DE10158536C5 - Kraftfahrzeugantrieb - Google Patents

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Abstract

Kraftfahrzeugantrieb, enthaltend mindestens eine elektrische Maschine (EM2), die als Elektromotor betreibbar ist zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges durch einen Antriebsstrang; eine Kupplungseinrichtung (14; 24) mit mindestens einer Kupplung (14; 24) im Antriebsstrang zwischen der elektrischen Maschine (EM2) und einem Abtrieb für den Antrieb von Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges; gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (8), durch welche die mindestens eine Kupplung (14; 24) drehmomentübertragend schlupfend betrieben ist unter Vermeidung einer thermischen Überlastung sowohl dieser einen Kupplung (14; 24) der Kupplungseinrichtung als auch der elektrischen Maschine (EM2), wenn der Sonderbetriebsfall eintritt, daß bei sehr geringer Geschwindigkeit oder bei Stillstand des Kraftfahrzeuges und gleichzeitig hohem Moment der elektrischen Maschine (EM2) eine gegenüber Normalbetrieb erhöhte Temperatur oder Verlustwärme in Teilen der elektrischen Maschine (EM2) entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugantrieb gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Die DE 40 05 623 A1 zeigt einen Kraftfahrzeugantrieb dieser Art, durch welchen ein Kraftfahrzeug alternativ von einem Verbrennungsmotor oder von einem Elektromotor oder von beiden antreibbar ist durch Schalten einer Kupplungseinrichtung. Somit handelt es sich um einen sogenannten Hybridantrieb. Der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine wirken auf die gleichen Fahrzeugräder.
  • Die DE 38 28 128 A1 offenbart eine Anordnung zur Überwachung einer Reibungskupplung, um eine unzulässige Erwärmung derselben zu vermeiden. Eine Recheneinrichtung ermittelt die jeweils momentane Reibleistung. In mehreren Speichern werden mittlere Reibleistungswerte akkumuliert, und diese werden entsprechend dem Temperaturverhalten der Reibungskupplung zeitabhängig korrigiert.
  • Die DE 40 04 330 C2 zeigt einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb, bei welchem ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine auf den gleichen Antriebsstrang wirken und je an diesen kuppelbar oder von diesem entkuppelbar sind. Die elektrische Maschine ist wahlweise als Fahrantriebsmotor, als Generator oder als Starter-Elektromotor zum Starten des Verbrennungsmotors betreibbar. Die DE 35 42 059 C2 zeigt einen Hybridantrieb, bei welchem der Verbrennungsmotor die Fahrzeugräder einer Radachse und eine elektrische Maschine als Elektromotor die Fahrzeugräder einer anderen Radachse antreibt.
  • Die DE 199 05 366 C2 zeigt einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb, bei welcher die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors über eine schaltbare Kupplung mit einer Getriebeeingangswelle verbindbar ist und die Kurbelwelle mit dem Rotor einer elektrischen Maschine drehfest verbunden ist, welcher als Starter-Elektromotor oder als Generator betreibbar ist.
  • Die DE 196 39 322 A1 offenbart eine automatisch gesteuerte Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem fahrerseitig zwischen unterschiedlichen Fahr- bzw. Getriebestufen schaltbaren Getriebe, mit einem die Kupplung automatisch betätigenden Stellaggregat und einer zu dessen Steuerung dienenden Sensorik, welche (unter anderem) eine fahrerseitige Betätigung einer Fahrzeugbremse, eine fahrerseitige Betätigung eines Steuerorgans des Motors sowie einen Einschaltzustand einer Fahr- bzw. Getriebestufe erfaßt und die Kupplung auf ein Kriechmoment einstellt, wenn bei laufendem Motor die Fahrzeugbremse sowie das Steuerorgan unbetätigt sind. Um Rangiermanöver zu erleichtern, ist es gemäß diesem Dokument auch bekannt, die automatische Kupplung auf ein schwaches übertragbares Drehmoment, d. h. auf ein Kriechmoment, einzustellen, wenn eine Getriebestufe eingestellt ist, der Motor läuft, und weder die Betriebsbremse des Fahrzeuges noch ein zur Leistungssteuerung des Motors dienendes Fahrerpedal oder dergleichen betätigt sind. Hierbei wird ausgenützt, daß die Motoren von Kraftfahrzeugen üblicherweise eine wirkungsvolle automatische Motorsteuerung besitzen, die den Motor bei unbetätigtem Fahrerpedal auf einer Mindestdrehzahl (z. B. Leerlaufdrehzahl) zu halten vermag, und zwar auch dann, wenn der Motor mehr oder weniger stark belastet wird. Dabei kann sich das Kraftfahrzeug kriechend bewegen bei Rangiermanövern. Jedoch wird der Kraftfluß zwischen Eingang und Ausgang der, Kupplung bei Betätigung der Betriebsbremse vollständig unterbrochen, so daß die Kupplung bei Beendigung der Bremsbetätigung erneut auf das Kriechmoment eingesteuert werden muß. Um dies zu vermeiden, wird in dem Dokument vorgeschlagen, daß die auf ein Kriechmoment eingestellte Kupplung bei bleibender Betätigung der Fahrzeugbremse erst nach vorgegebener Verzögerungszeit geöffnet wird und/oder daß das Kriechmoment bei Bremsbetätigung langsam abgebaut wird und/oder daß bei Betätigung der Fahrzeugbremse ein gegenüber dem Kriechmoment vermindertes Kupplungsmoment eingestellt wird.
  • Die US 6,209,672 B1 zeigt einen Kraftfahrzeugantrieb, bei dem ein Verbrennungsmotor und eine mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundene erste Elektromaschine über eine Kupplung mit dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verbindbar sind. Es wird vorgeschlagen, die erste Elektromaschine als Elektromotor zu betreiben und für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs zu nutzen.
  • Bei Kraftfahrzeugen, die nur einen oder mehrere Elektromotoren als Fahrantrieb haben, und bei Kraftfahrzeugen, die zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor einen Elektromotor als Fahrantriebsmotor haben, kommt der Elektromotor häufig in Fahrsituationen, in denen er bei sehr geringer Geschwindigkeit oder bei Stillstand des Kraftfahrzeuges hohe Momente aufbringen muß, beispielsweise beim Auffahren auf eine Bordsteinkante, beim Anstieg aus einer Tiefgarage, beim Kriechen mit Anhänger an einem Berg, usw.
  • In diesen Situationen entstehen hohe Verlustwärmen sowohl in der mindestens einen elektrischen Maschine, die als Elektromotor für den Fahrantrieb dient, als auch in deren Leistungshalbleitern, welche heutzutage für solche elektrische Maschinen verwendet werden. Während diese Verlustwärmen bei normaler Fahrt des Kraftfahrzeuges gleichmäßig im Läufer und/oder den Halbleitern der elektrischen Maschine verteilt sind, stauen sich im Stillstand oder bei langsamem Kriechen des Kraftfahrzeuges die Wärmen in den momentan mit Strom beaufschlagten Wicklungen und in den zugehörigen Halbleitern der elektrischen Maschine.
  • Dadurch werden die zulässigen Dauerhaltdrehmomente der elektrischen Maschine, je nach Bauart, zum Teil erheblich herabgesetzt.
  • Damit wird die Brauchbarkeit des Elektroantriebes in Frage gestellt. Eine Überdimensionierung der elektrischen Maschine auf das erforderliche Dauerstillstandsmoment ist aus Kosten- und Gewichtsgründen nicht wünschenswert.
  • Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, in dem genannten Sonderbetriebsfall, bei welchem bei sehr geringer Kraftfahrzeuggeschwindigkeit oder bei Kraftfahrzeugstillstand hohe Fahrantriebsmomente aufgebracht werden müssen, das erforderliche Dauerstillstandsmoment der elektrischen Maschine zu erzielen, ohne daß die mindestens eine elektrische Maschine überdimensioniert zu werden braucht.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Steuereinrichtung, durch welche die mindestens eine Kupplung drehmomentübertragend schlupfend betrieben ist unter Vermeidung einer thermischen Überlastung sowohl dieser einen Kupplung der Kupplungseinrichtung als auch der elektrischen Maschine, wenn der Sonderbetriebsfall eintritt, daß bei sehr geringer Geschwindigkeit oder bei Stillstand des Kraftfahrzeuges und gleichzeitig hohem Moment der elektrischen Maschine eine gegenüber Normalbetrieb erhöhte Verlustwärme in der elektrischen Maschine entsteht.
  • Die Erfindung löst somit das Problem, indem in den Antriebsstrang zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Antriebsrädern mindestens eine Kupplung gelegt wird, die im oben genannten Sonderbetriebsfall langsam schlupfend betrieben wird, so daß weder die elektrische Maschine noch die Kupplung thermisch überlastet werden. Vorteil: Die Wärmeentwicklung in der mindestens einen elektrischen Maschine, welche als Elektromotor betrieben wird, wird auf alle Spulen und Halbleiter gleichmäßig und hinreichend schnell wechselnd verteilt, so daß Temperaturspitzen vermieden werden und der Elektromotor über längere Drehmomentübertragungsperioden hinweg ein hohes Dauerstillstandsmoment aufbringen kann.
  • Wenn der Kraftfahrzeugantrieb ein Automatgetriebe mit mehreren schaltbaren Getriebestufen enthält, dann kann eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin bestehen, daß das Automatgetriebe bzw. mindestens eine Kupplung oder Haltebremse davon als Kupplungseinrichtung gemäß der Erfindung verwendbar ist, welche von der Steuereinrichtung in der genannten Weise drehmomentübertragend schlupfend betrieben wird. Vorteil: Für die Erfindung sind zusätzlich zu dem Automatgetriebe keine Kupplungen erforderlich. Zur Darstellung des erforderlichen geringen Schlupfes kann es zweckmäßig sein, die Kupplung gepulst zu betreiben.
  • Bei einem Automatgetriebe mit einem vorgeschalteten Drehmomentwandler und einer Überbrückungskupplung zur Überbrückung des Drehmomentwandlers kann gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform die Überbrückungskupplung als die mindestens eine Kupplung der Kupplungseinrichtung verwendbar sein, welche in der genannten Weise von der Steuereinrichtung drehmomentübertragend schlupfend betrieben wird. Vorteil: Für die Erfindung ist keine eigene Kupplung erforderlich. Die Überbrückungskupplung kann auch in Kombination mit einer oder mehreren Schaltkupplungen des Automatgetriebes, d. h. beide, drehmomentübertragend schlupfend betrieben werden in dem genannten Sonderfall, z. B. zeitlich abwechselnd.
  • Vorzugsweise ist die als Fahrantriebsmotor dienende elektrische Maschine von der Art, welche mindestens zwei einzeln erregbare elektrische Wicklungen hat. Gemäß der Erfindung sind diese Wicklungen durch die Steuereinrichtung bei dem Sonderbetriebsfall alternativ erregbar, so daß jeweils eine Wicklung nicht erregt ist und sich abkühlen kann während eine andere Wicklung erregt ist zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments. Vorteil: Durch ständiges Wechseln der Erregung zwischen den Wicklungen und Halbleitern wird die Überdimensionierung der elektrischen Maschine für den Sonderbetriebsfall erforderlich; die Verlustwärme in der Kupplungseinrichtung wird reduziert, weil eine geringe Schlupfgeschwindigkeit zur Gleichverteilung der Wärme ausreicht.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kupplungseinrichtung mehrere Kupplungen enthält, welche von der Steuereinrichtung abwechselnd mit drehmomentübertragendem Schlupfbetrieb betreibbar sind zur Reduzierung der Verlustwärmespitzen in den einzelnen Kupplungen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausführungsform derart sein, daß die Kupplungen von der Steuereinrichtung additiv (parallel oder seriell) betreibbar sind zur Reduzierung der Verlustwärmespitzen in den einzelnen Kupplungen. Vorteil: Wenn bei dem genannten Sonderfall die Kupplungen abwechselnd und/oder additiv betreibbar sind: Reduzierung der Verlustwärmespitzen und damit Verlängerung der Lebensdauer der Kupplung, wobei auch Kupplungen verwendbar werden, die nicht für längeren Dauerrutschbetrieb mit Drehmomentübertragung ausgebildet sind.
  • Die Erfindung ist verwendbar für Kraftfahrzeugantriebe, bei welchen eine oder mehrere elektrische Maschinen als Elektromotor für den Fahrantrieb vorgesehen sind, ferner auch in Kombination mit einem Verbrennungsmotor als Fahrantrieb, wobei der Elektromotor und der Verbrennungsmotor gleichzeitig oder alternativ betreibbar sein können. Der Verbrennungsmotor und die mindestens eine elektrische Maschine können zum Antrieb der gleichen Fahrzeugräder oder von verschiedenen Fahrzeugrädern ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, die elektrische Maschine als Anlasser für den Verbrennungsmotor zu benutzen.
  • Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
  • 1 schematisch in Seitenansicht einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung,
  • 2 schematisch in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform eines Kraftfahrzeugantriebes nach der Erfindung.
  • 1 zeigt einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Antriebsstrang, der nacheinander folgende Elemente aufweist: einen Verbrennungsmotor 4, eine als Elektromotor, Generator und/oder Starter betreibbare erste elektrische Maschine EM1, eine schaltbare Haupt-Kupplung 10, eine als Elektromotor oder Generator betreibbare zweite elektrische Maschine EM2, ein Automatgetriebe 12 mit mehreren von einer Steuereinrichtung 8 schaltbaren Schaltkupplungen 14 (Kupplungen oder Schaltbremsen) zum Schalten von verschiedenen Getriebegängen, ein Differenzialgetriebe 16 und angetriebene Fahrzeugräder 17 und 18. Die Steuereinrichtung 8 kontrolliert auch den Betrieb der beiden elektrischen Machinen EM1 und EM2 und den Verbrennungsmotor 4, und erfaßt deren Betriebsdaten.
  • Bei geöffneter Haupt-Kupplung 10 kann die erste elektrische Maschine EM1 als Anlasser für den Verbrennungsmotor 4 dienen oder vom Verbrennungsmotor angetrieben werden und dann als Generator dienen; die zweite elektrische Maschine EM2 kann als Elektromotor für den Fahrantrieb des Kraftfahrzeuges oder als Bremsgenerator zur Energierekuperation verwendet werden.
  • Bei geschlossener Haupt-Kupplung 10 kann die eine und/oder die andere der beiden elektrischen Maschinen EM1 und EM2 als Elektromotor oder als Generator dienen. Die Schaltkupplungen 14 des Automatgetriebes 12 brauchen nicht für Dauerschlupfbetrieb ausgelegt zu sein. Trotzdem können sie als Kupplungseinrichtung gemäß der Erfindung für den genannten Sonderfall dienen, wenn sie gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung von der Steuereinrichtung 8 abwechselnd und/oder additiv im Schlupfbetrieb mit Drehmomentübertragung betrieben werden bei dem genannten Sonderfall.
  • 2 zeigt einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung, mit einem Antriebsstrang, welcher nacheinander einen Verbrennungsmotor 4, ein Schwungrad 3, eine schaltbare Haupt-Kupplung 10, eine elektrische Maschine EM2, einen hydrodynamischen Drehmomentwandler 22 mit einer von einer Steuereinrichtung 8 steuerbaren Überbrückungskupplung 24, ein Automatgetriebe 26, ein Differenzialgetriebe 16 und angetriebene Fahrzeugräder 17 und 18 enthält. Bei geschlossener und bei geöffneter Haupt-Kupplung 10 kann die elektrische Maschine EM2 als elektrischer Fahrantrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmotors 4 oder als Generator zur Rückgewinnung von Bremsenergie dienen. Bei normalem Fahrbetrieb mit dem Elektromotor EM2 bleibt die Überbrückungskupplung 24 geschlossen. In dem oben genannten Sonderbetriebsfall, bei welchem die Haupt-Kupplung 10 geöffnet ist und die elektrische Maschine EM2 als Elektromotor das Kraftfahrzeug antreibt, wird die Überbrückungskupplung 24 von der Steuereinrichtung 8 mit geringem Schlupf drehmomentübertragend betrieben.
  • Bei allen Ausführungsformen nach der Erfindung, insbesondere den 1 und 2, kann die Temperatur der elektrischen Maschine EM2 und der in dem genannten Sonderbetriebsfall mit Schlupf drehmomentübertragend betriebenen Kupplungen durch Temperatursensoren überwacht werden, um bei Erreichen und Übersteigen einer bestimmten Temperatur die mindestens eine Kupplung mit Schlupf drehmomentübertragend zu betreiben, um die Temperatur in der elektrischen Maschine nicht über den vorbestimmten Wert ansteigen zu lassen. Statt dessen kann jedoch die Temperatur auch errechnet werden anhand von den Drehzahlen auf der Primärseite und der Sekundärseite der Kupplung und anhand von dem von der elektrischen Maschine EM2 erzeugten Drehmoment. Die Daten werden von der Steuereinrichtung 8 erfaßt und zur Steuerung des Reibungsschlupfes der Kupplung verwendet. Die Temperaturmessung durch Temperatursensoren kann zusätzlich als Sicherheit vorhanden sein.
  • Die Erfindung ermöglicht es, bei dem genannten Sonderbetriebsfall ohne Reduzierung des Antriebsdrehmoments des Elektromotors EM2 die mindestens eine Kupplung 14 bwz. 24 von schlupffreiem Betrieb in den Schlupfbetrieb zu überführen und auch bei Schlupfbetrieb das volle Antriebsdrehmoment zu übertragen.
  • Tritt bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand des Kraftfahrzeugs und gleichzeitig hohem Moment der elektrischen Maschine EM2 eine gegenüber Normalbetrieb erhöhte Temperatur in der elektrischen Maschine EM2 oder Teilen davon auf, werden Schäden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden. Die Verlustwärme kann sich im Sonderbetriebsfall gleichmäßig auf alle Wicklungen verteilen, da verhindert wird, daß jeweils eine Wicklung einer bevorzugten elektrischen Maschine EM2 mit mindestens zwei einzeln erregbaren elektrischen Wicklungen unzulässig lange erregt ist.

Claims (9)

  1. Kraftfahrzeugantrieb, enthaltend mindestens eine elektrische Maschine (EM2), die als Elektromotor betreibbar ist zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges durch einen Antriebsstrang; eine Kupplungseinrichtung (14; 24) mit mindestens einer Kupplung (14; 24) im Antriebsstrang zwischen der elektrischen Maschine (EM2) und einem Abtrieb für den Antrieb von Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges; gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (8), durch welche die mindestens eine Kupplung (14; 24) drehmomentübertragend schlupfend betrieben ist unter Vermeidung einer thermischen Überlastung sowohl dieser einen Kupplung (14; 24) der Kupplungseinrichtung als auch der elektrischen Maschine (EM2), wenn der Sonderbetriebsfall eintritt, daß bei sehr geringer Geschwindigkeit oder bei Stillstand des Kraftfahrzeuges und gleichzeitig hohem Moment der elektrischen Maschine (EM2) eine gegenüber Normalbetrieb erhöhte Temperatur oder Verlustwärme in Teilen der elektrischen Maschine (EM2) entsteht.
  2. Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Automatgetriebe (12) mit automatisch schaltbaren Schaltkupplungen (14) vorgesehen ist und dieses Automatgetriebe als diese genannte Kupplungseinrichtung benutzbar ist.
  3. Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Automatgetriebe (26) mit einem vorgeschalteten Drehmomentwandler (22) und einer Überbrückungskupplung (24) zur Überbrückung des Drehmomentwandlers (22) vorgesehen ist, und daß die Überbrückungskupplung (24) als die mindestens eine Kupplung benutzbar ist.
  4. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (EM2) von der Artist, welche mindestens zwei einzeln erregbare elektrische Wicklungen hat, und daß diese Wicklungen durch die Steuereinrichtung (8) bei dem Sonderbetriebsfall alternativ erregbar sind, so daß jeweils eine Wicklung nicht erregt ist und sich abkühlen kann, während eine andere Wicklung erregt ist zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments.
  5. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (EM2) von der Art ist, welche mindestens zwei einzeln erregbare elektrische Wicklungen hat, und daß diese Wicklungen durch die Steuereinrichtung (8) bei dem Sonderbetriebsfall alternativ erregbar sind, so daß jeweils eine Wicklung nicht unzulässig lange erregt ist und die Verlustwärme sich gleichmäßig auf alle Wicklungen verteilt.
  6. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung mehrere Kupplungen (14) enthält, und daß die Kupplungen (14) von der Steuereinrichtung (8) abwechselnd mit drehmomentübertragendem Schlupfbetrieb betreibbar sind zur Reduzierung der Verlustwärmespitzen in den einzelnen Kupplungen.
  7. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung mehrere Kupplungen (14) enthält, und daß die Kupplungen (14) von der Steuereinrichtung (8) additiv betreibbar sind zur Reduzierung der Verlustwärmespitzen in den einzelnen Kupplungen (14).
  8. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungsmotor (4) vorgesehen ist zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments des Kraftfahrzeuges.
  9. Kraftfahrzeugantrieb nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungen (14, 24) gepulst schlupfend betrieben werden.
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