DE102005032782A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs für ein Hybridfahrzeug mit einer alternativen Betriebsart ohne Hochspannungssystem - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs für ein Hybridfahrzeug mit einer alternativen Betriebsart ohne Hochspannungssystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein hybrid-elektrischer Antriebsstrang für ein Kraftfahrezug und ein Steuerungsverfahren hierfür beschrieben. Es sind mechanische und elektro-mechanische Kraftübertragungswege von einem Verbrennungsmotor (16) zu einem Leistungsausgabeelement vorgesehen. Ein mechanischer Kraftübertragungsweg wird aufrechterhalten, wenn der elektro-mechanische Kraftübertragungsweg außer Funktion gesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem, das die Verteilung von Antriebsleistung einer Batterieeinheit und eines Verbrennungsmotors auf einen Antriebsstrang für ein elektrisches Hybridfahrzeug steuert.
  • Ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug weist zwei Leistungsquellen auf: Eine Quelle weist typischerweise einen Verbrennungsmotor auf. Die zweite Leistungsquelle weist einen Hochspannungselektromotor auf, für gewöhnlich einen Induktionsmotor. Eine Ausführungsform von Antriebssträngen von Hybridfahrzeugen weist parallele Kraftübertragungswege auf.
  • Die erste Leistungsquelle für eine parallelhybride elektrische Antriebsstrangkonfiguration besteht aus einer Kombination aus einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor, einem Generator, einer Hochspannungsbatterie sowie eines Planetenradsatzes zur Koordinierung der Leistungsverteilung. Die zweite Leistungsquelle umfasst eine Kombination aus einem elektrischen Antriebssystem mit einem Elektromotor, einem Generator und einer Hochspannungsbatterie. Die Hochspannungsbatterie wirkt als eine Energiespeichervorrichtung für den Generator und den Elektromotor. Eine Niederspannungsbatterie dient dazu, die Fahrzeugnebenaggregate, ein Antriebsstrangsteuergerät und die Zündspule zur Erzeugung von Zündfunken mit Spannung zu versorgen.
  • Die Motorausgangsleistung für die erste Leistungsquelle kann durch Steuerung der Generatordrehzahl in zwei Kraftübertragungswege aufgeteilt werden. Ein mechanischer erster Kraftübertragungsweg verläuft vom Verbrennungsmotor zum Planetenradsatz und schließlich zu einer Getriebeabtriebswelle. Ein zweiter Kraftübertragungsweg ist ein elektromechanischer Kraftübertragungsweg, über den Leistung vom Verbrennungsmotor zum Generator, weiter zum Elektromotor und von dort zur Abtriebswelle des Getriebes übertragen wird. Der Generator kann in diesem Fall dazu verwendet werden, Drehmoment auf den Zahnradsatz des Planetenradgetriebes zu übertragen. Bei dieser Antriebsstranganordnung können der Generator, der Elektromotor und der Zahnradsatz als elektromechanisches Getriebe mit stufenlosen Übersetzungseigenschaften wirken.
  • Indem der Generator mittels einer selektiv betätigbaren Bremse gebremst wird, kann die Motorausgangsleistung mit einem festen Übersetzungsverhältnis auf die Abtriebswelle des Getriebes übertragen werden.
  • Der Elektromotor der zweiten Leistungsquelle kann Energie aus der Hochspannungsbatterie ziehen und sowohl während des Vorwärts- als auch während des Rückwärtsfahrmodus unabhängig vom Verbrennungsmotor Antriebsdrehmoment bereitstellen. Ferner kann der Generator Energie aus der Hochspannungsbatterie ziehen und das Fahrzeug unter Einsatz einer an einer Motorausgangswelle angreifenden Einwegreaktionsbremse vorwärts bewegen. In diesem Fall wirkt, wenn der Generatorantriebsmodus in Betrieb ist, der Generator als Elektromotor.
  • Der Antriebsstrang wird von einem Fahrzeugantriebsstrangsteuermodul (vehicle powertrain control module) oder Steuergerät gesteuert, welches die beiden Leistungsquellen koordiniert, um die Gesamteffizienz und Gesamtleistung des Antriebsstrangs zu optimieren und dabei gleichzeitig einem Wunsch des Fahrers nach einer Antriebsleistung Rechnung zu tragen. Das Fahrzeugsteuerungssystem bestimmt, welches Funktionsbauteil und Untersystem zu welchem Zeitpunkt jeweils zum Einsatz kommen sollte, um den Wunsch des Fahrers nach einer Antriebsleistung zu befriedigen. Dabei kann jedoch das Batterie-Elektromotor-Generator-Untersystem seine Funktion dann nicht erfüllen, wenn der Stromkreis der Batterie offen ist, während sich das Fahrzeug in Bewegung befindet. Der Hybridfahrzeugantriebsstrang mit Leistungsaufteilung kann dann seinen Betrieb nicht aufrechterhalten und das Fahrzeugsystemsteuergerät oder das Steuergerät erteilt dem Fahrzeug den Befehl zum Abschalten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Steuergerät in dieser Situation die Verteilung von Strom zwischen dem Elektromotor und dem Generator nicht steuern kann, weil die Hochspannungsbatterie, die sich nicht mehr im Stromkreis befindet, nicht ihre übliche Funktion als ein Kondensator bzw. Puffer zur Regelung der Busspannung zwischen dem Elektromotor und dem Generator erfüllen kann. Die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Elektromotor wäre dann durch instabile, nichtlineare Spannungsspitzen gekennzeichnet.
  • Das Abschalten des Fahrzeugs angesichts dieses anormalen Zustandes des Antriebsstrangs resultiert daraus, dass das System nicht in der Lage ist, über einen mechanischen Kraftübertragungsweg Leistung vom Verbrennungsmotor zu den Antriebsrädern des Fahrzeugs zu übertragen, da hierzu entweder die Generatorsteuerung in Betrieb sein oder die Generatorbremse betätigt werden muss. Bei Bestehen dieses anormalen Zustandes kann der Generator jedoch nicht gesteuert werden, weil die Hochspannungsbatterie sich nicht im Stromkreislauf befindet. Somit besteht die einzige Möglichkeit, über einen mechanischen Kraftübertragungsweg Leistung vom Verbrennungsmotor zu den Antriebsrädern des Fahrzeugs zu übertragen, darin, die Generatorbremse zu betätigen. Dies führt, wie oben erläutert, zu einem festen Übersetzungsverhältnis zwischen der Motordrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit, was jedoch zur Folge hat, dass der Verbrennungsmotor abgewürgt wird, wenn die Motordrehzahl die Leerlaufdrehzahl unterschreitet.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zwei Leistungsquellen in einem Antriebsstrang der vorstehend erörterten Art derart zu integrieren, dass beide Quellen beim Betrieb unter normalen Bedingungen nahtlos mit einem allgemein gebräuchlichen Getriebesystem zusammenwirken, während unter anormalen Bedingungen, bei einem Ausfall des Batterie-Elektromotor-Generator-Unter systems, Steuerungsprobleme und ein Abwürgen des Verbrennungsmotors vermieden werden.
  • Die Erfindung erreicht dies, indem die Steuerung der von den beiden Leistungsquellen bereitgestellten Leistung koordiniert und dabei gleichzeitig die Gesamteffizienz und Gesamtleistung des Antriebsstrangs während des Betriebs unter normalen Bedingungen optimiert wird.
  • Die Koordinierungsfunktion wird durch ein Antriebsstrangsteuergerät in einer Antriebsstrangkonfiguration mit aufgeteiltem Kraftfluss erfüllt. Unter normalen Betriebsbedingungen interpretiert das Antriebsstrangsteuergerät den Wunsch des Fahrers nach Leistung als eine Funktion der Beschleunigung oder Verzögerung. Das Antriebsstrangsteuergerät bestimmt dann, wie viel Leistung jede einzelne Leistungsquelle dem Getriebe zur Verfügung stellen muss, um den Fahrerwunsch nach Leistung zu erfüllen und um die angegebenen Fahrzeugeigenschaften (z.B. sparsamer Kraftstoffverbrauch, Emissionsqualität, Fahrkomfort usw.) zu erzielen. Das Antriebsstrangsteuergerät bestimmt den optimalen Arbeitspunkt des Verhältnisses zwischen Motordrehmoment und Motordrehzahl.
  • Wie vorstehend dargelegt, kann der Generator gebremst werden, um einen parallelen mechanischen Drehmomentflussweg zu den Antriebsrädern mit einem festen Übersetzungsverhältnis herzustellen.
  • Einige Merkmale der vorliegenden Erfindung stimmen mit Merkmalen eines in der gegenüber dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung nachveröffentlichten US 2004 01 688 40 A1 beschriebenen Hybridfahrzeugantriebsstrangs überein. Die diesbezügliche Offenbarung dieses Dokumentes soll hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die in der vorhergehenden Erörterung beschriebenen Nachteile dadurch, dass dem Antriebsstrang ermöglicht wird, dem Fahrerwunsch nach einer Antriebsleistung auch dann so weit wie möglich Rechnung zu tragen, wenn sich die Hochspannungsbatterie nicht im Batterie-Elektro motor-Generator-Untersystem befindet. Die Erfindung ermöglicht es, die Übertragung von Leistung an die Antriebsräder zu bewerkstelligen, obwohl die Hochspannungsbatterie effektiv vom übrigen Antriebsstrang abgetrennt ist. Auf diese Weise werden Probleme vermieden, die entstehen, wenn die Steuerung des Stromflusses zwischen dem Elektromotor und dem Generator ausgefallen ist.
  • Darüber hinaus bietet die Erfindung eine Lösung für das Problem, dass der Verbrennungsmotor abgewürgt wird, wenn die der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechende Drehzahl unter einen Schwellenwert, wie etwa die Leerlaufdrehzahl fällt, wenn die Funktion des Hochspannungs-Untersystems ausfällt und die Generatorbremse betätigt wird. Wenn das Fahrzeug gestoppt wird und der Fahrer das Fahrpedal betätigt, um das Fahrzeug auf eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit zu beschleunigen, erteilt ein Beschleunigungssignal den Befehl, Drehmoment auf die Räder zu übertragen, während das Antriebsstrangsteuergerät den Befehl zur Betätigung einer Rutschkupplung (variable speed clutch) erteilt, die sich zwischen dem Planetenradsatz und dem Verbrennungsmotor befindet. Wenn die Rutschkupplung betätigt wird, sorgt ein Schlupf in der Kupplung dafür, dass ein geringes Reaktionsdrehmoment entsteht, welches dazu führt, dass sich ein Drehmomentausgabeelement des Zahnradsatzes dreht. Auf diese Weise erreicht der Verbrennungsmotor eine Drehzahl, bei der das Fahrzeug trotz geringer Geschwindigkeit nicht abgewürgt wird. So kann das Fahrzeug bei geringer Geschwindigkeit betrieben werden, während der Verbrennungsmotor weiterhin über der kritischen Drehzahl (stall speed) bleibt.
  • Erhöht sich anschließend die Fahrzeuggeschwindigkeit, so nimmt aufgrund der für die Rutschkupplung typischen zunehmenden Kupplungsreibung die Stärke des Reaktionsdrehmoments zu. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis die Geschwindigkeit der Fahrzeugantriebsräder entsprechend dem Übersetzungsverhältnis gleich der Motordrehzahl ist. An diesem Punkt ist die Rutschkupplung vollständig eingerückt und das Reaktionsdrehmoment hat sein Maximum erreicht. Die Motordrehzahl kann erhöht werden, um basierend auf dem Fahrerwunsch die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Die Versorgung des Steuergerätes, der Zündspule zur Erzeugung von Zündfunken und der Fahrzeugnebenaggregate erfolgt normalerweise über eine Niederspannungsbatterie. Steht die Hochspannungsbatterie als Spannungsquelle nicht zur Verfügung, so kann die Niederspannungsbatterie nicht aufgeladen werden. Unter normalen Bedingungen wird die Hochspannung der Hochspannungsbatterie durch einen Gleichrichter in eine Niederspannung umgewandelt, um die Niederspannungsbatterie aufzuladen.
  • Fällt jedoch, wie oben erwähnt, das Hochspannungssystems aufgrund anormaler Bedingungen aus, so kann die Niederspannungsbatterie nicht mehr aufgeladen werden. Daher führt eine weitere Benutzung des Fahrzeugs über einen längeren Zeitraum dazu, dass die Niederspannungsbatterie entladen wird. Kommt es zu einer wesentlichen Verringerung der Leistung der Niederspannungsbatterie, so kann dies zu einem Abwürgen des Fahrzeugs führen. Unter diesen Bedingungen kann ein Drehstromgenerator mit einer selektiv zu betätigenden Generatorkupplung dazu eingesetzt werden, den Drehstromgenerator an den Verbrennungsmotor anzuschließen. So kann der Fahrer das Fahrzeug auch nach einem Ausfall der Leistung des Hochspannungs-Untersystems noch weiter betreiben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Antriebsstrangkonfiguration mit Leistungsaufteilung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung des Kraftflusses innerhalb des Antriebsstrangs in Form eines Blockdiagramms;
  • 3 eine schematische Blockdiagrammdarstellung des Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, wobei nur eine als eine Leistungsquelle wirkende Anordnung aus einem Elektromotor und einem Generator zusammen mit einer Batterie dargestellt sind;
  • 4 ein Blockdiagramm ähnlich 3, bei dem der Verbrennungsmotor mit einer positiven Leistungsaufteilung arbeitet;
  • 5 ein Blockdiagramm ähnlich 3, bei dem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, und der Kraftfluss durch eine negative Leistungsaufteilung gekennzeichnet ist;
  • 6 ein Blockdiagramm ähnlich 3, bei dem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist und die Generatorbremse betätigt wird, wodurch ein paralleler Kraftflussmodus hergestellt wird; und
  • 7 ein Flussdiagram, das eine Abfolge von Betriebsschritten in der Strategie einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • Bei der Beschreibung der Erfindung werden die Begriffe "negative" und "positive" Batterieleistungsanforderungen verwendet. Falls eine Batterieleistungsanforderung zum Laden vorliegt, soll dies eine negative Leistung bedeuten. Falls eine Batterieleistungsanforderung zum Entladen vorliegt, soll dies eine positive Leistung bedeuten.
  • Der hybrid-elektrische Fahrzeugantriebsstrang der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung weist, wie aus 1 ersichtlich, eine parallel-serielle Konfiguration auf. Der Antriebsstrang weist ein Fahrzeugantriebsstrangsteuermodul (vehicle powertrain control module PCM) bzw. ein Steuergerät 10, eine Hochspannungsbatterie 12 sowie ein Getriebe 14 mit einem Elektromotor-Generator-Untersystem auf. Ein von einem Steuergerät gesteuerter Verbrennungsmotor 16 (Drehmomenterzeuger) überträgt Drehmoment über eine Getriebeeingangswelle 18 an das Getriebe 14.
  • Das Getriebe 14 weist neben anderen Bauteilen einen Planetenradsatz 20 auf, welcher ein Hohlrad 22, ein Sonnenrad 24 und eine Planetenträgeranordnung 26 umfasst. Das Hohlrad 22 überträgt Drehmoment auf Stufenverhältnis-Zahnräder, welche miteinander im Eingriff befindliche Zahnradelemente 28, 30, 32, 34 and 36 umfassen. Eine Drehmomentausgangswelle 38 des Getriebes steht mit den Fahrzeugantriebsrädern 40 durch einen Achsdifferentialmechanismus 42 in Antriebsverbindung. Mit 42 sind lenkbare Frontfahrzeugräder bezeichnet.
  • Die Zahnräder 30, 32 und 34 sind auf einer Vorgelegewelle montiert, wobei das Zahnrad 32 mit einem von dem Elektromotor angetriebenen Zahnrad 44 in Eingriff steht. Der Elektromotor 46 treibt das Zahnrad 44 an, welches Drehmoment auf das Vorgelegegetriebe überträgt.
  • Die Hochspannungsbatterie 12 liefert dem Elektromotor über einen Kraftübertragungsweg 48 elektrische Leistung. Der Generator 50 ist, wie bei 52 dargestellt, in bekannter Weise elektrisch an die Batterie und an den Elektromotor angeschlossen.
  • Wenn die Hochspannungsantriebsstrangbatterie 12 bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor als einzige Leistungsquelle wirkt, werden die Getriebeeingangswelle 18 und die Planetenträgeranordnung 26 von einer Überholkupplung 53 gebremst. Eine mechanische Generatorbremse 55 fixiert den Rotor des Generators 50 und das Sonnenrad 24, wenn der Verbrennungsmotor in Betrieb ist und der Antriebsstrang sich in einem Parallelantriebsmodus befindet, wobei das Sonnenrad 24 als Reaktionselement wirkt.
  • Wie oben erwähnt, verfügt der Antriebsstrang über zwei Leistungsquellen. Die erste Leistungsquelle besteht aus einer Kombination aus dem Verbrennungsmotor und dem Batterie-Elektromotor-Generator-Untersystem, welche durch den Planetenradsatz 20 miteinander verbunden sind. Die andere Leistungsquelle umfasst nur das elektrische Antriebssystem, einschließlich einer Kombination aus dem Elektromotor, dem Generator und der Hochspannungsbatterie, wobei die Batterie als Energiespeichermedium für den Generator und den Elektromotor wirkt.
  • Ein von dem Steuergerät 10 gesteuerter Schalter 61 sorgt dafür, dass die Hochspannungsbatterie und der Elektromotor 46 wahlweise aneinander angeschlossen und voneinander getrennt sind. Ein Signalübertragungsweg 69 verbindet das Steuergerät 10 mit dem Schalter 61, mit dem Elektromotor 46 und mit dem Generator 50. Das Steuergerät 10 registriert, wenn die Batterie 12 nicht in Betrieb ist und öffnet daraufhin den Schalter und schaltet den Generator 50 und den Elektromotor 46 ab.
  • Wie bei 85 dargestellt, sind die Generatorbremse 55 und eine Rutschkupplungsanordnung 82 elektrisch an das Steuergerät 10 angeschlossen. Der Verbrennungsmotor 16 ist, wie bei 68 dargestellt, elektrisch an das Steuergerät 10 angeschlossen. Rutschkupplungsanordnungen sind in der Antriebsstrangtechnik allgemein bekannt.
  • Ein Drehstromgenerator 79 ist, wie bei 77 dargestellt, über die Kupplung 71 mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 16 verbunden. Die Kupplung 71 ist, wie bei 18 dargestellt, mechanisch mit dem Verbrennungsmotor verbunden und, wie bei 73 dargestellt, elektrisch an das Steuergerät angeschlossen.
  • Eine Niederspannungsbatterie 75 ist, wie bei 81 dargestellt, elektrisch an den Drehstromgenerator 79 und, wie bei 67 dargestellt, an das Steuergerät 10 angeschlossen.
  • Das Steuergerät 10 ist, wie bei 90 dargestellt, elektrisch an die Hochspannungsbatterie 12 und an den Planetenradsatz 20 angeschlossen.
  • Die Rutschkupplungsanordnung 82 stellt eine mechanische Verbindung zwischen dem Sonnenrad 24 und dem Generator 50 her.
  • In 2 werden die Kraftübertragungswege zwischen den verschiedenen Elementen des in 1 dargestellten Antriebsstrangs mit Leistungsaufteilung veranschaulicht. Mit Hilfe einer Motordrosselklappe steuert der Fahrer in bekannter Weise die Zufuhr von Kraftstoff an den Verbrennungsmotor 16. An den Planetenradsatz 20 übertragene Motorleistung ist ausgedrückt als Teωe, wobei Te das Motordrehmoment ist und ωe die Motordrehzahl. Leistung, die von dem Hohlrad des Planetengetriebes an die Zahnräder der Vorgelegewelle übertragen wird, wird ausgedrückt als Trωr, was das Produkt von Hohlraddrehmoment mit Hohlraddrehzahl darstellt. Die Ausgangsleistung des Getriebes 14 wird durch die Symbole Ts und ωs, dargestellt, die für das Drehmoment der Welle 38 bzw. die Drehzahl der Welle 38 stehen.
  • Der Generator kann, wenn er als ein Elektromotor wirkt, Leistung auf das Planetengetriebe übertragen. Alternativ kann der Generator durch das Planetengetriebe angetrieben werden, wie in 2 durch den Drehmomentübertragungsweg 52 dargestellt. Ebenso kann, wie durch den Drehmomentübertragungsweg 54 dargestellt, die Leistungsverteilung zwischen dem Elektromotor und den Zahnrädern der Vorgelegewelle in beide Richtungen erfolgen. Antriebsleistung von der Batterie oder Aufladeenergie an die Batterie wird durch den Doppelrichtungspfeil 48 dargestellt. Der Kraftfluss zwischen der Batterie 12 und dem Generator 50 wird durch den Doppelrichtungspfeil 52' dargestellt. Der Kraftfluss zwischen der Batterie 12 und dem Elektromotor 46 wird durch den Doppelrichtungspfeil 54' dargestellt.
  • Wie in 2 dargestellt, kann die Verbrennungsmotorausgangsleistung durch Steuerung der Generatordrehzahl in zwei Wege aufgeteilt werden. Der mechanische Kraftübertragungsweg, Trωr, verläuft vom Verbrennungsmotor über den Planetenträger und das Hohlrad zur Vorgelegewelle. Der elektrische Kraftübertragungsweg verläuft vom Verbrennungsmotor über den Generator und über den Elektromotor zur Vorgelegewelle. Somit ist die Motorleistung aufgeteilt, so dass bei einer so genannten Betriebsart mit positiver Leistungsaufteilung die Motordrehzahl von der Fahrzeuggeschwindigkeit abgekoppelt ist. Dieser Zustand wird in 4 veranschaulicht, wo der Verbrennungsmotor 16 Leistung an das Planetengetriebe 20 überträgt, das Leistung an die Zahnräder der Vorgelegewelle 30, 32 und 34 verteilt. Diese Zahnräder treiben ihrerseits letztlich die Antriebsräder 40 an. Ein Teil der Leistung des Planetengetriebes wird an den Generator 50 übertragen, der Ladeenergie an die Hochspannungsbatterie 12 verteilt. Die Drehzahl des Generators ist dann größer als Null oder positiv, und das Generatordrehmoment ist kleiner als Null. Die Batterie treibt den Elektromotor 46 an, der Leistung an die Vorgelegewelle verteilt. Diese Anordnung stellt eine positive Leistungsaufteilung dar.
  • Wenn der Generator aufgrund mechanischer Eigenschaften des Planetenradsatzes Leistung an den Planetenradsatz überträgt, um das Fahrzeug anzutreiben, so kann der Betriebsmodus als eine negative Leistungsaufteilung bezeichnet werden. Dieser Zustand ist in 5 dargestellt, wo die Generatordrehzahl negativ und das Generatordrehmoment ebenfalls negativ ist.
  • Gemäß 5 überträgt der Generator Leistung an das Planetengetriebe 20, während der Elektromotor 46 als Generator wirkt und die Hochspannungsbatterie 12 aufgeladen wird. Es ist jedoch möglich, dass der Elektromotor unter bestimmten Bedingungen Leistung an das Vorgelegegetriebe überträgt, wenn das von der Vorgelegewelle auf die Antriebsräder 40 übertragene resultierende Drehmoment den Anforderungen des Fahrers nicht genügt. Der Elektromotor hat dann die Aufgabe, die fehlende Menge an Drehmoment auszugleichen.
  • Wenn die Generatorbremse 55 betätigt wird, wird eine parallele Betriebsart hergestellt. Dies ist in 6 dargestellt, wo der Verbrennungsmotor 16 in Betrieb ist und der Generator gebremst wird. Die Hochspannungsbatterie 12 versorgt den Elektromotor 46 mit Spannung, während dieser das Vorgelegegetriebe simultan zur Übertragung von Leistung vom Verbrennungsmotor an das Planetengetriebe und anschließend an das Vorgelegegetriebe mit Leistung versorgt.
  • Die erste Leistungsquelle kann, wie oben beschrieben, nur Drehmoment für den vorwärts gerichteten Antrieb liefern, da es im Vorgelegegetriebe keinen Rückwärtsgang gibt. Der Verbrennungsmotor erfordert entweder eine Steuerung der Generatordrehzahl oder eine Generatorbremse um eine Übertragung von Leistung an die Räder zur Vorwärtsbewegung zu ermöglichen.
  • Die zweite Leistungsquelle ist, wie oben beschrieben, das Hochspannungsbatterie-Elektromotor-Generator-Untersystem. Dieses ist in 3 dargestellt. Bei dieser Antriebsart wird der Verbrennungsmotor von der Freilaufkupplung 53 gebremst. Der Elektromotor zieht Spannung aus der Hochspannungsbatterie und sorgt unabhängig vom Verbrennungsmotor für Antrieb entweder für die Vorwärts- oder die Rückwärtsfahrt. Der Generator kann Spannung aus der Hochspannungsbatterie ziehen und entgegen der Reaktion der Einwegkupplung 53 antreiben. Bei dieser Betriebsart wirkt der Generator als ein Elektromotor.
  • Wie oben dargelegt, sind die beiden Leistungsquellen integriert, so dass sie nahtlos zusammenarbeiten, um dem Fahrerwunsch nach Leistung Rechnung zu tragen und dabei gleichzeitig optimale Effizienz und Leistung des Antriebsstrangs zu gewährleisten. Das System ermittelt den Wunsch des Fahrers nach Drehmoment und bewirkt eine optimale Aufteilung der Leistung zwischen den beiden Leistungsquellen.
  • Obwohl in 1 ein Antriebsstrang mit geteilten Kraftübertragungswegen dargestellt ist, kann die Erfindung auch in anderen Antriebsstrangkonfigurationen mit einem Verbrennungsmotor, einem Generator und einem Batteriesystem eingesetzt werden.
  • Das Getriebe 14 weist in einer Ausführungsform die oben beschriebene Generatorbremsenanordnung 55, eine Rutschkupplungsanordnung 82 und eine Kupplung 71 auf. Die Kupplung 71 ist, wie bei 77 dargestellt, mechanisch mit einem Drehstromgenerator 79 verbunden. Sie ist, wie bei 73 dargestellt, elektrisch an das Steuergerät 10 gekoppelt, und mechanisch mit der Ausgangswelle 18 des Verbrennungsmotors (Drehmomenterzeuger) 16 verbunden.
  • Das Steuergerät 10, rückt, wenn es einen Leistungsabfall der Hochspannungsbatterie 12 registriert, die Kupplung 71 unter Verwendung von Befehlen, die auf den Bus 73 gegeben werden, ein und ermöglicht es so dem Verbrennungsmotor 16 die Niederspannungsbatterieeinrichtung 75 über den Drehstromgenerator 79 aufzuladen. Dies gewährleistet einen kontinuierlichen Betrieb des Fahrzeugs.
  • Die Rutschkupplungsanordnung 82 ist mit dem Sonnenrad 24 des Planetenradsatzes 20 verbunden. Die Generatorbremse 55 wirkt auf eine mechanische Kupplung zwischen dem Generator 50 und der Rutschkupplungsanordnung 82. Sowohl die Generatorbremse 55 als auch die Rutschkupplungsanordnung 82 sind über einen Bus 85 mit dem Steuergerät 10 verbunden.
  • Die Rutschkupplungsanordnung 82, kann z.B. eine Rutschkupplung mit Nassreibung (slipping wet friction clutch) sein, d.h. eine Kupplung mit einem Fließmedium, das eine Suspension aus Metallteilchen enthält, oder eine magnetorheologische Flüssigkeitskupplung (MR fluid-clutch = Magneto rheological clutch); alle diese Kupplungsformen sind dem Fachmann bekannt. Bei einer magnetorheologischen Flüssigkeitskupplung wird ein Fließmedium in der Kupplung verwendet, das Drehmoment zwischen den Kupplungseingangs- und den Kupplungsausgangselemente übertragen kann, wenn das Medium von einem gesteuerten magnetischen Fluss durchsetzt ist Die Drehmomentkapazität der Kupplung steht in einer funktionalen Beziehung zu der angelegten Spannung. Beispiele für Rutschkupplungen sind in der US 62 90 043 B1 und der US 63 94 244 B1 beschrieben. Der Offenbarungsinhalt dieser Dokumente wird durch Bezugnahme auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
  • Das Steuergerät 10 weist in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine Software und andere Logik auf, die es dem Steuergerät 10 ermöglichen, das Verfahren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auszuführen, welches ausführlicher unter Bezugnahme auf 7 erläutert wird. Durch den Bus 90 ist das Steuergerät 10 überdies mit der Hochspannungsbatterie 12 und Steuerelementen in der Planetenradanordnung 20 gekoppelt. Bei dem Steuergerät 10 kann es sich statt um ein Einzelsteuergerät auch um eine Anzahl miteinander verbundener Steuerungseinrichtungen handeln. Die Beschreibung der Ausführungsform von 1 bedeutet nicht, dass die Ausbildung des Steuergerätes auf ein Einzelsteuergerät oder auf irgendeine Anzahl Steuergeräten begrenzt ist.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Getriebe 14 nur aus dem Steuergerät 10 und der Rutschkupplungsanordnung 82 bestehen, mit denen ein vorhandenes, mit einer Generatorbremse ausgestattetes Fahrzeug nachrüstbar ist. Überdies kann während des normalen Betriebs die Rutschkupplung 82 eingerückt sein und dadurch die Übertragung von Drehmoment zwischen dem Sonnenrad 24 und dem Generator 50 ermöglichen. Ferner kann bei normalem Betrieb die Generatorbremse 55 wahlweise betätigt werden, um dem Verbrennungsmotor 16 Reaktionsdrehmoment zur Verfügung zu stellen, wodurch Leistung auf die Zahnräder 32, 34 übertragen werden kann.
  • 7 zeigt ein Strategieflussdiagramm 100, welches das Verfahren der hier offenbarten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Verfahren beginnt bei Schritt 102, bei dem das Steuergerät 10 einen Spannungsabfall innerhalb der Batterieanordnung 12 oder eine Unterbrechung der Übertragung von elektrischer Energie von der Hochspannungsbatterieanordnung 12 zum Bus 52 feststellt. Daraufhin wird das Steuergerät 10 in eine Betriebsart versetzt, die als "begrenzte Betriebsstrategie" (limited operating strategy = LOS) bezeichnet wird.
  • Auf Schritt 102 folgt Schritt 104. In Schritt 104 bestimmt das Steuergerät 10 unter Verwendung des Busses 85, ob der Verbrennungsmotor 16 in Betrieb ist. Ist der Verbrennungsmotor 16 in Betrieb, so folgt auf Schritt 104 Schritt 106. Andernfalls folgt auf Schritt 104 Schritt 108.
  • In Schritt 106 versetzt das Steuergerät 10 den Verbrennungsmotor 16 in den Leerlauf und rückt die Rutschkupplung 82 aus, indem das Steuergerät 10 unter Verwendung des Busses 85 Steuersignale an die Rutschkupplung 82 sendet.
  • Auf Schritt 106 folgt Schritt 110. In Schritt 110 bestimmt das Steuergerät 10, ob die Rutschkupplung 82 ausgerückt ist Wenn die Rutschkupplung nicht ausgerückt ist, folgt Schritt 110 auf Schritt 106. Andernfalls folgt auf Schritt 110 Schritt 112. Dort betätigt das Steuergerät 10 die Generatorbremsanordnung 55, indem es unter Verwendung des Busses 85 Steuersignale erzeugt und an die Generatorbremse 55 sendet.
  • In Schritt 114, der auf Schritt 112 folgt, überprüft das Steuergerät 10, ob die Generatorbremsenanordnung 55 wirkt. Wirkt die Generatorbremsenanordnung 55, so folgt auf Schritt 114 Schritt 120. Andernfalls folgt auf Schritt 114 Schritt 112.
  • In Schritt 120 setzt das Steuergerät 10 den Elektromotor 46 und den Generator 50 mittels Signalen, die auf die Busse 69 und 52 gegeben werden, außer Betrieb bzw. deaktiviert sie. Auf Schritt 120 folgt Schritt 121. In Schritt 121 rückt das Steuergerät 10 die Kupplung 71 unter Verwendung von Signalen, die auf den Bus 73 gegeben werden, ein, wodurch mit Hilfe von Bus 81 elektrische Ladung von einem Drehstromgenerator 79 an die Niederspannungsbatterieanordnung 75 gesendet wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kupplung 71 entfallen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein elektrisches Isolierungselement (z.B. ein Relais) zwischen den Drehstromgenerator 79 und die Niederspannungsbatterieanordnung 75 gesetzt werden. Das Relais kann von dem Steuergerät 10 selektiv geöffnet werden, wodurch die Niederspannungsbatterieanordnung 75 im normalen oder typischen Betrieb von dem Drehstromgenerator 75 isoliert wird.
  • Auf Schritt 121 folgt Schritt 122. In Schritt 122 fährt das Steuergerät 10 mit der Anpassung der Rutschkupplungsanordnung 82 fort, um die Drehmomentanforderung des Fahrers zu erfüllen und um zu verhindern, dass das Fahrzeug abgewürgt wird.
  • Die Rutschkupplungsanordnung 82 ist vollständig eingerückt, wenn die angeforderte Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wie vom Steuergerät 10 unter Verwendung der Position des Beschleunigungselements (nicht dargestellt) und der Radbremsen (nicht dargestellt) bestimmt, größer ist als die entsprechende Drehzahl, bei welcher der Verbrennungsmotor 16 abgewürgt wird. Sollte das Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit betrieben werden, die der Drehzahl entspricht, bei welcher der Verbrennungsmotor 16 abgewürgt wird, (z.B. die kritische Drehzahl) oder die unter dieser Drehzahl liegt, so rückt das Steuergerät 10 die Rutschkupplungsanordnung 82 teilweise aus, damit der Verbrennungsmotor 16 mit einer Drehzahl laufen kann, die größer ist als seine kritische Drehzahl und mit einer Drehzahl, die größer ist als die Drehzahl, die erforderlich ist, um eine gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Dabei wird die überschüssige Drehzahl, d.h. die Differenz zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 18 und der entsprechenden Fahrzeuggeschwindigkeit durch den Schlupf der Rutschkupplung 82 aufgefangen. Die Menge dieses Schlupfes der Rutschkupplung 82 ist direkt proportional zu der Dif ferenz zwischen der Motordrehzahl und der entsprechenden Fahrzeuggeschwindigkeit, wodurch der Verbrennungsmotor 16 variabel an die Getriebeabtriebswelle 38 gekoppelt wird und das Verhältnis der Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs variiert wird (d.h., die Drehzahl der Abtriebswelle 38 zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs).
  • In Schritt 108 betätigt das Steuergerät 10 die Generatorbremse 55 und versetzt den Verbrennungsmotor 12 damit in den Leerlauf. Auf Schritt 108 folgt Schritt 130. In Schritt 130 bestimmt das Steuergerät 10, ob die Generatorbremse 55 und die Rutschkupplungsanordnung 82 betätigt sind bzw. wirken oder nicht. Sind die Generatorbremse 55 und die Rutschkupplungsanordnung 82 nicht aktiviert, so folgt auf Schritt 130 Schritt 108. Andernfalls folgt auf Schritt 130 Schritt 134, bei dem das Steuergerät 10 ermittelt, ob der Verbrennungsmotor 12 in Betrieb ist. Ist der Verbrennungsmotor 12 nicht in Betrieb, so folgt auf Schritt 134 Schritt 108. Andernfalls folgt auf Schritt 134 Schritt 136, bei dem das Steuergerät 10 die Rutschkupplungsanordnung 82 veranlasst, die von dem Fahrer des Fahrzeugs angeforderte Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen.
  • Auf Schritt 136 folgt Schritt 138, bei dem das Steuergerät 10 den Elektromotor 46 und den Generator 50 abschaltet. Auf Schritt 138 folgt Schritt 121, und auf Schritt 121 folgt Schritt 122. Die Schritte 121 und 122 wurden bereits oben erläutert.

Claims (3)

  1. Verfahren (100) zur Steuerung eines hybrid-elektrischen Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, wobei der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor (16), einen Elektromotor (46), eine Hochspannungsbatterie (12), einen Generator (50) und ein Getriebe (14) aufweist, die einen Teil eines mechanischen Kraftübertragungsweges vom Verbrennungsmotor (16) zu einem Leistungsausgabeelement definieren, und wobei der Elektromotor (46), die Hochspannungsbatterie (12) und der Generator (50) elektrisch untereinander verbunden sind und einen Teil eines elektro-mechanischen Kraftübertragungsweges zu dem Leistungsausgabeelement definieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsverbindung zwischen dem Generator (50) und dem Verbrennungsmotor (16) hergestellt wird, der Generator (50) gebremst wird, um ein Reaktionsdrehmoment für ein Reaktionselement des Getriebes (14) bereitzustellen, wenn ein mechanischer Kraftübertragungsweg zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Leistungsausgabeelement hergestellt ist, und eine Rutschkupplungsverbindung zwischen dem Reaktionselement des Getriebes (14) und dem Generator (50) hergestellt wird, wenn der Generator (50) gebremst wird, wodurch der Verbrennungsmotor (16) bei Drehzahlen arbeiten kann, die oberhalb einer kritischen Drehzahl liegen, wenn der mechanische Kraftübertragungsweg hergestellt ist.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bremsens des Generators (50) in Abhängigkeit davon erfolgt, ob der elektro-mechanische Kraftübertragungsweg außer Kraft gesetzt wurde.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederspannungsquelle für das Fahrzeug etabliert wird, und dass die Niederspannungsquelle dann aktiviert wird, wenn der Generator gebremst wird, da ein mechanischer Kraftübertragungsweg vom Verbrennungsmotor (16) zum Leistungsausgabeelement hergestellt ist.
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