WO2023241971A1 - Betriebsbremssystem für elektrisch angetriebene fahrzeuge mit gekoppelten kühlkreisen von antrieb und bremse - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a service brake system in a vehicle with at least one electric drive axle, the service brake system having an independently controllable braking device for each wheel, in particular for motor vehicles such as passenger cars (cars), vans, etc.
- the field of application of the invention lies in particular in the automotive industry in the field of electric or hybrid vehicles, preferably in increasing the efficiency of main operating components of electromobility.
- the drag losses which describe the effective delay from the opened to the closed brake pad or disk state, are due to primary influencing variables such as medium in the air gap (air clearance), lining width, number and diameter of the friction surfaces, and secondary influences, such as lining surface and friction lining usage , urgently needs improvement.
- the clearance distance between brake pad and brake disc in disc brake systems is particularly important because a distance between the brake pad and the brake disc is essential for the (unbraked) rotation of the brake disc, but on the other hand the clearance leads to an extension of the braking distance when the brakes are actuated.
- the hydraulic actuator for the controllable actuation of the service brake device can also be designed for the positive locking of a parking brake.
- each service brake device has a cooling device which is coupled to a cooling device of a drive unit via a common heat exchanger system, the heat exchanger system being set up for intelligent thermal management of the drive unit, service brake devices and the control of the heat balance of heating or cooling systems of the vehicle.
- the heat exchanger system can advantageously be connected to means for system-wide control of recuperation braking of the drive unit, brake control of the service brake devices, thermal coupling of fluid-cooled service brake devices and drive unit in order to achieve a shift in the thermal operating point of the drive unit via the heat exchanger system on the basis of increased heat generation through linked control of the service brake devices at the same time increasing the performance of the drive unit.
- a vehicle with at least one electric drive axle which includes a service brake system according to one of the previously described embodiments.
- the invention is based on the knowledge that in modern motor vehicles with any drive technology, the service brake system already meets the basic requirements for this due to integrated safety functions such as electronic stability program (ESP), traction control (ASR), anti-lock braking system (ABS), etc.). are to further integrate the service braking system into the electric drive system and to improve its sustainability with regard to the wet braking concept. However, ease of maintenance and reliability in electrical accident situations must also be taken into account.
- ESP electronic stability program
- ASR traction control
- ABS anti-lock braking system
- the present invention therefore aims to integrate a significantly reduced wear and maintenance effort into an existing oil cooling circuit of the drive unit, particularly in a passenger car with a so-called E-axle and with braking devices designed as wet brakes, and to replace a previously prioritized electromechanical actuation of the service brake devices with an alternative Replace actuation using pressure hydraulics.
- This hydraulic actuation of the braking devices was not an option for an E-axle that was conventionally equipped with low-pressure oil circuits, since the oil circuits of the braking devices and/or the heat exchanger of the drive unit cannot simply be used for hydraulic brake actuation of the wet brake.
- the load on the drive unit when the load on the drive unit is low and/or when the outside temperature is low, the load on the drive unit can be increased in order to raise the too low operating point of the drive system by means of a defined activation of the service brake system in order to generate additional heat in both systems, the drive system and the service brake system especially when starting cold, a faster shift in the operating point is achieved.
- the invention realizes an alternative way to improve the reliable actuation of the service brake system for electric or hybrid vehicles, which increases the reliability and ease of maintenance of the actuation of the service brake system while maintaining sustainability through wet brake concepts with synergistic thermal and control technology coupling with the electric drive system.
- FIG. 1 a schematic representation of a drive axle of an electrically driven motor vehicle with wet service brake units and hydraulically operated actuators
- Fig. 1 shows a schematic structure of the drive axle 1 of an electric vehicle (BEV, HEV or PHEV), which includes a drive unit 2 (hereinafter also electric machine 2), which generates a torque which is transmitted via a gear ratio 4 and then via a differential 3 is transferred to a drive axle with the drive wheels 5.
- the electric machine 2 can contain one or more electric motors, which can either represent the sole drive or work as part of a hybrid drive.
- the electric machine 2 includes all the necessary electronics for its control and operation as well as necessary or optional sensors.
- a service brake device 6 On the drive axle 1 there is a service brake device 6 on both sides of the differential 3, which is designed as a wet-running multi-disc brake and can decelerate the electric vehicle by generating a braking torque.
- both service brake devices 6 there is a brake system with an identical structure consisting of a multi-disc wet brake, an electrohydraulically controlled actuator 10 and a return spring 8, which sets the respective actuator 10 in a left zero position N-L for the left brake B-L and a right zero position N-R for the right brake B-R .
- the braking effect is generated in both service brake devices 6 equipped with multi-disc wet brakes via a frictional connection caused by the hydraulic actuator 10, the actuator 10 being controlled electro-hydraulically by the pressure oil system 9.
- the design as a wet, low-wear, maintenance-free multi-disc brake also results in advantages such as the reduction of braking influences on driving behavior due to the coaxial brake (rotationally symmetrical friction linings), efficiency optimization through the arrangement and dimensioning of the separation springs, the type and number and diameter of the friction linings as well as elimination of environmental influences, such as water, dirt, salt, etc., on the braking behavior and prevention of standing damage, as is often the case with dry disc brakes.
- waste heat can therefore also be transported particularly conveniently via the heat exchanger system 7 to more distant positions (not shown) in the vehicle where it can be used, for example, to heat the interior, regulate the temperature of the battery pack, etc. or be released into the environment.
- the problem of the very moderate, uneven heating behavior of the electric drive unit 2 including the vehicle cooling circuit of the heat exchanger system 7 is solved by a now possible shift in the operating point of the electric drive unit 2 with simultaneous return of the thermal energy - through the heat coupling of the cooling devices 71 of the electric drive unit 2 and the service braking devices 6 - in the vehicle system is solved (components and cooling circuit).
- An advantageous function of the heat coupling of the drive unit 2 and service brake devices 6 is achieved in such a way that when the drive unit 2 is under low load and/or at a low outside temperature, the operating point of the drive unit 2 is raised which is too low by a defined connection of the service brake device 6 while the temperature is kept constant ( e.g. speed-controlled) driving speed of the car, the load on the drive unit 2 is increased in both Components, the drive unit 2 and the service brake devices, to generate additional heat, which primarily warms up the drive unit 2 to the desired operating temperature in the low-wear working area and further maintains this forced increased load condition in the event of additional heating requirements for the battery pack and / or the interior of the car.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Betriebsbremssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse (1), wobei das Betriebsbremssystem für die Antriebsachse (1) je Rad (5) eine unabhängig steuerbare Betriebsbremseinrichtung 6 aufweist. Die Aufgabe, eine alternative Möglichkeit zur Verbesserung der zuverlässigen Betätigung des Betriebsbremssystems für Elektro¬ oder Hybridfahrzeugen zu finden, wird gelöst, indem jede steuerbare Betriebsbremseinrichtung (6) als eine Lamellennassbremse ausgebildet ist und einen hydraulischen Aktuator (10) zur steuerbaren Bremsbetätigung mittels eines Druckölbremssystems (9) aufweist. Das Druckölbremssystem (9) umfasst vorzugsweise elektrische Pumpen zur Druckerzeugung und Steuerung der Bremsleistung.
Description
BETRIEBSBREMSSYSTEM FÜR ELEKTRISCH ANGETRIEBENE FAHRZEUGE MIT GEKOPPELTEN KÜHLKREISEN VON ANTRIEB UND BREMSE
Die Erfindung betrifft ein Betriebsbremssystem in einem Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse, wobei das Betriebsbremssystem je Rad eine unabhängig steuerbare Bremseinrichtung aufweist, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen (Pkw), Transporter, etc.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insbesondere in der Automobilindustrie auf dem Gebiet der Elektro- oder Hybridfahrzeuge, vorzugweise bei der Effizienzsteigerung von Hauptbetriebskomponenten der Elektromobilität.
Der Stand der Technik des Betriebsbremssystems bei Personenkraftwagen (Pkw) ist aktuell - unabhängig vom Antriebskonzept (Elektro-, Hybrid- oder Verbrennungsantrieb) - eine radnahe, luftgekühlte Scheibenbremse für jedes Rad. Dies ist auch für Elektrofahrzeuge die immer noch vorherrschende Art der Betriebsbremse, welche autark vom Antriebskonzept funktioniert. Nachteile dieses Betriebsbremssystems sind Luftkühlung, Feinstaubbelastung, Wartungsaufwand, Einfluss auf Fahrzeuggeometrie, Schleppverluste etc.
Für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, häufig auch als BEV - Battery Electric Vehicle bzw. (P)HEV - (Plug-In) Hybrid Electric Vehicle bezeichnet, ist die Luftkühlung der Scheibenbremse mit den unerwünschten Nebeneffekten von reibungsbedingtem Verschleiß nebst Feinstaubemission, reibungs- und witterungsbedingt hohem Wartungsbedarf sowie Beschränkungen des Fahrzeugdesigns aufgrund von notwendigen Lüftungskanälen ein sehr vorrangiges Problem für die beabsichtigte Umweltfreundlichkeit des Elektroautos (Pkw).
Des Weiteren sind bei Scheibenbremsen die Schleppverluste, die den Wirkungsverzug vom geöffneten bis zum geschlossenen Bremsklotz- oder Lamellenzustand beschreiben, wegen primärer Einflussgrößen, wie Medium im Lüftspalt (Lüftspiel), Belagbreite, Anzahl und Durchmesser der Reibflächen, und sekundärer Einflüsse, wie Belagoberfläche und Reibbelagnutzung, dringend verbesserungsbedürftig. Dem Lüftspiel (Abstand zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe bei Scheibenbremsanlagen)
kommt allein deshalb besondere Bedeutung zu, weil ein Abstand zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe für den (ungebremsten) Umlauf der Bremsscheibe unverzichtbar ist, das Lüftspiel aber andererseits beim Betätigen der Bremsen zu einer Bremswegverlängerung führt.
Außerdem sollen BEV und HEV/PHEV vor allem in der Leistungsfähigkeit und Reichweite des elektrischen Antriebs gesteigert werden, indem Betriebsbremssystem und Antriebssystem unter Ausnutzung der Energierückgewinnung (Rekuperationsbrem- sung) besser verknüpft werden, um den Energiespeicher (Akku) nachzuladen oder aber überschüssige Wärmeenergie aus Antriebs- und Bremssystem umzuwandeln oder für andere Zwecke zu nutzen.
Obwohl heutzutage Betriebsbremsen in herkömmlichen Pkw vor allem wegen der Zusatzfunktionen, wie ESP (elektronisches Stabilitäts-Programm), ASR (Antischlupfregelung), ABS (Antiblockiersystem) etc., nicht mehr mittels mechanischer Verbindung, sondern elektronisch vom Bremspedal gesteuert werden, ist das Betriebsbremssystem selbst für reine E-Autos (BEV) immer noch strikt getrennt vom elektrischen Antriebssystem und mit den peripheren Bremseinrichtungen (luftgekühlte Scheibenbremsen an den Rädern des Fahrzeugs) als Gefahrenbremse eingerichtet.
Neuere Ansätze, von diesem luftgekühlten Trockenscheibenkonzept abzurücken, gehen zu getriebenahen Nassbremsen über, wodurch vor allem die Feinstaubbelastung und die Luftkühlkanäle eliminiert werden können. Da Elektrofahrzeuge aber keine Hydraulik benötigen und solche auch nicht ins Konzept vom sauberem Elektroauto passen würde, wird zur Betätigung von Nassbremsen einer elektromechanischen Ak- tuatorik aus Gründen von einfacher zu verlegender elektrischer Steuerleitungen, Gesamtbauraum und -gewicht sowie Kosten stets der Vorzug gegenüber einem zusätzlichen Hydrauliksystem gegeben.
Die elektromechanische Betätigung kann aber beispielsweise aus Gründen der absoluten Ausfallsicherheit der Betriebsbremse zum Problem werden, weil dazu weitere Batteriesteuerungselemente und/oder redundante Batteriepartitionierungen eingebaut werden müssen. Im Übrigen bringt die elektromechanische Betätigung wiederum erhöhte Verschleißanfälligkeit und Wartungsaufwände mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Möglichkeit zur Verbesserung der zuverlässigen Betätigung des Betriebsbremssystems für Elektro- oder Hybridfahrzeugen zu finden, die unter Einhaltung der Nachhaltigkeit durch Nassbremsenkonzepte sowie der Vorteile des elektrischen Antriebskonzepts die Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Betätigung des Betriebsbremssystems steigert.
Die Aufgabe wird bei einem Betriebsbremssystem in einem Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse, wobei das Betriebsbremssystem auf der Antriebsachse je Rad eine unabhängig steuerbare Betriebsbremseinrichtung aufweist, dadurch gelöst, dass die steuerbare Betriebsbremseinrichtung als eine ölbadbasierte Lamellennassbremse ausgebildet ist und einen hydraulischen Aktuator zur steuerbaren Bremsbetätigung mittels eines Druckölbremssystems aufweist.
Vorteilhaft umfasst das Druckölbremssystem eine oder mehrere elektrische Pumpen zur Druckerzeugung und Steuerung der Bremsleistung in Abhängigkeit von einer Bremspedalstellung.
Der hydraulische Aktuator zur steuerbaren Betätigung der Betriebsbremseinrichtung kann zusätzlich zur formschlüssigen Verriegelung einer Feststellbremse ausgebildet sein.
Zweckmäßig ist die Betriebsbremseinrichtung als eine fluidgekühlte Lamellennassbremse ausgebildet, die mit einer Kühleinrichtung in einen Kühlkreis eingebunden ist.
In einer bevorzugten Ausführung weist jede Betriebsbremseinrichtung eine Kühleinrichtung auf, die mit einer Kühleinrichtung einer Antriebseinheit über ein gemeinsames Wärmetauschersystem gekoppelt ist, wobei das Wärmetauschersystem für ein intelligentes Thermomanagement von Antriebseinheit, Betriebsbremseinrichtungen sowie die Steuerung des Wärmehaushalts von Heiz- oder Kühlsystemen des Fahrzeugs eingerichtet ist.
Das Wärmetauschersystem kann vorteilhaft mit Mitteln zur systemübergreifenden Steuerung von Rekuperationsbremsung der Antriebseinheit, Bremssteuerung der Betriebsbremseinrichtungen, Wärmekopplung von fluidgekühlten Betriebsbremseinrichtungen und Antriebseinheit in Verbindung stehen, um über das Wärmetauschersystem eine Verlagerung des thermischen Betriebspunktes der Antriebseinheit auf Basis einer gesteigerten Wärmeerzeugung durch verknüpfte Ansteuerung der Betriebsbremseinrichtungen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung der Antriebseinheit auszuführen.
Dabei kann das Druckölbremssystem eine teilweise Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen solange angepasst steuern, bis der thermische Betriebspunkt der Antriebseinheit durch in den Betriebsbremseinrichtungen und in der Antriebseinheit erzeugte Abwärme in einen gewünschten verschleißarmen Betriebsbereich verschoben ist.
Vorteilhaft wird das Druckölbremssystem die teilweise Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen weiter angepasst steuern, wenn der thermische Betriebspunkt der Antriebseinheit im verschleißarmen Betriebsbereich erreicht ist und vom Wärmetauschersystem ein Transport der in Antriebseinheit und Bremseinrichtungen erzeugten Abwärme für Heiz- und Temperierungszwecke im Fahrzeug aktiviert ist.
Zweckmäßig kann das Wärmetauschersystem die Mittel zur system übergreifenden Steuerung von Rekuperationsbremsung und Betriebsbremseinrichtungen für Zugriffe auf wenigstens einen der Faktoren aus Batterieladezustand, Soll-Zlst-Temperaturen von Energiespeicher, Antriebseinheit oder Fahrzeuginnenraum, Umgebungstemperatur, Gesamtsituation der Betriebsbremseinrichtungen, Soll/Ist-Bremsleistung, Fahrgeschwindigkeit, bisherigem Fahrerverhalten und Streckeninformationen freischalten.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse, das ein Betriebsbremssystem gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungen umfasst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass in modernen Kraftfahrzeugen beliebiger Antriebstechnik das Betriebsbremssystem aufgrund von integrierten Sicherheitsfunktionen, wie elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP), Antriebs-Schlupf-Regulierung (ASR), Antiblockiersystem (ABS) etc.) bereits grundlegende Voraussetzungen dafür erfüllt sind, das Betriebsbremssystem in das elektrische Antriebssystem weitergehend zu integrieren und dessen Nachhaltigkeit in Bezug auf das Nassbremskonzept zu verbessern. Dabei sind aber auch Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit in elektrischen Havariesituationen zu berücksichtigen.
Die vorliegende Erfindung zielt deshalb darauf ab, insbesondere bei einem Pkw mit einer so genannten E-Achse und mit als Nassbremsen ausgeführten Bremseinrichtungen einen deutlich reduzierten Verschleiß und Wartungsaufwand in einen vorhandenen Ölkühlkreis der Antriebseinheit einzubinden und dabei eine bisher priorisierte elektromechanische Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen durch eine alternative Betätigung mittels Druckhydraulik zu ersetzen. Diese hydraulische Betätigung der Bremseinrichtungen kam bei einer herkömmlich mit druckarm betriebenen Ölkreisläufen ausgestatteten E-Achse nicht in Betracht, da die Ölkreisläufe der Bremseinrichtungen und/oder des Wärmetauschers des Antriebsaggregats für eine hydraulische Bremsbetätigung der Nassbremse nicht einfach mitbenutzt werden kann. Die elektromechanische Aktuierung der Nassbremse durch hydraulische Druckbetätigung abzulösen, um Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Bremsbetätigung zu steigern, ist aus Bauraum-, Gewichts- und Kostengesichtspunkten bisher klar abgelehnt worden. Dennoch ist der für eine hydraulische Betätigung erforderliche Druckölkreis als eine probate Alternative in Betracht zu ziehen, wenn mittels kleiner leistungsfähiger elektrischer Pumpen Druckölkreise betrieben werden können oder ein Druckölsystem z.B. für Automatikgetriebe zum Einsatz kommt. Eine druckölhydraulische Betätigung könnte zudem altbewährte Vorteile an Wartungskomfort auch in Elektrofahrzeugen einbringen und elektrische Havariesituationen für die Betriebsbremse besser überbrücken lassen. Da eine Ölkreisfreiheit von Elektroautos ohnehin nicht realisiert werden kann, ist eine Druckölhydraulik zur Betätigung der Betriebsbremse immerhin eine angeratene Alternative, wenn insbesondere weitere öldruckgesteuerte Komponenten, wie beispielsweise Servolenkung o.ä., für Synergieeffekte genutzt werden können.
Durch die funktionale Ankopplung von nasslaufenden Betriebsbremseinrichtungen an die Antriebseinheit ergeben sich insgesamt folgende Vorteile:
- verschleißarme, wartungsfreie Bremse („Life-Time-Bremse“) unter Vermeidung der Feinstaubemission durch geschlossenes Nassbremsengehäuse und mögliche Integration ins Antriebsgehäuse,
- verbesserte Dimensionierung der Betriebsbremse durch Reibbelag als Kreisring, wodurch die Bremse einfach, bedarfsgerecht nach Fahrzeuggewicht und Antriebsaggregat skaliert werden kann,
- wirkungsgradoptimierte Auslegung der nassen Bremse durch rotationssymmetrische Reibbeläge (koaxiale Bremse), Separierungsfedern etc.
- aktive Kühlung der Betriebsbremsen über Ölkühlkreislauf der Antriebseinheit,
- Integration von Steuerung/Regelung des Betriebsbremssystems in bestehende Steuergeräte vom Antriebssystem (System integration, z.B. zentrales elektronisches Steuergerät), bessere Regelbarkeit der nassen Bremse und unmittelbare Kombination mit Rekuperationsmoment des Antriebssystems möglich,
- intelligentes Thermomanagement von Antriebs- und Betriebsbremssystem über gemeinsamen Wärmetauscher,
- elektrische Steuerung der Betriebsbremse durch Ausnutzung altbewährter Vorteile von hydraulischen Druckzylindern in Druckölkreis(en) mit kleinen leistungsfähigen elektrischen Pumpen.
Neben der direkten Ausnutzung der elektro-hydraulisch betätigten Betriebsbremse für eine erweiterte Bremssteuerung von Rekuperationsbremsung mit Gefahrenbremsvorgängen ist vor allem die zusammenwirkende Steuerung oder Regelung der Ölkreisläufe über ein gemeinsames Wärmetauschersystem von wesentlicher Bedeutung, wobei dadurch weitergehende Maßnahmen, wie das gemeinsame Thermomanagement von Antriebseinheit und Betriebsbremseinrichtungen, aber auch die Temperierung von Batterie- (Akku-) Packs und Innenraum des Elektroautos (Pkw) systemübergreifend beobachtet und gesteuert werden können.
Ein besonderer Effekt der gesamten E-Achse aus Antriebseinheit mit Nassbremse tritt bereits durch die einheitliche Steuerung eines gemeinsamen Wärmehaushalts ein.
Dadurch, dass ein zentrales Wärmetauschersystem eine Regelungsmöglichkeit vorsieht, ist infolge der Integration der Kühlkreisläufe von Betriebsbremseinrichtungen und Antriebseinheit ein für den Wechsel zwischen motorischem und generatorischem Betrieb (Rekuperation) der Antriebseinheit zuständiges Steuerungsmodul zusätzlich für neue Funktionen des Thermomanagements nutzbar. Als Synergieeffekt ergibt sich, dass Betriebszustände des Antriebssystems (zuzüglich des Batteriesystems) geregelt werden können, in denen beim Fahrzeugstart im Winter oder bei Langstreckenfahrten ohne wesentliche Geländeerhebungen sonst nicht der verschleißarm temperierte Arbeitsbereich der E-Achse erreicht wird. Somit kann bei geringer Belastung der Antriebseinheit und/oder bei niedriger Außentemperatur zur Anhebung des zu niedrigen Betriebspunktes des Antriebssystems mittels eines definierten Zuschaltens des Betriebsbremssystems die Last an der Antriebseinheit erhöht wird, um in beiden Systemen, Antriebs- und Betriebsbremssystem zusätzlich Wärme zu erzeugen, die insbesondere beim Kaltstart, eine schnellere Betriebspunktverlagerung erreicht.
Die elektro-hydraulische Betätigung des Betriebsbremssystems führt in diesem Zusammenwirken ebenfalls zu einer verschleißarmen Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen und deren zuverlässigeren Funktion.
Durch die Erfindung wird eine alternative Möglichkeit zur Verbesserung der zuverlässigen Betätigung des Betriebsbremssystems für Elektro- oder Hybridfahrzeugen realisiert, die unter Einhaltung der Nachhaltigkeit durch Nassbremsenkonzepte bei synergetischer wärme- und steuerungstechnischer Kopplung mit dem elektrischen Antriebssystem die Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Betätigung des Betriebsbremssystems steigert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Antriebsachse eines elektrisch getriebenen Kraftfahrzeugs mit nassen Betriebsbremseinheiten und hydraulisch betätigten Aktuatoren,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Betriebszustände am hydraulisch betätigten Aktuator bezüglich Bremsdruck am Hydraulikkolben und Bremswirkung am Beispiel der linken Betriebsbremseinheit.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau der Antriebsachse 1 eines Elektrofahrzeugs (BEV, HEV oder PHEV), die eine Antriebseinheit 2 (nachfolgend auch E-Maschine 2) umfasst, die ein Drehmoment erzeugt, welches über eine Übersetzungsstufe 4 und anschließend über ein Differential 3 auf eine Antriebsachse mit den Antriebsrädern 5 übertragen wird. Die E-Maschine 2 kann einen oder mehrere Elektromotoren enthalten, die entweder den alleinigen Antrieb darstellen oder als Teil eines Hybridantriebs arbeiten können. Die E-Maschine 2 umfasst sämtliche notwendigen Elektronik für deren Ansteuerung und Betrieb sowie notwendige oder optionale Sensorik.
Auf der Antriebsachse 1 befindet sich zu beiden Seiten des Differentials 3 eine Betriebsbremseinrichtung 6, die als nasslaufende Lamellenbremse ausgebildet ist und das Elektrofahrzeug durch Erzeugen eines Bremsmoments verzögern kann.
In beiden Betriebsbremseinrichtungen 6 befindet sich jeweils ein vom Aufbau identisches Bremssystem aus Lamellennassbremse, einem elektrohydraulisch angesteuerten Aktuator 10 sowie einer Rückstellfeder 8, die den jeweiligen Aktuator 10 in einer linken Nulllage N-L für die linke Bremse B-L und einer rechten Nulllage N-R für die rechte Bremse B-R.
Als konkrete Ausführung der Betriebsbremseinrichtungen 6 sind Lamellennassbremsen eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass es sich um Vollscheibenbremsen handelt, bei denen die gesamte Bremsscheibenfläche als Reibfläche zum Verzögern genutzt wird und die komplett in einem Ölbad laufen. Dabei werden im Ölbad mehrere Innen- und Außenlamellen axial gegeneinandergepresst, wodurch die erforderliche Bremsreibung entsteht. Durch die Variation von Anzahl und Größe der Lamellen
eröffnen sich beste Möglichkeiten für die Skalierung der Bremse und die Anwendung eines Baukastensystems je nach Fahrzeuggewicht und Antriebseinheit 2 etc.
Die Bremswirkung wird in beiden mit Lamellennassbremsen bestückten Betriebsbremseinrichtungen 6 über einen durch den hydraulischen Aktuator 10 bewirkten Kraftschluss erzeugt, wobei der Aktuator 10 durch das Druckölsystem 9 elektro-hyd- raulisch gesteuert wird.
Die Kraftwirkung am Aktuator 10 und die Bremswirkung der Betriebsbremseinrichtung 6 sind in den beiden Diagrammen von Fig. 2 schematisch als Zeitverläufe am Beispiel der linken Bremse qualitativ dargestellt und verdeutlichen die hervorragende Umsetzung von Kraftanstieg am Kolben des Aktuators in Bremswirkung auf die Antriebsachse 1 bzw. Rad 5.
Die Ausführung als nasse verschleißarme, wartungsfreie Lamellenbremse (Life- Time-Bremse) ergibt außerdem solche Vorteile, wie die Reduktion von Bremseinflüssen auf das Fahrverhalten aufgrund der koaxiale Bremse (rotationssymmetrische Reibbeläge), Wirkungsgradoptimierung durch die Anordnung und Dimensionierung der Separierungsfedern, der Art, Anzahl und Durchmesser der Reibbeläge sowie Eliminierung der Umwelteinflüsse, wie Wasser, Schmutz, Salz etc., auf das Bremsverhalten und Vermeidung von Standschäden, wie sie häufig an trockenen Scheibenbremsen zu verzeichnen sind.
Die Steuerung der Betriebsbremseinichtungen 6 im Zusammenwirken mit der Antriebseinheit 2 kann neben der besseren Regelfähigkeit des Betriebsbremseinrichtungen 6 aufgrund der nassen Bremse vor allem durch kurze Regelstrecken und geringere Störanfälligkeit der druckölhydraulischen Betätigung der Betriebsbremseinichtungen 6 verbessert werden.
Des Weiteren ist bei der Ausführung als Nassbremse besonders vorteilhaft, dass die Abführung von Reibungswärme durch einen Volumenstrom einer Kühlflüssigkeit erfolgt. Die Abwärme kann somit auch besonders günstig über das Wärmetauschersystem 7 zu weiter entfernten Positionen (nicht gezeichnet) im Fahrzeug transportiert
werden, wo sie beispielsweise zum Heizen des Innenraums, Temperieren des Bateriepacks usw. genutzt oder an die Umgebung abgegeben werden kann.
Wie in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt, kann es beim Abführen der in Wärme umgewandelten Bremsenergie vorteilhaft sein, dasselbe Kühlmedium zu nutzen, wie es für die Antriebseinheit 2 verwendet wird.
Bei der so ergänzten Ausführung der Antriebsachse 1 wird eine durch das gemeinsame Wärmetauschersystem 7 erfolgte Vereinigung von Antriebs- und Bremsenkühlung erreicht, die ein optimertes Thermomanagement bietet.
Ein gemeinsamer Wärmehaushalt über das Wärmetauschersystem 7 eröffnet eine strategiefähige Energierückgewinnung. Das nasslaufende Betriebsbremssystem mit den Betriebsbremseinichtungen 6 bietet die Möglichkeit, die Bremsenergie zur Erwärmung des Kühl-ZSchmiermediums des gemeinsamen Wärmehaushalts (z. B. Öl) zu nutzen, statt diese Energie einfach nur an die Umgebung abzugeben. Die dadurch gewonnene Wärmeenergie wird dem primären Wärmehaushalt (Wärmetauschersystem 7) oder optional dem peripheren Wärmehaushalt (z. B. Batteriezellenheizung oder Innenraumheizung) zur Verfügung gestellt.
Zusätzlich wird das Problem des recht moderaten, ungleichmäßigen Aufheizverhaltes der elektrischen Antriebseinheit 2 inklusive Fahrzeugkühlkreis des Wärmetauschersystems 7 durch eine nun mögliche Betriebspunktverlagerung der elektrischen Antriebseinheit 2 bei gleichzeitiger Rückführung der Wärmeenergie - durch die Wärmekopplung der Kühleinrichtungen 71 der elektrischen Antriebseinheit 2 und der Betriebsbremseinrichtungen 6 - in das Fahrzeugsystem gelöst (Komponenten und Kühlkreislauf).
Eine vorteilhafte Funktion der Wärmekopplung von Antriebseinheit 2 und Betriebsbremseinrichtungen 6 wird in der Weise erreicht, dass bei geringer Belastung der Antriebseinheit 2 und/oder bei niedriger Außentemperatur zur Anhebung des zu niedrigen Betriebspunktes der Antriebseinheit 2 durch ein definiertes Zuschalten des Betriebsbremseinichtungen 6 bei konstant gehaltener (z.B. drehzahlgesteuerter) Fahrgeschwindigkeit des Pkw die Last an der Antriebseinheit 2 erhöht wird, um in beiden
Komponenten, der Antriebseinheit 2 und der Betriebsbremseinrichtungen, zusätzlich Wärme zu erzeugen, die vornehmlich die Antriebseinheit 2 auf die gewünschte Betriebstemperatur im verschleißarmen Arbeitsbereich aufwärmt und bei zusätzlichem Heizbedarf für Batteriepack und/oder Innenraum des Pkw diesen erzwungenen erhöhten Lastzustand weiter aufrechterhält. Die so definierte Betriebsart mittels systemübergreifend gesteuerten Thermomanagements führt bei der vorteilhaften Wärmekopplung von Antriebseinheit 2 und Betriebsbremseinrichtungen 6 zu einer schnelleren Betriebspunktverlagerung, insbesondere beim Kaltstart der elektrischen Antriebsachse 1 im Winter. Dieses Aufwärmregime kann aber auch in der kalten Jahreszeit bei Langstreckenfahrten über flaches Streckenprofil zur Gewährleistung des optimalen verschleißarmen Betriebszustandes oder zur Fahrzeugheizung genutzt werden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungskonzept der Erfindung wird die Abkehr vom Prinzip der Trockenbremse als Betriebsbremssystem durch nasslaufende Bremsen fortgesetzt in Form von nassen Lamellenscheibenbremsen als Betriebsbremseinheiten 6, die von einem hydraulischen Aktuator 10 mittels eines elektro-hyd- raulisch gesteuerten Druckölbremssystems 9 betätigt werden. Mit dem Ölbad jeder Betriebsbremseinheit 6 ist eine weitergehende Kombination von deren Kühleinrichtungen 71 in ein gemeinsames Wärmetauschersystem 7 im Zusammenwirken mit der Kühleinrichtung 71 der Antriebseinheit 2 möglich, die zu Synergieeffekten der erfindungsgemäßen Betriebsbremseinheiten 6 der E-Achse 1 mit der Antriebseinheit 2 und dem Wärmetauscher 7 und zu einem optimierten Thermomanagement führt.
Bezuqszeichen
Antriebsachse (E-Achse)
Antriebseinheit (E-Maschine)
Differential
Übersetzungsstufe
Rad
Betriebsbremseinrichtung (Lamellennassbremse)
Wärmetauschersystem
Kühleinrichtung
Rückstellfeder
Druckölbremssystem (Druckölhydraulik)
(hydraulischer) Aktuator
Claims
1. Betriebsbremssystem in einem Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse (1), wobei das Betriebsbremssystem auf der Antriebsachse (1 ) je Rad
(5) eine unabhängig steuerbare Betriebsbremseinrichtung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Betriebsbremseinrichtung (6) als eine ölbadbasierte Lamellennassbremse ausgebildet ist und einen hydraulischen Aktuator (10) zur steuerbaren Bremsbetätigung mittels eines Druckölbremssystems (9) aufweist.
2. Betriebsbremssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckölbremssystem (9) elektrische Pumpen zur Druckerzeugung und Steuerung der Bremsleistung in Abhängigkeit einer Bremspedalstellung umfasst.
3. Betriebsbremssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Aktuator (10) zur steuerbaren Betätigung der Betriebsbremseinrichtung
(6) zusätzlich zur formschlüssigen Verriegelung einer Feststellbremse ausgebildet ist.
4. Betriebsbremssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbremseinrichtung (6) als eine fluidgekühlte Lamellennassbremse ausgebildet ist.
5. Betriebsbremssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede Betriebsbremseinrichtung (6) eine Kühleinrichtung (71 ) aufweist, die mit einer Kühleinrichtung (71 ) der Antriebseinheit (2) über ein gemeinsames Wärmetauschersystem (7) gekoppelt ist, wobei das Wärmetauschersystem (7) für intelligentes Thermomanagement von Antriebseinheit (2), Betriebsbremseinrichtungen (6) sowie die Steuerung des Wärmehaushalts von Heiz- oder Kühlsystemen des Fahrzeugs eingerichtet ist.
6. Betriebsbremssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschersystem (7) mit Mitteln zur systemübergreifenden Steuerung von Re- kuperationsbremsung der Antriebseinheit (2), Bremssteuerung der Betriebsbremseinrichtungen (6), Wärmekopplung von fluidgekühlten Betriebsbremseinrichtungen (6) und Antriebseinheit (2) in Verbindung steht, um über das Wärmetauschersystem (7)
eine Verlagerung des thermischen Betriebspunktes der Antriebseinheit (2) auf Basis einer gesteigerten Wärmeerzeugung durch verknüpfte Ansteuerung der Betriebsbremseinrichtungen (6) bei gleichzeitiger Leistungssteigerung der Antriebseinheit (2) auszuführen.
7. Betriebsbremssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckölbremssystem (9) eine teilweise Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen (6) solange angepasst steuert, bis der thermische Betriebspunkt der Antriebseinheit (2) durch in den Betriebsbremseinrichtungen (6) und in der Antriebseinheit (2) erzeugte Abwärme in einen gewünschten verschleißarmen Betriebsbereich verschoben ist.
8. Betriebsbremssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckölbremssystem (9) die teilweise Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen (6) weiter angepasst steuert, wenn der thermische Betriebspunkt Antriebseinheit (2) des verschleißarmen Betriebsbereichs erreicht ist und vom Wärmetauschersystem (7) ein Transport der in Antriebseinheit (2) und Betriebsbremseinrichtungen (6) erzeugten Abwärme für Heiz- und Temperierungszwecke im Fahrzeug aktiviert ist.
9. Betriebsbremssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschersystem (7) die Mittel zur system übergreifenden Steuerung von Reku- perationsbremsung und Betriebsbremseinrichtungen (6) für Zugriffe auf wenigstens einen der Faktoren aus Batterieladezustand, Soll-/Ist-Temperaturen von Energiespeicher, Antriebseinheit (2) oder Fahrzeuginnenraum, Umgebungstemperatur, Gesamtsituation des Betriebsbremseinrichtungen (6), Soll/Ist-Bremsleistung, Fahrgeschwindigkeit, bisherigem Fahrverhalten und Streckeninformationen freischaltet.
10. Fahrzeug mit mindestens einer elektrischen Antriebsachse (1 ) umfassend ein Betriebsbremssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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