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DE10017786B4 - Anordnung von elektrischen Maschinen, deren Rotoren jeweils mit einem Rad eines Kraftfahrzeuges zu verbinden sind - Google Patents

Anordnung von elektrischen Maschinen, deren Rotoren jeweils mit einem Rad eines Kraftfahrzeuges zu verbinden sind Download PDF

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DE10017786B4
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Abstract

Anordnung von elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4), deren Rotoren jeweils mit einem Rad (VR, VL, HR, HL) eines von einem Verbrennungsmotor (VM) angetriebenen Kraftfahrzeuges (KFZ) drehfest zu verbinden sind, wobei die elektrischen Maschinen mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von wenigstens einem Sensorsignal (SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS) eine oder mehrere der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) motorisch oder generatorisch zu betreiben.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung von elektrischen Maschinen, deren Rotoren jeweils mit einem Rad eines Kraftfahrzeuges zu verbinden sind, das durch einen Verbrennungsmotor angetrieben ist. Insbesondere geht es bei der Erfindung um eine Anordnung von elektrischen Maschinen, von denen jeweils einer mit einem Rad eines Kraftfahrzeuges drehfest verbunden ist, wobei die elektrischen Maschinen von einer gemeinsamen elektronischen Steuereinheit betrieben werden.
  • Im Kraftfahrzeug-Bereich sind derzeit praktisch ausschließlich hydraulische Bremsen eingesetzt, bei denen unter Druck stehendes Hydraulikfluid auf einen Kolben wirkt, der ein Reibelement in Reibungseingriff mit einer Scheibe oder Trommel bringt, die mit dem Rad drehfest verbunden ist. Diese Anordnung hat sich insoweit bewährt, als damit bei relativ hoher Dynamik große Kräfte auf das Reibelement ausgeübt werden können. Allerdings ist der Aufwand für die Leitungsführung für das Hydraulikfluid relativ hoch. Außerdem verschleißen die Reibelemente und müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Auch die Scheibe oder Trommel ist einem Verschleiß ausgesetzt und muß gelegentlich ersetzt werden. Außerdem stellt die Bremse eine die Fahreigenschaften negativ beeinflussende relativ große ungefederte Masse dar, die in einer Ausnehmung der Felge des Rades angeordnet ist. Daher besteht die Bestrebung, zu dieser Technik Alternati ven, bevorzugt elektrische oder elektronische Alternativen zu finden.
  • Es gibt eine Reihe von Ansätzen, die Hydraulikfluidleitungen durch elektrische Leitungen zu ersetzen. Einer dieser Ansätze besteht darin, ein elektrisches Bremssignal über elektrische Leitungen vom Bremspedal (über eine elektronische Steuerung) zu den Rädern zu führen und nur noch direkt am Rad über elektro-hydraulische Wandler das Reibelement in Reibungseingriff mit der Scheibe oder Trommel zu bringen (sog. halb-trockene Bremse).
  • Ein weitergehender Ansatz verzichtet auch auf die elektrohydraulischen Wandler und bringt statt dessen in Abhängigkeit von dem elektrischen Bremssignal das Reibelement mittels entsprechender elektrischer Stellglieder in Reibungseingriff mit der Scheibe oder Trommel (sog. trockene Bremse).
  • Allerdings hat sich noch keine dieser Lösungen durchsetzen können, da sie alle noch mit erheblichen Leistungseinbußen oder Kompromissen bei der Sicherheit im Verhältnis zu den sehr ausgereiften hydraulischen Bremssystemen behaftet sind. Dies gilt insbesondere auch für Bremssysteme, bei denen mittels einer entsprechenden elektronischen Steuerung Anti-Blockier-, Anti-Schlupf-, elektronische Stabilitäts-, Fahrdynamik-, oder andere Funktionen realisiert sind.
  • Die DE 195 37 945 offenbart ein Kettenfahrzeug mit einem Antriebsmotor, der mit einem elektrischen Generator zur Versorgung von elektrischen Motoren gekoppelt ist, wobei die elektrischen Motoren ihnen zugeordnete Kettenantriebsräder und somit außenliegende Ketten des Fahrzeugs antreiben.
  • Aus der DE-OS 19 30 501 ist ein vier-rädriger Kraftwagen bekannt, bei dem alle vier Räder durch einzelne, an den Rädern angeordneten Elektromotoren angetrieben werden. Zum Antreiben der Elektromotoren ist ein Schwingkolben-Generator vorgesehen.
    •
  • Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
  • Ausgehend von dieser Situation liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Nachteile der oben genannten Anordnungen zu überwinden und eine Möglichkeit bereitzustellen um einerseits von den hydraulischen Bremssystemen wegzukommen und andererseits auch einen anderen Weg als die bisherigen elektrischen oder elektrohydraulischen Bremssysteme zu beschreiten.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Anordnung von elektrischen Maschinen, deren Rotoren jeweils mit einem Rad eines von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeuges drehfest zu verbinden sind, wobei die elektrischen Maschinen mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von wenigstens einem Sensorsignal eine oder mehrere der elektrischen Maschinen motorisch oder generatorisch zu betreiben.
  • Vorteile der Erfindung
  • Dieser gegenüber den bisherigen Kraftfahrzeugbremsen konzeptionell völlig neue Ansatz erlaubt das Aufbringen der erforderlichen Bremsmomente mit der notwendigen Dynamik ohne die Verwendung der bisher für erforderlich gehaltenen Reibelemente mit der Scheibe oder Trommel. Außerdem erlaubt dieses Konzept erstmals nicht nur das Dissipieren von Energie aus der Bremse sondern erstmals auch das gezielte Beschleunigen einzelner Räder, sofern dies im Rahmen eines Anti-Blockier-, Anti-Schlupf-, elektronische Stabilitäts-, Fahrdynamik-, oder dergl. Betrieb wünschenswert ist.
  • Außerdem kann mit diesem Konzept auch kurzzeitig eine Unterbrechung des Antriebsstranges ausgeglichen werden, wie sie zum Beispiel bei einem Getriebe-Schaltvorgang auftritt. Dies hat den weiteren Vorteil, daß das Schaltgetriebe erheblich einfacher aufgebaut sein kann, da die bisher notwendigen Synchronringe entfallen können, da mit den elek trischen Maschinen an den Rädern die Drehzahl der Eingangs- bzw. Ausgangswelle des Schaltgetriebes konstant gehalten werden kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine der elektrischen Maschinen an der Abtriebsseite eines Ausgleichsgetriebes des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die bisherigen, im Zentrum des Rades angeordnete Scheiben- oder Trommelbremse entfällt, so daß die ungefederte Masse der Räder sich erheblich verringert.
  • Vorzugsweise ist dabei die oder jede elektrische Maschine abtriebsseitig über ein Untersetzungsgetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe (zum Beispiel mit einem Untersetzungsverhältnis von 1 : 5 bis 1 : 10) mit dem jeweiligen Rad des Kraftfahrzeuges verbunden. Damit kann eine elektrische Maschine verwendet werden, die relativ kompakt baut und eine hohe Drehzahl hat.
  • Insbesondere bei Kraftfahrzeugen, die keinen Allrad-Antrieb haben ist wenigstens eine der elektrischen Maschinen an einem Achszapfen eines unangetriebenen Rades des Kraftfahrzeuges angeordnet.
  • In einer ersten – einfachen – Ausführungsform hat die elektronische Steuereinheit wenigstens einen Signal-Eingang, der zum Empfang eines einen Fahrer-Bremswunsch wiedergebenden Brems-Signals eingerichtet ist. Dieses Brems-Signal wird durch ein sog. elektronisches Bremspedal erzeugt, das nicht wie üblich über ein Gestänge auf einen pneumatischen/hydraulischen Bremskraftverstärker wirkt. Vielmehr wird hierbei ein Weg- oder Winkelgeber verwendet, der mit einem federnd abgestützten Bremspedal gekoppelt ist um das elektrische Brems-Signal zu erzeugen.
  • Weiterhin hat die elektronische Steuereinheit wenigstens einen Signal-Eingang, der zum Empfang eines das Drehverhalten eines Rades wiedergebenden Dreh-Signals eingerichtet ist. Dieser Rad-Drehzahlsensor entspricht einem Sensor, wie er zum Beispiel im Zusammenhang mit bekannten Anti-Blockier -Systemen verwendet wird um das Blockieren eines Rades zu erkennen.
  • In einer weitergehenden Ausführungsform der Erfindung hat die elektronische Steuereinheit wenigstens einen Signal-Eingang, der zum Empfang eines das Gier-Verhalten des Kraftfahrzeuges wiedergebenden Gierraten-Signals eingerichtet ist. Damit ist es im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Funktionaliät der Erfindung, nicht nur Bremssondern auch Antriebsmomente gezielt auf einzelne der Räder auszuüben möglich, das Gierverhalten eines Kraftfahrzeuges besonders schnell zu beeinflussen indem einerseits einzelne Räder abgebremst und gleichzeitig abgestimmt andere Räder durch die elektrischen Maschinen beschleunigt werden.
  • Erfindungsgemäß ist die elektronische Steuereinheit mit den elektrischen Maschinen über Ansteuer-Anschlüsse verbunden ist um auf das Drehverhalten eines oder mehrerer Räder in Abhängigkeit von wenigstens einem an einem der Signal-Eingänge anliegenden Signale im Sinne einer Beschleunigung oder Verzögerung und/oder Blockade des jeweiligen Rades Einfluß zu nehmen.
  • Die elektronische Steuereinheit hat eine Signal-Eingangsstufe für die an jedem der Signal-Eingänge anliegenden Si gnale, eine Signal-Verarbeitungsstufe für die von der Signal-Eingangsstufe kommenden Signale, und eine Ansteuerstufe für den motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit von von der Signal-Verarbeitungsstufe erzeugten Ansteuersignalen aufweist.
  • Dabei hat die Ansteuerstufe wenigstens eine Wechselrichterstufe, die dazu eingerichtet ist, eine mit ihr verbundene elektrische Maschine mit elektrischer Energie im motorischen Betrieb zu beaufschlagen bzw. von dieser im generatorischen Betrieb Energie zu entnehmen.
  • Außerdem ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die elektronische Steuereinheit dazu eingerichtet, aus einer der elektrischen Maschinen im generatorischen Betrieb entnommene Energie zumindest teilweise in eine andere der elektrischen Maschinen im motorischen Betrieb einzuspeisen. Dies erlaubt eine besonders energie-effiziente Auslegung der Gesantanordnung mit einer Energiequelle (Akkumulator), deren Spitzenkapazität geringer ausgelegt sein kann.
  • Die elektronische Steuereinheit kann mit Vorteil auch dazu eingerichtet sein, aus einer der elektrischen Maschinen im generatorischen Betrieb entnommene Energie zumindest teilweise in einen Energiespeicher einzuspeisen. Diese Maßnahme stellt eine Rückführung der ansonsten lediglich in Wärme umgesetzten Bremsenergie sicher.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeuges mit vier Rädern, in dem die Erfindung verwirklicht ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In 1 sind vier Räder VR, VL, HR, HL eines heckangetriebenen Kraftfahrzeuges mit einem (Vierzylinder-)Verbrennungsmotor VM gezeigt, dessen Abtriebswelle über eine Kupplung K mit einem Schaltgetriebe SG verbunden ist. Ausgangsseitig ist das Schaltgetriebe SG über eine Gelenkwelle GW über zwei Gelenke G1, G2 mit der Eingangsseite eines Ausgleichsgetriebes AG verbunden. Auf den beiden Abtriebswellen des Ausgleichsgetriebes AG ist jeweils ein Rotor einer elektrischen Maschine EM1, EM2 über ein Planetengetriebe PG1 bzw. PG2 angeordnet. Damit kann der jeweilige Elektromotor EM1, EM2 auf die mit dem jeweiligen Rad HR, HL drehfest verbundenen Wellenzapfen W1, W2 eine zu der von dem Verbrennungsmotor VM kommenden Drehbewegung überlagerte Drehbewegung ausüben. Diese Drehbewegung bzw. das durch die jeweilige elektrische Maschine EM1, EM2 ausgeübte Drehmoment ist damit sowohl im Betrag als auch in der Drehrichtung unabhängig von der Drehbewegung bzw. dem Drehmoment die/das von dem Verbrennungsmotor VM kommt. Auf diese Weise kann das jeweilige Rad HR, HL sowohl angetrieben als auch abgebremst werden.
  • Die beiden in der vorliegenden Ausführungsform nicht angetriebenen Vorderrädern VR, VL haben jeweils einen über Gelenke G3, G4 verschwenkbaren Achszapfen A1, A2, an dem jeweils eine elektrische Maschine EM3, EM4 angeordnet ist. Diese elektrischen Maschinen EM3, EM4 sind ebenfalls über entsprechende Planetengetriebe PG3 bzw. PG4 mit den Rädern VR, VL drehfest gekoppelt. So kann mit den elektrischen Maschinen EM3, EM4 entweder auf die Räder VR, VL ein diese antreibendes Drehmoment ausgeübt werden. In entsprechender Weise kann auch eine Drehbewegung der Räder VR, VL abgebremst werden kann, in dem die jeweilige der elektrischen Maschinen EM3, EM4 im generatorischen Betrieb Drehmomente aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt. Als elektrische Maschinen EM1 .. EM4 kommen für die Erfindung grund sätzlich alle Arten elektrischer Maschinen in Betracht. Bevorzugt sind allerdings Asynchron- oder Reluktanzmaschinen.
  • An jedem der Räder VR, VL, HR, HL ist ein Drehzahlsensor SVR, SVL, SHR, SHL angeordnet, die jeweils ein für die Drehzahl des jeweiligen Rades charakteristisches Digitalimpulssignal erzeugen. Diese charakteristischen Digitalimpulssignale werden über entsprechende Leitungen einer elektronischen Steuereinheit ECU zugeführt. Dieser elektronischen Steuereinheit ECU wird auch ein einen Fahrer-Bremswunsch wiedergebendes Brems-Signal zugeführt, das ein Fahrer mittels eines sog. elektronischen Bremspedals BP erzeugt.
  • Des weiteren ist mit der elektronischen Steuereinheit ECU auch ein Gierraten-Sensor GS verbunden, der dazu dient, ein das Gier-Verhalten des Kraftfahrzeuges wiedergebendes Gierraten-Signal zu erzeugen.
  • Als Ausgänge hat die elektronische Steuereinheit ECU Ansteuer-Anschlüsse für die elektrischem Maschinen EM 1 .. EM4, die von einer rechnergesteuerten Ansteuerung so angesteuert werden, daß das Drehverhalten eines oder mehrerer der Räder VR, VL, HR, HL in Abhängigkeit von wenigstens einem der Sensorsignale SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS im Sinne einer Beschleunigung oder Verzögerung und/oder Blockade des jeweiligen Rades VR, VL, HR, HL beeinflußt wird.
  • Dazu hat die elektronische Steuereinheit ECU eine Signal-Eingangsstufe SES für die an jedem der Signal-Eingänge anliegenden Sensorsignale SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS. Die Signal-Eingangsstufe SES setzt diese Signale in die richtigen Pegel bzw. weiterverarbeitbare Signalfolgen um. In einer anschließenden Signal-Verarbeitungsstufe SVS, die eine Rechnereinheit enthält, werden diese Signale verarbeitet, um in einer Leistungs-Ansteuerstufe LAS für den motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschinen EM1 .. EM4 verstärkt bzw. umgesetzt zu werden.
  • Dazu weist die Leistungs-Ansteuerstufe LAS wenigstens eine Wechselrichterstufe WRS auf, die dazu eingerichtet ist, eine bzw. jede mit ihr verbundene elektrische Maschine EM1 .. EM4 mit elektrischer Energie im motorischen Betrieb zu beaufschlagen bzw. von dieser im generatorischen Betrieb Energie zu entnehmen. Die aus einer der elektrischen Maschinen EM1 .. EM4 im generatorischen Betrieb entnommene Energie wird bei entsprechender Anforderung zumindest teilweise in eine andere der elektrischen Maschinen EM1 .. EM4 im motorischen Betrieb eingespeist oder zumindest teilweise in einen Energiespeicher ES eingespeist. Falls die erzeugte Energie einer oder mehrerer der elektrischen Maschinen EM1 .. EM4 nicht unmittelbar in eine der anderen elektrischen Maschinen umgeleitet werden kann, oder auch eine Einspeisung in den Energiespeicher ES in vollem Umfang ausscheidet, kann die überschießende Energie mittels einer Widerstandsanordnung WA in Wärme umgesetzt werden. Diese Widerstandsanordnung WA kann ggf. auch in der Wasserkühlanlage des Fahrzeuges angeordnet sein.

Claims (12)

  1. Anordnung von elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4), deren Rotoren jeweils mit einem Rad (VR, VL, HR, HL) eines von einem Verbrennungsmotor (VM) angetriebenen Kraftfahrzeuges (KFZ) drehfest zu verbinden sind, wobei die elektrischen Maschinen mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von wenigstens einem Sensorsignal (SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS) eine oder mehrere der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) motorisch oder generatorisch zu betreiben.
  2. Anordnung von elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen (EM3, EM4) an der Abtriebsseite eines Ausgleichsgetriebes (AG) des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
  3. Anordnung von elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) nach Anspruch 2, wobei die oder jede elektrische Maschine abtriebsseitig über ein Untersetzungsgetriebe (PG1 .. PG4), vorzugsweise ein Planetengetriebe mit dem jeweiligen Rad (VR, VL, HR, HL) des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
  4. Anordnung von elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen (EM1, EM2) an einem Achszapfen (A1, A2) eines unangetriebenen Rades (VR, VL) des Kraftfahrzeuges anzuordnen ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) – wenigstens einen Signal-Eingang aufweist, der zum Empfang eines einen Fahrer-Bremswunsch wiedergebenden Brems-Signals (BP) eingerichtet ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) – wenigstens einen Signal-Eingang aufweist, der zum Empfang eines das Drehverhalten eines Rades wiedergebenden Dreh-Signals (SVR, SVL, SHR, SHL) eingerichtet ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) – wenigstens einen Signal-Eingang aufweist, der zum Empfang eines das Gier-Verhalten des Kraftfahrzeuges wiedergebenden Gierraten-Signals (GS) eingerichtet ist.
  8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) – mit den elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) über Ansteuer-Anschlüsse verbunden ist um auf das Drehverhalten eines oder mehrerer Räder (VR, VL, HR, HL) in Abhängigkeit von wenigstens einem an einem der Signal-Eingänge anliegenden Signale (SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS) im Sinne einer Beschleunigung oder Verzögerung und/oder Blockade des jeweiligen Rades (VR, VL, HR, HL) Einfluß zu nehmen.
  9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) – eine Signal-Eingangsstufe (SES) für die an jedem der Signal-Eingänge anliegenden Signale (SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS), – eine Signal-Verarbeitungsstufe (SVS) für die von der Signal-Eingangsstufe kommenden Signale (SVR, SVL, SHR, SHL, BP, GS), und – eine Ansteuerstufe (LAS) für den motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) in Abhängigkeit von von der Signal-Verarbeitungsstufe (SVS) erzeugten Ansteuersignalen aufweist.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Ansteuerstufe (LAS) wenigstens eine Wechselrichterstufe (WRS) aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine mit ihr verbundene elektrische Maschine (EM1 .. EM4) mit elektrischer Energie im motorischen Betrieb zu beaufschlagen bzw. von dieser im generatorischen Betrieb Energie zu entnehmen.
  11. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, aus einer der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) im generatorischen Betrieb entnommene Energie zumindest teilweise in eine andere der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) im motorischen Betrieb einzuspeisen.
  12. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, aus einer der elektrischen Maschinen (EM1 .. EM4) im generatorischen Betrieb entnommene Energie zumindest teilweise in einen Energiespeicher (ES) einzuspeisen.
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