Elektroantrieb Funktion

Funktionsvoraussetzungen allgemein

 Klemme 15

Funktionsbeschreibung Elektroantrieb allgemein

Der Elektroantrieb besteht aus der Elektrischen Maschine (A79/3), dem Getriebe und dem Steuergerät Leistungselektronik (N147/2). Das Vortriebsmanagement erfolgt durch das Steuergerät Antriebsstrang (N127) (Mastersteuergerät). Dieses liest das Signal des Fahrpedalsensors (B37) direkt ein. Das Energiemanagement erfolgt durch das Steuergerät Leistungselektronik. Andere für die Fahrzeugsteuerung relevante Daten (z. B. eingelegte Fahrstufe, Status des Bremspedals) werden über den Fahrwerk-CAN (CAN E) eingelesen.

Aus diesen Daten ermittelt das Steuergerät Antriebsstrang den Leistungsbedarf des Elektroantriebs und fordert diesen über den Fahrzeug-CAN (CAN V), das Steuergerät Antriebsstrang Gateway (N93/8) und den Elektroantriebs-CAN (CAN EL) beim Steuergerät Leistungselektronik an. Das Steuergerät Leistungselektronik steuert über den integrierten Gleichrichter die Elektrische Maschine mit 3-Phasen-Wechselspannung an und überwacht die Elektrische Maschine bezüglich Temperatur und erzeugtem Antriebsmoment. Die Elektrische Maschine überträgt das Antriebsmoment über ein fest untersetztes Getriebe (i = 9,73:1) auf die Antriebswellen und die Vorderräder.

Um den Elektroantrieb vor Überhitzung zu schützen, werden die Elektrische Maschine und das Steuergerät Leistungselektronik vom Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf gekühlt.

Informationen über den Energiefluss und den Ladezustand der Hochvoltbatterie (G5) erhält der Fahrer über das Kombiinstrument (A1) und über das Audio-/COMAND-Display (A40/8).

Die Funktionsbeschreibung Elektroantrieb gliedert sich wie folgt:

 Fahrtrichtung

 Getriebe

 Fahrbetrieb

 Schubbetrieb

 Bordnetzstützung

 Hochvolt-Schnellentladung im Crash-Fall

 Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf

 Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislauf

 Leistungsreduzierung

Fahrtrichtung

Die Fahrtrichtung wird vom Fahrer über das Wählen der Fahrstufe über den DIRECT SELECT-Wählhebel (S16/13) vorgegeben. Der DIRECT SELECT-Wählhebel wird vom Steuergerät Mantelrohrmodul (N80) eingelesen. Dieses übermittelt die Schaltsignale über den Fahrwerk-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang

Das Steuergerät Antriebsstrang fordert die der Wählhebelstellung entsprechende Fahrtrichtung beim Steuergerät Leistungselektronik an. Das Steuergerät Leistungselektronik steuert über den integrierten Gleichrichter die Elektrische Maschine mit 3-Phasen-Wechselspannung an.

Die Rückwärtsfahrt bei Wählhebelstellung "R" wird hierbei durch Drehrichtungsumkehr der Elektrischen Maschine realisiert.

Getriebe

Das Getriebe ist als fest übersetztes Einstufengetriebe mit integriertem Kegelraddifferenzial ausgeführt.

Im Kegelraddifferenzial findet der Drehmomentenangleich der Antriebsräder statt.

Das Einlegen der Parksperre erfolgt ohne mechanische Anbindung des DIRECT SELECT-Wählhebels an das Parksperrenmodul im Getriebe rein elektrisch.

Weitere Informationen zum Einlegen der Parksperre befinden sich im Dokument Parksperrensteuerung Funktion

Fahrbetrieb

Im Fahrbetrieb erfolgt die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Antriebsenergie aus der Hochvoltbatterie. Dazu wird die Hochvolt-Gleichspannung aus der Hochvoltbatterie über elektrische Leitungen und den Hochvolt-Energieverteiler (F19/3) zum Steuergerät Leistungselektronik geleitet. Im Steuergerät Leistungselektronik wird die Hochvolt-Gleichspannung im integrierten Gleichrichter in eine 3-Phasen-Wechselspannung umgewandelt und der Elektrischen Maschine zugeführt. Das Steuergerät Leistungselektronik liest und wertet über den Positionssensor Rotor Elektrische Maschine (L20) permanent die Position, Drehzahl und Temperatur der Elektrischen Maschine aus. Zudem überwacht das Steuergerät Leistungselektronik den Status des im Steuergerät Leistungselektronik integrierten Gleichrichters. Den Status der Elektrischen Maschine und des Gleichrichters übermittelt das Steuergerät Leistungselektronik über den Elektroantriebs-CAN, das Steuergerät Antriebsstrang Gateway und den Fahrzeug-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang. Das Steuergerät Antriebsstrang erstellt aus diesen Daten Prognosen über die Leistungsfähigkeit des Elektroantriebs.

Auf Grundlage dieser Prognosen fordert das Steuergerät Antriebsstrang die Leistungsvorgaben über den Fahrzeug-CAN, das Steuergerät Antriebsstrang Gateway und den Elektroantriebs-CAN beim Steuergerät Leistungselektronik an.

Das Steuergerät Leistungselektronik regelt in Abhängigkeit der Leistungsvorgaben über den Gleichrichter die Frequenz und Amplitude der Wechselspannung und damit direkt das erzeugte Antriebsmoment.

Abhängig von Geschwindigkeit (eingelesen vom Drehzahlsensor Vorderachse links (L6/1), Drehzahlsensor Vorderachse rechts (L6/2), Drehzahlsensor Hinterachse links (L6/3) und Drehzahlsensor Hinterachse rechts (L6/4)) und Fahrpedalstellung (eingelesen vom Fahrpedalsensor (B37)) wird zwischen 0 bis 30 km/h einen Warnton über den Soundgenerator Elektrofahrzeug (H4/16) ausgegeben. Bei Geschwindigkeiten größer 30 km/h wird der Soundgenerator deaktiviert, da die Roll- und Windgeräusche des Fahrzeugs laut genug sind.

Schubbetrieb

Wird das Fahrpedal bei rollendem Fahrzeug nicht betätigt, wird je nach Fahrsituation frei gerollt oder es kann Bewegungsenergie über die Elektrische Maschine aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt werden (Rekuperation). Die Umwandlung der elektrischen Energie in ein mechanisches Bremsmoment simuliert hierbei das Motorschleppmoment eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor und kann in bis zu 3 Fahrstufen eingestellt werden.

Die im Schubbetrieb gewonnene Energie dient zur Versorgung der Hochvoltverbraucher und zum Laden der Hochvoltbatterie. Dazu wird die von der Elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie über den Gleichrichter in das Hochvolt-Bordnetz zurückgespeist.

Die Steuereinheit COLLISION PREVENTION ASSIST (A90) (bis Modell-J. 2015 mit CODE 258 (Collision Prevention Assist), ab Modell-J. 2015 mit CODE 258 (COLLISION PREVENTION ASSIST PLUS) oder mit CODE 252 (COLLISION PREVENTION ASSIST)) erfasst den Abstand und die Relativgeschwindigkeit zum vorausfahrenden Fahrzeug und sendet diese über den Fahrwerk-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang. Das einzustellende Motorschleppmoment wird abhängig von der Fahrsituation im Steuergerät Antriebsstrang automatisch stufenlos eingestellt. Der Arbeitsbereich entspricht, den manuell über die Lenkradschalttaste hochschalten (S111/1) und die Lenkradschalttaste zurückschalten (S110/1) (mit CODE 428 (Lenkrad-Schalttasten)) wählbaren Fahrstufen. Die Signale der Lenkradschalttasten werden über die Lenkradelektronik (N135) eingelesen, über Lenkungs-LIN (LIN E1), das Steuergerät Mantelrohrmodul und Fahrwerk-CAN zum Steuergerät Antriebsstrang gesendet.

Der Fahrer hat über die Lenkradschalttaste hochschalten oder die Lenkradschalttaste zurückschalten (mit CODE 428 (Lenkrad-Schalttasten)) die Möglichkeit, die Rekuperation im Schubbetrieb zu erhöhen oder zu verringern. Dazu stehen dem Fahrer 3 Fahrstufen zur Verfügung:

 D+(Schubbetrieb)

Fahren ohne viel Bremsen, ohne Hindernisse und scharfe Kurven. Dem Fahrzeug bleibt die maximal mögliche kinetische Energie erhalten.

Der Radarbereich vorm Fahrzeug wird von der Steuereinheit COLLISION PREVENTION ASSIST (bis Modell-J. 2015 mit CODE 258 (Collision Prevention Assist), ab Modell-J. 2015 mit CODE 258 (COLLISION PREVENTION ASSIST PLUS) oder mit CODE 252 (COLLISION PREVENTION ASSIST)) überwacht. Wird kein Objekt erfasst, wird dies über den Fahrwerk-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang gesendet. Das Steuergerät Antriebsstrang sendet die Anforderung für das freie Rollen (Schubbetrieb) über Fahrzeug-CAN und Elektroantriebs-CAN mit der Schnittstelle Steuergerät Antriebsstrang Gateway an das Steuergerät Leistungselektronik. Das Steuergerät Leistungselektronik nimmt eine eventuell vorhergehende Ansteuerung der Elektrischen Maschine (rekuperativ oder motorisch) zurück.

 D

Normales Fahren

 D-

Sportliches Fahren. Das Bremspedal muss weniger benutzt werden, da die Stärke der Verzögerung größer ist als in D. Die Energieausnutzung beim Verzögern ist wesentlich höher als beim Bremsen mit dem Bremspedal.

 DAUTO

Die Höhe der Rekuperation wird automatisch an die aktuelle Verkehrssituation angepasst.

Durch die relative Geschwindigkeit und den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug wird eine Sollverzögerung (negative Beschleunigung) berechnet. Hieraus entsteht eine Wunschkraft bzw. Wunschmoment, welches als Motorschleppmoment gestellt wird. Das Verzögern über eine Erhöhung des Rekuperationsmoments tritt in Kraft beim Auffahren auf ein langsameres Fahrzeug, ein Auffahren auf ein verzögerndes Fahrzeug oder Folgefahrten bergab.

Die relative Geschwindigkeit und der Abstand werden von der Steuereinheit COLLISION PREVENTION ASSIST (bis Modell-J. 2015 mit CODE 258 (Collision Prevention Assist), ab Modell-J. 2015 mit CODE 258 (COLLISION PREVENTION ASSIST PLUS) oder mit CODE 252 (COLLISION PREVENTION ASSIST)) erfasst und über den Fahrwerk-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang gesendet. Das Steuergerät Antriebsstrang berechnet die entsprechende Sollverzögerung und sendet die Anforderung für das rekuperative Bremsmoment über den Fahrzeug-CAN und den Elektroantriebs-CAN mit der Schnittstelle Steuergerät Antriebsstrang Gateway an das Steuergerät Leistungselektronik. Das Steuergerät Leistungselektronik steuert die Elektrische Maschine entsprechend motorisch an.

 Nach dem Einschalten der Zündung (übermittelt vom Steuergerät elektronisches Zündschloss (N73)) ist immer Fahrstufe D eingestellt. Das Fahrzeug befindet sich immer in Stellung D (moderate Rekuperation).

 Bei Fahrzeugen mit Lenkradschaltpaddles ist nach dem Einschalten der Zündung immer Fahrstufe DAUTO eingestellt.

Automatische Anpassung der Rekuperation im Gefälle (bei Fahrzeugen ohne CODE 428 (Lenkrad-Schalttasten) in Fahrstufe D oder bei Fahrzeugen mit CODE 428 (Lenkrad-Schalttasten) in Fahrstufe DAUTO)

Um die Beschleunigung bergab zu begrenzen, wird das Rekuperationsmoment entsprechend erhöht, um die Beschleunigung bergab auf ein komfortables Maß zu reduzieren.

Die Steigung und das gewünschte Bremsmoment (eingelesen vom Schalter Bremslicht (S9/1)) wird vom Steuergerät Elektronisches Stabilitäts-Programm (N30/4) erfasst und über den Fahrwerk-CAN an das Steuergerät Antriebsstrang gesendet. Das Steuergerät Antriebsstrang berechnet die entsprechende Sollverzögerung und sendet die Anforderung für das rekuperative Bremsmoment über den Fahrzeug-CAN und den Elektroantriebs-CAN mit der Schnittstelle Steuergerät Antriebsstrang Gateway an das Steuergerät Leistungselektronik. Das Steuergerät Leistungselektronik steuert die Elektrische Maschine entsprechend rekuperativ an.

Bordnetzstützung

Das Steuergerät DC/DC-Wandler (N83/1) wandelt die Hochspannung auf das Spannungsniveau des 12-V-Bordnetzes zur Versorgung der 12-V-Verbraucher und zum Laden der Bordnetzbatterie (G1). Dazu erhält das Steuergerät DC/DC-Wandler vom Steuergerät SAM (N10) über CAN eine Spannungs-Sollwertvorgabe für das 12-V-Bordnetz.

Hochvolt-Schnellentladung im Crash-Fall

Im Crash-Fall (Pyrotechnisches Trennelement (F19/3f750) im Hochvolt-Energieverteiler wurde gezündet oder Crash-Signal auf CAN) wird das Hochvolt-Bordnetz bei einer Geschwindigkeit < 20 km/h durch den Elektroantrieb innerhalb von 5 Sekunden auf eine Spannung < 60 V entladen. Die Energie wird dabei in der Ständerwicklung der Elektrischen Maschine in Wärme umgewandelt.

P08.00-2061-79

P08.00-2112-79

Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf

Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie und dem Umrichten der verschiedenen Spannungen (12 V / Hochvolt / 3-Phasen-Wechselspannung) entsteht als Nebenprodukt Abwärme. Um diese Abwärme abzuführen, besitzt der Elektroantrieb einen Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf. Dieser kühlt über das Gehäuse des Elektroantriebs die integrierten Komponenten und gibt die überflüssige Wärmeenergie über den Kühler für Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf an die Umgebungsluft ab. Sollte der Luftstrom hierzu nicht ausreichen, wird zusätzlich der Lüftermotor vom Steuergerät Antriebsstrang angesteuert.

Zur Umwälzung des Kühlmittels im Elektroantrieb und Ladegerät-Kühlkreislauf steuert das Steuergerät Wärmemanagement (N13) die Kühlmittelpumpe Elektroantrieb und Ladegerät nach der Temperatur der Leistungselektronik, dem Steuergerät Ladegerät (intern ausgewertet) und der Temperatur des Elektroantriebs und Ladegerät-Kühlkreislaufs (gemessen über den Kühlmitteltemperatur-Sensor Antrieb) an. Das Steuergerät Wärmemanagement überwacht zudem die Kühlmittelpumpe Elektroantrieb und Ladegerät.

Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislauf

Zur Umwälzung des Kühlmittels im Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislauf steuert das Steuergerät Wärmemanagement die Kühlmittelpumpe 1 Batteriekühlung und Kühlmittelpumpe 2 Batteriekühlung nach der Temperatur der Hochvoltbatterie (intern ausgewertet) und der Temperatur des Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislaufs, (gemessen über den Kühlmitteltemperatur-Sensor vor Hochvoltbatterie und Kühlmitteltemperatur-Sensor nach Hochvoltbatterie) an. Das Steuergerät Wärmemanagement überwacht zudem die Kühlmittelpumpe 1 Batteriekühlung und Kühlmittelpumpe 2 Batteriekühlung.

Ist die Kühlung über die Abgabe der Wärmeenergie über den Kühler für Hochvoltbatterie-Kühlkreislauf nicht ausreichend (z. B. hohe Umgebungstemperaturen), wird über den Wärmetauscher zusätzlich der Kältemittelkreis zur Kühlung des Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislaufs angefordert. Hierzu wird vom Steuergerät Wärmemanagement das Umschaltventil Kühlmittelpumpe Batterie angesteuert. Das Kühlmittel fließt durch den Wärmetauscher und ermöglicht so die Abgabe der Wärmeenergie an den Kältemittelkreislauf.

Hierzu sendet das Steuergerät Wärmemanagement die Anforderung zum Einschalten des Elektrischen Kältemittelkompressor (A9/5) über den Elektroantriebs-CAN, das Steuergerät Antriebsstrang Gateway, den Fahrzeug-CAN, das Steuergerät Antriebsstrang, den Fahrwerk-CAN, das Steuergerät elektronisches Zündschloss und den Innenraum-CAN (CAN B) zum Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik (N22/7). Das Steuer- und Bediengerät Klimatisierungsautomatik steuert den Elektrischen Kältemittelkompressor über den Klimasteuerungs-LIN (LIN B8-1) an. Der Wärmetauscher wird abgekühlt und entzieht hierdurch dem Kühlmittel des Hochvoltbatterie-Niedertemperatur-Kühlkreislaufs Wärmeenergie.

Leistungsreduzierung

Der Elektroantrieb begrenzt das Istmoment bzw. reduziert die maximal mögliche Leistung und Geschwindigkeit unter folgenden Bedingungen:

 Überhitzung der Elektrischen Maschine (Wicklungstemperatur > 180 °C)

 Häufige kurz aufeinander erfolgte Beschleunigungsphase

 Überhitzung der Leistungselektronik (Umrichtertemperatur > 100 °C)

 Eintrittstemperatur Niedertemperatur-Kühlmittel zu hoch (intern berechneter Wert > 80 °C)

 Fehler an Niedertemperatur-Kühlmittelpumpe erkannt

 Defekte Temperatursensoren erkannt

 Kühlmittelstand zu niedrig

 Defekte Hochvoltbatterie erkannt

 Leistungsreduzierung aufgrund zu geringer (< 0°C) bzw. zu hoher (> 50°C) Temperatur der Hochvoltbatterie

 Leistungsreduzierung aufgrund zu geringem Ladezustand der Hochvoltbatterie

 Leistungsreduzierung bei zu hoher Stromentnahme aus der Hochvoltbatterie

 Die verfügbare Leistung des Elektroantriebes wird im Kombiinstrument über den "Leistungsmesser" dargestellt.

Überwachung

Das gesamte Überwachungskonzept ist im Steuergerät Antriebsstrang integriert.

Das Überwachungskonzept des Steuergeräts Antriebsstrang gliedert sich in die folgenden drei Ebenen:

 Funktionsebene (Ebene 1)

 Erste Überwachungsebene (Ebene 2)

 Zweite Überwachungsebene (Ebene 3)

Während in der Funktionsebene alle im Steuergerät Antriebsstrang implementierten Funktionen des Elektroantriebs enthalten sind, dienen die weiteren Ebenen zur Überwachung des Systems und damit zur Gewährleistung der Funktionssicherheit und eines plausiblen Verhaltens des Fahrzeugs.

Überwachung der Steuergerätefunktionen

Die erste Überwachungsebene (Ebene 2) beinhaltet den Soll-Ist-Vergleich von Fahrervorgabemoment (Fahrpedalstellung) und Antriebsmoment.

Im Steuergerät Antriebsstrang überprüft die Ebene 2, ob das erzeugte Antriebsmoment größer ist als das vom Fahrer über den Fahrpedalsensor angeforderte. Ist dies der Fall, wird von einem Fehler im Steuergerät Antriebsstrang ausgegangen und der Elektroantrieb deaktiviert.

Im Steuergerät Antriebsstrang wird in Ebene 2 zusätzlich geprüft, ob das vom Steuergerät Antriebsstrang über den CAN-Verbund angeforderte Antriebsmoment stets größer ist als das aus Strömen und Lagewinkel des Rotors berechnete erzeugte motorische Drehmoment der Elektrischen Maschine. Ist dies der Fall, wird die Elektrische Maschine vom Steuergerät Leistungselektronik passiv geschaltet.

Hardware-implementierte Überwachungsfunktion der Steuergeräteüberwachung

Die zweite Überwachungsebene (Ebene 3) basiert auf einer autarken Hardwareüberwachung. Sie besteht aus einem Überwachungsrechner, der die Basisfunktionen der ersten Überwachungsebene im Steuergerät Antriebsstrang überprüft (Überprüfung des Überprüfers).