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Die
Erfindung betrifft ein Steuerungssystem, das die Verteilung von
Antriebsleistung einer Batterieeinheit und eines Verbrennungsmotors
auf einen Antriebsstrang für
ein elektrisches Hybridfahrzeug steuert.
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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.
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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.
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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.
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Indem
der Generator mittels einer selektiv betätigbaren Bremse gebremst wird,
kann die Motorausgangsleistung mit einem festen Übersetzungsverhältnis auf
die Abtriebswelle des Getriebes übertragen
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
vorstehend dargelegt, kann der Generator gebremst werden, um einen
parallelen mechanischen Drehmomentflussweg zu den Antriebsrädern mit
einem festen Übersetzungsverhältnis herzustellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Antriebsstrangkonfiguration mit Leistungsaufteilung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung des Kraftflusses innerhalb des Antriebsstrangs
in Form eines Blockdiagramms;
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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;
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4 ein
Blockdiagramm ähnlich 3,
bei dem der Verbrennungsmotor mit einer positiven Leistungsaufteilung
arbeitet;
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5 ein
Blockdiagramm ähnlich 3,
bei dem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, und der Kraftfluss
durch eine negative Leistungsaufteilung gekennzeichnet ist;
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6 ein
Blockdiagramm ähnlich 3,
bei dem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist und die Generatorbremse
betätigt
wird, wodurch ein paralleler Kraftflussmodus hergestellt wird; und
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7 ein
Flussdiagram, das eine Abfolge von Betriebsschritten in der Strategie
einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Niederspannungsbatterie 75 ist, wie bei 81 dargestellt,
elektrisch an den Drehstromgenerator 79 und, wie bei 67 dargestellt,
an das Steuergerät 10 angeschlossen.
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Das
Steuergerät 10 ist,
wie bei 90 dargestellt, elektrisch an die Hochspannungsbatterie 12 und
an den Planetenradsatz 20 angeschlossen.
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Die
Rutschkupplungsanordnung 82 stellt eine mechanische Verbindung
zwischen dem Sonnenrad 24 und dem Generator 50 her.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.