WO2014140067A2 - Fahrzeug mit elektrischer antriebsmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a vehicle with an electric drive machine, with a
  • Hybrid and electric vehicles have an electric drive machine. Frequently, permanent-magnet synchronous machines are used. In permanent-energized
  • Synchronous machines are used for the rotor permanent magnets that generate a magnetic field without external excitation, which generate in conjunction with a 3-phase excitation of the stator, a torque on the rotor axis. This torque can be removed from the rotor axle for the purpose of traction of the vehicle.
  • a brake device, a gear selector and an accelerator pedal of the vehicle the traction of the vehicle can be controlled. This goes, for example, from the Scriptures
  • the electric machine is designed as a current-excited synchronous machine, it has the vehicle to a control unit, which is associated with the current-excited synchronous machine, the control unit adjusts an excitation current of the rotor, the adjustment of the excitation current in response to a set on the gear selector gear selection position, and the adjustment of the exciter current takes place as a function of a position of a brake pedal of the brake device.
  • Brake pedal is dependent. According to a preferred embodiment, it is particularly advantageous if the
  • the first adjustable gear selection position is also referred to below as “parking”, the second adjustable gear selection position as “neutral”, the third adjustable gear selection position as “drive” and the fourth selectable gear selection position as "reverse”.
  • the gear selector allows, as a result, an operator of the vehicle to select a driving mode whose function is comparable to the function of a transmission in a conventional vehicle.
  • the vehicle comprises a measuring means which determines a relative position of the brake pedal with respect to a predetermined brake pedal travel, which is given by a minimum brake pedal value and by a maximum brake pedal value.
  • the determined relative position of the brake pedal can be transmitted to the control unit.
  • control unit switches off the exciter current in the gear selection position "parking" and in the gear selection position "neutral".
  • control unit in the gear selection position "duration” and a brake pedal value between the maximum brake pedal value and a first critical brake pedal value turns off the exciter current
  • control unit in the Gear selector position "Reverse” and switches off the excitation current at a brake pedal value between the maximum brake pedal value and the first critical brake pedal value
  • control unit adjusts the exciter current at the gear selection position "duration" and at a brake pedal value between the minimum brake pedal value and a second critical brake pedal value Further, the control unit sets "reverse” for the gear selection position and between the minimum brake pedal value for a brake pedal value and the second critical brake pedal value the exciting current.
  • Braking power or braking force is activated and a traction torque is always requested by the synchronous machine.
  • the invention is based on the following considerations: in electric and hybrid vehicles, permanent-magnet synchronous machines are used in a wide range of applications for reasons of energy and power efficiency. In this type of machine, the rotor is permanently energized because permanent magnets for
  • Magnetic field generation are used.
  • power-excited synchronous machines can be used which have no magnetic materials in the rotor. Instead, a magnetic field is through
  • the current generating this magnetic field is operationally controllable, ie, unlike a permanent-magnet machine, this excitation current forms an additional degree of freedom in the operation of the machine. This means that the torque generated at the electric machine not only from a torque-generating current and a field-based current, but also from the
  • Excitation current is dependent. Excitation windings usually have a large inductance and a small ohmic resistance. This leads to a high time constant, which is proportional to the inductance and indirectly proportional to the ohmic resistance. That's why it's one
  • Synchronous machine in a hybrid or electric vehicle allows and compensates for the relatively sluggish dynamics of the excitation magnetic field.
  • FIG. 1 shows a brake pressure-dependent setting of an exciter current of a rotor of a current-excited synchronous machine.
  • Gear selector device having a plurality of adjustable gear selection pitches. This includes at least the four gear selections “Drive”, “Reverse”, “Neutra! And “Parking”. Where “Drive” stands for a mode in which the vehicle is ready to drive, and “Reverse” for one
  • Gear dial position with readiness to travel in reverse is selected when the vehicle is parked without being in an operating or standby mode, while in the gear selection position "Neutral", the vehicle is in operation, but there is no adhesion to the wheels, since the transmission of the Vehicle is located in a mechanical freewheel.
  • a power synchronous machine may provide torque for the purpose of traction of the vehicle.
  • the torque request to the synchronous machine takes place in Essentially by the driver in the form of the operation of two pedals, ie a brake pedal and an accelerator pedal.
  • the operating strategy for the excitation of the rotor sees gem. Fig. 1 before that the setting of the excitation current at a certain time substantially from the set
  • Excitor current is effected by a control unit assigned to the synchronous machine.
  • the control unit When setting the gear selection position “Parking” and when setting the gear selection position "Neutra! the control unit cuts off the excitation current to magnetically de-energize the rotor.
  • the setting of the excitation current depends on the brake pedal position.
  • the brake pedal position is adjusted by a suitable measuring means, e.g. determined by a brake pedal sensor which is suitable for determining a brake pedal angle.
  • a suitable measuring means e.g. determined by a brake pedal sensor which is suitable for determining a brake pedal angle.
  • the size of brake pressure is shown as an example, which correlates with the brake pedal position such that at a non-actuated brake pedal, the brake pressure is minimum (min) and at a fully depressed brake pedal, the brake pressure maximum (max).
  • the control unit switches off the exciting current of the rotor.
  • the control unit sets the excitation current. This ensures that with decreasing brake pressure, the exciting field of the rotor is built up, if with further decreasing brake pressure and a possibly following torque demand by the accelerator pedal, the period between the falling below the second critical brake pressure and the occurrence of the torque request is used to build up the exciter field.
  • the exciter field is thus already formed to a high degree when the torque request occurs, which allows an immediate torque output. This makes a decisive contribution to increasing the longitudinal dynamics of a vehicle with a current-excited synchronous machine. If no torque request via the accelerator pedal erfoigt and instead uses an increase in the brake pressure, alternatively or additionally, the exciter current is turned off when exceeding the first critical brake pressure according to the above embodiment.
  • Energizing current setting dynamically. For example, in a current-excited synchronous machine with an inductance of 0.4 Henry and a resistance of 1.5 Ohm, the excitation field build up takes up to 95% of the maximum value for a time of 800 milliseconds, referred to herein as latency.
  • the operating strategy of Figure 1 ensures that the latency is at least partially within braking phases, i. if not
  • the first critical brake pedal pressure assumes in the direction of increasing brake pressure at least the value of the second critical brake pedal pressure, d, h. alternatively or additionally, the two values of the first critical brake pedal pressure and the second critical brake pedal pressure may coincide. If the values of the two critical brake pedal pressure are identical.
  • the operating strategy according to FIG. 1 ensures a dynamic and efficient operation of the current-excited synchronous machine.

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Abstract

Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, mit einer Bremsvorrichtung und mit einer Gangwahlvorrichtung, so, dass die elektrische Maschine als stromerregte Synchronmaschine ausgeführt ist, das Fahrzeug eine Steuereinheit aufweist und die Steuereinheit der stromerregten Synchronmaschine zugeordnet ist, die Steuereinheit einen Erregerstrom des Rotors einstellt, die Einstellung des Erregerstroms in Abhängigkeit von einer an der Gangwahlvorrichtung eingestellten Gangwahlstellung erfolgt, und die Einstellung des Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Position eines Bremspedals der Bremsvorrichtung erfolgt.

Description

Fahrzeug mit elektrischer Antriebsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine, mit einer
Bremsvorrichtung und mit einer Gangwahlvorrichtung.
Hybrid- und Elektrofahrzeuge verfügen über eine elektrische Antriebsmaschine. Häufig kommen dabei permanenterregte Synchronmaschinen zum Einsatz. Bei permanenterregten
Synchronmaschinen werden für den Rotor Permanentmagnete verwendet, die ohne eine äußere Erregung ein Magnetfeld erzeugen, weiches im Zusammenspiel mit einer 3-phasigen Erregung des Stators ein Drehmoment auf der Rotorachse erzeugen. Dieses Drehmoment kann von der Rotorachse zum Zweck der Traktion des Fahrzeugs abgenommen werden. Über eine Bremsvorrichtung, eine Gangwahlvorrichtung und ein Fahrpedal des Fahrzeugs kann die Traktion des Fahrzeugs geregelt werden. Dies geht zum Beispiel aus der Schrift
EP 0 096468 A2 hervor.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einer elektrischen
Antriebsmaschine, mit einer Bremsvorrichtung und mit einer Gangwahlvorrichtung zu beschreiben. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erflndungsgemäß ist die elektrische Maschine als stromerregte Synchronmaschine ausgeführt, es weist das Fahrzeug eine Steuereinheit auf, die der stromerregten Synchronmaschine zugeordnet ist, die Steuereinheit stellt einen Erregerstrom des Rotors ein, die Einstellung des Erregerstroms erfolgt in Abhängigkeit von einer an der Gangwahlvorrichtung eingestellten Gangwahlstellung, und die Einstellung des Erregerstroms erfolgt in Abhängigkeit von einer Position eines Bremspedals der Bremsvorrichtung.
Dies bedeutet, dass die Einstellung des Erregerstroms der stromerregten Synchronmaschine sowohl von der Einstellung an der Gangwahlvorrichtung als auch von der Position des
Bremspedals abhängig ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Gangwahivorrichtung eine erste einstellbare Gangwahlstellung zum Parken des Fahrzeugs aufweist, die Gangwahivorrichtung eine zweite einstellbare Gangwahlstellung für eine kraftschlüssige Entkopplung der Räder des Fahrzeugs aufweist, die Gangwahivorrichtung eine dritte einsteilbare Gangwahlstellung für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs in Vorwärtsfahrt aufweist, die Gangwahivorrichtung eine vierte einstellbare Gangwahlsteilung für einen
Fahrbetrieb des Fahrzeugs in Rückwärtsfahrt aufweist, und eine Information über die eingestellte Gangwahlstellung an die Steuereinheit übermittelbar ist.
Die erste einstellbare Gangwahlstellung wird im Folgenden auch als„Parken", die zweite einstellbare Gangwahlstellung als„Neutral", die dritte einstellbare Gangwahlstellung als„Drive" und die vierte einsteilbare Gangwahlstellung als„Reverse" bezeichnet.
Die Gangwahlvorrichtung ermöglicht es aiso einem Bediener des Fahrzeugs, einen Fahrmodus auszuwählen, dessen Funktion der Funktion eines Getriebes bei einem konventionellen Fahrzeug vergleichbar ist.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfasst das Fahrzeug ein Messmittel, das eine relative Position des Bremspedals in Bezug auf einen vorgegebenen Bremspedalweg ermittelt, weicher durch einen minimalen Bremspedalwert und durch einen maximalen Bremspedalwert gegeben ist. Es ist die ermittelte relative Position des Bremspedals an die Steuereinheit übermittelbar.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinheit den Erregerstrom bei der Gangwahlstellung „Parken" und bei der Gangwahlstellung„Neutral" abstellt.
Dies bedeutet, dass das Rotormagnetfeld bei der Gangwahlstellung„Parken" und bei der Gangwahlstellung„Neutral" entregt ist. Bei diesen Gangwahlstellungen ist eine Traktion des Fahrzeugs, d.h. ein Fahrbetrieb nicht vorgesehen. Deshalb kann die Stromerregung des Rotors deaktiviert werden.
Außerdem entstehen besondere Vorteile, wenn die Steuereinheit bei der Gangwahlstellung „Dauer" und bei einem Bremspedalwert zwischen dem maximalen Bremspedalwert und einem ersten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom abstellt, und die Steuereinheit bei der Gangwahlstellung„Reverse" und bei einem Bremspedalwert zwischen dem maximalen Bremspedalwert und dem ersten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom abstellt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Erregerstrom bedarfsgerecht abgestellt wird. Falls der Bremspedalwert hin zum maximalen Bremspedalwert einen den ersten kritischen Wert überschreitet, wird der Erregerstrom der Synchronmaschine abgestellt.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung stellt die Steuereinheit bei der Gangwahlstellung „Dauer" und bei einem Bremspedalwert zwischen dem minimalen Bremspedalwert und einem zweiten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom ein. Weiterhin stellt die Steuereinheit bei der Gangwahlstellung„Reverse" und bei einem Bremspedalwert zwischen dem minimalen Bremspedalwert und dem zweiten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom ein.
Falls der Bremspedalwert in Richtung des minimalen Bremspedalwerts einen zweiten kritischen Wert überschreitet, wird der Erregerstrom der Synchronmaschine eingestellt. Somit ist gewährleistet, dass der Erregerstromkreis der Synchronmaschine bei einer geringen
Bremsleistung bzw. Bremskraft aktiviert ist und ein Traktionsmoment jederzeit von der Synchronmaschine anforderbar ist.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: in Elektro- und Hybridfahrzeugen werden aus Gründen der Energie- und Leistungseffizienz in einem weiten Anwendungsbereich permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Bei diesem Maschinentyp ist der Rotor dauerhaft erregt, da Permanentmagnete zur
Magnetfelderzeugung zum Einsatz kommen. Alternativ können stromerregte Synchronmaschinen eingesetzt werden, welche im Rotor keine magnetischen Materialien aufweisen. Stattdessen wird ein Erregermagnetfeld durch
Kupferwicklungen elektromagnetisch erzeugt. Der dieses Magnetfeld erzeugende Strom ist betriebsstrategisch regelbar, d.h. anders als bei einer permanenterregten Maschine bildet dieser Erregerstrom einen zusätzlichen Freiheitsgrad beim Betrieb der Maschine. Dies bedeutet, dass das an der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment nicht nur von einem momentenbildenden Strom und einem feldbiidenden Strom, sondern auch vom
Erregerstrom abhängig ist. Erregerwicklungen weisen üblicherweise eine große Induktivität und einen kleinen ohmschen Widerstand auf. Dies führt zu einer hohen Zeitkonstante, die sich proportional zur Induktivität und indirekt proportional zum ohmschen Widerstand verhält. Deshalb ist es eine
herausfordernde Aufgabe, Betriebsstrategien für eine Drehmomentanforderung mit sehr hoher zeitlicher Dynamik bereitzustellen.
Anhand des folgenden Ausführungsbeispiels der Erfindung wird eine Betriebsstrategie beschrieben, die eine dynamische Drehmomentanforderung an eine stromerregte
Synchronmaschine in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ermöglicht und die verhältnismäßig träge Dynamik des Erregermagnetfelds kompensiert.
Es zeigt Fig, 1 eine bremsdruckabhängige Einstellung eines Erregerstroms eines Rotors einer stromerregten Synchronmaschine.
Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung,
Es wird von einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgegangen, welches eine
Gangwahlvorrichtung mit mehreren einstellbaren Gangwahlsteilungen aufweist. Dies umfasst zumindest die vier Gangwahlstellungen„Drive",„Reverse",„Neutra!" und„Parken". Dabei steht „Drive" für einen Modus, in weichem das Fahrzeug fahrbereit ist, und„Reverse" für eine
Gangwahlstellung mit Fahrbereitschaft im Rückwärtsgang. Die Gangwahlstellung„Parken" wird gewählt, wenn das Fahrzeug, ohne in einem Betriebs- oder Bereitschaftsmodus zu sein, parkt, in der Gangwahlstellung„Neutral" ist das Fahrzeug zwar in Betrieb, es besteht jedoch kein Kraftschluss zu den Rädern, da das Getriebe des Fahrzeugs in einem mechanischen Freilauf befindlich ist.
Eine stromerregte Synchronmaschine kann Drehmoment zum Zweck der Traktion des Fahrzeugs bereitsteilen. Die Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine erfolgt im Wesentlichen durch den Fahrer in Form der Bedienung zweier Pedale, i.e. eines Bremspedals und eines Fahrpedals.
Die Betriebsstrategie für die Erregung des Rotors sieht gem. Fig. 1 vor, dass die Einstellung des Erregerstroms zu einem bestimmten Zeitpunkt im Wesentlichen von der eingestellten
Gangwahlstellung und von der Bremspedalsteilung abhängig ist. Die Einstellung des
Erregerstroms erfolgt durch eine der Synchronmaschine zugeordneten Steuereinheit.
Bei Einstellung der Gangwahlsteliung„Parken" und bei Einstellung der Gangwahlstellung „Neutra!" stellt die Steuereinheit den Erregerstrom ab, um den Rotor magnetisch zu entregen. Bei Einstellung der Gangwahlstellung„Drive" und bei Einstellung der Gangwahlstellung „Reverse" hängt die Einstellung des Erregerstroms von der Bremspedalstellung ab. Die Bremspedalstellung ist durch ein geeignetes Messmittel, z.B. durch einen Bremspedalsensor, welcher zur Ermittlung eines Bremspedalwinkels geeignet ist, bestimmt. In Fig. 1 ist exemplarisch die Größe Bremsdruck gezeigt, die derart mit der Bremspedalstellung korreliert, dass bei einem nicht betätigten Bremspedal der Bremsdruck minimal (min) und bei einem vollständig gedrückten Bremspedal der Bremsdruck maximal (max) ist.
Wird alternativ oder ergänzend in einer Fahrsituation mit unbetätigtem Bremspedal dieses betätigt, so dass der Bremsdruck in Richtung maximalem Bremsdruck einen ersten kritischen Bremsdruck (1) übersteigt, stellt die Steuereinheit den Erregerstrom des Rotors ab.
Fällt der Bremsdruck in Richtung minimalem Bremsdruck ab und unterschreitet einen zweiten kritischen Bremsdruck (2), stellt die Steuereinheit den Erregerstrom ein. Dies stellt sicher, dass bei abnehmendem Bremsdruck das Erregerfeld des Rotors aufgebaut wird, falls bei weiter abnehmendem Bremsdruck und einer möglicherweise folgenden Drehmomentanforderung durch das Fahrpedal, der Zeitraum zwischen dem Unterschreiten des zweiten kritischen Bremsdrucks und dem Eintritt der Drehmomentanforderung zum Aufbau des Erregerfelds genutzt wird. Das Erregerfeld ist somit bei Eintritt der Drehmomentanforderung bereits zu einem hohen Maß ausgebildet, was eine unmittelbare Drehmomentabgabe ermöglicht. Dadurch wird ein entscheidender Beitrag zur Erhöhung der Längsdynamik eines Fahrzeugs mit stromerregter Synchronmaschine geleistet. Falls keine Drehmomentanforderung über das Fahrpedal erfoigt und stattdessen eine Erhöhung des Bremsdrucks einsetzt, wird alternativ oder ergänzend der Erregerstrom bei Überschreitung des ersten kritischen Bremsdrucks gemäß obiger Ausführung abgestellt.
Diese vom Bremspedal abhängige Einstellung des Erregerstroms ist dazu geeignet, die Trägheit beim Aufbau des Erregerfelds zu kompensieren und eine Drehmomentanforderung an die Maschine im Vergleich zu einer von der Fahrpedalstellung abhängigen
Erregerstromeinstellung dynamisch auszuführen. Beispielsweise nimmt bei einer stromerregten Synchronmaschine mit einer Induktivität von 0,4 Henry und einem Widerstand von 1 ,5 Ohm der Aufbau des Erregerfelds zu 95 % des maximalen Wertes eine Zeit von 800 Millisekunden in Anspruch, weiche hier als Latenzzeit bezeichnet wird. Die Betriebsstrategie gemäß Fig. 1 stellt sicher, dass die Latenzzeit zumindest teilweise innerhalb Bremsphasen, d.h. wenn kein
Drehmoment angefordert ist, liegt.
Der erste kritische Bremspedaidruck nimmt in Richtung steigendem Bremsdruck mindestens den Wert des zweiten kritischen Bremspedaldrucks an, d,h. es können alternativ oder ergänzend die beiden Werte des ersten kritischen Bremspedaldrucks und des zweiten kritischen Bremspedaldrucks zusammenfallen. Wenn die Werte der beiden kritischen
Bremspedaldrücke auseinanderfallen, wird eine Entpreilung der Einstellung des Erregerstroms erreicht.
Die Betriebsstrategie gemäß Fig. 1 gewährleistet einen dynamischen und effizienten Betrieb der stromerregten Synchronmaschine.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug mit einer elektrischen Anträebsmaschine, mit einer Bremsvorrichtung und mit einer Gangwahlvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die elektrische Maschine als stromerregte Synchronmaschine ausgeführt ist,
- das Fahrzeug eine Steuereinheit aufweist und die Steuereinheit der stromerregten
Synchronmaschine zugeordnet ist,
- durch die Steuereinheit ein Erregerstrom des Rotors einstellbar ist,
- die Einstellung des Erregerstroms in Abhängigkeit von einer an der
Gangwahlvorrichtung eingestellten Gangwahistellung erfolgt, und
- die Einstellung des Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Position eines Bremspedals der Bremsvorrichtung erfolgt.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gangwahlvorrichtung eine erste einstellbare Gangwahlstellung zum Parken des Fahrzeugs aufweist,
- die Gangwahlvorrichtung eine zweite einstellbare Gangwahlstellung für eine
kraftschlüssige Entkopplung der Räder des Fahrzeugs aufweist,
- die Gangwahlvorrichtung eine dritte einstellbare Gangwahlstellung für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs in Vorwärtsfahrt aufweist,
- die Gangwahlvorrichtung eine vierte einstellbare Gangwahlstellung für einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs in Rückwärtsfahrt aufweist, und
- eine Information über die eingestellte Gangwahlstellung an die Steuereinheit
übermittelbar ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug ein Messmittel umfasst,
das Messmittet eine relative Position des Bremspedals in Bezug auf einen
vorgegebenen Bremspedalweg, welcher durch einem minimalen Bremspedalwert und durch einem maximalen Bremspedalwert gegeben ist, ermittelt, und
die ermittelte relative Position des Bremspedals an die Steuereinheit übermittetbar ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit den Erregerstrom bei der ersten Gangwahlstellung und bei der zweiten Gangwahlstellung abstellt.
5. Fahrzeug nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuereinheit bei der dritten Gangwahlstellung und bei einem Bremspedalwert zwischen dem maximalen Bremspedalwert und einem ersten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom abstellt, und
- die Steuereinheit bei der vierten Gangwahlstellung und bei einem Bremspedalwert zwischen dem maximalen Bremspedalwert und dem ersten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom abstellt.
6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit bei der dritten Gangwahlstellung und bei einem Bremspedalwert zwischen dem minimalen Bremspedalwert und einem zweiten kritischen
Bremspedalwert den Erregerstrom einstellt, und
die Steuereinheit bei der vierten Gangwahlstellung und bei einem Bremspedalwert zwischen dem minimalen Bremspedalwert und dem zweiten kritischen Bremspedalwert den Erregerstrom einstellt.
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