DE102005039461A1

DE102005039461A1 - Hybrider Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betrieb eines hybriden Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102005039461A1
Application number: DE102005039461A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Lang (FH); Klaus Dr. Ing. Riedl
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-08-20
Filing date: 2005-08-20
Publication date: 2007-03-15
Also published as: JP2009504490A; WO2007022836A1; US8352135B2; JP4344958B2; US20080189018A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine, einer Elektromaschine und einem Getriebe sowie einer zwischen Brennkraftmaschine und Elektromaschine angeordneten ersten Kupplung. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang vorzuschlagen, welcher einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist und dennoch in vielen unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden kann. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der Antriebsstrang eine Elektromaschine (28) auf, welche mittels einer zweiten Kupplung (KE) ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung (NAK) mit der Brennkraftmaschine (11) und mittels einer dritten Kupplung (KE) ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung (NAK) mit dem Getriebe (15) verbunden werden kann. DOLLAR A Einsatz in einem Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft einen hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines hybriden Antriebsstrangs nach Anspruch 4.

Die DE 103 19 880 A1 beschreibt einen hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, bei welchem zwischen einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe in Form eines Automatikgetriebes eine erste Kupplung in Form einer nassen Anfahrkupplung angeordnet ist. Der Antriebsstrang verfügt über eine erste Elektromaschine, welche direkt mit einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine antriebsfest verbunden ist. Außerdem weist der Antriebsstrang eine zweite Elektromaschine auf. Die zweite Elektromaschine kann mit einer Kupplung mit einem Hohlrad eines Eingangsplanetensatzes des Automatikgetriebes verbunden werden, mit welchem auch die Brennkraftmaschine mittels der Anfahrkupplung verbunden werden kann. Darüber hinaus kann die zweite Elektromaschine mittels einer weiteren Kupplung mit einem Sonnenrad des Eingangsplanetensatzes verbunden werden. Damit ist die erste Elektromaschine fest mit der Brennkraftmaschine verbunden und die zweite Elektromaschine kann ohne Zwischenschaltung der Anfahrkupplung mit dem Getriebe verbunden werden. Mit diesem Antriebsstrang ist eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten darstellbar.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, einen hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, welcher einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist und dennoch in vielen unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen hybriden Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines hybriden Antriebsstrangs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorzuschlagen, welches einen sicheren Betrieb des Antriebsstrangs ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Erfindungsgemäß weist der Antriebsstrang eine Elektromaschine auf, welche mittels einer zweiten Kupplung ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung mit der Brennkraftmaschine und mittels einer dritten Kupplung ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung mit dem Getriebe verbunden werden kann. Die Elektromaschine kann dabei als Generator betrieben werden und eine Batterie des Kraftfahrzeugs aufladen. Ebenso kann die Elektromaschine als Elektromotor betrieben werden und ein Drehmoment an den Motor oder das Getriebe abgeben. In diesem Fall wird die Elektromaschine von der Batterie des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Die Elektromaschine ist die einzige Elektromaschine, welche im Antriebsstrang ein Drehmoment zum Antrieb des Kraftfahrzeugs liefern kann.

Durch die wahlweise Kopplung der Elektromaschine an die Brennkraftmaschine und/oder das Getriebe lassen sich mit nur einer einzigen Elektromaschine eine Reihe von Betriebsarten realisieren:

– Bei geschlossener zweiten Kupplung und geöffneter erster und dritter Kupplung ist mittels der Elektromaschine ein Start der Brennkraftmaschine ohne Rückwirkungen auf den restlichen Antriebsstrang möglich. Außerdem kann bei dieser Stellung der Kupplungen die Brennkraftmaschine ohne Rückwirkungen auf den restlichen Antriebsstrang die Elektromaschine antreiben. Die Elektromaschine wird damit als Generator betrieben und kann ausreichend elektrische Energie für die Verbraucher des Kraftfahrzeugs erzeugen.
– Bei geschlossener dritten Kupplung und geöffneter erster und zweiter Kupplung ist ein Antrieb des Kraftfahrzeugs alleine durch die Elektromaschine möglich, ohne dass die Brennkraftmaschine mitgeschleppt werden müsste. Außerdem kann im so genannten Rekuperationsbetrieb die Elektromaschine über die Fahrzeugräder und das Getriebe angetrieben und damit als Generator betrieben werden, ohne dass die Brennkraftmaschine mitgeschleppt werden müsste. Damit wird ein optimaler Wirkungsgrad bei der Rekuperation ermöglicht.

Ohne die erfindungsgemäßen Kopplungsmöglichkeiten der Elektromaschine mit der Brennkraftmaschine und/oder dem Getriebe wären für die Realisierung dieser Betriebsarten mindestens zwei Elektromaschinen notwendig. Dies würde den Antriebsstrang im Vergleich zum erfindungsgemäßen Antriebsstrang teurer machen.

Zusätzlich zu den beschriebenen Kupplungspositionen können auch die zweite und die dritte Kupplung gleichzeitig geschlossen werden. Damit kann ein Teil des abgegebenen Drehmoments der Brennkraftmaschine über die zweite Kupplung, die Elektromaschine und die dritte Kupplung auf das Getriebe wirken. Damit wird die erste Kupplung unterstützt, so dass die Brennkraftmaschine mehr Drehmoment abgeben kann, als die erste Kupplung alleine übertragen kann. Dies schützt die erste Kupplung vor Überbelastungen und damit vor erhöhtem Verschleiß oder Beschädigungen. Außerdem kann zur Beschleunigung des Kraftfahrzeugs im Vergleich zur Übertragung allein durch die erste Kupplung ein höheres Drehmoment auf das Getriebe und damit auf die angetriebenen Fahrzeugräder übertragen werden.

Außerdem können im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs bei einem erkannten Fehler an der ersten Kupplung, wenn sich beispielsweise die erste Kupplung nicht mehr schließen lässt und somit kein Drehmoment über die erste Kupplung übertragbar ist, ebenfalls die zweite und die dritte Kupplung geschlossen werden. In diesem Fall kann das Drehmoment der Brennkraftmaschine über die zweite Kupplung, die Elektromaschine und die dritte Kupplung auf das Getriebe übertragen werden. Damit ist das Kraftfahrzeug auch bei einem Ausfall der ersten Kupplung zumindest teilweise betriebsfähig. Unter Fahrbetrieb ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs so hoch ist, dass bei geschlossener zweiter und dritter Kupplung die Drehzahl der Brennkraftmaschine größer als eine Mindestdrehzahl, beispielsweise eine Leerlaufdrehzahl ist.

Um bei einem erkannten Fehler an der ersten Kupplung das Kraftfahrzeug anzufahren, also den genannten Fahrbetrieb zu erreichen, kann das dafür erforderliche Drehmoment von der Elektromaschine aufgebracht und über die dritte Kupplung auf das Getriebe übertragen werden. Die Elektromaschine ist dazu mittels der zweiten Kupplung von der Brennkraftmaschine getrennt. Damit wird auch ein Anfahren des Kraftfahrzeugs bei einem Ausfall der ersten Kupplung ermöglicht.

Die erste Kupplung ist insbesondere als eine Anfahrkupplung, beispielsweise eine nass laufende Lamellenkupplung ausgeführt. Das hat den Vorteil, dass kein weiteres Anfahrelement, wie beispielsweise ein hydrodynamischer Drehmomentwandler vorgesehen werden muss. Dieser würde zusätzlichen Bauraum beanspruchen und würde den Antriebsstrang teurer machen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das Getriebe als ein automatisches Getriebe mit einem eingangsseitigen Summengetriebe ausgeführt. Das Summengetriebe ist insbesondere als ein Planetensatz ausgeführt. Damit kann die Elektromaschine entweder mit dem Element des Summengetriebes, verbunden werden, welches auch über die erste Kupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden werden kann oder mit einem davon abweichenden Element. Wird die Elektromaschine mit einem anderen Element als die Brennkraftmaschine verbunden, so überlagern sich die Drehzahlen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine im Summengetriebe und ein stufenloser Betrieb des Antriebsstrangs wird ermöglicht. Bezüglich der Umsetzung eines stufenlosen Fahrbetriebs wird auf die DE 103 19 880 A1 verwiesen, deren Inhalt bezüglich der Realisierung eines stufenlosen Betriebs hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Zur Kopplung der Elektromaschine mit dem Getriebe kann dazu eine Kupplung vorgesehen sein, mittels welcher die Elektromaschine mit einem Element des eingangsseitigen Summengetriebes verbunden werden kann. Es ist ebenso möglich, dass zwei Kupplungen zur alternativen Verbindung der Elektromaschine mit je einem Element des eingangseitigen Summengetriebes vorgesehen sind.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Prinzipbild eines hybriden Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, einer Elektromaschine und einem Getriebe,
2 eine Tabelle für die in den einzelnen Gängen des Getriebes von 1 wirksamen Getriebe-Kupplungen und Bremsen,
3 ein Prinzipbild eines hybriden Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs in einer zweiten Ausführungsform und
4 eine Tabelle für die in den einzelnen Gängen des Getriebes von 3 wirksamen Getriebe-Kupplungen und Bremsen.
Gemäß 1 verfügt ein hybrider Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs über eine Brennkraftmaschine 11, welche über eine Motorwelle M, ein Anfahrelement in Form einer nassen Anfahrkupplung NAK (erste Kupplung) und einer Getriebeeingangswelle E mit einem Hohlrad 13 eines eingangsseitigen Summengetriebe in Form eines eingangsseitigen Planetensatzes 14 eines Getriebes 15 verbunden ist. Neben dem eingangsseitigen Planetensatz 14 weist das Getriebe 15 einen ausgangsseitigen Planetensatz in Form eines Ravigneaux-Planetensatzes 16 auf. Der Ravigneaux-Planetensatzes 16 verfügt über ein kleines Sonnenrad 17, ein großes Sonnenrad 18, ein breites Planetenrad 19, ein schmales Planetenrad 20 mit zugehörigen Planetenradträgern 21, 22 und ein Hohlrad 23, wobei das breite Planetenrad 19 mit dem großen Sonnenrad 18 und dem Hohlrad 23 und das schmale Planetenrad 20 mit dem kleinen Sonnenrad 17 und dem breiten Planetenrad 19 kämmt. Die Planetenradträger 21 und 22 sind miteinander gekoppelt. Das Hohlrad 23 ist mit einer Ausgangswelle A verbunden, welche über ein nicht dargestelltes Differenzialgetriebe mit nicht dargestellten Fahrzeugrädern verbunden ist.
Das Hohlrad 13 des eingangsseitigen Planetensatzes 14 kann über eine erste Getriebe-Kupplung KS mit den Planetenradträgern 21, 22 des Ravigneaux-Planetensatzes 16 verbunden werden. Ein Planetenradträger 24 des eingangseitigen Planetensatzes 14 kann über eine zweite Getriebe-Kupplung KB mit dem kleinen Sonnenrad 17 des Ravigneaux-Planetensatzes 16 und über eine dritte Getriebe-Kupplung KC mit dem großen Sonnenrad 18 des Ravigneaux-Planetensatzes 16 verbunden werden. Das große Sonnenrad 18 des Ravigneaux-Planetensatzes 16 kann über eine zweite Bremse BC und die Planetenradträger 21, 22 über eine dritte Bremse BS gegenüber einem Gehäuse 25 festgelegt werden.
Ein Sonnenrad 26 des eingangseitigen Planetensatzes 14 ist gegenüber dem Gehäuse 25 festlegt. Der eingangsseitige Planetensatz 14 verfügt außerdem über ein auf dem Planetenradträger 24 gelagertes Planetenrad 27, welches mit dem Sonnenrad 26 und dem Hohlrad 13 kämmt.
Der Antriebsstrang 10 verfügt über eine Elektromaschine 28 mit einem gehäusefesten Stator 29, welcher in Wechselwirkung mit einem Rotor 30 zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und/oder zur Rekuperation elektrischer Energie in Wechselwirkung tritt. Der Rotor 30 kann über eine zweite Kupplung KM mit der Motorwelle M und über eine zweite Kupplung KE mit der Getriebeeingangswelle E des Getriebes 15 verbunden werden.
Die Elektromaschine 28 steht in Verbindung mit einer Batterie 34. Die Batterie 34 versorgt die Elektromaschine 28 für die Erzeugung eines Antriebsmoments mit elektrischer Energie und nimmt elektrische Energie auf, sofern die Elektromaschine 28 im Rekuperationsmodus, also als Generator, betrieben wird.
Die Brennkraftmaschine 11, die Anfahrkupplung NAK, das Getriebe 15 sowie die Elektromaschine 28 werden von einer Steuerungseinrichtung 35 angesteuert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Signalleitungen zu den genannten Komponenten nicht dargestellt.
Im Getriebe 15 können durch Schließen von jeweils zwei Getriebe-Kupplungen und/oder Bremsen zwischen der Getriebeeingangswelle E und der Ausgangswelle A sechs Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang eingestellt werden.
Die in der in 2 dargestellte Tabelle zeigt für jeden Gang die geschlossenen Getriebe-Kupplungen und Bremsen:
1. Gang
Im 1. Gang sind die Getriebe-Kupplung KB und die Bremse BS geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das kleine Sonnenrad 17. Da die Planetenradträger 21 und 22 über die Bremse BS festgelegt sind, wird das Hohlrad 23 und damit die Ausgangswelle A über das schmale Planetenrad 20 und das breite Planetenrad 19 angetrieben.
2. Gang
Im 2. Gang sind die Getriebe-Kupplung KB und die Bremse BC geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das kleine Sonnenrad 17. Das große Sonnenrad 18 steht, so dass die Planetenradträger 21 und 22 umlaufen und so der Antrieb auf das Hohlrad 23 erfolgt.
3. Gang:
Im 3. Gang sind die Getriebe-Kupplungen KB und KC geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das kleine Sonnenrad 17 und das große Sonnenrad 18. Dadurch läuft der Ravigneaux-Planetensatz 16 im Block um.
4. Gang
Im 4. Gang sind die Getriebe-Kupplungen KS und KB geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb sowohl über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das kleine Sonnenrad 17, als auch direkt auf die Planetenradträger 21 und 22.
5. Gang:
Im 5. Gang sind die Getriebe-Kupplungen KC und KS geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb sowohl über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das große Sonnenrad 18, als auch direkt auf die Planetenradträger 21 und 22.
6. Gang
Im 6. Gang sind die Getriebe-Kupplung KS und die Bremse BC geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb direkt auf die Planetenradträger 21 und 22. Das große Sonnenrad 18 steht, so dass die Planetenradträger 21 und 22 umlaufen und so der Antrieb auf das Hohlrad 23 erfolgt.
Rückwärtsgang:
Im Rückwärtsgang sind die Getriebe-Kupplung KC und die Bremse BS geschlossen. Damit erfolgt der Antrieb über das Hohlrad 13, den Planetenradträger 24 auf das große Sonnenrad 18. Die Planetenradträger 21 und 22 stehen, so dass das Hohlrad 23 vom breiten Planetenrad 19 angetrieben wird, wobei eine Drehrichtungsumkehr stattfindet.
Ein hybrider Antriebsstrang 110 gemäß 3 unterscheidet sich lediglich durch den Aufbau des Getriebes 115 vom Antriebsstrang 10 gemäß 1. Aus diesem Grund wird im Folgenden lediglich auf den Aufbau des Getriebes 115 eingegangen.
Ein eingangsseitiges Summengetriebe in Form eines Planetenräder-Teilgetriebes TE weist einen Planetenräder PE drehbar lagernden Planetenträger PTE auf. Mit den Planetenrädern PE kämmt ein äußeres Zentralrad HE, welches eine drehfeste Verbindung zu der Getriebeeingangswelle E aufweist. Mit den Planetenrädern PE kämmt ferner ein inneres Zentralrad SE, welches mit einer ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Bremse B1 und mit einer ein- und ausrückbaren Getriebe-Kupplung K1 verbunden ist. Ein ausgangsseitiges Planetenräder-Teilgetriebe TA weist einen Planetenräder PA drehbar lagernden Planetenträger PTA auf, welcher mit einer drehfesten Antriebsverbindung zu einer Ausgangswelle A versehen ist. Mit den Planetenrädern PA kämmt ein äußeres Zentralrad HA, welches durch eine ein- und ausrückbare reibschlüssige Getriebe-Kupplung K2 mit der Getriebeeingangswelle E verbunden ist. Mit den Planetenrädern PA kämmt ferner ein inneres Zentralrad SA, welches mit einer ein- und ausrückbaren Bremse B2 verbunden ist.
Ein Planetenräder-Umkehr-Teilgetriebe TU weist einen Planetenräder PU drehbar lagernden Planetenträger PTU auf, welcher mit einer ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Bremse BR verbunden sowie mit einer drehfesten Antriebsverbindung VA zum äußeren Zentralrad HA des ausgangsseitigen Teilgetriebes TA versehen ist. Mit den Planetenrädern PU kämmt ein äußeres Zentralrad HU, welches eine Antriebsverbindung VE mit dem Planetenträger PTE des eingangsseitigen Teilgetriebes TE aufweist. Mit den Planetenrädern PU kämmt ferner ein inneres Zentralrad SU.
Zwischen den beiden inneren Zentralrädern SA und SU ist eine Antriebsverbindung VUK vorgesehen, welche durch Vermittlung einer ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Getriebe-Kupplung K3 lösbar ausgebildet ist.
Auf dem Planetenträger PTE sind zusätzlich Neben-Planetenräder NPE drehbar gelagert, welche sowohl mit den Planetenrädern PE als auch mit einem äußeren Neben-Zentralrad NHE kämmen, welches mit einer ein- und ausrückbaren reibschlüssigen Bremse B3 verbunden ist.
Die in der in 4 dargestellte Tabelle zeigt für jeden Gang die geschlossenen Kupplungen und Bremsen:
1. Gang
Die Bremse B2 sowie die Getriebe-Kupplung K3 sind eingerückt, wodurch beide Teilgetriebe TA und TU in eine Standübersetzung mit festgebremstem Reaktionsglied – Zentralräder SA und SU – sowie im Kraftfluss in Reihe geschaltet sind. Dies gilt zwar auch für das eingangsseitige Teilgetriebe TE, jedoch ist bei diesem die Standübersetzung bei festgebremstem Neben-Zentralrad NHE (durch die eingerückte Bremse B3) geschaltet, welche höher ist als diejenige bei festgebremstem Zentralrad SE.
2. Gang
Alle drei Teilgetriebe TE, TA und TU sind in ihre Standübersetzung bei festgebremstem Reaktionsglied – Zentralräder SE, SA und SU – sowie in Bezug auf den Kraftfluss in Reihe geschaltet, so dass sich hier die Gangübersetzung für den 2. Gang durch multiplikative Verknüpfung dieser drei Teilübersetzungen ergibt.
3. Gang
Das eingangsseitige Teilgetriebe TE ist durch die Getriebe-Kupplung K1 in seine Teilübersetzung 1:1 und im Kraftfluss in Reihe zu den Teilgetrieben TA und TU geschaltet, welche durch den eingerückten Zustand der Bremse B2 und der Getriebe-Kupplung K3 jeweils in ihre Standübersetzung bei festgebremstem Reaktionsglied (Zentralrad SA bzw. SU) sowie im Kraftfluss in Reihe zueinander geschaltet sind. Demzufolge ergibt sich die Gangübersetzung in diesem Fall aus der multiplikativen Verknüpfung der Standübersetzungen der beiden Teilgetriebe TA und TU.
4. Gang
Durch den jeweils eingerückten Zustand der Getriebe-Kupplungen K1 und K2 und der Bremse B2 ergibt sich, dass die Teilgetriebe TE und TU in ihre jeweilige Übersetzung 1:1 und das ausgangsseitige Teilgetriebe TA in seine Standübersetzung bei festgebremstem Reaktionsglied geschaltet sind, so dass sich die Gangübersetzung allein aus der Standübersetzung des ausgangsseitigen Teilgetriebes TA ergibt.
5. Gang
Die drei Getriebe-Kupplungen K1, K2 und K3 sind eingerückt, so dass alle drei Teilgetriebe TE, TA und TU als gemeinsamer Block umlaufen, mithin der 5. Gang als Direktgang ausgelegt ist.
6. Gang:
Die Bremse B1 und die Getriebe-Kupplungen K2 und K3 sind eingerückt, wodurch alle drei Teilgetriebe TE, TA und TU zu einem Koppelgetriebe miteinander verbunden sind mit festgebremstem Zentralrad SE, welches den Antrieb ins Schnelle der gekuppelten Zentralräder SA und SU in höherem Maße und somit der Ausgangswelle A in einem geringeren Maße gegenüber der Getriebeeingangswelle E vermittelt.
7. Gang
Die Bremse B3 und die Getriebe-Kupplungen K2 und K3 sind eingerückt, so dass alle drei Teilgetriebe TE, TA und TU zu einem einzigen Koppelgetriebe verbunden sind, bei welchem das festgebremste Neben-Zentralrad NHE den Antrieb ins Schnelle in noch höherem Maße der drehfest gekoppelten Zentralräder SA und SU sowie in geringerem Maße der Ausgangswelle A jeweils gegenüber der Getriebeeingangswelle E vermittelt.
Rückwärtsgang R:
Die Bremsen B3 und BR sowie die Getriebe-Kupplung K3 sind eingerückt. Demzufolge sind die beiden Teilgetriebe TA und TU zu einem Koppelgetriebe mit festgebremstem Planetenträger PTU als Reaktionsglied miteinander verbunden, welchem das in eine Standübersetzung mit festgebremstem Reaktionsglied NHE geschaltete eingangsseitige Teilgetriebe TE im Kraftfluss in Reihe vorgeordnet ist. Die eingerückte Bremse BR vermittelt den gegenläufigen Drehsinn der gekuppelten Zentralräder SA und SU, deren Drehzahl im ausgangsseitigen Teilgetriebe TA für die Ausgangswelle A wieder etwas reduziert wird.
Beide beschriebene Antriebsstränge 10 und 110 lassen sich gleichermaßen in verschiedenen Betriebsarten betreiben:
a) Stillstand der Brennkraftmaschine bei stehendem oder antriebslos rollendem Fahrzeug
Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 11 und deaktivierter Elektromaschine 28 sind die Anfahrkupplung, die erste und zweite Kupplung, die Getriebe-Kupplungen und die Bremsen geöffnet.
Für einen Start der Brennkraftmaschine 11 erfolgt ein Anschleppen derselben über die Elektromaschine 28, welche in diesem Falle eine Leistung abgibt. Die Elektromaschine 28 ist dazu mittels der zweiten Kupplung KM mit der Motorwelle M verbunden. Die dritte Kupplung KE ist geöffnet, womit die Elektromaschine 28 von der Getriebeeingangswelle E getrennt ist. Die Anfahrkupplung NAK ist dabei ebenfalls geöffnet, womit die Antriebsverbindung zwischen Motorwelle M und Abtriebswelle A unterbrochen ist.
b) Laufende Brennkraftmaschine bei stehendem oder antriebslos rollendem Fahrzeug
Bei laufender Brennkraftmaschine 11 und geschlossener zweiten Kupplung KM und geöffneter Anfahrkupplung NAK sowie geöffneter dritten Kupplung KE treibt die Brennkraftmaschine 11 über die Motorwelle M und die zweite Kupplung KM die Elektromaschine 28 an. Diese wird dabei als Generator betrieben und erzeugt ausreichend elektrische Energie für die Verbraucher des Kraftfahrzeugs.
c) Konventioneller Betrieb ausschließlich mit Brennkraftmaschine
Die Anfahrkupplung NAK ist geschlossen, während die zweite und dritte Kupplung KM und KE geöffnet sind. Die Elektromaschine 28 ist damit sowohl von der Motorwelle M als auch von der Getriebeeingangswelle E getrennt. Die Stellung der restlichen Getriebe-Kupplungen und Bremsen ergibt sich aus den Ausführungen zur Schaltung der Getriebe zur Realisierung der einzelnen Gänge, s.o.
d) Dualer Betrieb der Brennkraftmaschine mit der Elektromaschine
Für ein Anfahren sowie ein Fahren in den Gängen 1 bis 6 bzw. 7 und dem Rückwärtsgang R entspricht die Drehzahl der Elektromaschine 28 der Drehzahl der Getriebeeingangswelle E. Über die Elektromaschine 28 kann ein zusätzliches Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle E aufgebracht werden. Alternativ kann die Elektromaschine 28 im Generatorbetrieb zur Rückgewinnung von Energie betrieben werden. Für sämtliche vorgenannten Gänge sind die Anfahrkupplung NAK und die dritte Kupplung KE geschlossen, während die zweite Kupplung KM offen ist. Der Zustand der restlichen Getriebe-Kupplungen und Bremsen ergibt sich aus den Ausführungen zur Schaltung der Getriebe zur Realisierung der einzelnen Gänge, s.o.
e) Elektrisches Fahren
Bei deaktivierter Brennkraftmaschine 11 kann ein Betrieb des Antriebsstranges 10, 110 lediglich mittels der Elektromaschine 28 erfolgen.
Ein Anfahren sowie ein Fahren in den Gängen 1 bis 6 bzw. 7 sowie im Rückwärtsgang R erfolgt durch geeignete Bestromung der Elektromaschine 28, wobei diese ein Antriebsmoment liefert. Für diesen Fahrzustand sind die Anfahrkupplung NAK sowie die zweite Kupplung KM geöffnet und die dritte Kupplung KE geschlossen. Der Zustand der restlichen Getriebe-Kupplungen und Bremsen ergibt sich aus den Ausführungen zur Schaltung der Getriebe zur Realisierung der einzelnen Gänge, s.o.
f) Rekuperationsbetrieb
Falls das Kraftfahrzeug abgebremst werden soll, so kann die überschüssige kinetische Energie des Kraftfahrzeugs durch die Elektromaschine 28 in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Elektromaschine 28 wird dazu als Generator betrieben und über die angetriebenen Fahrzeugräder, das Getriebe 15, 115 und die dritte Kupplung KE angetrieben. Die dritte Kupplung KE ist dazu geschlossen und die Anfahrkupplung NAK sowie die zweite Kupplung KM geöffnet. Der Gang im Getriebe 15, 115 wird je nach Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und notwendigem Bremsmoment ausgewählt. Aus dem eingelegten Gang im Getriebe 15, 115 ergibt sich der Zustand der restlichen Getriebe- Kupplungen und Bremsen.
g) Das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine übersteigt das maximal übertragbare Drehmoment der Anfahrkupplung
Je nach Ausführung der Brennkraftmaschine 11 kann das maximale Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 größer sein als das maximal übertragbare Drehmoment der Anfahrkupplung NAK. Um dennoch das maximale Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 nutzen zu können, kann die Anfahrkupplung NAK durch Schließen der zweiten und dritten Kupplung KM, KE unterstützt werden. Damit wirkt ein Teil des abgegebenen Drehmoments der Brennkraftmaschine 11 über die zweite Kupplung KM, die Elektromaschine 28 und die dritte Kupplung KE auf das Getriebe 15, 115, womit der Anteil des von der Anfahrkupplung NAK zu übertragenden Drehmoments unter das maximal mögliche Drehmoment absinkt.
h) Betrieb bei erkanntem Fehler an der Anfahrkupplung
Falls ein Fehler an der Anfahrkupplung NAK erkannt wird, wenn beispielsweise die Anfahrkupplung NAK der Ansteuerung durch die Steuerungseinrichtung 35 nicht mehr folgt und somit nicht mehr geschlossen werden kann, ist über die zweite und dritte Kupplung KM, KE und die Elektromaschine 28 noch ein Betrieb des Kraftfahrzeugs möglich.
Las Kraftfahrzeug kann mittels der Elektromaschine 28 wie unter e) beschrieben angefahren werden.
Sobald eine Mindestgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erreicht ist, wird die zweite Kupplung KM geschlossen, so dass das Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 über die zweite Kupplung KM, die Elektromaschine 28 und die dritte Kupplung KE auf das Getriebe 15, 115 wirkt. Damit kann auch bei einem Ausfall der Anfahrkupplung NAK das Kraftfahrzeug von der Brennkraftmaschine 11 angetrieben werden.
Mittels der vorgenannten unterschiedlichen Betriebsarten des Antriebsstranges 10, 110 können auf verschiedene Weise gleiche oder vergleichbare Fahrzustände des Kraftfahrzeuges erzielt werden. Eine Auswahl einer geeigneten Betriebsart für einen gewünschten Fahrzustand erfolgt beispielsweise anhand eines Kennfeldes, welches beispielsweise Wirkungsgrade, Leistungsbilanzen, erzielbare Beschleunigungswerte oder Ähnliches beinhaltet. Eine Auswahl einer geeigneten Betriebsart kann beispielsweise nach einer a-priori vorgegebenen Betriebsstrategie erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können einzelne Betriebsgrößen des Antriebsstranges, wie Betriebstemperaturen der Elektromaschine 28 oder Kupplungen, Getriebe-Kupplungen und Bremsen überwacht werden, so dass bei Überschreiten eines Grenzwertes einer Betriebstemperatur eine Kupplung durch Wechsel eines Betriebszustandes des Antriebsstranges deaktiviert werden kann, so dass diese entlastet wird.
Eine Auswahl einzelner Betriebsarten erfolgt nach einer Fahrstrategie, welche insbesondere in der Steuerungseinrichtung 35 abgelegt ist. Die Fahrstrategie beinhaltet hierbei insbesondere eine Auswahl einer Betriebsart nach

– einem Ladezustand der Batterie 34,
– zumindest einem Umgebungsparameter wie eine Steigung, eine geodätische Höhe, eine Temperatur o.ä.,
– einem Fahrzeugparameter wie beispielsweise ein Beladungszustand, eine Betriebstemperatur oder eine Betriebsdauer des Antriebsstranges oder eines Antriebsaggregates, eine Betriebstemperatur oder eine Betriebshäufigkeit oder einen Verschleißzustand eines Anfahrelementes, einer Kupplung oder einer Bremse,
– zumindest einer Bewegungsgröße wie die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Fahrzeugbeschleunigung,
– zumindest einer von einem Fahrer abhängigen Größe wie eine Pedalbetätigung (Beschleunigungswunsch, Bremspedal), eine manuelle Betätigung (manuelle Anwahl unterschiedlicher Getriebeprogramme) und/oder ein ermittelter Fahrertyp
– einem Kennfeld, welches beispielsweise Wirkungsgrade, Leistungsbilanzen, erzielbare Beschleunigungswerte o. Ä. beinhaltet,
– einer a-priori vorgegebenen Betriebsstrategie,

– Emissionswerten (Brennkraftmaschine oder Katalysator kalt/warm),

Die dargestellten Antriebsstränge 10, 110 ermöglichen einen hybriden Betrieb mit zusätzlich zum hybriden Betrieb vorliegenden sechs bzw. sieben Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang, unter Gewährleistung hoher übertragbarer Abtriebsmomente. Bei der Anfahrkupplung NAK kann es sich um eine trockene oder nasse Kupplung mit teilweiser oder voller Anfahrfunktionalität handeln. Kommt es zu einer Überlastung der Anfahrkupplung NAK, so kann durch ein Anfahren ohne diese Anfahrkupplung NAK über die Elektromaschine 28 eine Entlastung erfolgen.
Neben den beschriebenen Getrieben 15, 115 können in dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang auch andere Getriebetypen, wie beispielsweise automatisierte Handschaltgetriebe oder stufenlose Getriebe Verwendung finden.

Claims

Hybrider Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit – einer Brennkraftmaschine (11), – einem Getriebe (15, 115), – einer zwischen der Brennkraftmaschine (11) und dem Getriebe (15, 115) angeordneten ersten Kupplung (NAK) und – einer Elektromaschine (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (28) – mittels einer zweiten Kupplung (KM) ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung (NAK) mit der Brennkraftmaschine (11) und – mittels einer dritten Kupplung (KE) ohne Zwischenschaltung der ersten Kupplung (NAK) mit dem Getriebe (15, 115) verbunden werden kann.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (NAK) als eine Anfahrkupplung ausgeführt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (15, 115) als automatisches Getriebe mit einem eingangsseitigen Summengetriebe (14, TE) ausgeführt ist.
Verfahren zum Betrieb eines hybriden Antriebsstrangs nach Anspruch 1, bei welchem – zur Unterstützung der ersten Kupplung (NAK) oder – im Fahrbetrieb bei einem erkannten Fehler an der ersten Kupplung (NAK) die Elektromaschine (28) mittels der zweiten Kupplung (KM) mit der Brennkraftmaschine (11) und mittels der dritten Kupplung (KE) mit dem Getriebe (15, 115) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten Fehler an der ersten Kupplung (NAK) ein Drehmoment zum Anfahren des Kraftfahrzeugs von der Elektromaschine (28) aufgebracht wird, welche dazu mittels der dritten Kupplung (KE) mit dem Getriebe (15, 115) verbunden und mittels der zweiten Kupplung (KM) von der Brennkraftmaschine (11) getrennt ist.