AT500696A2 - Verfahren zum betreiben eines hybridantriebes - Google Patents

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Description


  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes bei einem Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und zumindest einer mit dieser verbundenen elektrischen Maschine, welche mit einem Energiespeicher in Verbindung steht. Weiters betrifft die Erfindung einen Hybridantrieb zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der JP 2003-041966 A ist ein Steuerungssystem für ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem die Brennkraftmaschine einen Drehmomentausfall der elektrischen Maschine kompensiert, wenn die elektrische Maschine nicht betriebsbereit ist.
Die elektrische Maschine eines Hybridfahrzeuges soll in vielen Fällen durch positives Moment die Fahrleistungen erhöhen (Boost-Funktion).

   Problematisch ist die Reproduzierbarkeit dieser Funktion, insbesondere für den Fall, dass der Energiespeicher leer ist oder die elektrische Maschine ihre maximale Leistung nicht zur Verfügung stellen kann, zum Beispiel wegen Überhitzung. Bei bekannten Systemen kommt es in solchen Situationen zu Leistungseinbussen des Fahrzeugantriebes, die der Fahrer möglicherweise weder vorhersehen noch nachvollziehen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und das Antriebsverhalten eines Hybridfahrzeuges zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine in zumindest einer vorzugsweise ausserordentlichen Betriebssituation des Hybridantriebes in einem Überlastmodus betrieben wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine im Überlastmodus betrieben wird,

   wenn der Ladezustand des Energiespeichers unter einen Mindestwert fällt und/oder die abgefragte Leistung grösser ist als die Summe der Antriebsleistungen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine.
Besonders in Gefahrensituationen kann durch temporären Überlastbetrieb der Brennkraftmaschine ein ausreichend hohes Drehmoment zur Verfügung gestellt werden, um kritische Situationen zu überwinden.
Die Brennkraftmaschine wird im Überlastbetrieb ohne Rücksicht auf Emissionen und Dauerhaltbarkeit "überlastet" betrieben. Dies geschieht durch grössere Einspritzmengen, geänderten Zündzeitpunkt, erhöhten Ladedruck, etc..

   Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennkraftmaschine im Überlastmodus betrieben wird, wenn - ausserhalb des ordentlichen Einsatzbereiches der elektrischen Maschine - die volle Antriebsleistung der im normalen Lastmodus betriebenen Brennkraftmaschine angefordert und zusätzlich Ladeleistung zum Aufladen des Energiespeichers erbracht werden soll.

   Auf diese Weise kann ein ausreichendes Antriebsdrehmoment zur Verfügung gestellt werden und gleichzeitig der leere Energiespeicher nachgeladen werden.
Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine - innerhalb des ordentlichen Einsatzbereiches der elektrischen Maschine - im Überlastmodus betrieben wird, wenn entsprechende Antriebsleistung angefordert wird und eine Unterstützungsleistung für die im normalen Lastmodus betriebenen Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine nicht verfügbar ist.
Durch zusätzliches Anfetten des Gemisches und/oder durch Erhöhen des Ladedruckes der aufgeladenen Brennkraftmaschine und/oder durch Verstellen der Steuerzeiten, bzw. des Hubes der Gaswechselventile kann diese im Überlastmodus betrieben werden.
Das Energiemanagement ist so konzipiert, dass bei wiederholten Anfahr- bzw.

   Beschleunigungsvorgängen die verbrauchte und die nachgeladene Energie gleich sind und somit ein Pendelbetrieb möglich ist.
Eine Lastpunktverschiebung kann über das Getriebe erfolgen, welches beispielsweise als Handschaltgetriebe oder Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt sein kann. Dabei kann beispielsweise die Übersetzung im letzten Gang bei 4055 km/h für 1000min<"1>Motordrehzahl ausgelegt sein.
Alternativ dazu kann eine Lastpunktverschiebung auch durch Belasten der elektrischen Maschine oder Unterstützen der Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine erreicht werden.
Während des sogenannten "Turbolochs" kann die elektrische Maschine unterstützend betrieben werden, um in dieser Phase Leistungseinbussen zu kompensieren.
Wird das Fahrzeug nur elektrisch durch die elektrische Maschine angetrieben, so ist es vorteilhaft,

   die Brennkraftmaschine vom Antriebsstrang durch eine Kupplung zu trennen, um Schleppverluste zu vermeiden.
Es ist aber auch möglich, die Reibleistung der geschleppten Brennkraftmaschine durch Verstellen der Steuerzeiten, Änderung des Ventilhubes oder Ventilabschaltung zu vermindern. Für schnelle Nachladevorgänge eignen sich Doppelschichtkondensatoren am besten. Für normale Hybridfunktionen können dagegen aufladbare Batterien als Energiespeicher eingesetzt werden.

   Besonders günstig ist es, wenn - je nach Anforderungen - verschiedene Energiespeicher, also sowohl Doppelschichtkondensatoren als auch Batterien verwendet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm und Fig. 2 schematisch einen Hybridantrieb zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in welchem das Drehmoment M über der Motordrehzahl n aufgetragen ist. Mit MEist das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 und MMdas Drehmoment der Brennkraftmaschine 2 bezeichnet.

   Der mit M0bezeichnete Teil der Drehmomentenkennlinie der Brennkraftmaschine 2 zeigt den Überlastbereich.
Zur Realisierung eignet sich ein einfacher Hybridantrieb 1 (sogenannter MildHybrid) mit einer Brennkraftmaschine 2 und einer elektrischen Maschine 3, welche mit einem Energiespeicher 4 verbunden ist. Die elekt[pi]sche Maschine 3 ist mit der Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine mechanisch verbunden. Im Antriebsstrang zu den Antriebsrädern 6 ist ein beispielsweise ein als Handschaltgetriebe oder Doppelkupplungsgetriebe ausgebildetes Getriebe 7 angeordnet. Die Kupplung 8 kann zwischen Brennkraftmaschine 2 und elektrischer Maschine 3 angeordnet sein.

   Es können auch zwei Kupplung 8, 9 verbaut werde.
Im Ausführungsbeispiel unterstützt unterhalb einer Drehzahl von 1500 min<"1>die elektrische Maschine 3 die Brennkraftmaschine 2, so dass das Antriebsdrehmoment sich als Summe des Drehmomentes MMder Brennkraftmaschine 2 und das Drehmoment MEder elektrischen Maschine 3 ergibt. Über 1500 min<"1>wird das Antriebsdrehmoment nur durch die Brennkraftmaschine 2 aufgebracht. Dabei wird immer das gleiche Drehmoment dem Fahrer zur Verfügung gestellt. Bei leerem Energiespeicher 4 wird die Brennkraftmaschine im Überlastmodus betrieben.

   Der Energiespeicher wird geladen und trotzdem wird das Nennvolllastdrehmoment an die Abtriebswelle abgegeben.
Wenn der elektrische Energiespeicher 4 beispielsweise nach einige Anfahrvorgängen entleert ist, ist es möglich, oberhalb von 1500 min<"1>das Drehmoment MMder Brennkraftmaschine 2 so weit zu erhöhen, dass ein Laden des elektrischen Energiespeichers 4 möglich ist, obwohl zum Antreiben des Fahrzeuges noch immer ein Drehmoment von etwa 300 Nm zur Verfügung steht. Dies wird erreicht, indem die Brennkraftmaschine 2 beispielsweise durch Erhöhen des Ladedruckes und leichtes Anfetten im Überlastmodus betrieben wird. Die Überlastung kann beispielsweise auch durch Ändern der Steuerzeiten und/oder des Ventilhubes der Gaswechselventile erfolgen.

   Auch eine Kombination mehrerer Massnahmen ist möglich.
Eine beispielhafte kritische Situation ist das Anfahren am Berg mit einer Drehzahl, die nur leicht über der Leerlaufdrehzahl liegt (z.B. 1250 min<"1>). Das Höherschalten auf den nächsten Gang findet beispielsweise bei 2000 min<"1>statt. Im Betriebsbereich von 1250 min<"1>bis 1500 min<"1>wird Energie aus dem Energiespeicher 4 entnommen, die elektrische Maschine 3 liefert Drehmoment. Im Betriebsbereich zwischen 1500 min<"1>bis 2000 min<"1>wird die Brennkraftmaschine 2 im Überlastmodus (bei leerem Energiespeicher 4) betrieben. Das Drehmoment M, das über dem Normdrehmoment (im Beispiel 300 Nm) liegt, wird zum Nachladen des Energiespeichers 4 verwendet.

   Dabei ist es wünschenswert, dass bei möglichst niedriger Drehzahl n mit Nennleistung der elektrischen Maschine 3 in den Energiespeicher 4 zurückgeladen werden kann.
Ziel des Betriebs ist es, dass die Energie, die unter 1500 min<"1>benötigt wird, im Betrieb oberhalb von 1500 min<"1>bis zur Schaltdrehzahl (Worst-Case-Bedingung: niedrige Schaltdrehzahl) nachgeladen werden kann. Die Überlastenergie muss dabei das Nachladen des Energiespeichers 4 und den Wirkungsgrad des Nachladens bei möglichst niedriger Drehzahl n abdecken.
Das bedeutet für die Brennkraftmaschine im Gegensatz zu bisherigen Hybridkonzepten: Das maximale Drehmoment (Crossover zwischen Verbrauchen und Nachladen) muss bei möglichst niedrigen Drehzahlen n stattfinden.

   Bei bekannten Hybridkonzepten wird in vielen Fällen eine besonders kostengünstige Brennkraftmaschine, bzw. eine Brennkraftmaschine, die eher auf niedrigsten Verbrauch, als auf bestes Drehmoment ausgelegt ist, verwendet.
Zum Unterschied zu herkömmlichen Hybridkonzepten erlaubt beim erfindungsgemässen Hybridantrieb die aufgeladene Brennkraftmaschine 2, welche ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen aufweist, ein Hybridkonzept ohne Leistungsverzweigung (Power Split). Die Lastpunktverschiebung erfolgt nicht hauptsächlich über Leistungsverzweigung zwischen elektrischer Maschine 3 und Brennkraftmaschine 2, sondern über ein Getriebe mit langer Endübersetzung. Es ist somit kein leistungsverzweigtes Getriebe und damit verbundenen hohen Entwicklungs- und Investitionskosten erforderlich.

   Gleichzeitig ist das hier beschriebene Konzept auch als Zusatzfunktion für existierende Getriebe einsetzbar. Eine geringfügige zusätzliche Lastpunktverschiebung ist trotzdem möglich. Dadurch lassen sich Kosten wesentlich reduzieren.
Die elektrische Maschine 3 lässt sich wie folgt einsetzen: Lastpunktverschiebung: Die elektrische Maschine 3 kann - bei Energiespeicher 4 mit ausreichender Energie - unterstützend, oder - bei leerem, bzw. ladbarem Energiespeicher - belastend eingesetzt werden, um die Brennkraftmaschine in den optimalen Betriebspunkt zu schieben (Minimalverbrauchspunkt).
Transientunterstützung: Die elektrische Maschine 3 kann zur Überbrückung des sogenannten "Turbolochs" eingesetzt werden.

   Während der Zeitdauer des Laderhochlaufes kann mittels der elektrischen Maschine 3 ein linearer Drehmomentaufbau gewährleistet werden.
Elektrisch Fahren: Bei ausreichend geladenem elektrischen Energiespeicher 4 kann rein elektrisch gefahren werden. Bei starrer Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 3 und der Brennkraftmaschine 2 wird die elektrische Maschine 3 so bestromt, dass die Drehungleichförmigkeit der mitgeschleppten Brennkraftmaschine 2 ausgeglichen wird. Die Brennkraftmaschine 2 wird in einem reibleistungsminimierten Modus betrieben. Bei Verwendung einer Kupplung 8 zwischen elektrischer Maschine 3 und Brennkraftmaschine 2 kann bei abgekoppelter Brennkraftmaschine 2 elektrisch gefahren werden.
Der Energiespeicher 4 kann aus Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) und/oder herkömmlichen aufladbaren Batterien bestehen.

   Doppelschichtkondensatoren eignen sich besonders für schnelles Nachladen, für den elektrischen Fahrbetrieb können aufladbare Batterien verwendet werden. Im Gesamtkonzept können daher auch zwei unterschiedliche Energiespeicher eingesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht auf bestimmte Arten und Anordnungen von Hybridantriebskonzepten beschränkt, sondern kann vielmehr bei verschiedensten Hybridantrieben eingesetzt werden.

Claims (20)

P A T E N T A S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes bei einem Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und zumindest einer mit dieser verbundenen elektrischen Maschine, welche mit zumindest einem Energiespeicher in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in zumindest einer vorzugsweise ausserordentlichen Betriebssituation des Hybridantriebes in einem Überlastmodus betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im Überlastmodus betrieben wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers unter einen Mindestwert fällt und/oder die abgefragte Leistung grösser ist als die Summe der Antriebsleistungen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einer Gefahrensituation im Überlastmodus betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine im Überlastmodus betrieben wird, wenn - ausserhalb des ordentlichen Einsatzbereiches der elektrischen Maschine - die volle Antriebsleistung der im normalen Lastmodus betriebenen Brennkraftmaschine angefordert und zusätzlich Ladeleistung zum Aufladen des Energiespeichers erbracht werden soll.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine - innerhalb des ordentlichen Einsatzbereiches der elektrischen Maschine - im Überlastmodus betrieben wird, wenn entsprechende Antriebsleistung angefordert wird und eine Unterstützungsleistung für die im normalen Lastmodus betriebene Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine nicht verfügbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastbetrieb der Brennkraftmaschine durch zusätzliches Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastbetrieb der aufgeladenen Brennkraftmaschine durch Erhöhen des Ladedruckes realisiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastbetrieb durch Verstellen der Steuerzeiten und/oder Verstellen des Hubes der Gaswechselventile realisiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastmodus so ausgelegt wird, dass bei wiederholten Anfahrund/oder Beschleunigungsvorgängen die verbrauchte und die nachgeladene Energie des elektrischen Speichers gleich sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei schnellen Ladevorgängen die elektrische Energie in zumindest einem Doppelschichtkondensator gespeichert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher sowohl zumindest ein Doppelschichtkondensator, als auch zumindest eine aufladbare Batterie eingesetzt werden kann, wobei im normalen elektrischen Fahrbetrieb die aufladbare Batterie entladen und geladen wird und bei schnellen Hochlade- und/oder Entladevorgängen der Doppelschichtkondensator verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastpunktverschiebung über ein im Antriebsstrang angeordnetes Getriebe durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastpunktverschiebung durch Belasten der elektrischen Maschine oder Unterstützen durch die elektrische Maschine durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine unterstützend zur Überbrückung des Turbolochs eingesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest in einem Betriebsbereich nur elektrisch durch die elektrische Maschine angetrieben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine durch zumindest eine Kupplung während des elektrischen Betriebes vom Antriebsstrang getrennt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine während des elektrischen Betriebes im Schleppbetrieb mit verminderter Reibleistung betrieben wird.
18. Hybridantrieb (1) für ein Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einer vorzugsweise aufgeladenen Brennkraftmaschine (2), zumindest einer elektrischen Maschine (3), zumindest einem mit der elektrischen Maschine (3) verbundenen elektrischen Energiespeicher (4) und einem Getriebe (7) im Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) in zumindest einer vorzugsweise ausserordentlichen Betriebssituation des Hybridantriebes in einem Überlastmodus betreibbar ist.
19. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzeit und/oder der Ventilhub zumindest eines Gaswechselventils verstellbar ist.
20. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang zwischen Brennkraftmaschine (2) und elektrischer Maschine (3) und/oder zwischen elektrischer Maschine (3) und Getriebe (7) zumindest eine Kupplung (8, 9) angeordnet ist.
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