WO2023241971A1 - Service brake system for electrically powered vehicles with coupled coolant circuits of drive and brake - 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
Description
BETRIEBSBREMSSYSTEM FÜR ELEKTRISCH ANGETRIEBENE FAHRZEUGE MIT GEKOPPELTEN KÜHLKREISEN VON ANTRIEB UND BREMSE OPERATING BRAKE SYSTEM FOR ELECTRICALLY DRIVEN VEHICLES WITH COUPLED COOLING CIRCUIT OF DRIVE AND BRAKE
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. 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.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insbesondere in der Automobilindustrie auf dem Gebiet der Elektro- oder Hybridfahrzeuge, vorzugweise bei der Effizienzsteigerung von Hauptbetriebskomponenten der Elektromobilität. 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.
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. The state of the art of the service brake system in passenger cars is currently - regardless of the drive concept (electric, hybrid or combustion drive) - an air-cooled disc brake close to the wheel for each wheel. This is also the predominant type of service brake for electric vehicles works independently of the drive concept. Disadvantages of this service brake system are air cooling, fine dust pollution, maintenance effort, influence on vehicle geometry, drag losses, 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). For electric or hybrid vehicles, often also referred to as BEV - Battery Electric Vehicle or (P)HEV - (Plug-In) Hybrid Electric Vehicle, the air cooling of the disc brake is associated with the undesirable side effects of friction-related wear and fine dust emissions, due to friction and weather high maintenance requirements as well as limitations in the vehicle design due to the necessary ventilation ducts are a very important problem for the intended environmental friendliness of the electric car (passenger car).
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. Furthermore, in disc brakes, 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.
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. In addition, BEV and HEV/PHEV should be increased, especially in terms of the performance and range of the electric drive, by better linking the service braking system and drive system using energy recovery (recuperation braking) in order to recharge the energy storage (battery) or excess thermal energy from the drive - and braking system or to use it for other purposes.
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. Although today service brakes in conventional cars are no longer controlled by a mechanical connection, but electronically from the brake pedal, mainly because of additional functions such as ESP (electronic stability program), ASR (anti-slip regulation), ABS (anti-lock braking system), etc., the service brake system itself for pure electric cars (BEVs) are still strictly separated from the electric drive system and with the peripheral braking devices (air-cooled disc brakes on the vehicle wheels) set up as a danger brake.
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. Newer approaches to moving away from this air-cooled dry disc concept are moving to wet brakes close to the transmission, which means that fine dust pollution and the air cooling channels can be eliminated. However, since electric vehicles do not require hydraulics and would not fit into the concept of a clean electric car, an electromechanical actuator system is always preferred over an additional hydraulic system for operating wet brakes for reasons of easier-to-lay electrical control cables, overall installation space and weight as well as costs given.
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. However, the electromechanical actuation can become a problem, for example for reasons of absolute reliability of the service brake, because additional battery control elements and/or redundant battery partitions have to be installed. Furthermore, the electromechanical actuation in turn entails increased susceptibility to wear and maintenance costs. The invention is based on the object of finding 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 and the advantages of the electric drive concept.
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. The object is achieved in a service brake system in a vehicle with at least one electric drive axle, the service brake system having an independently controllable service brake device for each wheel on the drive axle, in that the controllable service brake device is designed as an oil-bath-based multi-disc wet brake and has a hydraulic actuator for controllable brake actuation by means of of a pressure oil brake system.
Vorteilhaft umfasst das Druckölbremssystem eine oder mehrere elektrische Pumpen zur Druckerzeugung und Steuerung der Bremsleistung in Abhängigkeit von einer Bremspedalstellung. The pressure oil brake system advantageously includes one or more electric pumps for generating pressure and controlling the braking power depending on a brake pedal position.
Der hydraulische Aktuator zur steuerbaren Betätigung der Betriebsbremseinrichtung kann zusätzlich zur formschlüssigen Verriegelung einer Feststellbremse ausgebildet sein. The hydraulic actuator for the controllable actuation of the service brake device can also be designed for the positive locking of a parking brake.
Zweckmäßig ist die Betriebsbremseinrichtung als eine fluidgekühlte Lamellennassbremse ausgebildet, die mit einer Kühleinrichtung in einen Kühlkreis eingebunden ist. The service brake device is expediently designed as a fluid-cooled multi-disc wet brake, which is integrated into a cooling circuit with a cooling device.
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. In a preferred embodiment, 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.
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. The pressure oil brake system can control a partial actuation of the service brake devices in an adapted manner until the thermal operating point of the drive unit is shifted into a desired low-wear operating range by waste heat generated in the service brake devices and in the drive unit.
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. Advantageously, the pressure oil brake system will further adapt the partial actuation of the service brake devices when the thermal operating point of the drive unit is reached in the low-wear operating range and the heat exchanger system activates the transport of the waste heat generated in the drive unit and braking devices for heating and temperature control purposes in the vehicle.
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. The heat exchanger system can expediently use the means for system-wide control of recuperation braking and service braking devices for access to at least one of the factors from the battery charge status, target/current temperatures of energy storage, drive unit or vehicle interior, ambient temperature, overall situation of the service braking devices, target/actual braking power, driving speed, Unlock previous driver behavior and route information.
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. The object is further achieved by 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.
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: 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. Replacing the electromechanical actuation of the wet brake with hydraulic pressure actuation in order to increase the reliability and ease of maintenance of the brake actuation has so far been clearly rejected for reasons of installation space, weight and cost. Nevertheless, the pressure oil circuit required for hydraulic actuation should be considered as a viable alternative if pressure oil circuits can be operated using small, powerful electric pumps or if a pressure oil system is used, for example for automatic transmissions. Pressure-oil-hydraulic actuation could also bring tried-and-tested advantages in terms of maintenance convenience to electric vehicles and make it easier to overcome electrical accident situations for the service brake. Since electric cars cannot have an oil circuit-free system anyway, pressurized oil hydraulics for actuating the service brake are at least a recommended alternative, especially if other oil pressure-controlled components, such as power steering or similar, can be used for synergy effects. The functional coupling of wet-running service brake devices to the drive unit results in the following overall advantages:
- verschleißarme, wartungsfreie Bremse („Life-Time-Bremse“) unter Vermeidung der Feinstaubemission durch geschlossenes Nassbremsengehäuse und mögliche Integration ins Antriebsgehäuse, - low-wear, maintenance-free brake (“life-time brake”) while avoiding fine dust emissions thanks to the closed wet brake housing and possible integration into the drive housing,
- verbesserte Dimensionierung der Betriebsbremse durch Reibbelag als Kreisring, wodurch die Bremse einfach, bedarfsgerecht nach Fahrzeuggewicht und Antriebsaggregat skaliert werden kann, - Improved dimensioning of the service brake using a friction lining as a circular ring, which means that the brake can be easily scaled according to vehicle weight and drive unit as required,
- wirkungsgradoptimierte Auslegung der nassen Bremse durch rotationssymmetrische Reibbeläge (koaxiale Bremse), Separierungsfedern etc. - Efficiency-optimized design of the wet brake through rotationally symmetrical friction linings (coaxial brake), separation springs, etc.
- aktive Kühlung der Betriebsbremsen über Ölkühlkreislauf der Antriebseinheit,- active cooling of the service brakes via the oil cooling circuit of the drive unit,
- 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, - Integration of control/regulation of the service brake system into existing drive system control devices (system integration, e.g. central electronic control device), better controllability of the wet brake and direct combination with recuperation torque of the drive system possible,
- intelligentes Thermomanagement von Antriebs- und Betriebsbremssystem über gemeinsamen Wärmetauscher, - intelligent thermal management of the drive and service brake system via a common heat exchanger,
- elektrische Steuerung der Betriebsbremse durch Ausnutzung altbewährter Vorteile von hydraulischen Druckzylindern in Druckölkreis(en) mit kleinen leistungsfähigen elektrischen Pumpen. - Electrical control of the service brake by utilizing the tried and tested advantages of hydraulic pressure cylinders in pressure oil circuit(s) with small, powerful electric pumps.
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. In addition to the direct use of the electro-hydraulically operated service brake for extended brake control of recuperation braking with emergency braking processes, the cooperative control or regulation of the oil circuits via a common heat exchanger system is of essential importance, which means that further measures such as the common thermal management of the drive unit and service brake devices, but also the temperature control of battery packs and the interior of the electric car (passenger car) can be monitored and controlled across systems. A special effect of the entire e-axle consisting of a drive unit with wet brake occurs through the uniform control of a common heat balance.
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. Because a central heat exchanger system provides a control option, as a result of the integration of the cooling circuits of service braking devices and drive unit, a control module responsible for switching between motor and generator operation (recuperation) of the drive unit can also be used for new thermal management functions. The synergy effect is that operating states of the drive system (plus the battery system) can be regulated in which the low-wear temperature working range of the e-axle is not otherwise reached when starting the vehicle in winter or on long-distance journeys without significant terrain elevations. Thus, 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.
Die elektro-hydraulische Betätigung des Betriebsbremssystems führt in diesem Zusammenwirken ebenfalls zu einer verschleißarmen Aktuierung der Betriebsbremseinrichtungen und deren zuverlässigeren Funktion. In this interaction, the electro-hydraulic actuation of the service brake system also leads to low-wear actuation of the service brake devices and their more reliable function.
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. 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Antriebsachse eines elektrisch getriebenen Kraftfahrzeugs mit nassen Betriebsbremseinheiten und hydraulisch betätigten Aktuatoren, In the drawings show: 1: a schematic representation of a drive axle of an electrically driven motor vehicle with wet service brake units and hydraulically operated actuators,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Betriebszustände am hydraulisch betätigten Aktuator bezüglich Bremsdruck am Hydraulikkolben und Bremswirkung am Beispiel der linken Betriebsbremseinheit. Fig. 2: a schematic representation of the operating states on the hydraulically operated actuator with regard to brake pressure on the hydraulic piston and braking effect using the example of the left service brake unit.
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. 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.
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. 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.
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. In 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 .
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. As a specific version of the service brake devices 6, multi-disc wet brakes are used, which are characterized by the fact that they are solid disc brakes in which the entire brake disc surface is used as a friction surface for deceleration and which run completely in an oil bath. In the oil bath, several inner and outer disks are pressed axially against each other, which creates the necessary braking friction. By varying the number and size of the slats This opens up the best options for scaling the brake and using a modular system depending on the vehicle weight and drive unit 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. 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.
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. The force effect on the actuator 10 and the braking effect of the service brake device 6 are qualitatively shown schematically in the two diagrams of FIG 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. The design as a wet, low-wear, maintenance-free multi-disc brake (life-time 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.
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. The control of the service brake devices 6 in cooperation with the drive unit 2 can be improved in addition to the better control ability of the service brake devices 6 due to the wet brake, especially through short control routes and less susceptibility to failure of the pressure oil-hydraulic actuation of the service brake devices 6.
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. Furthermore, when designed as a wet brake, it is particularly advantageous that frictional heat is dissipated by a volume flow of coolant. The 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.
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. As shown with dashed lines in FIG. 1, when dissipating the braking energy converted into heat, it can be advantageous to use the same cooling medium as is used for the drive unit 2.
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. With the thus supplemented design of the drive axle 1, a combination of drive and brake cooling is achieved through the common heat exchanger system 7, which offers optimized thermal management.
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. A shared heat balance via the heat exchanger system 7 opens up strategic energy recovery. The wet-running service brake system with the service brake devices 6 offers the possibility of using the braking energy to heat the cooling and lubricating medium of the common heat balance (e.g. oil) instead of simply releasing this energy into the environment. The heat energy obtained in this way is made available to the primary heat balance (heat exchanger system 7) or optionally to the peripheral heat balance (e.g. battery cell heating or interior heating).
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). In addition, 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).
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. 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. The operating mode defined in this way by means of thermal management controlled across systems leads to a faster shift in the operating point due to the advantageous thermal coupling of the drive unit 2 and service braking devices 6, in particular when the electric drive axle 1 is started cold in winter. This warm-up regime can also be used in the cold season on long-distance journeys over flat route profiles to ensure optimal, low-wear operating conditions or to heat the vehicle.
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. With the embodiment concept of the invention described above, the departure from the principle of the dry brake as a service brake system is continued by wet brakes in the form of wet multi-disc brakes as service brake units 6, which are actuated by a hydraulic actuator 10 by means of an electro-hydraulically controlled pressure oil brake system 9. With the oil bath of each service brake unit 6, a further combination of their cooling devices 71 into a common heat exchanger system 7 is possible in cooperation with the cooling device 71 of the drive unit 2, which leads to synergy effects of the service brake units 6 of the E-axis 1 according to the invention with the drive unit 2 and the heat exchanger 7 and leads to optimized thermal management.
Bezuqszeichen reference symbol
Antriebsachse (E-Achse) Drive axle (E-axle)
Antriebseinheit (E-Maschine) Drive unit (electric machine)
Differential differential
Übersetzungsstufe Translation stage
Rad wheel
Betriebsbremseinrichtung (Lamellennassbremse)Service brake device (disc wet brake)
Wärmetauschersystem Heat exchanger system
Kühleinrichtung Cooling device
Rückstellfeder return spring
Druckölbremssystem (Druckölhydraulik)Pressure oil brake system (pressure oil hydraulics)
(hydraulischer) Aktuator (hydraulic) actuator
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