DE102004045380B3

DE102004045380B3 - Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102004045380B3
Application number: DE102004045380A
Authority: DE
Inventors: Emanuel Fuchs; Jürgen Dr. Gebert; Markus Kaindl; Hubert Dr. Schumacher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-09-18
Filing date: 2004-09-18
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung, eine Zusatzantriebseinrichtung sowie eine Steuereinrichtung zur Ermittlung einer Gangstufe und zur Initiierung eines Schaltvorgangs bei einem Automatikgetriebe. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass eine Hochschaltung in eine nächsthöhere Gangstufe aufgrund einer angestiegenen Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Leistungsanforderung erst dann erfolgt, wenn die angeforderte Leistung ausschlielich durch den Hauptleistungsanteil abgedeckt werden kann, und dass eine Rückschaltung in eine nächstniedrigere Gangstufe aufgrund einer Erhöhung der Leistungsanforderung unterbleibt, solange die angeforderte Leistung bis zu einer Fahrgeschwindigkeitsschwelle anteilig durch die Hauptantriebseinrichtung und anteilig durch die Zusatzantriebseinrichtung erfüllt werden kann, wobei der Einsatz der Zusatzantriebseinrichtung nur bis maximal zu der Fahrgeschwindigkeitsschwelle erfolgt, bei der zur Erzeugung der angeforderten Leistung noch eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe möglich ist und ab Überschreitung der Fahrgeschwindigkeitsschwelle eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe initiiert wird, und wobei eine Rückschaltung zwingend dann erfolgt, wenn die Leistungsanforderung das durch die Zusatzantriebseinrichtung erweiterte Gesamtleistungspotential übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bereits verschiedenste Hybridfahrzeug-Konzepte mit den Antriebsquellen Brennkraftmaschine und elektrische Maschine bekannt. So sind Hybridfahrzeuge bekannt, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung und eine Zusatzantriebseinrichtung, wobei die Antriebseinrichtungen von unterschiedlichen Energiespeichern mit unterschiedlichen Kapazitäten versorgt werden und wobei gegebenenfalls die Antriebseinheiten auch in unterschiedliche Energiespeicher mit unterschiedlichen Kapazitäten zurückspeisen. Üblicherweise wird bei diesen Systemen die zur Verfügung stehende Summenleistung beider Antriebseinrichtungen genutzt. Damit ist dann eine zuverlässige Reproduzierbarkeit über ein beliebiges Einsatzprofil nicht mehr gewährleistet. Aus der Fachzeitschrift „Auto Motor Sport", Ausgabe 11/2004, Seite 62 ff., Fahrbericht: Tausendsassa, ist ein Fahrbericht zu einem BMW X5 bekannt. Hier wird bereits ein gattungsbildendes Fahrzeug beschrieben, welches in einem unteren Drehzahlbereich bis zirka 3500 Umdrehungen den Antrieb durch eine Kombination von herkömmlicher Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine bewerkstelligt. Durch die Addition der Drehmomente der beiden Antriebsaggregate wird hier im unteren Drehzahlbereich bei 1000 Umdrehungen bereits ein Drehmoment von 1000 Newtonmetern bereitgestellt. Erst bei Erreichen von 3500 Umdrehungen wird die elektrische Maschine vom Antriebsstrang entkoppelt und der Antrieb ausschließlich durch die Brennkraftmaschine in alt bekannter Weise realisiert. Bei derartigen Systemen kann es allerdings vorkommen, dass bei identischen Fahrerwünschen bzw. Lastanforderungen zu Zeitpunkten mit deutlich unterschiedlichem Ladezustand des Energiespeichers dem Fahrer ein unterschiedliches, nicht zuverlässig reproduzierbares Beschleunigungsdrehmoment zur Verfügung steht.

Ferner ist aus der DE 102 18 983 A1 eine Zusatzeinrichtung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, mittels der eine Beeinflussung der Schaltzeitpunkte eines Automatikgetriebes vorgenommen wird. Hierbei wird eine elektrische Maschine, jeweils kurz vor Erreichen des eigentlichen Schaltzeitpunktes, im Falle eines Drehmomentbedarfs beziehungsweise im Falle eines Drehmomentüberschusses kurzzeitig motorisch beziehungsweise generatorisch betrieben, und so ein Schaltvorgang des Automatikgetriebes entsprechend verzögert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit für ein Hybrid-Kraftfahrzeug anzugeben, die für gleiche Lastanforderungen stets ein gleiches Beschleunigungsmoment, unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers der Zusatzantriebseinrichtung, bereitstellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Erfindung wird eine Antriebseinheit mit einem Automatikgetriebe geschaffen, die entweder bei einem automatisierten Hochschaltvorgang in eine nächsthöhere Gangstufe oder bei einem automatisierten Rückschaltvorgang in eine nächstniedrigere Gangstufe oder bei beiden Schaltvorgängen die Summenleistung aus Hauptantriebseinrichtung und Zusatzantriebseinrichtung nur im Rahmen der durch die Hauptantriebseinrichtung (der dauerhaft verfügbaren Antriebseinrichtung) maximal erzeugbaren Leistung nutzt. Erfindungsgemäß ist die vorhandene Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass ein Hochschaltvorgang nur dann erfolgen kann, wenn die angeforderte Leistung allein durch die Hauptantriebseinrichtung erzeugt bzw. bereitgestellt werden kann und vorzugsweise die verfügbare Energiemenge im elektrischen Energiespeicher eine vorbestimmte Energiemenge mehr als die geschätzte Entnahmeenergiemenge beträgt und dass ein Rückschaltvorgang unabhängig davon, ob die angeforderte Leistung in der vorliegenden Gangstufe bereitgestellt werden kann oder nicht, spätestens zu dem Zeitpunkt erfolgt (bei Erreichen einer entsprechenden Geschwindigkeit), an dem eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe gerade noch möglich ist und wobei bis zu diesem Zeitpunkt die angeforderte Leistung anteilig durch die Hauptantriebseinrichtung und anteilig durch die Zusatzantriebseinrichtung erfolgt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass rechtzeitig vor einer möglichen Erschöpfung des Energiespeichers der Zusatzantriebseinrichtung eine Kompensationsmaßnahme durch die Hauptantriebseinrichtung getroffen werden kann. Vorzugsweise wird hierfür laufend der Energieinhalt des Energiespeichers der Zusatzantriebseinrichtung beobachtet und in Beziehung zur entnommenen Leistung gesetzt, so dass, wenn das Verhältnis einen unteren kritischen Wert erreicht hat, ein Rückschaltvorgang initiiert wird.

Die Antriebseinrichtung mit dem größeren Energiespeicher steht somit mit ihrem Potential in jedem Betriebspunkt als sogenanntes Backup zur Verfügung und kann für den Fall, dass die Zusatzantriebseinrichtung aufgrund mangelnden Energievorrats mit ihrem Leistungsanteil nicht mehr zur Verfügung steht, mit ihren backup- bzw. Reserveanteil den fehlenden Anteil der Zusatzantriebseinrichtung ausgleichen.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels enthalten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1: den Aufbau eines Hybridantriebs in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,

2: ein Diagramm mit Leistungskurven unterschiedlicher Gangstufen in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Veranschaulichung eines Hochschaltvorgangs gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, und

3: ein Diagramm gemäß 2 zur Veranschaulichung eines Rückschaltvorgangs gemäß der Erfindung.

1 zeigt das Funktionsschema eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform. Die Antriebseinheit umfasst eine Hauptantriebseinrichtung 2 in Form einer Brennkraftmaschine nebst einem Kraftstofftank als Energiespeicher 2a, eine Zusatzantriebseinrichtung 4 in Form einer wahlweise generatorisch oder motorisch betreibbaren elektrischen Maschine nebst einer Batterie und/oder einer Kondensatoranordnung als zugehörigem Energiespeicher 4a und ein Automatikgetriebe 6. Dabei sind die Brennkraftmaschine 2, die elektrische Maschine 4 und das Automatikgetriebe 6 in Serie hintereinander angeordnet. Die Brennkraftmaschine 2 und die elektrische Maschine 4 sind über eine Trennkupplung 8 miteinander koppelbar bzw. voneinander entkoppelbar. Des Weiteren ist ein über die Getriebeabtriebswelle angetriebenes Differential 10 vorhanden, über das die Antriebsleistung an die Räder einer Achse verteilt wird. Die Fahrzeugräder werden beispielsweise mittels elektromagnetisch steuerbarer und hydraulisch betätigbarer Bremsen 12, die das Rekuperieren durch variablen und vom Pedaldruck und der Pedalstellung unabhängigen Druck an der Bremszange unterstützen, gebremst. Über die Hybridbremse kann ein elektronisch vorgegebenes Bremsmoment an den Rädern individuell eingestellt werden.
Darüber hinaus ist übergeordnet zumindest eine Steuereinrichtung 20 vorhanden, über die unter anderem eine Momentenvorgabe an verschiedene Antriebskomponenten erfolgt. Die Steuereinrichtung 20 erhält vom Fahrer oder einem gleichrangigen System (also z.B. aufgrund eines Fahrenrwunsches FW oder aufgrund detektierter Betriebsparameter P) eine umzusetzende Drehmoment- oder Leistungsvorgabe. Diese Drehmomentvorgabe wird von der Steuereinrichtung 20 in entsprechende elektronische Vorgaben umgesetzt und an die Komponenten der Antriebseinheit weitergeleitet. So erhalten die Brennkraftmaschine 2, die Trennkupplung 8, die elektrische Maschine 4, die Getriebeeinheit 6 und/oder die Bremsen 12 je nach vorliegender Betriebsbedingung bzw. je nach vorliegendem Fahrerwunsch FW entsprechende elektronische Momentenvorgaben (bzw. die Getriebeeinheit 6 eine entsprechende Gangstufenvorgabe).
In der 2 ist die durch die Steuereinrichtung 20 in Abhängigkeit von den vorliegenden Betriebsbedingungen bzw. in Abhängigkeit von dem vorliegenden Fahrerwunsch leistungsorientiert gesteuerte Gangwahl für einen Hochschaltvorgang veranschaulicht. Hier soll die Vorgehensweise bei der Gangstufenermittlung als Folge einer sich ändernden Betriebsbedingung – hier: Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit bei konstant bleibender Leistungsanforderung – gezeigt werden. Die dargestellten vier Linien charakterisieren das Leistungsangebot zweier benachbarter Übersetzungen. Dabei zeigt die ununterbrochene Linie jeweils das Leistungsangebot der Brennkraftmaschine 2 und die gestrichelte Linie jeweils das kombinierte Leistungsangebot von Brennkraftmaschine 2 und elektrischer Maschine 4. Elektrische Maschinen entwickeln im unteren Drehzahlbereich bekanntermaßen ein deutlich höheres relatives Drehmoment als Brennkraftmaschinen. Wie dargestellt, ist in Punkt P1 bei einer vorliegenden Leistungsanforderung P_soll die vierte Gangstufe eingestellt. Ausgehend von diesem Zustand erfolgt bei konstanter Leistungsanforderung P_soll aufgrund einer stattfindenden Geschwindigkeitserhöhung (z.B. aufgrund von Zugkraftüberschuss) von der Geschwindigkeit v₁ im Punkt P1 auf eine erhöhte Geschwindigkeit v₂ im Punkt P2 eine automatische Hochschaltung in die nächsthöhere Gangstufe (Gangstufe fünf). Der automatische Hochschaltvorgang könnte theoretisch bereits zu dem Zeitpunkt stattfinden, in dem die Geschwindigkeit v_4-5-x vorliegt, da in diesem Zeitpunkt bereits die geforderte Leistung durch eine Kombination mit Anteilen zwischen null und einhundert Prozent aus elektrischer Maschine 4 und Brennkraftmaschine 2 bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt besteht allerdings die Gefahr, dass die verfügbare elektrische Energie für den Antrieb der elektrischen Maschine 4 bereits vor Erreichen der Geschwindigkeit v_4-5 nicht mehr ausreichend zur Verfügung steht (Energiespeicher entladen) und in der Folge wieder in die niedrigere Gangstufe (Gangstufe vier) zurückgeschaltet oder eine Abweichung von der vorliegenden Leistungsvorgabe in Kauf genommen werden müsste. Um dies zu vermeiden erfolgt eine Hochschaltung in die nächsthöhere Gangstufe (hier: Gangstufe fünf) erst dann, wenn die vorliegende Leistungsanforderung in der (hochzuschaltenden) nächsthöheren Gangstufe (hier: Gangstufe fünf) allein durch die Brennkraftmaschine 2 bzw. durch den durch die Brennkraftmaschine 2 bereitstellbaren Hauptleistungsanteil P_VM abgedeckt werden kann. Dieser Zeitpunkt ist im dargestellten Beispiel mit v_4-5 bezeichnet. Das zusätzliche Potential (Zusatzleistungsanteil P_EM) der elektrischen Maschine 4 wird für eine Hochschaltentscheidung nicht herangezogen bzw. unter gegebenen Umständen nur dann herangezogen, wenn der Inhalt des elektrischen Energiespeichers 4a die Strecke zwischen v_4-5 und v_4-5-x zu mehr als n-mal einhundert Prozent (n × 100 %) abdeckt. Der Energiebedarf für die Strecke zwischen v_4-5 und v_4-5-x errechnet sich aus dem Leistungsbedarf der elektrischen Maschine 4 multipliziert mit dem prognostizierten Zeitwert für die Bewältigung der Strecke als Funktion der erzielbaren Beschleunigung bei gemessenem Beschleunigungsausgangswert. Da sich unter Umständen nicht weiter bekannte Beschleunigungsbremswiderstände (z. B. Steigung, Beladung, veränderter cw-Wert) oder zusätzliche Beschleunigungsquellen (Kraftwirkung durch Hangabtrieb) einstellen, kann man nicht immer vom Normwert der Beschleunigung ausgehen. Das heißt wiederum, dass die Prognose auf einem unmittelbar vorhergehenden Beschleunigungswert bei bekanntem Antriebsmoment basieren sollte.
In der 3 ist die durch die Steuereinrichtung 20 in Abhängigkeit von den vorliegenden Betriebsbedingungen bzw. dem vorliegenden Fahrerwunsch leistungsorientiert gesteuerte Gangwahl für einen Rückschaltvorgang veranschaulicht. Ausgehend von einer Leistungsanforderung von P_soll1 in Punkt P1' bei eingelegter fünfter Gangstufe erfolgt eine Erhöhung der Leistungsanforderung auf P_soll2 in Punkt P2'. Die im Punkt P2' angeforderte Leistung kann von der Brennkraftmaschine 2 in der eingestellten fünften Gangstufe alleine nicht mehr erfüllt werden. Ohne Nutzung des Zusatzleistungsanteils P_EM der elektrischen Maschine 4 wäre zu diesem Zeitpunkt eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe (hier: Gangstufe vier) erforderlich. Unter Einbeziehung der Zusatzleistung P_EM der elektrischen Maschine 4 kann die angeforderte Leistung ohne Rückschaltung bereitgestellt werden, so dass bei einer sich einstellenden Beschleunigung (Erhöhung der Geschwindigkeit von v_1' auf v_2') aufgrund der Leistungsanforderung und der darauf bereitgestellten Leistung ggf. ein Rückschaltvorgang und ein Hochschaltvorgang vermieden werden können. Übersteigt die Leistungsanforderung das durch die elektrische Maschine 4 erweiterte Leistungspotential (siehe Punkt P2''), wird zwingend eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe initiiert.
Um eine jederzeit reproduzierbare Leistungsabgabe zu gewährleisten, erfolgt der Einsatz der elektrischen Maschine 4 nur bis maximal zu der Geschwindigkeit (hier: v_3'), bei der noch eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe erfolgen kann. Durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit wird sichergestellt, dass rechtzeitig vor einer drohenden Erschöpfung (Unterschreitung einer Mindestladungsmenge) des Energiespeichers 4a der Zusatzantriebseinrichtung 4 durch die Hauptantriebseinrichtung 2 eine Kompensationsmaßnahme getroffen werden kann.
Vorzugsweise wird hierfür der Energiespeicher 4a der Zusatzantriebseinrichtung 4 ständig beobachtet und dessen Ladezustand in Beziehung zu der entnommenen Leistung gestellt und so ein stets aktueller Wert für die zu erwartende Verfügbarkeitsdauer des Energiespeichers 4a und damit der Zusatzantriebseinrichtung 4 bereitgestellt. Wenn das Verhältnis einen kritischen Wert erreicht hat, wird ein Rückschaltvorgang zur Kompensation initiiert. Der elektrische Energiespeicher 4a benötigt einen Mindestenergiegehalt, der derart bemessen ist, dass während einer Schaltphase das erforderliche Moment für den Schaltvorgang durch die elektrische Maschine 4 bereitgestellt werden kann bzw. dass über die gesamte Schaltphase das angeforderte Gesamtmoment (M_VM + M_EM) sicher bereit gestellt werden kann.

Claims

Antriebseinheit,umfassend – eine Hauptantriebseinrichtung (2), insbesondere eine Brennkraftmaschine, zur Erzeugung eines Hauptleistungsanteils (P_VM), – eine Zusatzantriebseinrichtung (4), insbesondere eine elektrische Maschine (Elektromotor), zur Erzeugung eines Zusatzleistungsanteils (P_EM), sowie – eine Steuereinrichtung (20) zur Ermittlung einer Gangstufe und zur Initiierung eines Schaltvorgangs bei einem Automatikgetriebe (6) dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, – dass eine Hochschaltung in eine nächsthöhere Gangstufe aufgrund einer angestiegenen Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Leistungsanforderung erst dann erfolgt, wenn die angeforderte Leistung ausschließlich durch den Hauptleistungsanteil (P_VM) abgedeckt werden kann, und – dass eine mögliche Rückschaltung in eine nächstniedrigere Gangstufe aufgrund einer Erhöhung der Leistungsanforderung unterbleibt, solange die angeforderte Leistung (P_soll2) bis zu einer Fahrgeschwindigkeitsschwelle (v3') anteilig durch die Hauptantriebseinrichtung (2) und anteilig durch die Zusatzantriebseinrichtung (4) erfüllt werden kann, wobei der Einsatz der Zusatzantriebseinrichtung (4) nur bis maximal zu der Fahrgeschwindigkeitsschwelle (v3') erfolgt, bei der zur Erzeugung der angeforderten Leistung (P_soll2) noch eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe möglich ist, und ab Überschreitung der Fahrgeschwindigkeitsschwelle (v3') eine Rückschaltung in die nächstniedrigere Gangstufe initiiert wird, – und eine Rückschaltung zwingend dann erfolgt, wenn die Leistungsanforderung (P_soll2) das durch die Zusatzantriebseinrichtung (4) erweiterte Gesamtleistungspotential übersteigt.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass die von der Antriebseinheit abgegebene Gesamtleistung die ausschließlich durch die Hauptantriebseinrichtung (2) erzeugbare Maximalleistung nicht übersteigt.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass nach erfolgter Hochschaltung die angeforderte Leistung (P_soll) anteilig durch den Hauptleistungsanteil (P_VM) und anteilig durch den Zusatzleistungsanteil (P_EM) abgedeckt wird.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass der Energieinhalt des Energiespeichers (4a) der Zusatzantriebseinrichtung (4) beobachtet und in Beziehung zur entnommenen Leistung gesetzt wird und wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Wert erreicht hat, ein Rückschaltvorgang initiiert wird.