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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umschaltung eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs.
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Der
EP 3 209 904 B1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug als bekannt zu entnehmen, mit einem Differential zur Verteilung eines über eine Antriebswelle zuführbaren Antriebsmoments auf zwei Abtriebswellen und einem mit dem Differential, einer der Abtriebswellen und einem Zusatzmotor gekoppelten Überlagerungsgetriebe zur Überlagerung von von der Abtriebswelle, dem Differential und dem Zusatzmotor zugeführten Drehmomenten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein elektrisches Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft von einem Drehmomentenverteilungsmodus in einen Unterstützungsmodus umgeschaltet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umschaltung eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs von einem Drehmomentenverteilungsmodus in einen Unterstützungsmodus. Das elektrische Antriebssystem ist dabei einer einfach auch als Achse bezeichneten Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Die Fahrzeugachse weist wenigstens oder genau zwei Fahrzeugräder auf, welche beispielsweise auf in Fahrzeugquerrichtung gegenüberliegenden Seiten des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Dabei sind die Fahrzeugräder mittels des elektrischen Antriebssystems, insbesondere rein, elektrisch antreibbar, wodurch das Kraftfahrzeug insgesamt, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird der Drehmomentenverteilungsmodus auch als Torque-Vectoring-Modus bezeichnet, und der Unterstützungsmodus wird auch als Boost-Modus bezeichnet. Der Drehmomentenverteilungsmodus und der Unterstützungsmodus sind Betriebsmodi des elektrischen Antriebssystems. Bei dem Verfahren wird das elektrische Antriebssystem zunächst in dem Drehmomentenverteilungsmodus betrieben, insbesondere während einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs. Unter der Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs ist zu verstehen, dass das Kraftfahrzeug durch eine Kurve hindurch fährt, das heißt, entlang der Kurve fährt und somit eine Kurvenfahrt ausübt. Bei der Kurvenfahrt kann es sich um eine Linkskurve oder aber um eine Rechtskurve handeln. Bei dem Verfahren wird das elektrische Antriebssystem bei einem Beenden der Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs von dem Drehmomentenverteilungsmodus in den Unterstützungsmodus umgeschaltet. Dabei weist das elektrische Antriebssystem ein vierwelliges Planetendifferential mit einer ersten Welle, einer zweiten Welle, einer dritten Welle und einer vierten Welle auf. Das Planetendifferential ist ein einfach auch als Differential bezeichnetes Differentialgetriebe, über welches die Fahrzeugräder antreibbar sind, insbesondere derart, dass wenigstens ein in das Differential einleitbares oder eingeleitetes Drehmoment, insbesondere Gesamtdrehmoment, mittels des Differentialgetriebes auf die Fahrzeugräder, insbesondere auf Abtriebswellen, von welchen die Fahrzeugräder antreibbar sind, aufgeteilt oder verteilt wird. Wie aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt ist, ist das Differential dazu ausgebildet, insbesondere bei der zuvor genannten Kurvenfahrt unterschiedliche Drehzahlen der Fahrzeugräder zuzulassen, so dass sich beispielsweise das kurvenäußere Rad mit einer höheren Drehzahl als das kurveninnere Fahrzeugrad drehen kann, insbesondere während die Fahrzeugräder angetrieben werden. Dabei weist beispielsweise das Differentialgetriebe eine Grundaufteilung oder Grundverteilung auf, gemäß welcher das in das Differential eingeleitete Drehmoment auf die Fahrzeugräder aufgeteilt beziehungsweise verteilt wird. Insbesondere ist die Grundverteilung durch eine mechanische Konstruktion des Differentialgetriebes definiert beziehungsweise festgelegt, wobei die Grundaufteilung beispielsweise 50:50 beträgt, so dass das in das Differential eingeleitete Drehmoment beispielsweise gemäß der Grundverteilung und somit mittels des Differentials, insbesondere falls keine Eingriffe erfolgen, jeweils hälftig auf das jeweilige Fahrzeugrad aufgeteilt beziehungsweise verteilt wird. Insbesondere in dem Drehmomentenverteilungsmodus kann jedoch zusätzlich zu oder abweichend von der Grundverteilung eine von der Grundverteilung unterschiedliche Verteilung oder Aufteilung des in das Differential eingeleiteten Drehmoments auf die Fahrzeugräder erfolgen oder bewirkt werden.
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Das Antriebssystem weist des Weiteren eine erste elektrische Maschine mit einem ersten Rotor auf. Des Weiteren umfasst das elektrische Antriebssystem eine zweite elektrische Maschine mit einem zweiten Rotor. Der erste Rotor ist, insbesondere permanent, antriebsmäßig beziehungsweise drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit der ersten Welle verbunden. Insbesondere ist beispielsweise die erste Welle eine Summenwelle des Planetendifferentials, welches insbesondere ein Planetengetriebe ist. Das elektrische Antriebssystem umfasst außerdem ein formschlüssiges Schaltelement, welches zumindest zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung umschaltbar, insbesondere bewegbar, ist. Die jeweilige elektrische Maschine kann über ihren jeweiligen Rotor Antriebsdrehmomente bereitstellen, die in das Differential eingeleitet werden können, so dass beispielsweise das zuvor genannte Gesamtdrehmoment aus dem jeweiligen, von der jeweiligen elektrischen Maschine bereitgestellten und in das Differential eingeleiteten Antriebsdrehmoment resultiert.
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In der ersten Schaltstellung des Schaltelements ist der zweite Rotor mittels des Schaltelements antriebsmäßig, das heißt, drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit der ersten Welle verbunden. In der zweiten Schaltstellung ist der zweite Rotor mittels des Schaltelements antriebsmäßig, das heißt, drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit der zweiten Welle verbunden, welche beispielsweise eine Differenzwelle des Planetendifferentials ist.
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Die dritte Welle ist eine erste Abtriebswelle, von welcher ein erstes der Fahrzeugräder der Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs antreibbar ist. Die vierte Welle ist eine zweite Abtriebswelle, von welcher das zweite Fahrzeugrad der Fahrzeugachse des Kraftfahrzeugs antreibbar ist. Die Antriebswellen sind insbesondere über die erste Welle und die zweite Welle von den Rotoren und somit von der elektrischen Maschine antreibbar, so dass die Fahrzeugräder über das Planetendifferential von den Rotoren und somit von den elektrischen Maschinen antreibbar sind.
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In dem Drehmomentenverteilungsmodus befindet sich das formschlüssige Schaltelement in der zweiten Schaltstellung, so dass beispielsweise in dem Drehmomentenverteilungsmodus mittels der zweiten elektrischen Maschine über die zweite Welle und somit über die Differenzwelle eine von der Grundverteilung unterschiedliche Verteilung des jeweiligen, ersten Antriebsdrehmoments bewirkt werden kann, welches von der ersten elektrischen Maschine über den ersten Rotor bereitgestellt und auf die erste Welle, insbesondere auf die Summenwelle, übertragen und über die erste Welle, insbesondere die Summenwelle, in das Differentialgetriebe eingeleitet wird.
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Zur Umschaltung des elektrischen Antriebssystems von dem Drehmomentenverteilungsmodus in den Unterstützungsmodus wird das sich zunächst in der zweiten Schaltstellung befindende, formschlüssige Schaltelement aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung umgeschaltet, so dass sich das Schaltelement in dem Unterstützungsmodus (Boost-Modus) in der ersten Schaltstellung befindet. Vor der Umschaltung des Schaltelements aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung wird ein zunächst im Drehmomentenverteilungsmodus von der zweiten elektrischen Maschine über den zweiten Rotor bereitgestelltes und somit auf die zweite Welle, insbesondere auf die zweite Differenzwelle, übertragenes und insbesondere über die zweite Welle in das Planetendifferential eingeleitetes erstes Drehmoment auf zumindest in etwa Null reduziert.
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Das Antriebssystem umfasst außerdem eine beispielsweise als Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs ausgebildete Bremseinrichtung zum, insbesondere reibschlüssigen, Abbremsen der Fahrzeugräder. Dabei wird beispielsweise bei der Umschaltung des Schaltelements und/oder bei dem Reduzieren des ersten Drehmoments mittels der Bremseinrichtung wenigstens oder genau eines der Fahrzeugräder, insbesondere das kurveninnere Fahrzeugrad, gezielt abgebremst.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei dem Reduzieren des ersten Drehmoments ein zunächst in dem Drehmomentenverteilungsmodus von der ersten elektrischen Maschine über den ersten Rotor bereitgestelltes, zweites Drehmoment, mithin das jeweilige, erste Antriebsdrehmoment, erhöht wird.
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Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das zweite Drehmoment auf den doppelten Wert des höheren der beiden Drehmomente der elektrischen Maschinen erhöht wird.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Es wurde gefunden, dass es bei einem Umschalten des Antriebssystems von dem Torque-Vectoring-Modus in den Boost-Modus speziell am Kurvenausgang zu Fahrsituationen kommen kann, in denen sich diese Umschaltung des Antriebssystems schwierig gestalten kann, insbesondere dahingehend, dass kein kontinuierliches, dynamisches Fahrverhalten des auch als einfach als Fahrzeug bezeichneten Kraftfahrzeugs gewährleistet werden kann, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Um dies zu vermeiden, erfolgt nun mittels der Bremseinrichtung, durch welche beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) realisierbar oder realisiert ist, wenigstens ein Bremseingriff, in dessen Rahmen das wenigstens oder genau eine Fahrzeugrad, insbesondere das kurveninnere Fahrzeugrad, gezielt abgebremst wird. Hierdurch kann die Umschaltung des Antriebssystems von dem Torque-Vectoring-Modus in den Boost-Modus zumindest in diesem kontinuierlich gestaltet werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, dass insbesondere bei einer Kurvenausfahrt selbst bei Verwendung des formschlüssigen Schaltelements zumindest nahezu kontinuierlich und somit zumindest nahezu ohne Veränderung des Fahrzustands zwischen den Betriebsmodi umgeschaltet und dabei insbesondere von dem Torque-Vectoring-Modus in den Unterstützungsmodus umgeschaltet werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine weitere schematische Darstellung des Antriebssystems; und
- 3 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zur Umschaltung des elektrischen Antriebssystems von einem Drehmomentenverteilungsmodus in einen Unterstützungsmodus.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Anhand von 1 bis 3 wird im Folgenden ein Verfahren zur Umschaltung eines in den 1 und 2 besonders schematisch dargestellten, elektrischen Antriebssystems 10 eines Kraftfahrzeugs von einem Drehmomentenverteilungsmodus, welcher auch als Torque-Vectoring-Modus oder erster Betriebsmodus bezeichnet wird, in einen Unterstützungsmodus beschrieben, welcher auch als Boost-Modus, Unterstützungsmodus oder zweiter Betriebsmodus bezeichnet wird. Das Antriebssystem 10 ist einem einfach auch als Achse bezeichneten Fahrzeugachse des einfach auch als Fahrzeug bezeichneten und vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs zugeordnet, wobei die Fahrzeugachse wenigstens oder genau zwei Fahrzeugräder 12 und 14 aufweist. Die Fahrzeugräder 12 und 14 sind auf in Fahrzeugquerrichtung gegenüberliegenden Seiten des Kraftfahrzeugs angeordnet und mittels des Antriebssystems 10 antreibbar, wobei die Fahrzeugräder 12 und 14 Bestandteile des Antriebssystems 10 sein können. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird das elektrische Antriebssystem 10 bei einem Beenden einer Kurvenfahrt und somit beispielsweise bei einer Kurvenausfahrt des Kraftfahrzeugs von dem Drehmomentenverteilungsmodus in den Unterstützungsmodus umgeschaltet. Dabei weist das elektrische Antriebssystem 10 ein Planetengetriebe auf, welches als vierwelliges Planetendifferential 16 ausgebildet ist und auch als Differential oder Differentialgetriebe bezeichnet wird. Das Planetendifferential 16 weist einen ersten Planetenradsatz 18 auf, dessen Standübersetzung mit i1 bezeichnet ist und vorliegend -2 beträgt. Des Weiteren weist das Planetendifferential 16 einen zweiten Planetenradsatz 20 auf, dessen Standübersetzung mit i2 bezeichnet ist und vorliegend +2 beträgt. Der Planetenradsatz 18 weist ein erstes Sonnenrad 22, einen ersten Planetenträger 24 und ein erstes Hohlrad 26 sowie erste Planetenräder 28 auf, welche drehbar an den Planetenträger 24 gelagert sind und gleichzeitig mit dem Sonnenrad 22 und mit dem Hohlrad 26 kämmen. Der zweite Planetenradsatz 20 weist ein zweites Sonnenrad 30, einen als Doppelplanetenträger ausgebildeten, zweien Planetenträger 32 und ein zweites Hohlrad 34 auf. Die Sonnenräder 22 und 30 sind, insbesondere permanent, drehfest miteinander verbunden. Außerdem sind die Planetenträger 24 und 32, insbesondere permanent, drehfest miteinander verbunden. Der als Doppelplanetenradsatz ausgebildete Planetenradsatz 20 weist außerdem zweite Planetenräder 36 und dritte Planetenräder 38 auf. Die Planetenräder 36 kämmen mit dem Sonnenrad 30 und vorzugsweise mit den Planetenrädern 38, nicht jedoch mit dem Hohlrad 34. Die Planetenräder 38 kämmen mit dem Hohlrad 34 und vorzugsweise mit den Planetenrädern 36, nicht jedoch mit dem Sonnenrad 30.
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Das vierwellige Planetendifferential 16 weist vier Wellen auf, nämlich eine erste Welle S, ein zweite Welle D, eine dritte Welle Ab1 und eine vierte Welle Ab2. Aus 1 ist erkennbar, dass die erste Welle S das Hohlrad 34 oder eine, insbesondere permanent, drehfest mit dem Hohlrad 34 verbundene Welle ist. Die zweite Welle D ist das Hohlrad 26 oder eine, insbesondere permanent, drehfest mit dem Hohlrad 26 verbundene Welle. Die dritte Welle Ab1 ist eine erste Abtriebswelle und die vierte Welle Ab2 ist eine zweite Abtriebswelle, wobei die Abtriebswellen auch als Ausgangswellen bezeichnet werden, und wobei über die Abtriebswellen jeweilige Drehmomente aus dem Planetendifferential 16 ausleitbar sind. Die Wellen S und D sind Eingangswellen, über welche jeweilige Drehmomente in das Planetendifferential 16 eingeleitet werden können.
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Das Antriebssystem 10 umfasst außerdem eine erste elektrische Maschine M1 und ein zweite elektrische Maschine M2. Die elektrische Maschine M1 weist einen ersten Rotor 40 auf, welcher antriebsmäßig und dabei drehmomentübertragend, insbesondere drehfest und ganz insbesondere permanent drehfest, mit der Welle S und somit mit dem Hohlrad 34 verbunden ist. Die elektrische Maschine M weist einen zweiten Rotor 42 auf. Das Antriebssystem 10 umfasst außerdem ein formschlüssiges Schaltelement FSE, welches zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen, nämlich einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung umschaltbar ist. In der ersten Schaltstellung ist der Rotor 42 mittels des Schaltelements FSE antriebsmäßig und dabei drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit der zweiten Welle D verbunden. In der zweiten Schaltstellung ist der zweite Rotor 42 mittels des Schaltelements FSE antriebsmäßig und somit drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit der zweiten Welle S verbunden.
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Von der dritten Welle Ab1 und somit über die dritte Welle Ab1 ist das erste Fahrzeugrad 12 antreibbar, und von der vierten Welle Ab2 und somit über die vierte Welle Ab2 ist das zweite Fahrzeugrad 14 antreibbar.
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in Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass das elektrische Antriebssystem 10 auch eine insbesondere als Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs ausgebildete Bremseinrichtung 44 aufweist. Die Bremseinrichtung 44 weist je Fahrzeugrad 12, 14 ein jeweiliges, beispielsweise als Reibbremse ausgebildete Bremselement ESP auf, mittels welchem das jeweilige Fahrzeugrad 12, 14 insbesondere durch Reibung abgebremst werden kann. Insbesondere kann mittels der Bremseinrichtung 44 ein elektronisches Stabilitätsprogramm realisiert sein oder werden.
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In dem Drehmomentenverteilungsmodus befindet sich das formschlüssige Schaltelement FSE in der zweiten Schaltstellung, in welcher der Rotor 42 mittels des Schaltelements FSE mit der Welle D und somit mit dem Hohlrad 26 drehfest verbunden ist. In dem Unterstützungsmodus befindet sich das Schaltelement FSE in der ersten Schaltstellung, wodurch der Rotor 42 mit der Welle S und somit mit dem Hohlrad 34 drehfest verbunden ist. Die Welle S ist eine Summenwelle des Planetendifferentials 16, und die Welle D ist eine Differenzwelle des Planetendifferentials 16.
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Zur Umschaltung von dem Drehmomentenverteilungsmodus in den Unterstützungsmodus wird das sich zunächst in der zweiten Schaltstellung befindende, formschlüssige Schaltelement FSE aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung umgeschaltet, so dass sich das Schaltelement FSE in dem Unterstützungsmodus in der ersten Schaltstellung befindet. Vor der Umschaltung des Schaltelements FSE aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung wird ein zunächst in dem Drehmomentenverteilungsmodus von der zweiten elektrischen Maschine M2 über den zweiten Rotor 42 bereitgestelltes, erstes Drehmoment auf Null reduziert.
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Die jeweilige, elektrische Maschine M1, M2 wird auch als Elektromaschine, Elektromotor oder E-Motor bezeichnet. Es ist erkennbar, dass das Antriebssystem 10 ein Achsantrieb ist. Dabei ist beispielsweise die elektrische Maschine M1 eine permanente Fahrmaschine, und die Elektromaschine M2 ist beispielsweise umschaltbar zwischen den genannten zwei Betriebsmodi, insbesondere zwischen drei unterschiedlichen Modi. Ein erster der Modi ist eine so genannte Eco-Fahrt, in welcher die Fahrzeugräder 12 und 14 und somit das Kraftfahrzeug bezogen auf die elektrischen Maschinen M1 und M2 nur mittels der elektrischen Maschine M1 angetrieben werden. Dabei ist die elektrische Maschine M2 beziehungsweise ihr Rotor 42 von dem Planetendifferential 16 abgekoppelt, insbesondere dadurch, dass sich das Schaltelement FSE in einer dritten Schaltstellung befindet, die in 1 gezeigt ist. In der dritten Schaltstellung ist der Rotor 42 sowohl von der Welle S als auch von der Welle D entkoppelt, das heißt abgekoppelt. Dabei ist nur eine bezogen auf die Bildebene von 1 rechte Seite des als Koppel-Planetengetriebe ausgebildeten Planetendifferentials 16 unter Last und fungiert aufgrund der Standübersetzung i2 als ein symmetrisches Differential zwischen den Abtriebswellen. Es ist erkennbar, dass die Welle Ab1 der Planetenträger 24, 32 ist beziehungsweise eine, insbesondere permanent, drehfest mit den Planetenträgern 24 und 32 verbundene Welle ist. Die Welle Ab2 ist beispielsweise das jeweilige Sonnenrad 22, 30 oder eine, insbesondere permanent, drehfest mit den Sonnenrädern 22 und 30 verbundene Welle.
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Ein zweiter der Modi ist der Drehmomentenverteilungsmodus. Dabei kann bei gegensinniger Modulation eines jeweiligen, von der jeweiligen elektrischen Maschine M1, M2 über ihren jeweiligen Rotor 40, 42 bereitgestellten Drehmoments eine aktive Drehmomentverteilung an den Abtriebswellen erreicht werden, insbesondere wie es in 3 gezeigt ist. Ein dritter der Modi ist der Unterstützungsmodus (Boost-Modus). In dem Unterstützungsmodus werden die Fahrzeugräder 12 und 14 insbesondere gleichzeitig mittels beider elektrischer Maschinen M1 und M2 angetrieben. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens kann das Schaltelement FSE zwischen unterschiedlichen Modi, das heißt, zwischen seinen unterschiedlichen, drei Schaltstellungen eine insbesondere zweiseitig aktuierbare, formschlüssige Klauenschaltung oder Klauenkupplung sein.
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Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche elektrische Achsantriebe bekannt, die mit zwei, gegebenenfalls unterschiedlich leistungsstarken Elektromotoren, die beispielsweise die elektrischen Maschinen M1, M2 einen Achsantrieb mit mindestens zwei Funktionsmodi wie beispielsweise dem Drehmomentenverteilungsmodus und dem Unterstützungsmodus gewährleisten. Der Torque-Vectoring-Modus zeichnet sich dadurch aus, dass die eine, gegebenenfalls leistungsstärkere elektrische Maschine wie beispielsweise die elektrische Maschine M1 über das beispielsweise grundsätzlich als symmetrisches Achsdifferential ausgebildete Planetendifferential 16 die auch als Antriebsräder bezeichneten Fahrzeugräder 12 und 14 antreibt, während die zweite, gegebenenfalls leistungsschwächere, elektrische Maschine M2 eine gegenüber einer von dem symmetrischen Achsdifferential zumindest nahezu annähernd gegebenen, gleichen und konstanten Drehmomentverteilung von 50: 50 an die beiden Antriebsräder andere, davon abweichende Verteilungsverhältnisse darstellen oder einstellen kann, und zwar insbesondere unabhängig von gegebenenfalls unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Antriebsräder der Fahrzeugachse. Vorteile einer solchen Vorgangsweise bestehen darin, dass bei einer Kurvenfahrt durch die Anhebung des dem kurvenäußeren Fahrzeugrads zugewiesenen Drehmoments ein als günstig zu beurteilendes, in die Kurve zusätzlich zu den gelenkten Vorderrädern (gegebenenfalls auch Hinterrädern) einlenkendes Giermoment um die Hochachse des Fahrzeugs erreicht werden kann. Hinzu kommt noch, dass eine bessere Ausnutzung der Haftungsverhältnisse der Reifen auf der Fahrbahn erreicht werden kann, weil dem durch die dynamische Radlastverteilung während der Kurvenfahrt höher vertikal belasteten, kurvenäußeren Fahrzeugrad, welches dadurch bei gegebenem Haftbeiwert ein höheres Antriebsmoment absetzen kann, auch ein Mehr an Antriebsmoment zugewiesen werden kann und dem entlasteten, kurveninneren Fahrzeugrad entsprechend weniger, wodurch gegenüber anderen Ausgestaltungen des Achsantriebs ein in der Summe der beiden, einfach auch als Räder bezeichneten Fahrzeugräder insgesamt höheres Achsantriebsmoment abgesetzt werden kann, wodurch ein Fahrdynamikvorteil erreicht werden kann. Sofern bei Geradeausfahrt die zweite, gegebenenfalls leistungsschwächere, elektrische Maschine M2 neben deren Fähigkeit, ein Torque-Vectoring, mithin den Drehmomentenverteilungsmodus zu ermöglichen, auch dazu genutzt werden soll, die verfügbare Gesamtleistung des einfach auch als Fahrzeug bezeichneten Kraftfahrzeugs anzuheben, indem sie als zusätzlicher Antrieb zur (gegebenenfalls leistungsstärkeren), ersten, elektrischen Maschine M1 hinzugeschaltet werden soll, wodurch der Boost-Modus realisiert werden kann, gestaltet sich dieses Hinzuschalten der zweiten elektrischen Maschine M2 zur ersten elektrischen Maschine M1 insbesondere dann als herausfordernd, wenn bei Kurvenausfahrt möglichst direkt, ohne Verzögerung und ohne merkliche Auswirkungen auf das dynamische Gesamtverhalten des Fahrzeugs aus dem Torque-Vectoring-Modus in den Boost-Modus umgeschaltet werden soll. Insbesondere dann, wenn aus Effizienzgründen des Antriebs auf Reibkupplungen als dieses Umschalten ermöglichende Schaltelement mit deren unvermeidlich anfallenden Reibverlusten verzichtet werden soll und stattdessen formschlüssige Schaltelemente wie beispielsweise das Schaltelement FSE zum Einsatz kommen sollen.
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Ein vorzugsweise symmetrisches Torque-Vectoring zwischen den Antriebsrädern der einfach auch als Achse bezeichneten Fahrzeugachse erfolgt prinzipiell nach einem in 3 gezeigten Schema. Symmetrisch wird ein Torque-Vectoring, das heißt, eine Drehmomentenverteilung genannt, wenn die Steigungen der beiden, in 3 dargestellten Geraden 46 und 48 der Veränderung der zu den Antriebsrädern der Achse geleiteten Drehmomente gegensinnig, aber mit der gleichen Steigungsrate verlaufen.
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In 3 sind die Geraden 46 und 48 in ein Diagramm eingetragen, auf dessen senkrechter Achse, mithin Ordinate 50 das den beiden Antriebswellen zugewiesene Antriebsmoment skaliert ist. Entlang der waagrechten Achse des Diagramms, mithin entlang der Abszisse 52, bilden sich unterschiedliche, mögliche Fahrzustände aus. Die Geraden 46 und 48 veranschaulichen die jeweils den beiden Antriebsrädern zugewiesenen Drehmomente. Eine Gerade 54 veranschaulicht das in diesem Fall (bei so genanntem symmetrischem Torque-Vectoring) über alle möglichen Verteilungen konstante, über die Achse insgesamt abgesetzte Summenantriebsmoment. Ein Teil der möglichen Anordnungen, die eine elektrisch angetriebene Achse mit den beschriebenen Fähigkeiten ermöglichen, arbeiten nach dem Prinzip, dass die (gegebenenfalls leistungsschwächere) zweite elektrische Maschine M2 jeweils gegensinnig bestromt wird, um die Verlagerung des größeren Momentenanteils nach links oder rechts zu gewährleisten, mithin zum linken Fahrzeugrad oder dem rechten Fahrzeugrad. Beim Kreuzungspunkt der beiden Geraden 46 und 48 in 3, die das Antriebsmoment der beiden Räder darstellen, dem so genannten Differentialpunkt, an dem die zu den beiden Rädern geleiteten Momente jeweils gleich sind und der Hälfte des über die Achse abgesetzten Summenmomentes entsprechen, ist die zweite elektrische Maschine M2 daher stromlos, das gesamte Antriebsmoment wird allein von der ersten elektrischen Maschine M1 geliefert. Dies ist auch der Zustand, in dem das Fahrzeug während der Geradeausfahrt betrieben wird und auch Anlass zur Motivation, die zweite elektrische Maschine M2 nicht allein zum Torque-Vectoring, sondern auch zur Erhöhung der maximal abrufbaren Leistung während der geradlinigen Beschleunigung nutzen zu können. Denn erst nach der Zuschaltung der elektrischen Maschine M2 zur ersten elektrischen Maschine M1 kann mit der gesamten installierten elektrischen Leistung beschleunigt werden. Das Verfahren beschreibt einen Weg, um die Umschaltung zwischen dem Drehmomentenverteilungsmodus und dem Unterstützungsmodus einer nach dem beschriebenen Prinzip arbeitenden Antriebsachse mit elektrischem Dual-Antrieb kontinuierlich und für den Fahrer nicht wahrnehmbar zu gestalten.
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Wie auch immer nun ein hier nicht näher in Einzelheiten beschriebenes, planetares Verteilergetriebe wie beispielsweise das Planetendifferential 16 eines solchen Achsantriebs ausgestaltet ist, bedeutet das, dass die zweite elektrische Maschine M2 von einem so genannten Differenzelement wie der Differenzwelle (Welle D) des Verteilergetriebes, mit welchem die Torque-Vectoring-Funktion ermöglicht wird, mit Hilfe eines vorzugsweise formschlüssigen Schaltelements wie beispielsweise dem Schaltelement FSE abgekoppelt wird und auf ein Summenelement insbesondere in Form der Welle S des Verteilergetriebes angeschlossen wird, um den Unterstützungsmodus als zusätzliche Unterstützung für die als Hauptfahrmaschine ausgebildete, erste elektrische Maschine M1 mit einer Funktionsweise als symmetrisches Differential des Verteilergetriebes (Planetendifferential 16) an die Abtriebswellen zu den Antriebsrädern der Achse zu ermöglichen. Gegebenenfalls kann noch eine zusätzliche Endübersetzung i (2) zu den Antriebsrädern der Achse erfolgen. Da beim Herausbeschleunigen aus einer Kurve die Phasen eines allmählich abklingenden Torque-Vectorings und des möglichst leistungsstarken Herausbeschleunigens überlappend sein können, gestaltet sich die Umschaltung der zweiten elektrischen Maschine M2 zwischen den genannten Elementen S und D des Verteilergetriebes als herausfordernd. Insbesondere dann, wenn der Fokus auf möglichst hohe Fahrleistung gelegt wird und nach Kurvenausfahrt mit voller installierter Leistung, mithin der Summenleistung der elektrischen Maschinen M1 und M2 beschleunigt werden können soll. Denn das Überlappen dieser beiden Zustände stellt eine mit formschlüssigen Schaltelementen scheinbar nicht erreichbaren Fahrzustand eines nach dem beschriebenen Prinzip aufgebauten Antriebsstrangs dar.
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Das Verfahren ist nun eine Strategie, die unter Einbeziehung der beispielsweise als ESP-Systeme ausgebildeten oder ein ESP-System realisierenden Bremseinrichtung 44, das einen gezielten Bremseingriff auf einzelne Bremsen beziehungsweise an einzelnen Rädern der Achse gewährleisten kann, den genannten Fahrzustand unter minimalen Einbußen dennoch ermöglicht. Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren zunächst anhand einer beispielhaft herangezogenen Kurvenausfahrt aus einer Kurve, die mit Torque-Vectoring (das heißt mit dem Drehmomentenverteilungsmodus) gefahren wurde, nach welcher mit möglichst hoher Leistung in der nachfolgenden Geraden wieder beschleunigt werden soll. Damit wird angenommen, dass gegen Ende der Kurvenfahrt das in 3 dargestellte Torque-Vectoring stattfindet. Dabei wird dem kurvenäußeren Fahrzeugrad ein Betrag Md2, mithin ein erstes Drehmoment, welches den Betrag Md2 aufweist, zugeleitet, wobei dem kurveninneren Fahrzeugrad der Betrag Md1, das heißt, ein zweites Drehmoment mit dem Betrag Md1 zugeleitet wird, wobei der Betrag Md1 kleiner als der Betrag Md2 ist. Das dabei über die Achse abgesetzte Summenmoment, welches durch die Gerade 54 veranschaulicht ist, beträgt Md1 + Md2. Um das Umschalten der elektrischen Maschine M2 von dem Differenzelement (Welle D) des Verteilergetriebes zu dessen Summenelement (Welle S) vorzubereiten, werden folgende, insbesondere simultane Aktionen oder Schritte graduell aufeinander abgestimmt ausgeführt:
- - Das von der als Hauptfahrmaschine ausgebildeten ersten elektrischen Maschine M1 abgegebene Drehmoment wird vom aktuell abgegebenen Betrag, welcher der Momentenverteilung Md1 + Md2 entspricht, auf den doppelten Wert des höheren der beiden Momente hochgefahren, das heißt, vorliegend auf 2 x Md2.
- - Das von der als Zusatzmaschine ausgebildeten, zweiten elektrischen Maschine M2 abgegebene Drehmoment, welches das Torque-Vectoring bewirkt, so lange es an das Differenzelement D des Verteilergetriebes angeschlossen ist, wird synchron dazu auf Null heruntergefahren, wodurch das Verteilergetriebe (Planetendifferential 16) in den Zustand ohne jegliches Torque-Vectoring in den so genannten Differentialpunkt versetzt wird, und das formschlüssige Schaltelement FSE, immer noch in der zweiten Schaltstellung dadurch lastfrei wird. Das ESP-System des Kraftfahrzeugs, mithin die Bremseinrichtung 44 wird dazu benutzt, am kurveninneren Fahrzeugrad den Betrag (Md2 - Md1 x i), also den ursprünglichen Differenzbetrag durch das Torque-Vectoring multipliziert mit der auch als Endübersetzung bezeichneten Übersetzung i durch einen gezielten Bremseneingriff graduell und synchron zur Veränderung der Bestromung der beiden elektrischen Maschinen M1 und M2 durch Bremswirkung an das Chassis des Kraftfahrzeugs abzuleiten.
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Dadurch wird unter Zuhilfenahme des ESP-Systems, mithin der Bremseinrichtung 44, das vor der oben beschriebenen Aktion herrschende Torque-Vectoring der Antriebsachse nachgebildet. Am Ende dieses Vorgangs kann das lastfrei gewordene, formschlüssige Schaltelement FSE aus der zweiten Schaltstellung ausgeschaltet werden, insbesondere in die dritte Schaltstellung geschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt drehen die beiden elektrischen Maschinen M1 und M2 beziehungsweise ihre Rotoren 40 und 42 mit einer, der Differenzdrehzahl der Räder infolge der Kurvenfahrt proportionalen, unterschiedlichen Drehzahl. Nun wird die freigeschaltete, elektrische Maschine M2 mit der elektrischen Maschine M1 drehzahlsynchronisiert, um kurz vor dem Erreichen der Synchrondrehzahl das formschlüssige Schaltelement FSE, insbesondere aus der dritten Schaltstellung in die erste Schaltstellung und somit auf das Summenelement (Welle S) des Verteilergetriebes (Planetendifferential 16) zu schalten. Nach erfolgter Schaltung steht die Summenleistung beider elektrischer Maschinen M1 + M2 zum Herausbeschleunigen aus der Kurve zur Verfügung. Davor oder gegebenenfalls synchron zur nun möglichen Beschleunigung des Fahrzeugs aus der Kurve mit der gesamten installierten Leistung der Achse wird der einseitige Bremseingriff kontinuierlich heruntergefahren und damit das durch eben diesen Bremseingriff simulierte Torque-Vectoring-Verhalten beendet. Für die Fahrdynamik des Fahrzeugs ausschlaggebend ist jedoch, dass das Torque-Vectoring-Verhalten erst nach dem Zuschalten der elektrischen Maschine M2 auf das Summenelement (Welle S) des Verteilergetriebes (Planetendifferential 16) endet. Sofern der Fokus auf maximale Fahrleistung liegt (zum Beispiel in ausdrücklich sportlich orientierten Fahrprogrammen), kann dadurch ein fahrdynamischer Vorteil erreicht werden, der die Effizienzeinbuße durch den gezielten, einseitigen Bremseingriff über der Dauer der Umschaltung des Schaltelements FSE rechtfertigt. In auf Effizienz getrimmten Fahrprogrammen ist auf diese Art des Vorgehens entsprechend zu verzichten, zum Preis des dadurch entfallenden Dynamikvorteils.
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Da das Umschalten der zweiten elektrischen Maschine M2 aus der die Boost ermöglichenden Stellung S des Verteilergetriebes in die Stellung D, um erneut Torque-Vectoring zu ermöglichen, gestaltet sich erheblich einfacher, insbesondere, weil in der Regel vor Kurveneinfahrt gebremst wird. Während eines Bremsvorgangs ist das Umschalten trivial, sofern auf eine Rekuperation mit der elektrischen Maschine M2 verzichtet wird. Selbst wenn nicht gebremst werden sollte, ist es praktisch auszuschließen, dass vor Kurveneinfahrt die gesamte installierte Leistung der beiden elektrischen Maschinen M1 und M2 zum Beschleunigen des Fahrzeugs genutzt wird, wodurch das Umschalten der passiven elektrischen Maschine M2 ebenso trivial ist. Als Indikatoren für die Entscheidung, wann welche Schaltung erforderlich wird, sind eine ganze Reihe von Parametern wie Fahr- und Bremspedalstellung, Lenkwinkel und auch GPS-Daten des Navigationssystems und/oder weitere heranziehbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrisches Antriebssystem
- 12
- Fahrzeugrad
- 14
- Fahrzeugrad
- 16
- Planetendifferential
- 18
- Planetenradsatz
- 20
- Planetenradsatz
- 22
- Sonnenrad
- 24
- Planetenträger
- 26
- Hohlrad
- 28
- Planetenrad
- 30
- Sonnenrad
- 32
- Planetenträger
- 34
- Hohlrad
- 36
- Planetenrad
- 38
- Planetenrad
- 40
- Rotor
- 42
- Rotor
- 44
- Bremseinrichtung
- 46
- Gerade
- 48
- Gerade
- 50
- Ordinate
- 52
- Abszisse
- 54
- Gerade
- Ab1
- Welle
- Ab2
- Welle
- D
- Welle
- ESP
- Bremselement
- FSE
- Schaltelement
- i1
- Standübersetzung
- i2
- Standübersetzung
- M1
- elektrische Maschine
- M2
- elektrische Maschine
- Md 1
- Betrag
- Md2
- Betrag
- S
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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