DE102009055160B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei ein elektrisches Signal von einem Antriebsaggregat (3, 4) in ein Drehmoment (EMProp_i, EMProp_a) umgesetzt wird, welches von einer elektrisch angetriebenen Achse (10a, 10b) auf die Räder (11a, 11b) der Achse (10a, 10b) übertragen wird, wobei die an der elektrisch angetriebenen Achse (10a, 10b) angeordneten Räder (11a, 11b) unabhängig voneinander mit einem antreibend wirkenden Antriebsmoment (EMProp) jeweils überlagert mit einem Differenzdrehmoment (EMDif) beaufschlagt werden, wobei ein elektrisches Antriebsmoment (EMProp_a, EMProp_i) für jedes angetriebene Rad (11a, 11b) durch Addition oder Subtraktion des Differenzdrehmoment (EMDifProp) aus dem Antriebsdrehmoment (EMProp) gebildet wird, und wobei das elektrische Antriebsmoment (EMProp) aus dem Drehmoment (EMmot_L, EMmot_R) des ein Rad antreibenden Antriebsaggregates (3, 4) durch Überlagerung mit einem jeweils wirksamen Momentenübersetzungsverhältnis bestimmt wird, welches mit mindestens einem Gewichtungsfaktor (KoFn_x, KoFn_y, KoFn_vFz) beaufschlagt wird, woraus ein Vorsteuerwert für ein zusätzliches Differenzdrehmoment (EMDifPreProp) in Kurvenfahrten ermittelt wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei ein elektrisches Signal von einem Antriebsaggregat in ein Drehmoment umgesetzt wird, welches von einer elektrisch angetriebenen Achse auf die Räder der Achse übertragen wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Bei elektrischen Antrieben eines Kraftfahrzeuges werden zwei Gruppen unterschieden. Zum einen gibt es elektrische Radantriebe, bei welchen jeweils ein Elektromotor einem anzutreibenden Rad zugeordnet ist. Darüber hinaus existieren elektrische Achsantriebe, bei welchen über ein auf der angetriebenen Achse angeordnetes Differential das Antriebsmoment eines Elektromotors gleichmäßig auf beide Räder übertragen wird, welche an der angetriebenen Achse befestigt sind.
• Derartige Verfahren sind bereits bekannt aus der JP 2008 - 283 836 A , der EP 2 258 569 A2 , der DE 103 43 640 A1 und der DE 10 2007 036 402 A1 .
• Offenbarung der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine radindividuelle Einstellung des Antriebsmomentes möglich ist. Das gewünschte Antriebsmoment (vom Fahrer oder automatisch eingestellt) wird durch einen Summen- und einen Differenzdrehmoment-Anteil dargestellt. Die an der elektrisch angetriebenen Achse angordneten Räder werden unabhängig voneinander mit einem antreibend wirkenden Antriebsmoment jeweils überlagert mit einem Differenzdrehmoment beaufschlagt. Dadurch, dass die an der elektrisch angetriebenen Achse angeordneten Räder individuell angetrieben werden, kann eine Aufteilung des gewünschten Antriebsmomentes auf die beiden Räder so vorgenommen werden, dass der gewünschte Differenzdrehmoment-Anteil an dieser Achse ideal auf den Untergrund übertragen wird. Durch den vorgeschlagenen radindividuellen Antrieb kann die Traktion auf einer Fahrbahn, bei welcher sich ein Antriebsrad auf einer normalen Fahrbahn, das andere Antriebsrad aber auf Eis bewegt, zur Optimierung von Traktion und Fahrdynamik mit hoher Güte bei minimierten Verlusten realisiert werden.
• Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Antriebsmoment für jedes angetriebene Rad durch Addition oder Subtraktion des Differenzdrehmoment zu dem Antriebdrehmoment gebildet. Das zusätzliche Differenzdrehmoment auf der Grundlage einer Vorsteuerung dient dabei zur Grundverteilung des Antriebsmomentes auf die angetriebenen Räder einer Achse.
• Erfindungsgemäß wird das elektrische Antriebsmoment aus einem Drehmoment des ein Rad antreibenden Antriebsaggregates durch Multiplikation mit einem jeweils wirksamen Momentenübersetzungsverhältnis bestimmt, welches mit mindestens einem Gewichtungsfaktor beaufschlagt wird, woraus ein Vorsteuerwert für ein zusätzliches Differenzdrehmoment in Kurvenfahrten ermittelt wird. Dadurch wird die Fahrdynamik des Fahrzeuges positiv beeinflusst. Das Differenzdrehmoment entsteht insbesondere bei Kurvenfahrten, wobei es als zusätzliches Giermoment wirkt und das Eindrehen des Fahrzeuges in der Kurve unterstützt. Gegen ein untersteuerndes Fahrzeug wird so bereits im Ansatz interveniert. Die Traktion, d.h. die Umsetzung der Antriebskraft in einen Vortrieb des Fahrzeuges, wird bei Kurvenfahrten verbessert und die Fahrstabilität in der Kurve erhöht. Weiterhin wird der Lenkaufwand des Fahrers deutlich reduziert, während das Fahrzeug spontaner auf Lenkwinkeländerungen des Fahrers reagiert.
• In einer Ausgestaltung wird der Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit einer Radlaständerung beim Beschleunigen und/oder bei Kurvenfahrt bestimmt. Dabei werden sowohl die Längsrichtung (Beschleunigen) als auch die Querrichtung (Kurvenfahrt) des Fahrzeuges ausreichend berücksichtigt.
  Ferner wird der Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Mittels dieses Gewichtungsfaktors wird das maximal zulässige Differenzdrehmoment beschrieben. Damit wird sichergestellt, dass ab einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit die asymmetrische Verteilung der Antriebsmomente auf die beiden Räder der angetriebenen Achse zurückgenommen wird.
• Insbesondere wird ein resultierender Gewichtungsfaktor aus der Summe der radlastabhängigen Gewichtungsfaktoren gebildet, welche mit dem fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Gewichtungsfaktor multipliziert wird. Durch den resultierenden Gewichtungsfaktor wird die Betriebsart des Fahrzeugs abgebildet, je nach dem, ob sich das Fahrzeug im Normalbetrieb, im Sportbetrieb oder in einem Betriebszustand befindet, bei welchem das Fahrzeug seine Stabilitätsgrenzen bereits erreicht hat. Diese Betriebsart wird bei der Bildung des zusätzlichen Differenzdrehmomentes ausreichend berücksichtigt.
• In einer Weiterbildung wird der Vorsteuerwert für das zusätzliche Differenzdrehmoment während des Antriebs, des Freilaufes und im Recouperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt und ist somit in jedem Fahrzustand des Fahrzeuges realisierbar.
• Vorteilhafterweise wird eine Abweichung einer Gierwinkelgeschwindigkeit aus einer Sollgierwinkelgeschwindigkeit und einem Istwert der Gierwinkelgeschwindigkeit bestimmt, wobei aus der ermittelten Abweichung ein stabilisierendes Differenzdrehmoment ermittelt wird. Die Verwendung des stabilisierenden Differenzdrehmomentes trägt zur Stabilisierung des Fahrzeuges bei. Vorteilhafterweise werden die Abweichung zwischen der Sollgierwinkelgeschwindigkeit und dem Istwert der Gierwinkelgeschwindigkeit sowie deren Änderung auf einen zulässigen Bereich begrenzt.
• In einer Ausgestaltung werden bei gleichen Vorzeichen des auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelten Differenzdrehmomentes und des stabilisierenden Differenzdrehmomentes das auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelte Differenzdrehmoment und das stabilisierende Differenzdrehmoment zu einem fahrdynamischen Antriebsmoment addiert.
• Alternativ wird bei unterschiedlichen Vorzeichen des auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelten Differenzdrehmomentes und des stabilisierenden Differenzdrehmomentes der Betrag des auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelten Differenzdrehmomentes um den Betrag des stabilisierenden Differenzdrehmomentes reduziert. Davon ausgehend, erfolgt bei einem übersteuernden Fahrzeug somit im Antriebsfall eine Erhöhung des Antriebsmomentes am kurveninneren Antriebsrad, während das kurvenäußere Antriebsrad annähernd gleichzeitig abgesenkt wird. Dadurch wird ein rückdrehendes Giermoment entgegen der Übersteuertendenz erzeugt und gleichzeitig das Seitenkraftpotential am kurvenäußeren Rad erhöht. Im Gegensatz dazu wird bei einem tendenziell untersteuerten Fahrzeug im Antriebsfall an der angetriebenen Achse das Antriebsmoment des kurvenäußeren Rades erhöht und annähernd gleichzeitig erfolgt eine entsprechende Absenkung des Antriebsmomentes am kurveninneren Rad. Hiermit wird ein eindrehendes Giermoment entgegen der Untersteuerungstendenz erzeugt.
• In einer Variante wird bei Überschreitung eines Grenzwertes durch das fahrdynamische Differenzantriebsmoment ein Antriebsschlupf des Fahrzeuges durch ein Radschlupfregelsystem, vorzugsweise einem TCS-System, limitiert. Reicht das durch das zusätzliche Differenzdrehmoment erzeugte Giermoment nicht aus, um die Stabilität des Fahrzeuges zu gewährleisten, greift ein im Fahrzeug an sich vorhandenes Stabilisierungssystem ein, um die Fahrzeugstabilisierung zu unterstützen. Neben dem TCS-System enthält das Fahrzeug als weitere Stabilisierungssysteme ein ABS- System und ein ESP- System.
• Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei ein elektrisches Signal von einem Antriebsaggregat in ein Recouperationsmoment umgesetzt wird, welches von einer elektrisch angetriebenen Achse auf die Räder der Achse übertragen wird. Um nicht nur antreibende, sondern auch bremsend wirkende Radmomente erzeugen zu können, werden die an der elektrisch angetriebenen Achse angeordneten Räder unabhängig voneinander mit einem bremsend wirkenden Antriebsmoment jeweils überlagert mit einem Differenzdrehmoment beaufschlagt. Dabei steht jeweils ein Antriebsaggregat zum individuellen Antrieb nur eines Rades an der angetriebenen Achse zur Verfügung. Auch bei der radindividuellen Recouperation, welche die Grundlage zur Realisierung von Differenzdrehmomenten bildet, werden Beeinträchtigungen in der Fahrdynamik minimiert. Das Recouperationspotential wird dabei auf niedrige Reibwerte der Antriebsräder gegenüber dem Untergrund, wie bei Eis oder Schnee, erweitert. Die Stabilität des Fahrzeuges wird aber auch bei hohen Reibwerten bei einer entsprechenden forcierten Fahrweise verbessert.
• Unter Recouperation wird allgemein der Betriebszustand eines Elektromotors verstanden, bei welchem dieser als Generator arbeitet und die in der Fahrbewegung des Fahrzeuges enthaltene Energie in elektrische Energie zur Aufladung einer Batterie umwandelt. Dabei wird das Fahrzeug durch den Elektromotor in seiner Bewegung abgebremst. Ein solcher Bremsvorgang erfolgt ohne Inbetriebnahme des mechanischen Bremssystems des Fahrzeuges, welches durch diese Vorgehensweise entlastet wird, wodurch die Lebensdauer des mechanischen Bremssystems erhöht und der Aufwand für die Bremshydraulik reduziert wird.
• Mit der radindividuellen Recouperation lässt sich der Konflikt zwischen einer hohen Recouperationsleistung und einer günstigen Auslegung der auf das Fahrzeug stabilisierend wirkenden Giermomente besser ausgleichen.
• Vorteilhafterweise wird im Recouperationsbetrieb des Fahrzeuges zur Verteilung des Recouperationsmoments auf die beiden Räder der angetriebenen Achse zur Vorsteuerung ein Differenzrecouperationsanteil gebildet, welcher von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung des Fahrzeuges abhängt und welchem insbesondere ein Stabilisierungsrecouperationsmoment überlagert wird. Auf Grund dieser Vorgehensweise kann auch die Rückspeicherung der elektrischen Energie besser an die momentane Fahrsituation angepasst werden. Bei Kurvenfahrt kann durch den radindividuellen Antrieb die Verteilung der Bremsmomente mit dem zusätzlichen Differenzrecouperationsmoment besser koordiniert werden. Somit kann bereits im Vorfeld der Gefahr eines unter- oder übersteuernden Verhaltens des Fahrzeuges Einhalt geboten werden, da das gesamte Recouperationsmoment bereits durch die Vorsteuerung so auf die Räder verteilt wird, dass eine stabilisierende Wirkung erzielt wird.
  In einer weiteren Ausgestaltung wird bei einem tendenziell übersteuernden Fahrzeug das Recouperationsmoment am kurvenäußeren Rad erhöht und annähernd gleichzeitig am kurveninneren Rad vermindert.
• Alternativ dazu erfolgen bei einem tendenziell untersteuerten Fahrzeug eine Erhöhung des Recouperationsmoments am kurveninneren Rad und annähernd gleichzeitig eine Absenkung des Recouprationsmomentes am kurvenäußeren Rad.
• Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei ein elektrisches Signal von einem Antriebsaggregat in ein Drehmoment umgesetzt wird, welches von der angetriebenen Achse auf die Räder der Achse übertragen wird. Um eine radindividuelle Einstellung des Antriebsmomentes zu ermöglichen, sind Mittel vorhanden, welche die an der elektrisch angetriebenen Achse angeordneten Räder unabhängig voneinander mit einem antreibend oder bremsend wirkenden Antriebsmoment jeweils überlagert mit einem Differenzdrehmoment beaufschlagen. Der elektrische Achsantrieb kann somit neben dem eigentlichen Antriebsmoment auch Differenzmomente realisieren, die für Traktions- und Fahrdynamikeingriffe benötigt werde. Das klassische Achsdifferential entfällt. Die radindividuelle Einstellung des Antriebsmomentes ist nun für antreibend als auch für bremsend wirkende Radmomente möglich.
• Vorteilhafterweise werden die Räder von zwei auf der Achse positionierten, unabhängig voneinander arbeitenden Antriebsaggregaten angetrieben, wobei ein Antriebsaggregat jeweils ein Rad antreibt. Die annähernd mittige Anordnung der beiden elektrischen Antriebsaggregate auf der elektrisch angetriebenen Achse ermöglicht die Minimierung der ungefederten Massen an der Antriebsachse, wodurch der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges wesentlich verbessert wird. Die Fahrwerksqualität wird durch die Reduzierung der ungefederten Massen verbessert.
• Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
• Es zeigt:
• 1: Prinzipdarstellung einer Doppelrotorantriebseinheit
• 2: ein Beispiel für die elektrische Verschaltung der Doppelrotorantriebseinheit
• 3: schematisches Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
• Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• In 1 ist ein elektrischer Antrieb in Form einer Doppelrotorantriebseinheit 1 dargestellt, die im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer elektrisch angetriebenen Hinterachse verbaut ist. Dies soll jedoch keine Einschränkung darstellen, da auch ein Einsatz der Doppelrotorantriebseinheit 1 an einer angetriebenen Vorderachse möglich ist. Die Doppelrotorantriebseinheit 1 ist dabei annähernd achsmittig angeordnet und befindet sich an der Position, wo normalerweise ein konventionelles Achs-Differential eingebaut ist, welches im vorliegenden Beispiel durch die Doppelrotorantriebseinheit 1 ersetzt wird.
• Die Doppelrotorantriebseinheit 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet und besteht aus zwei Elektromotorteilantrieben 3 und 4. Jeder Elektromotorteilantrieb 3 und 4 weist dabei eine Statorwicklung 5a bzw. 5b auf, die einen Rotor 6a bzw. 6b umgibt. Der Rotor 6a bzw. 6b ist jeweils auf einer Rotorwelle 7a, 7b angeordnet, wobei die beiden Rotorwellen 7a und 7b über eine zwischen beiden Rotorwellen 7a, 7b positionierte Kupplung 8 verbindbar sind. Die Rotorwelle 7a, 7b führt an ein Getriebe 9a, 9b, welches jeweils ein vorgegebenes Übersetzungsverhältnis zur notwendigen Drehzahlanpassung aufweist. Das Getriebe 9a, 9b wiederum ist mit einer Seitenwelle 10a, 10b verbunden, die an das Antriebsrad 11a, 11b führt. Außerdem steht jede Seitenwelle 10a, 10b in einer Wirkverbindung mit der Radaufhängung bzw. einem Dämpferbein 12a, 12b eines Stoßdämpfers des Kraftfahrzeugs.
• Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, ist der Antriebstrang ausgehend von der Doppelrotorantriebseinheit 1 in Richtung des angetriebenen Rades 11a, 11b symmetrisch aufgebaut. Die Getriebe 9a, 9b sind zur Verbesserung der Massenverteilung des Kraftfahrzeuges in der Nähe der annähernd zur Mitte der Achse angeordneten Doppelrotorantriebseinheit 1 angeordnet und können je nach Bedarf die Verbindung des Elektromotorteilantriebes 3 bzw. 4 mit dem Antriebsrad 11a bzw. 11b herstellen oder diese unterbrechen.
• Die elektrische Verschaltung der Doppelrotorantriebseinheit 1 soll anhand von 2 näher erläutert werden. Jeder Elektromotorteilantrieb 3 bzw. 4 ist mit einem Leistungshalbleitermodul 13a bzw. 13b verbunden, mittels welchem ein Drehstrom zum Antrieb der Elektromotorteilantriebe 3, 4 erzeugt wird. Beide Leistungshalbleitermodule 13a, 13b führen auf einen Inverter 14, der auch als Pulswechselrichter bezeichnet wird und welcher eine von einer Hochvoltbatterie 15 gelieferte Gleichspannung von ungefähr 230 V in eine Wechselspannung umwandelt, die von den beiden Leistungshalbleitermodulen 13a, 13b weiter verarbeitet werden. Der Vollständigkeit halber soll noch erwähnt werden, dass, wenn die Elektromotorteilantriebe 3, 4 in einem Generatorbetrieb arbeiten, in welchem die vom Fahrzeug aufgebrachte mechanische Energie durch die Elektromotorteilantriebe 3, 4 in elektrische Energie umgewandelt wird, der Pulswechselrichter 14 diese von den Elektromotorteilantrieben 3, 4 aufgebrachte Wechselspannung in umgekehrter Richtung in eine Gleichspannung umwandelt, mittels welcher die Hochvoltbatterie 15 aufgeladen wird. Bei diesem Vorgang wird das Fahrzeug ohne Einsatz eines nicht weiter dargestellten mechanischen Bremssystems des Fahrzeuges abgebremst.
• Zwischen dem Pulswechselrichter 14 und der Hochvoltbatterie 15 ist ein DC/DC-Wandler 16 angeordnet, welcher eine Niedervoltbatterie 17 mit Spannung versorgt. Die Niedervoltbatterie 17 liegt auf einem Spannungsniveau von ungefähr 14 V, wobei der DC/DC-Wandler die an der Hochvoltbatterie 15 anliegende Spannung von 230 V in 14 V umwandelt. Mittels dieser Spannung von 14 Volt versorgt die Niedervoltbatterie 17 alle Steuergeräte des Kraftfahrzeuges mit Energie.
• Die elektronische Ansteuerung der Elektromotorteilantriebe 3 und 4 erfolgt durch ein Steuergerät 18, welches über ein fahrzeugspezifisches Kommunikationsnetz 19, vorzugsweise einem CAN-Bus mit anderen, nicht weiter dargestellten Steuergeräten des Kraftfahrzeuges verbunden ist und von diesen Informationen über die aktuelle Fahrsituation des Kraftfahrzeuges erhält. In Auswertung dieser Informationen steuert das Steuergerät 18 die beiden Elektromotorteilantriebe 3, 4 getrennt voneinander oder gemeinsam an, wobei die im normalen Betriebsfall geöffnete Kupplung 7 durch ein Signal des Steuergerätes 18 geschlossen wird, wenn im Zustand des Anfahrens das von beiden Elektromotorteilantrieben 3, 4 erzeugte Drehmoment auf nur ein Antriebsrad 11a, 11b umgeleitet werden soll.
• Das Steuergerät 18 umfasst ein fahrdynamisches Regelsystem, welches aus einer Vorsteuereinheit und einer Reglereinheit besteht. Die Fahrstabilitätsregelung des ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) und die Traktionsregelung des ESP nutzen die elektrischen Doppelrotorantriebseinheit 1 als Stellglied mit erweiterten Möglichkeiten. Die Beeinflussung der Fahrdynamik soll mit Hilfe von 3 näher beschrieben werden.
• Die Antriebsmomente an den beiden angetriebenen Rädern 11a, 11b sind bei einer Geradeausfahrt zunächst gleich und entsprechen in Summe einem Antriebssollmoment, das vom Fahrer bzw. dem Steuergerät 18 für die angetriebene Achse 10a, 10b vorgegeben wird. In Block 100 wird das Antriebsmoment EMProp durch Überlagerung und Multiplikation der Elektromotormomente mit dem jeweils wirksamen Momentenübersetzungsverhältnis iG_L bzw. iG_R zwischen dem jeweiligen Elektromotorteilantrieb 3, 4 und dem von diesem angetriebenen Rad 11a, 11b bestimmt. $$\text{EMProp}=\text{EMmot}\_\text{L}\ast \text{iG}\_\text{L}+\text{EMmot}\_\text{R}\ast \text{iG}\_\text{R}$$

  
• Das Bezugszeichen L entspricht dabei dem Elektromotorteilantrieb 3 und dem Antriebsrad 11a, während das Bezugszeichen R dem Elektromotorteilantrieb 4 und dem Antriebsrad 11b entspricht. $$\ddot{\text{U}}\text{blicherweise ist iG}\_\text{L}=\text{iG}\_\text{R}=\text{iG}$$

  
• Eine Limitierung des Antriebsmomentes EMProp erfolgt aus Traktions- und/oder fahrdynamischen Gründen durch das TCS-System bzw. das ESP. Dadurch gilt $$\text{EMProp}=\text{Min}\left(\text{EMropTar},\text{EMPropTCS}\right),$$

  

  wobei
  EMPropTar das vorgegebene elektrische Sollantriebsmoment und EMPropTCS ein maximal zulässiges elektrisches Sollantriebsmoment darstellen.
• Im Block 101 werden in der Vorsteuereinheit Gewichtungsfaktoren KoFn_x bzw. KoFn_y berechnet. $${\text{KoFn}}_{\text{x}}=\text{P}\_{\text{KoFn}}_{\text{x}}\ast \text{P}\_{\text{GewA}}_{\text{x}}\ast \Delta {\text{Fn}}_{\text{XRA}}/{\text{Fn}}_{\text{ORA}\text{,}}\text{wobei}$$

  

P_KoFnx

Verstärkungsparameter

P_GewAx

Gewichtungsfaktor Kurve

ΔFnXRA

Radlaständerung durch Längsbeschleunigung

FnORA

statische Radlast

• P_KoFn_x und ΔFn_XRA werden als Funktion der gemessenen oder geschätzten Längsbeschleunigung berechnet. Der Gewichtungsfaktor P_GewA_x wird als Funktion der Querbeschleunigung vorgegeben. Er steuert den Einfluss des Gewichtungsfaktors KoFn_x bei Geradeausfahrt und Kurvenfahrt. $${\text{KoFn}}_{\text{y}}=\text{P}\_{\text{KoFn}}_{\text{y}}\ast \Delta {\text{Fn}}_{\text{YRA}}/{\text{FN}}_{\text{ORA}},\text{wobei}$$

  

P_KoFny

Verstärkungsparameter

ΔFnYRA

Radlaständerung bei Querbeschleunigung oder aus Einfederwegen

FnORA

statische Radlast

• P_KoFn_y und ΔFn_YRA werden als Funktion der gemessenen oder geschätzten Querbeschleunigung berechnet. Der Verstärkungsparameter P_KoFn_y kann für drei unterschiedliche Betriebszustände parametriert werden:
• Im Normalbetrieb stehen Agilität und Traktion des Fahrzeuges im Mittelpunkt. Während des TCS-Betriebs liegt der Schwerpunkt auf der Stabilität und der Traktion, da die Stabilitätsgrenze erreicht ist und im Sportbetrieb wird der Focus auf Traktion, Agilität und Fahrspass gelegt.
• Als nächster Schritt wird im Block 102 ein weiterer Gewichtungsfaktor KoFn_vFz gebildet, der das maximal zulässige Differenzmoment EMDifPreProp als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt: $${\text{KoFn}}_{\text{vFz}}=\text{f}\left(\text{vFz}\right)$$

  
• Der Gewichtungsfaktor KoFn_vFz kann für zwei unterschiedliche Betriebsarten parametriert werden:
• Im Normalbetrieb wird ab einer bestimmten ersten Fahrzeuggeschwindigkeit die asymmetrische Verteilung des Antriebsmomentes EMProp sukzessive zurückgenommen. Oberhalb einer zweiten Grenze der Fahrzeuggeschwindigkeit wird das Antriebsmoment EMProp symmetrisch auf die Antriebsräder 11a, 11b verteilt.
• Im Sportbetrieb bleibt die asymmetrische Verteilung des Antriebsmomentes EMProp bis zu einer ersten Grenze voll erhalten. Oberhalb einer zweiten Grenze wird das Antriebsmoment EMProp symmetrisch auf die Antriebsräder verteilt. Dazwischen erfolgt ein linearer Übergang.
• Im Block 103 werden die einzelnen Gewichtungsfaktoren KoFn_x, KoFn_y und KoFn_vFz zu einem resultierenden Gewichtungsfaktor KoFn zusammengefügt. Es gilt: $$\text{KoFn}=\text{MIN}\left(\left({\text{KoFn}}_{\text{x}}+{\text{KoFn}}_{\text{y}}\right)\mathrm{,1}\right)\ast {\text{KoFn}}_{\text{vFz}}$$

  
• Das für Kurvenfahrten notwendige Differenzmoment EMDifPreProp dient auf der Grundlage des Vorsteuerwertes zur Grundverteilung des Antriebsmomentes EMProp auf die angetriebenen Räder 11a, 11b der Achse 10a, 10b. $$\text{EMDifPreProp}=\text{sign}\left(\text{ay}\right)\ast \text{KoFn}\ast \text{max}\left(\text{EMprop},\text{EMPropMin}\right),\text{wobei}$$

  

  sign (ay) das Vorzeichen der Querbeschleunigung darstellt.
• Im sogenannten Freilauffall gilt: $$\text{EMmot}\_\text{L}=-\text{EMmot}\_\text{R}=>\text{EMProp}=0$$

  
• Als Sonderfall kann im Recouperationsbetrieb gelten: $$\text{EMmot}\_\text{L}=\text{EMmot}\_\text{R}=>\text{EMProp}=0.$$

  
• Um auch in diesen Situationen mit EMProp = 0 fahrdynamisch wirksame Differenzmomente erzeugen zu können, wird mit EMPropMin ein gewisser Mindestwert für das vorgesteuerte Differenzmoment EMDifPreProp bereitgestellt.
• Die Vorsteuerung unterstützt den Antriebsfall, den Freilauffall und den Betrieb mit Recouperation in der Weise, dass sich ein möglichst harmonisches, stabiles Fahrverhalten entsprechend dem Charakter des Fahrzeugs einstellt.
• Das Differenzmoment EMDifPreProp wird in den Fällen zu Null gesetzt, wenn das Fahrzeug rückwärts fährt, bei einem übersteuernden Fahrzeug, die geschätzten Schräglaufwinkel an Vorder- und Hinterachse unterschiedliche Vorzeichen haben oder die Temperatur mindestens einer Komponente der Doppelrotorantriebseinheit 1 eine kritische Temperaturgrenze überschritten hat.
• Darüber hinaus wird das Differenzmoment EMDifProp auf einen zulässigen Bereich begrenzt. $$\text{EMDifPrePropMin}<=\text{EMDifPreProp}<=\text{EMDifPrePropMax}$$

  
• Im Block 104 wird durch einen Regler aus einer Regelabweichung einer Gierwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges ein stabilisierendes Differenzantriebsmoment EMDifStab bestimmt. Die Regelabweichung der Gierwinkelgeschwindigkeit wird bestimmt aus $$\text{evGi}\left(\text{k}\right)=\text{vGiSo}\left(\text{k}\right)-\text{vGi}\left(\text{k}\right)$$

  

  $$\text{devgi}\left(\text{k}\right)=\text{evGi}\left(\text{k}\right)-\text{evGi}\left(\text{K}-1\right),\text{wobei}$$

  

vGiSo

Sollgierwinkelgeschwindigkeit

vGi

Istwert der Gierwinkelgeschwindigkeit

evGi

Regelabweichung der Gierwinkelgeschwindigkeit darstellen.

devGi

Änderung der Regelabweichung der Gierwinkelgeschwindigkeit.

• Zur Bestimmung des stabilisierenden Differenzantriebsmomentes EMDifStab wird ein Regelverfahren mit PDT₁-Charakteristik verwendet, wobei ein Reglerparameter mit einem P-Verstärkungsparameter und ein Reglerparameter mit einem D-Verstärkungsparameter berücksichtigt werden, welche in Abhängigkeit des geschätzten Reibwertes, der Fahrsituation (ob das Fahrzeug über- oder untersteuert ist) und der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden.
• Im Block 105 wird das auf der Grundlage der Vorsteuerung gebildete Differenzmoment EMDifPreProp mit dem stabilisierenden Differenzmoment EMDifStab verglichen. Bei ungleichen Vorzeichen des Differenzmomentes EMDifPreProp und des stabilisierenden Differenzmomentes EMDifStab wird der Betrag des Differenzmomentes EMDifPreProp um den Betrag des stabilisierenden Differenzmomentes EMDifStab reduziert. Das aus Fahrstabilitätsbetrachtungen berechnete stabilisierende Differenzmoment EMdifStab behält somit die entscheidende Funktion. Bei gleichen Vorzeichen des Differenzmomentes EMDifPreProp und des stabilisierenden Differenzmomentes EMDifStab addieren sich die Momente aus der Vorsteuerung und Stabilisierung zu $$\text{EMDif}=\text{EMDifPreProp}+\text{EMDifStab}$$

  
• Im Block 106 wird nun geprüft, ob sich das Fahrzeug in einem übersteuernden Zustand oder einem untersteuernden Zustand befindet, wobei durch Überlagerung des Differenzmomentes EMDif dem jeweiligen Zustand entgegengewirkt wird. Das Fahrzeug ist übersteuert, wenn betragsmäßig die Gierwinkelgeschwindigkeit größer ist als die Sollgiergeschwindigkeit: $$\left|\text{vGi}\right|>\left|\text{vGiSo}\right|.$$

  
• Bei dem beschriebenen Fahrzeug mit der angetriebenen Hinterachse 10a, 10b erfolgt im Antriebsfall eine Erhöhung des Antriebsmomentes am kurveninneren Rad und gleichzeitig eine entsprechende Absenkung am kurvenäußeren Rad. Dadurch wird ein rückdrehendes Giermoment entgegen der Übersteuerungstendenz erzeugt und gleichzeitig das Seitenkraftpotential des kurvenäußeren Rades erhöht. $$\text{EMProp}\_\text{i}=0.5\ast \left(\text{EMProp}+\text{EMDif}\right)$$

  

  $$\text{EMProp}\_\text{a}=0.5\ast \left(\text{EMProp}-\text{EMDif}\right),\text{wobei}$$

  

EMProp_i

Antriebsmoment am kurveninneren Rad

EMProp_a

Antriebsmoment am kurvenäußeren Rad

• Für einen untersteuerten Zustand des Fahrzeuges gilt $$\left|\text{vGi}\right|<\left|\text{vGiSo}\right|.$$

  
• Befindet sich das Fahrzeug in einem solchen untersteuerten Zustand, erfolgt eine Erhöhung des Antriebsmomentes am kurvenäußeren Rad und annähernd gleichzeitig eine entsprechende Absenkung am kurveninneren Rad. Dadurch wird ein eindrehendes Giermoment entgegen der Untersteuertendenz erzeugt. $$\text{EMProp}\_\text{i}=0.5\ast \left(\text{EMProp}-\text{EMDif}\right)$$

  

  $$\text{EMProp}\_\text{a}=0.5\ast \left(\text{EMProp}+\text{EMDif}\right)$$

  
• Sowohl bei der Regulierung des übersteuerten als auch des untersteuerten Zustandes gilt die Einhaltung zulässiger Radschlupfwerte. Führt ein zu starkes fahrdynamisches Differenzmoment EMDif zu einer zu starken Erhöhung des Radantriebsschlupfes an einem Rad, so wird das Differenzantriebsmoment EMDif zunächst in Abhängigkeit des Radschlupfes begrenzt. Gleichzeitig wird der nicht absetzbare Anteil des Differenzantriebsmomentes EMDif am anderen Antriebsrad der Achse durch ein verstärktes Absenken des Antriebsmomentes EMProp bzw. durch ein entsprechendes Bremsmoment kompensiert. Zu hohe Antriebsschlupfwerte werden vom TCS-System limitiert, während zu hohe Bremsschlupfwerte vom ABS-Regler am jeweiligen Rad begrenzt werden. Sollte die stabilisierende Wirkung durch Überlagerung des Differenzmomentes nicht ausreichen, erfolgt ein an sich bekannter Eingriff des ESP-Systems zur Reduktion des gesamten Antriebsmomentes EMProp.
• Als Spezialfall soll nun betrachtet werden, ob ein Rad durchdreht, was bei einer forcierten Kurvenfahrt oder dem Fahren auf einer Fahrbahn vorkommt, die teilweise mit Eis bedeckt ist und wo ein Rad des Fahrzeuges sich auf dem eisigen Untergrund bewegt, während das andere Rad auf einer trockenen Fahrbahn fährt. Das durchdrehende Rad ist üblicherweise das entlastete kurveninnere Rad bzw. das Rad, das sich auf dem niederen Reibwert mit der Fahrbahn befindet. Zur Erkennung des durchdrehenden Rades wird die Differenzgeschwindigkeit zwischen beiden angetriebenen Rädern 11a, 11b ausgewertet. Diese Differenzgeschwindigkeit wird um den Betrag einer kinematischen Differenzgeschwindigkeit korrigiert, wodurch eine Regelabweichung der Differenzgeschwindigkeit erhalten wird, die wegen eines Überschusses am gesamten Antriebsmoment EMProp entstanden ist. Für die Regelabweichung evDif der Differenzgeschwindigkeit gilt $$\left|\text{evDif}\right|>0.$$

  
• Wird diese Bedingung erfüllt, erzeugt ein Regler mit PID-Struktur ein Differenzantriebsmoment EMDifProp $$\text{EMDifProp}=\text{EMDifPropP}+\text{EMDifPropl}+\text{EMDifPropD},$$

  

  wobei

EMDifPropP

P-Anteil des Differenzantriebsmomentes

EMDifPropl

I-Anteil des Differenzantriebsmomentes

EMDifPropD

D-Anteil des Differenzantriebsmomentes darstellen.

• Ein zu hoher Differenzantriebsschlupf zwischen den Rädern 11a, 11b der angetriebenen Achse 10a, 10b wird durch ein raddynamisches Differenzantriebmoment EMDifProp kompensiert. Unter der Annahme, dass das kurveninnere Rad einen wesentlich größeren Antriebsschlupf als das kurvenäußere Rad aufweist, erhält man für die beiden Sollantriebmomente der Räder 11a, 11b $$\text{EMProp}\_\text{i}=0.5\ast \left(\text{EMProp}-\text{EMDifProp}\right)$$

  

  $$\text{EMProp}\_\text{a}=0.5\ast \left(\text{EMProp}+\text{EMDifProp}\right)$$

  
• Am durchdrehenden Rad wird das Antriebsmoment um den halben Betrag des raddynamischen Differenzantriebsmoments EMDifProp reduziert und gleichzeitig am anderen stabil laufenden Rad um den halben Betrag des raddynamischen Differenzantriebsmomentes EMDifProp angehoben. Damit erfolgt die Synchronisation der beiden Radantriebsschlupfwerte. Ein bekannter Summenschlupfregler überwacht die Einhaltung der geforderten Achssummenschlupfwerte. Zu hohe Achssummenschlupfwerte werden vom TCS-System durch Absenken des gesamten Antriebsmomentes EMProp begrenzt.
• Durch den radindividuellen Antrieb kann auch die Rückspeisung der elektrischen Energie (Recouperation) an die aktuelle Fahrsituation besser angepasst werden.
• Eine Energierückspeisung erfolgt, wenn die Elektromotorteilantriebe 3, 4 sich im Generatorbetrieb befinden. Der Summenwert des bremsend wirkenden Recouperationsmomentes EMRecoupTar wird von dem Steuergerät 18 vorgegeben und zunächst zu gleichen Teilen bei Geradeausfahrt auf beide angetriebene Räder 11a, 11b verteilt. Der Sollwert des gesamten zulässigen Recouperationsmomentes EMRecoup wird im Voraus aus Fahrstabilitätsgründen vom ESP-System limitiert. $$\text{EMRecoup}=\text{Min}\left(\text{EMRecoupTar},\text{EMRecoupVDC}\right),$$

  

  wobei EMRecoupVDC die Obergrenze des zulässigen Recouperationsmomentes darstellt. Bei Kurvenfahrten kann durch den radindividuellen Antrieb die Verteilung der Bremsmomente im Teilbremsbereich mit dem geforderten Recouperationsmoment besser koordiniert werden.
• Eine Vorsteuerung zur Verteilung des gesamten Recouperationsmomentes EMRecoup bildet einen Differenzanteil EMDifRecoupPre, der bei Kurvenfahrt in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung bzw. der Radstandskräfte bestimmt wird. Somit kann bereits im Vorfeld der Gefahr eines Unter- oder Übersteuerns des Fahrzeuges während des Rückspeisung Einhalt geboten werden. Bei vorhandener Fahrzeuginstabilität wird das stabilisierende Recouperationsmoment EMDifRecoupstab zusätzlich überlagert. Das resultierende Differenzmoment bei Recouperation EMDifRecoup wird wie folgt gebildet: $$\text{EMDifRecoup}=\text{EMDifRecoupePre}+\text{EMDifRecoupStab}$$

  
• Bei einem tendenziell übersteuernden Fahrzeug wird das Recouperationsmoment bzw. Bremsmoment EMRecoup_a am kurvenäußeren Rad erhöht und annähernd gleichzeitig am kurveninneren Rad (EMRcoup_i) vermindert. Dadurch wird ein rückdrehendes Giermoment entgegen der Übersteuerungstendenz erzeugt. $$\text{EMRecoup}\_\text{i}=0.5\ast \left(\text{EMRecoup}-\text{EMDifRecoup}\right)$$

  

  $$\text{EMRecoup}\_\text{a}=0.5\ast \left(\text{EMRecoup}+\text{EMDifRecoup}\right)$$

  
• Zu hohe Bremsschlupfwerte werden vom ABS-Regler am jeweiligen Rad durch Limitierung des jeweiligen Recouperationsmomentes EMRecoup_i bzw. EMRecoup_a begrenzt.
• Bei einem untersteuernden Fahrzeug wird das Recouperations- bzw. Bremsmoment EMRecoup_i am kurveninneren Rad erhöht, während das Recouperations- bzw. Bremsmoment EMRecoup_a am kurvenäußeren Rad vermindert wird. Dadurch wird ein eindrehendes Giermoment entgegen der Untersteuertendenz erzeugt. $$\text{EMRecoup}\_\text{i}=0.5\left(\text{EMRecoup}+\text{EMDifRecoup}\right)$$

  

  $$\text{EMRecoup}\_\text{a}=0.5\left(\text{EMRecoup}-\text{EMDifRecoup}\right)$$

  
• Zu hohe Bremsschlupfwerte werden auch in diesem Fall vom ABS-Regler am jeweiligen Rad durch Limitierung des jeweiligen Recouperationsmomentes EMRecoup_i bzw. EMRecoup_a begrenzt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verteilung eines Antriebsmomentes auf die Räder einer elektrisch angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei ein elektrisches Signal von einem Antriebsaggregat (3, 4) in ein Drehmoment (EMProp_i, EMProp_a) umgesetzt wird, welches von einer elektrisch angetriebenen Achse (10a, 10b) auf die Räder (11a, 11b) der Achse (10a, 10b) übertragen wird, wobei die an der elektrisch angetriebenen Achse (10a, 10b) angeordneten Räder (11a, 11b) unabhängig voneinander mit einem antreibend wirkenden Antriebsmoment (EMProp) jeweils überlagert mit einem Differenzdrehmoment (EMDif) beaufschlagt werden, wobei ein elektrisches Antriebsmoment (EMProp_a, EMProp_i) für jedes angetriebene Rad (11a, 11b) durch Addition oder Subtraktion des Differenzdrehmoment (EMDifProp) aus dem Antriebsdrehmoment (EMProp) gebildet wird, und wobei das elektrische Antriebsmoment (EMProp) aus dem Drehmoment (EMmot_L, EMmot_R) des ein Rad antreibenden Antriebsaggregates (3, 4) durch Überlagerung mit einem jeweils wirksamen Momentenübersetzungsverhältnis bestimmt wird, welches mit mindestens einem Gewichtungsfaktor (KoFn_x, KoFn_y, KoFn_vFz) beaufschlagt wird, woraus ein Vorsteuerwert für ein zusätzliches Differenzdrehmoment (EMDifPreProp) in Kurvenfahrten ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (KoFn_x, KoFn_y) in Abhängigkeit einer Radlaständerung beim Beschleunigen und/oder bei Kurvenfahrt bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (KoFn_vFz) in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2, und 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein resultierender Gewichtungsfaktor (KoFn) aus der Summe der radlastabhängigen Gewichtungsfaktoren (KoFn_x, KoFn_y) gebildet wird, welche mit dem fahrzeuggeschwindigkeitsabhängigen Gewichtungsfaktor (KoFn_vFz) multipliziert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung einer Gierwinkelgeschwindigkeit (evGi) aus einer Sollgierwinkelgeschwindigkeit (vGiSo) und einem Istwert (vGi) der Gierwinkelgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei aus der resultierenden Abweichung (devGi) ein stabilisierendes Differenzdrehmoment (EMDifStab) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichen Vorzeichen des auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelten Differenzdrehmomentes (EMDifPreProp) und des stabilisierenden Differenzdrehmomentes (EMDifStab) das auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelte Differenzdrehmoment (EMDifPreProp) und das stabilisierende Differenzdrehmoment (EMDifStab) zu einem fahrdynamischen Differenzantriebsmoment (EMDif) addiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Vorzeichen des auf der Grundlage des Vorsteuerungswertes ermittelten Differenzdrehmomentes (EMDifPreProp) und des stabilisierenden Differenzdrehmomentes (EMDifStab) der Betrag des auf der Grundlage des Vorsteuerwertes ermittelten Differenzdrehmomentes (EMDifPreProp) um den Betrag des stabilisierenden Differenzdrehmomentes (EMDifStab) reduziert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines Grenzwertes durch das fahrdynamische Differenzantriebsmoment (EMDif) ein Antriebsschlupf des Fahrzeuges durch ein Radschlupfregelsystem, vorzugsweise einem ABS-System, reduziert wird.

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