufenlosgetriebe, insbe- sondere ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, mit einem Antriebsrad der Kraft- fahrzeugs gekoppelt. Durch das Stufenlosgetriebe kann die Drehzahlwandlung beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs besonders sanft erfolgen, wodurch der Fahrer möglicherweise das Gefühl für die Fahrgeschwindigkeit verlieren kann. Aufgrund der sich im Vergleich zum Drehmoment stärker ändernden Drehzahl der elektrischen Ma- schine beim Beschleunigen erhält der Fahrer jedoch ein besseres Gefühl für die statt- findende Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, als wenn sich der Betriebspunkt der elektrischen Maschine entlang der Volllastkurve bewegt. Dies erhöht die Aufmerk- samkeit und Sensibilität des Fahrers für die erreichte Geschwindigkeit des Kraftfahr- zeugs auch bei einem im Antriebsstrang vorgesehenen Stufenlosgetriebe, wodurch die Fahrsicherheit gesteigert wird.

Das insbesondere als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ausgestaltete Stufenlos- getriebe, auch als CVT-Getriebe („CVT“ = continuously variable transmission) be- zeichnet, kann durch eine Veränderung des axialen Abstands einer eingangsseitigen Kegelscheibe zur korrespondierend ausgestalteten eingangsseitigen Gegenscheibe und eine korrespondierende Veränderung des axialen Abstands einer ausgangsseiti- gen Kegelscheibe zur korrespondierend ausgestalteten ausgangsseitigen Gegen- scheibe das Übersetzungsverhältnis und damit das übertragene Drehmoment und die übertragene Drehzahl stufenlos ändern. Das minimale und das maximale Überset- zungsverhältnis des Stufenlosgetriebes sind durch den minimalen und den maximalen wirksamen Durchmesser des eingangsseitigen und ausgangsseitigen Kegelscheiben- satzes an dem Umschlingungsmittel definiert. Die Welle des eingangsseitigen Kegel- scheibensatzes kann mit einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors gekoppelt sein oder die Antriebswelle ausbilden. Die Welle des ausgangsseitigen Kegelschei- bensatzes kann mit einer Abtriebswelle zum Antrieb eines Antriebsrads eines Kraft- fahrzeugs gekoppelt sein oder die Abtriebswelle ausbilden.

Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang für ein elektrisch antreibbares Kraft- fahrzeug mit einem Antriebsrad, einer mit dem Antriebsrad, insbesondere über ein Stufenlosgetriebe, gekoppelten elektrischen Maschine und einer Steuereinrichtung zum Betrieb der elektrischen Maschine, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist das Verfahren, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, durchzuführen. Durch das zwischenzeitliche Ansteuern eines von der Volllastkurve entfernten Betriebspunktes mit besseren Wirkungsgrad für die elektrische Maschine beim Beschleunigen ist ein effizienter und sicherer Betrieb einer elektrische Maschine in einem Antriebsstrang ermöglicht.

Insbesondere ist ein mit der Steuereinrichtung verbundener Temperatursensor zur Überwachung der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine vorgesehen. Mit Hilfe des Temperatursensors kann das Auslösen des Verfahrens verknüpft sein. Dadurch kann vorgesehen sein, dass das Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn die von dem Temperatursensor gemessene Betriebstemperatur der elektrischen Maschine ei- ne mögliche Überhitzung der elektrischen Maschine erwarten lässt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfol- gend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

Fig. 1 : ein schematisches Kennlinienfeld einer elektrischen Maschine mit einer be- kannten Betriebsweise,

Fig. 2: ein schematisches Kennlinienfeld einer elektrischen Maschine mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betriebsweise,

Fig. 3: ein schematisches Diagramm der Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit des Drehzahlverlaufs der elektrischen Maschine gemäß der Betriebs- weise aus Fig. 2,

Fig. 4: ein schematisches Kennlinienfeld einer elektrischen Maschine mit einer zwei- ten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betriebsweise und

Fig. 5: ein schematisches Diagramm der Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit des Drehzahlverlaufs der elektrischen Maschine gemäß der Betriebs- weise aus Fig. 4.

In dem in Fig. 1 dargestellten Kennfeld 10 für eine elektrische Maschine in Form eines Muscheldiagramms ist ein Drehmoment 12 der elektrischen Maschine über einer Drehzahl 14 der elektrischen Maschine aufgetragen. Bei einem Beschleunigen be- ginnt ein Verlauf 16 eines Betriebspunktes der elektrische Maschine aus dem Still- stand mit einem steilen Anstieg des Drehmoments 12 bis das maximale Drehmoment 18 erreicht ist. Danach erhöht sich die Drehzahl 14 bis die maximale Leistung der elektrischen Maschine erreicht ist. Danach bewegt sich der Betriebspunkt entlang ei- ner Volllastkurve 20, wobei eine Erhöhung der Drehzahl 14 mit einer Reduzierung des Drehmoments 12 einhergeht. Schließlich erreicht die Volllastkurve 20 die maximale Drehzahl 22, bei der ein weiteres Beschleunigung durch eine Drehzahlerhöhung der elektrischen Maschine nicht mehr möglich ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten selben Kennfeld der elektrischen Maschine bewegt sich der Verlauf 16 des Betriebspunkts im Vergleich zu dem Verlauf 16 des Betriebs- punkts in Fig. 1 allenfalls teilweise entlang der Volllastkurve 20. Stattdessen wird der Betriebspunkt von der Volllastkurve 20 weg auf eine Kennlinie 24 mit dem optimalen Wirkungsgrad verschoben, indem das Drehmoment 12 und die Drehzahl 14 reduziert werden. Nachfolgend wird bei konstantem Drehmoment 12 die Drehzahl 14 erhöht bis der Betriebspunkt wieder die Volllastkurve 20 erreicht. Wenn der Betriebspunkt die Volllastkurve 20 erreicht hat, kann wiederum durch eine Reduzierung des Drehmo- ments 12 und der Drehzahl 14 die Kennlinie 24 mit dem optimalen Wirkungsgrad an- gesteuert werden und danach wieder die Drehzahl 14 erhöht werden, bis wieder die Volllastkurve 20 erreicht ist. Dies kann solange wiederholt werden, bis der Fahrer ein Beschleunigen nicht mehr wünscht und hierzu beispielsweise ein Gaspedal nicht mehr durchdrückt oder der Verlauf 16 des Betriebspunkts die maximale Drehzahl 22 er- reicht.

In dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm 26 ist die Drehzahl 14 der elektrischen Ma- schine über der Fahrgeschwindigkeit 28 des Kraftfahrzeugs aufgetragen. Durch das zwischenzeitliche Ansteuern eines Betriebspunkts auf der Kennlinie 24 des optimalen Wirkungsgrads kann die Erhöhung der Drehzahl 14 bei der jeweiligen Drehzahl sogar eine stärkere Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit 28 des Kraftfahrzeugs bewirken. Das zeitweise Verschieben des Betriebspunkts von der Vollastkurve 20 weg beeinträchtigt die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs nicht, sondern verbessert sogar die Beschleu- nigung des Kraftfahrzeugs.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten selben Kennfeld der elektrischen Maschine wird bei der Verschiebung des Betriebspunkts zur Kennlinie 24 des optimalen Wirkungsgrads im Vergleich zu dem Verlauf 16 des Betriebspunkts in Fig. 2 nur die Drehzahl 14 re- duziert, während das Drehmoment 12 konstant bleibt. Dies führt dazu, dass der Be- triebspunkt bei einem bestimmten Drehmoment 12, bei dem insbesondere der Ab- stand der Vollastkurve 20 zur Kennlinie 24 des optimalen Wirkungsgrads besonders klein oder minimal ist, innerhalb eines begrenzten Drehzahlfensters 30 hin- und her bewegt wird. Wie in Fig. 5 dargestellt führt auch diese Betriebsweise zu einer Verbes- serung der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs.

Bezuqszeichenliste Kennfeld

Drehmoment

Drehzahl

Verlauf

maximales Drehmoment

Volllastkurve

maximale Drehzahl

Kennlinie

Diagramm

Fahrgeschwindigkeit

Drehzahlfenster