DE102005051382A1

DE102005051382A1 - Hybridantrieb und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102005051382A1
Application number: DE102005051382A
Authority: DE
Inventors: Michael Roske; Christian Mittelberger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-10
Also published as: JP5139664B2; JP2007118943A; US7644790B2; US20070095584A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Realisierung eines Hybridantriebes, welcher sich durch einen sehr geringen baulichen Aufwand, einen geringen Bauraumbedfarf, geringe Teilekosten und eine einfache und effektive Steuerbarkeit auszeichnet, insbesondere der Start und Stopp des Verbrennungsmotors soll sich dabei durch Einfachheit und Zuverlässigkeit auszeichnen. Durch eine Ausgestaltung des Hybridantriebes mit nur einer Kupplung (2) bzw. ohne zusätzliche zweite Kupplung können der benötigte Bauraum und die Kosten minimiert werden sowie gleichzeitig durch eine erfindungsgemäße Steuerung der Aufwand für und die Komplexität der Steuerung bzw. Regelung eines Hybridantriebes erheblich verringert werden. Dazu ist vorrichtungsgemäß vorgesehen, dass die Elektromaschine (4) derart zwischen der einzigen zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und dem Schaltgetriebe (5) angeordneten Kupplung (2) sowie dem Schaltgetriebe (5) angeordnet ist, dass die Elektromaschine (4) unmittelbar ein positives oder negatives Drehmoment auf eine Getriebeeingangswelle (5a) des Schaltgetriebes (5) übertragen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.

Aufgrund der geringeren fahrzeugseitigen Schadstoffemissionen und des geringeren Bedarfs an Kraftstoffen gewinnen so genannten Hybridantriebe im Automobilbau zunehmend an Bedeutung. Sie beinhalten neben einen konventionellen Verbrennungsmotor auf Basis eines Kolbenmotors mit innerer Verbrennung zumindest eine zusätzliche Elektromaschine als weiteren Antrieb.

Dabei ist es üblich, die beiden Antriebe wahlweise einzeln zu betreiben und beispielsweise bei geringen Geschwindigkeiten, bei Fahrten bei konstanter Geschwindigkeit oder bei geringer Beschleunigung ausschließlich die Elektromaschine als Antrieb zu verwenden, während der Verbrennungsmotor entweder im Leerlauf bzw. lastfrei mitläuft, oder aber vom Antriebsstrang getrennt und abgeschaltet wird. Umgekehrt dient der Verbrennungsmotor bei Fahrten mit höherem Leistungsbedarf als Antriebsmotor, während die Elektromaschine abgekoppelt wird, lastfrei mitläuft oder als Generator arbeitet.

Weiter ist es bekannt, durch gleichzeitiges Betreiben der beiden Motore im so genannten Boost-Betrieb eine besonders hohe momentane Antriebsleitung zu erzielen, sowie die Elektromaschine bei Verzögerungsvorgängen des Fahrzeugs zur so genannten Rekuperation einzusetzen und so Bewegungsenergie des Fahrzeugs in Form von elektrischer Energie zurück zu gewinnen.

Diesen erheblichen Vorteilen des Hybridantriebs stehen jedoch ein erheblicher baulicher und oft auch ein erheblicher regelungstechnischer Aufwand gegenüber.

Sehr elegante Lösungen der Verknüpfung eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs gehen aus den Offenlegungsschriften DE 199 34 696 A1 und DE 101 52 471 A1 hervor. In beiden Fällen wird ein Planetengetriebe als Summiergetriebe verwendet, um einen Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine einerseits und eine Eingangswelle eines Schaltgetriebes anderseits mit einander zu koppeln. Planetengetriebe zeichnen sich durch ein bezogen auf die übertragbaren Leistungen geringes Bauvolumen und Gewicht aus. Durch relativ einfache Modifikationen können wahlweise das Sonnenrad, die Planetenräder oder das Hohlrad abgebremst und vielfältige Möglichkeiten der Drehmomentumwandlung und Drehmomentdurchleitung realisiert werden. Allerdings ist eine derartige Lösung mit erheblichen zusätzlichen Kosten für das Planetengetriebe und weitere zusätzliche Elemente wie Kupplungen und Bremsen verbunden. Nicht zuletzt erfordert ein Planetengetriebe zusätzlichen Bauraum, welches die Übertragung auf bereits bestehende Antriebskonzepte erheblich erschwert.

Eine einfachere vorbekannte Version eines Hybridantriebs ist stärker an eine konventionelle Auslegung eines Antriebsstranges angelehnt und daher tendenziell besser zur Auf- oder Umrüstung bestehender Antriebskonzepte geeignet. Hierfür wird lediglich ein konventioneller Antriebsstrang – bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Schaltgetriebe und einer dazwischen liegenden ersten Kupplung – im Bereich zwischen dem Verbrennungsmotor und der ersten Kupplung aufgetrennt und eine Elektromaschine sowie eine zweite, zwischen dem der Elektromaschine und dem Schaltgetriebe befindliche Kupplung eingefügt.

Ein derartiger Aufbau ermöglicht ein rein elektromotorisches Anfahren bei geschlossner zweiter Kupplung und geöffneter erster Kupplung. Anschließend kann der Verbrennungsmotor gestartet werden, indem die erste Kupplung zwischen Elektromaschine und Verbrennungsmotor geschlossen wird. Zur Verringerung von Rückwirkungen auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs durch Drehungleichförmigkeiten während des Anlassens des Verbrennungsmotors kann hierbei die zweite Kupplung zwischen Elektromaschine und Getriebe zumindest teilweise geöffnet werden.

Diese bereits bekannte Lösung zeichnet sich jedoch durch eine relativ aufwändige Regelungstechnik zur Ansteuerung der beiden Kupplungen in Abhängigkeit einer Vielzahl zu berücksichtigender Faktoren und nicht zuletzt durch die Notwendigkeit aus, eine zweite Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe vorzusehen. Dies ist neben den damit verbundenen Kosten auch in Bezug auf den vorhandenen Bauraum kritisch, zumal die zusätzliche Kupplung in der Lage sein muss, zumindest die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors zu übertragen und sich durch das Einfügen der zweiten Kupplung zwangsläufig im Bereich der Elektromaschine eine weitere, eigenständig zu lagernde Welle ergibt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Realisierung eines Hybridantriebes vorzustellen, welche sich durch einen sehr geringen baulichen Aufwand, einen geringen Bauraumbedarf, geringe Teilekosten und eine einfache sowie effektive Steuerbarkeit auszeichnet. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer derartigen Vorrichtung insbesondere für den vorzugsweise automatisch durchzuführenden Start und Stopp des Verbrennungsmotors vorzustellen, welche sich durch Einfachheit und Zuverlässigkeit auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgaben ergeben sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Ausgestaltung mit nur einer Kupplung bzw. ohne zusätzliche Kupplung der benötigte Bauraum und die Kosten minimiert werden und gleichzeitig durch eine erfindungsgemäße Steuerung der Aufwand für und die Komplexität einer Steuerung bzw. Regelung eines Hybridantriebes erheblich verringert werden können.

Die Erfindung geht von einem Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor aus, welcher ein Antriebsmoment an eine Motorabtriebswelle abgeben kann. Es ist eine Kupplung vorgesehen, welche ein Drehmoment zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Eingangswelle eines Schaltgetriebes übertragen kann. Das Schaltgetriebe weist eine variable Übersetzung auf und wandelt ein an der Getriebeeingangswelle anliegendes Getriebeeingangsmoment und eine zugehörige Getriebeeingangsdrehzahl in ein an einer Ausgangswelle des Getriebes anliegendes Getriebeausgangsmoment und eine zugehörige Getriebeausgangsdrehzahl um. Ferner weist es eine Neutralstellung auf, in der im Wesentlichen keine Momentenübertragung von der Eingangswelle zur Ausgangswelle des Getriebes erfolgen kann. Der Hybridantrieb verfügt weiter über eine Elektromaschine, die ebenfalls ein Antriebsdrehmoment abgeben bzw. im Generatorbetrieb aufnehmen kann, das auf die Eingangswelle des Getriebes wirken kann. Die Elektromaschine ist über eine Leistungselektronik mit einem Energiespeicher verbindbar.

Derartige Anordnungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt, weisen jedoch regelmäßig eine Anzahl weiterer Elemente, insbesondere weitere Getriebe, wie etwa als Summiergetriebe geschaltete Planetengetriebe, und/oder zumindest eine weitere Kupplung auf. Diese weiteren Elemente erhöhen den Aufwand und damit die Kosten bekannter Hybridantriebe, beanspruchen Bauraum und erschweren so die Integration eines Hybridantriebes in ein bestehendes Antriebskonzept.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorrichtungsbezogen vorgesehen, dass die Elektromaschine derart zwischen der einzigen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Schaltgetriebe angeordneten Kupplung sowie dem Schaltgetriebe angeordnet ist, dass die Elektromaschine unmittelbar ein positives oder negatives Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes übertragen kann.

Dabei kommt dem Begriff „unmittelbar" eine besondere Bedeutung zu, weshalb er im Folgenden genauer definiert wird:
Unter einer unmittelbaren Übertragung eines positiven oder negativen Drehmomentes der Elektromaschine auf die Getriebeeingangswelle wird hier und im Folgenden eine Übertragung verstanden, bei welcher das an der Welle der Elektromaschine anliegende Drehmoment und die zugehörige Drehzahl unveränderbar, zwangsläufig und mit einer minimalen Anzahl zwischengeschalteter Übertragungselemente auf die Getriebeeingangswelle wirkt.

Beispielsweise liegt eine unmittelbare Übertragung dann vor, wenn die Elektromaschine so auf der Getriebeeingangswelle angeordnet ist, dass die Welle der Elektromaschine und die Getriebeeingangswelle entweder identisch sind oder in Form zumindest einer Hohlwelle und einer drehfest mit dieser verbundenen Welle koaxial miteinander gekoppelt sind.

Eine unmittelbare Übertragung liegt jedoch auch dann vor, wenn beispielsweise ein auf der Welle der Elektromaschine befindliches Zahnrad mit einem auf der Getriebeeingangswelle drehfest angeordneten Zahnrad kämmt. Durch unterschiedliche Zähnezahlen kann es hier zwar zu einer Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment kommen, diese ist jedoch fest und weder veränderbar noch schaltbar. Der Koppelung über Zahnräder ist eine Koppelung über alternative Mittel wie etwa einen Kettentrieb selbstverständlich gleichgestellt.

Nicht als unmittelbare Übertragung gelten dagegen sämtliche Anordnungen, bei denen schaltbare Zwischengetriebe, schaltbare Kupplungen oder ähnliche Elemente vorgesehen sind, welche die wahlweise Einleitung eines an der Welle der Elektromaschine anliegenden Drehmomentes oder die wahlweise Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl der Welle der Elektromaschine in eine andere, an der Getriebeeingangswelle anliegende Drehzahl und ein dort anliegendes Drehmoment ermöglichen.

Unter einer minimalen Anzahl zwischengeschalteter Übertragungselemente werden entsprechend auch Anordnungen verstanden, welche die mechanische Einkoppelung eines Drehmomentes der Elektromaschine bei unterschiedlichen Einbaulagen derselben ermöglichen. Sofern die Welle der Elektromaschine beispielsweise aufgrund des vorhandenen Bauraumes nicht konzentrisch oder wenigstens parallel zur Getriebeeingangswelle liegt, sind selbstverständlich Kardangelenke oder ein Stirnkegelgetriebe vorzusehen.

Durch die erfindungsgemäße Bauweise des Hybridantriebs ist es möglich, einerseits den baulichen Aufwand für einen Hybridantrieb zu minimieren und insbesondere durch Vermeidung von weiteren der Steuerung oder Regelung bedürftiger Elemente die Voraussetzung für eine besonders einfache und zuverlässige, mechanisch robuste Einbindung der Elektromaschine in ein Antriebskonzept zu ermöglichen. Weiter ist eine Umrüstung eines bestehenden konventionellen Antriebskonzeptes sowohl in Hinblick auf die Anzahl der zusätzlich vorzusehenden Elemente als auch in Hinblick auf den benötigten Bauraum und den zu treibenden steuerungs- bzw. regelungstechnischen Aufwand besonders einfach möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Getriebe ein Lastschalt-Automatgetriebe. Dabei wird unter einem Automatgetriebe ein Getriebe verstanden, welches eine steuerbar variable Übersetzung aufweist, die stufenlos-variabel oder gestuft sein kann, und welches durch von einer anderen Instanz als einem menschlichen Bediener ausgegebenen Informationen mit Hilfe von bereitgestellter Energie zu einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses in der Lage ist.

Unter einem Lastschaltgetriebe wird ein Getriebe verstanden, welches zu einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses in der Lage ist, ohne das es dabei zwangsläufig zu einer Unterbrechung der Zugkraft kommt.

Lastschalt-Automatgetriebe sind insbesondere bei Fahrzeugen von Vorteil, deren Betrieb sich durch häufiges Wechseln der Getriebeübersetzung auszeichnet. Durch die Lastschaltfähigkeit werden die Fahreigenschaften entscheidend verbessert, indem die Beschleunigungsfähigkeit erhöht und insbesondere ein ansonsten entstehender Ruck durch die Unterbrechung der Zugkraft vermieden wird. Die Ausrüstung eines solchen Fahrzeugs mit einem Automatgetriebe ist schon aufgrund der bereits angesprochenen häufigen Änderungen des Übersetzungsverhaltnisses angezeigt, um den Fahrer zu entlasten. Insbesondere im Liniendienst eingesetzte Omnibusse und Lieferfahrzeuge sowie Taxis sind für den Einsatz von Lastschalt-Automatgetrieben aus den vorstehend beschriebenen Gründen prädestiniert.

Gleichzeitig ist die Umsetzung des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Antriebskonzeptes für diese Fahrzeuge besonders vorteilhaft, da einerseits bei derartigen Fahrzeugen mit relativ aufwendigen und daher auch kostspieligen Getrieben der zusätzliche Aufwand für die Implementierung eines Hybridantriebes vergleichsweise wenig ins Gewicht fällt, und weil gerade bei diesen Fahrzeugen der Robustheit des Antriebssystems eine besondere Bedeutung zukommt. Bei einem Einsatz in städtischem Verkehr ist zudem das Potenzial an durch einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb einsparbarer Energie besonders groß.

Wenn gemäß einer Variante des Verfahrens die Kupplung als eine reibschlüssige Kupplung ausgebildet ist, bietet dies zumeist den Vorteil, dass die bereits vorhandene Kupplung bei einer Umrüstung eines konventionellen Fahrzeugkonzepts auf einen Hybridantrieb weiter verwendet werden kann. Lediglich für den Fall, das die Kupplung bisher unmittelbar durch den Fahrer betätigt wurde, ist eine entsprechender Aktuator und eventuell eine geeignete Sensorik vorzusehen.

Sofern der Antriebsstrang jedoch grundlegend modifiziert oder neu geplant wird, kann besonders vorteilhaft eine formschlüssige Kupplung und insbesondere eine besonders günstige, robuste und verschleißarme Klauenkupplung an Stelle von einer reibschlüssigen Kupplung vorgesehen werden, wodurch sich nochmals Kosten und Bauraum einsparen lassen.

Unabhängig von der Art der verwendeten Kupplung können dabei elektromechanische oder elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung der Kupplung verwendet werden. Diese zeichnen sich durch schnelle Reaktionszeiten und einen geringen Aufwand für benötigte Leitungen aus. Sie bieten zudem den Vorteil, auch unmittelbar vor und nach einem Kaltstart voll funktionsfähig zu sein. Pneumatisch oder hydraulisch betätigte Kupplungen benötigen dagegen bei einem Kaltstart zumeist eine gewisse Zeitspanne für den Druckaufbau und bedingen zudem einen bauvolumen- und kostenmäßig höheren Aufwand für die benötigten Fluidleitungen. Sofern die benötigten Nebenaggregate wie Druckspeicher und Pumpen jedoch ohnehin vorhanden sind oder die Robustheit und Zuverlässigkeit des Systems besonderen Ansprüchen genügen muss, bieten pneumatische oder hydraulische Systeme wiederum spezifische Vorteile.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, welche sowohl auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors als auch auf die Drehzahl der Elektromaschine direkt oder über eine Steuerung der jeweiligen Leistungen Einfluss nehmen kann. Zudem ist diese Steuerungseinrichtung dazu geeignet und vorgesehen, die Kupplung zu steuern bzw. zu regeln und die darüber hinaus zumindest indirekt eine Information über den Füllstand des Energiespeichers einlesen kann sowie in der Lage ist, die Leistungselektronik so zu steuern, dass ein gewünschtes positives oder negatives Moment durch die Elektromaschine bereitgestellt wird. Eine derartige Steuerungseinrichtung kann somit sämtliche relevanten Elemente steuern, regeln oder koordinieren.

Der Begriff der Steuerung versteht sich in diesem Zusammenhang als Einflussnahme und schließt nicht aus, dass beispielsweise ein eigenständiges Motorsteuergerät zur Steuerung der Leistung und Drehzahl des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, welches von der oben beschriebenen Steuerungseinrichtung lediglich mit Informationen versorgt wird, die dann letztlich eine entsprechende Einstellung von Leistung und/oder Drehzahl zur Folge haben. Auch ist es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung möglich, zumindest in Teilbereichen der Steuerung bzw. Regelung einzelne Elemente lediglich auf relevante Parameter durch die Steuerungseinrichtung abzufragen und diese somit zu Führungsgrößen zu erklären, die selbst nicht verändert werden.

Schließlich braucht kaum erwähnt zu werden, dass der Begriff der Steuerungseinrichtung im Rahmen dieser Schrift funktional zu verstehen ist und insbesondere keine eigenständige, in einem separaten Gehäuse angeordnete Vorrichtung voraussetzt. Vielmehr können die einzelnen Funktionen oder Funk tionsblöcke eben so gut in verschiedenen anderen Steuerungen implementiert sein, die datentechnisch mit einander in Verbindung stehen.

Im Folgenden wird näher auf ein erfindungsgemäßes Verfahren eingegangen, welches sich dadurch auszeichnet, dass es auf Grundlage der vorstehend erläuterten Vorrichtungen vorsieht, dass die Steuerungseinrichtung bei einem gewünschten Start des Verbrennungsmotors sicherstellt, dass sich das Schaltgetriebe in seiner Neutralstellung befindet, anschließend die Kupplung so ansteuert, dass sie zumindest teilweise geschlossen ist und die Leistungselektronik derart ansteuert, dass die Elektromaschine ein positives Drehmoment gewählter Drehrichtung erzeugt. Die Drehrichtung der Elektromaschine ist in der Praxis selbstverständlich stets so gerichtet, dass der Verbrennungsmotor in seiner vorgesehenen Drehrichtung angelassen werden kann.

Das Drehmoment der Elektromaschine wird weiter von der Kupplung auf die Motorabtriebswelle des Verbrennungsmotors übertragen. Schließlich gibt die Steuerungseinrichtung, falls verbrennungsmotorisch notwenig, bei Erreichen einer geeigneten Drehzahl des Verbrennungsmotors ein Signal aus, welches den Start des Verbrennungsmotors bewirkt, indem etwa die Einspritzung von Kraftstoff und dessen Zündung eingeleitet wird.

Auf die beschriebene Weise ist ein Start des Verbrennungsmotors innerhalb des Hybridantriebssystems mit nur einer Kupplung möglich und zudem vom Steuerungs- bzw. regelungstechnischen Aufwand her besonders einfach und sicher gestaltbar.

Zum anschließenden Antrieb des Fahrzeugs mittels der Elektromaschine ist in einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung nach dem Start des Verbrennungsmotors bei gewünschtem Antrieb durch die Elektromaschine zunächst die Kupplung vollständig öffnet und die Drehzahl des Elektromotors so beeinflusst, dass an der Getriebeeingangswelle nahezu Synchrondrehzahl für den einzulegenden Gang anliegt, und zwar so weit, dass der gewünschte Schaltvorgang des Schaltgetriebes problemlos durchgeführt werden kann. Im Falle des Einlegens des ersten Ganges bedeutet dies eine Abbremsung bis nahezu zum Stillstand.

Bei Gangwechsel in höhere Fahrgänge ergeben sich die einzustellenden Synchrondrehzahlen aus dem Zielgang und der momentanen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Drehzahlfensters. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, dass die Drehzahl des Elektromotors zur Erreichung der Zieldrehzahl angehoben werden muss. Anschließend aktiviert die Steuerungseinrichtung einen gewünschten Fahrgang des Schaltgetriebes und betreibt danach die Elektromaschine durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik motorisch so, dass sich der gewünschte Geschwindigkeitsverslauf der angetriebenen Räder des Fahrzeugs ergibt oder so weit wie möglich ergibt, sofern diesem beispielsweise Leistungsgrenzen der Elektromaschine oder vorrangig eingestufte Informationen über etwa den Füllstand des Energiespeichers entgegenstehen.

Selbstverständlich kann, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Betrieb eines an sich bekannten Stopp-Start-Systems; die Steuerungseinrichtung auch wieder abschalten, wenn absehbar ist, dass der Verbrennungsmotor in naher Zukunft nicht verwendet werden wird. Auf das oben beschriebene elektrische Fahren hat dies aufgrund der geöffneten Kupplung keinen Einfluss.

Schließlich ist in einer letzten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung in dem Fall, in dem eine Zuschaltung eines durch den Verbrennungsmotor bereitgestellten Drehmomentes auf die Eingangswelle des Schaltgetriebes gewünscht wird, die Drehzahl des Verbrennungsmotors so weit anhebt, dass diese zumindest na hezu synchron mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes ist, und anschließend die Kupplung schließt sowie die Leistung des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine so steuert oder regelt, dass der gewünschte Drehzahlverlauf der angetriebenen Räder so weit wie möglich eingestellt wird. Selbstverständlich wird hierzu, sofern erforderlich, der Verbrennungsmotor zuvor wie weiter oben beschrieben gestartet. Auf diese Weise ist ein Fahren im Boost-Modus auf besonders einfache und die Komponenten des Antriebsstranges schonende Weise realisierbar.

Die Erfindung lässt sich anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung mit sechs Figuren beigefügt. Diese zeigen in
1 eine Prinzipskizze eines bekannten Hybridantriebes,
2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes,
3 den idealtypischen zeitlichen Verlauf der Drehzahlen der Elektromaschine und des Verbrennungsmotors während eines Anlassens desselben,
4 ein idealtypisches Zustandsdiagramm der Elektromaschine über die Zeit während eines Anlassens des Verbrennungsmotors,
5 ein idealtypisches Zustandsdiagramm Stellung der Schaltelemente des ersten Ganges über die Zeit während eines Anlassens des Verbrennungsmotors, und
6 ein idealtypisches Zustandsdiagramm der Kupplung über die Zeit während eines Anlassens des Verbrennungsmotors.
Wie bereits erwähnt wurde, zeigt 1 eine Prinzipskizze eines vorbekannten Hybridantriebes. Dabei ist ein Verbrennungsmotor 1 mit seiner Motorantriebswelle 1a über eine erste Kupplung 2 mit der Welle einer Elektromaschine 4 gekoppelt, welche wiederum über eine zweite Kupplung 3 mit der Eingangswelle 5a eines Schaltgetriebes 5 verbunden ist. Die Ausgangswelle 5b des Schaltgetriebes 5 ist mit einem Differenzialgetriebe 6 verbunden, welches das anliegende Drehmoment auf die beiden Hälften der angetriebenen Achse 9 verteilt, welche wiederum die Räder 10 des Fahrzeugs antreiben.
Dieser scheinbar einfache Aufbau benötigt neben der in jedem Fall unerlässlichen Elektromaschine 4, der ebenfalls in jedem Fall notwendigen Leistungselektronik 7 sowie dem zugehörigen Energiespeicher 8 eine zweite Kupplung 3, welche stark genug bemessen sein muss, um im Alltagsbetrieb das gesamte Drehmoment zumindest des Verbrennungsmotors an das Getriebe zu übertragen. Die in den 1 und 2 dargestellten, mit dem Buchstaben E gekennzeichneten Doppelpfeile symbolisieren den Energiefluss vom Energiespeicher 8 zur Leistungselektronik 7 und von dieser zur Elektromaschine 4, sofern diese als Elektromotor betreiben wird, sowie den umgekehrten Energiefluss für den Fall, dass die Elektromaschine 4 im Generatorbetrieb betreiben wird.
Es ist mit einer derartigen Vorrichtung zwar möglich, zunächst bei geöffneter erster Kupplung 2 und geschlossener zweiter Kupplung 3 elektromotorisch und bezogen auf die zweite Kupplung 3 verschleißfrei anzufahren, während der Verbrennungsmotor 1 außer Betrieb ist. Zum Anlassen des Verbrennungsmotors 1 ist dann jedoch die erste Kupplung 2 langsam zu schließen, um den Verbrennungsmotor 1 auf die benötigte Anlassdrehzahl zu beschleunigen.
Selbstverständlich könnten an Stelle des Schließens der ersten Kupplung 2 auch beliebige weitere Vorrichtungen zum Anlassen des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen werden, die jedoch stets einen erheblichen zusätzlichen Aufwand zur Sicherstellung einer auch mit dem beschriebenen System zu implementierenden Funktion bedeuten würden, und daher als noch weniger vorteilhaft einzuschätzen sind. Zur Vermeidung von unvertretbar großen Schaltrucken beim Schließen der ersten Kupplung 2 kommen für diese nur reibschlüssige Kupplungen in Frage.
Während ein Anfahren mittels Elektromotor 4 durchaus den Einbau einer formschlüssigen Kupplung als zweite Kupplung 3 ermöglichen würde, ist es in der Praxis jedoch zur Erzielung von annehmbaren Fahreigenschaften dringend angeraten, während des Andrehens des Verbrennungsmotors 1 die zweite Kupplung 3 teilweise zu öffnen, um so eine Übertragung eines Anlaufruckes und von Drehungleichförmigkeiten des startenden Verbrennungsmotors 1 auf die Eingangswelle 5a des Schaltgetriebes 5 und somit letztlich auf die angetriebenen Räder 10 zu vermeiden.
Ein akzeptables Starten des Verbrennungsmotors 1 mit Hilfe diese Systems setzt damit eine koordinierte Betätigung der ersten und zweiten Kupplung 2 und 3 voraus, wobei als weitere Randparameter zumindest die vom Fahrer gewünschte Beschleunigung, die z.B. durch die Massenträgheit der Zuladung und durch Steigung bedingten, der Beschleunigung entgegenwirkenden Kräfte, die sich durch Verschleiß ständig ändernden Eigenschaften der Kupplungen 2 und 3 und die sich mit Alter, Laufzeit, Temperatur, Ölviskosität und weiteren Parametern ändernden Starteigenschaften des Verbrennungsmotors 1 zu berücksichtigen sind. Die Steuerung ist damit – ohne die Berücksichtigung der genannten Parameter – unverhältnismäßig anfällig oder alternativ ausgesprochen aufwändig und komplex.
Demgegenüber verzichtet der erfidungsgemäße Hybridantrieb gemäß 2 auf die zweite Kupplung 3, während der Aufbau ansonsten identisch sein kann. Gleiche Elemente sind in 2 daher mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei mangels einer zweiten Kupplung 3 die bisherige erste und nunmehr einzige Kupplung 2 in der Beschreibung nur noch als Kupplung bezeichnet wird.
Die nur auf den ersten Blick geringfügige Modifikation bietet nicht nur einen entscheidenden Vorteil in Bezug auf den benötigten Bauraum, sondern ermöglicht in Verbindung mit dem nachfolgend näher beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren auch den Einsatz einer klein bauenden, kostengünstigen und wartungsfreien formschlüssigen Kupplung 2, beispielsweise einer Klauenkupplung.
In den 3 bis 6 sind verschiedene Verläufe über die Zeit aufgetragen, wobei die horizontale Zeitachse jeweils identisch ist, so dass für senkrecht untereinander liegende Punkte der verschiedenen Figuren eine Gleichzeitigkeit besteht. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit sind bestimmte Zeitpunkte t0 bis t6 markiert.
In 3 zeigt die durchgezogen Linie 11 den Verlauf der Drehzahl der Elektromaschine 4, während die gestrichelte Linie 12 den Verlauf der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 darstellt.
Zur Realisierung eines Schnellstarts des Verbrennungsmotors 1 und ein anschließendes verschleißfreies elektromotorisches Anfahren werden die Schaltelemente für den ersten Gang bei neutral geschaltetem Schaltgetriebe 5 bereits leicht angelegt, wie dies in der Kurve 14 der 5 im Zeitintervall t0 bis t2 angedeutet ist, und so bereits für das Einlegen des ersten Ganges vorbereitet. Dies ist jedoch bereits eine Ausgestaltung der Erfindung und kein unabdingbarer Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. In jedem Fall wird durch eine Steuerungseinrichtung dafür gesorgt, dass das Schaltgetriebe 5 sich in einer Neutralstellung befindet, in der keine nennenswerte Drehmomentübertragung von der Eingangswelle 5a zur Abtriebswelle 5b des Schaltgetriebes 5 erfolgt.
Die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor 1 und Schaltgetriebe 5 ist entsprechend dem in 6 gezeigten Verlauf der Kurve 15 im Zeitintervall t0 bis t1 zunächst geschlossen. Damit dreht die als Elektromotor betriebene Elektromaschine 4 bei entsprechender Ansteuerung durch die Leistungselektronik 7, z.B. gemäß Leistungslinie 13 der Elektromaschine in 4, den Verbrennungsmotor 1 mit ansteigender Drehzahl 12, ohne dass ein nennenswertes Drehmoment an die Ausgangswelle 5b des Schaltgetriebes 5 und damit an die Räder 10 übertragen würde.
Nach Start des Verbrennungsmotors 1 zum Zeitpunkt t1 wird die Kupplung 2 geöffnet und damit die Drehzahl von Elektromaschine 4 und des Verbrennungsmotors 1 entkoppelt (siehe 3). Da für das Anlassen des Verbrennungsmotors 1 aufgrund des in der Neutralstellung befindliche Schaltgetriebes 5 keinerlei Rücksicht auf etwaige Rückwirkungen des Anlassvorganges auf die Fahreigenschaften genommen werden braucht, kann der Anlassvorgang des Verbrennungsmotors 1 recht schnell erfolgen und die Steuerung oder Regelung der Leistungselektronik 7 tatsächlich nahezu rechteckförmig erfolgen, wie in der Kurve 13 der 4 dargestellt.
Selbstverständlich gilt hier und bei allen weiteren Kurven, dass es sich bei den gezeigten Verläufen um idealtypische Verläufe zur Erläuterung des Wesens der Erfindung handelt. In der Praxis sind beispielsweise Randeffekte wie Einschaltspannungsspitzen, mechanische Trägheiten und weiteres mehr zu berücksichtigen, was teilweise zwangsläufig und teilweise zur Vermeidung unerwünschter Effekte beispielsweise zu rampen- oder parabelförmigen Einschaltverläufen bzw. Kurvenverläufen dieser und der anderen Kurven führt.
Anschließend nach dem Zeitpunkt t1 steuert oder regelt die Steuerungseinrichtung die Leistungselektronik 7 der nunmehr weder mit dem Verbrennungsmotor 1 noch mit den angetriebenen Rädern 10 verbundenen Elektroma schine 4 kurzzeitig so an, dass deren Drehzahl im Zeitpunkt t2 auf nahezu Null abfällt (3). Aufgrund der geringen abzubremsenden Massen im Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden Leistung der Elektromaschine 4 ist hierfür nur eine maßvolle Ansteuerung des Leistungselektronik 7 und eine sehr kurze Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 erforderlich. Zum Zeitpunkt t2 können die bereits zuvor vorbereiteten Schaftelemente des ersten Ganges des Schaftgetriebes 5 bei schon geöffneter Kupplung 2 betätigt und damit der erste Gang eingelegt werden. Gleichzeitig wird die Leistungselektronik 7 des Elektromotors 4 wieder so angesteuert, dass dieser gemäß der Kurve 13 in 4 motorisch betrieben wird, wobei der genaue Verlauf der Ansteuerung selbstverständlich von der Leistungsanforderung z.B. des Fahrers abhängig ist.
Im zeitlichen Bereich zwischen t2 und t4 steigt die Drehzahl der Elektromaschine 4 daher an, wobei die Drehzahl der angetriebenen Räder 10 durch die nunmehr starre Kopplung über den eingelegten ersten Gang des Schaltgetriebes 5 sich entsprechend erhöht. Der Verbrennungsmotor 1 läuft während dieser Zeit lastfrei und durch die Kupplung 2 entkoppelt im Leerlauf mit, welches bei modernen Motoren nur einen minimalen Kraftstoffverbrauch bedingt. Zum Zeitpunkt t3 erreicht die Drehzahl der Elektromaschine 4 die Drehzahl des im Leerlauf befindlichen Verbrennungsmotors 1.
Kurz bevor die obere Grenze der allein elektromotorisch im ersten Gang erreichbaren Geschwindigkeit erreicht ist, oder auch kurz bevor aus anderen Gründen eine Zuschaltung des Verbrennungsmotors 1 gewünscht ist, wird dieser ab dem Zeitpunkt t4 so angesteuert oder geregelt, dass dessen Drehzahl gemäß der gestrichelten Kurve 12 in 3 angehoben wird.
Es kann insbesondere bei höheren Beschleunigungsanforderungen auch ein Boostbetrieb vorgesehen sein, in dem sowohl der Verbrennungsmotor 1 als auch die Elektromaschine 4 ein positives Moment an die Einganswel le 5a des Schaltgetriebes 5 abgeben. Schließlich kann es beispielsweise auch vorkommen, dass aus Gründen etwa des Batteriemanagements z.B. des Energiespeichers 8 auf einen Antrieb durch den Verbrennungsmotor 1 umgeschaltet werden soll, während die Elektromaschine 4 im Generatorbetrieb betrieben werden soll, wie dies durch den Verlauf der Kurve 13 in 4 ab dem Zeitpunkt t6 angedeutet ist.
In jedem Fall wird zur Umschaltung auf den oder Zuschaltung des Verbrennungsmotors 1 dessen Drehzahl ab dem Zeitpunkt t4 durch die Steuerungseinrichtung angehoben, bis die Drehzahlen des Verbrennungsmotors 1 und der Elektromaschine 4 im Zeitpunkt t5 zumindest nahezu identisch sind und die Kupplung 2 damit nahezu verschleißfrei geschlossen werden kann.
Für den Fall, dass als Kupplung 2 eine reibschlüssige Kupplung vorgesehen ist, wird dabei eine möglichst geringe Differenzdrehzahl bevorzugt, wobei die tatsächliche Differenzdrehzahl bevorzugt unter Berücksichtigung des anzunehmenden Kupplungsverschleißes und der möglichen Reaktionszeit bis zur gewünschten Einleitung eines Antriebsmomentes des Verbrennungsmotors 1 auf die Eingangswelle 5a des Schaltgetriebes 5 ermittelt werden sollte.
Für den Fall, dass als Kupplung 2 eine formschlüssige Kupplung und insbesondere eine Klauenkupplung vorgesehen ist, wird eine geringe Differenzdrehzahl zwischen den Drehzahlen des Verbrennungsmotors 1 und der Elektromaschine 4 bevorzugt, um eine Zahn-auf-Zahn-Stellung zuverlässig auszuschließen.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich insbesondere für Fahrzeuge mit Hybridantrieb und einem Stopp-Start-System, welches bei Vorliegen vorgegebener Abschaltbedingungen den Verbrennungsmotor ausschaltet und bei vorgegebenen Startbedingungen wieder startet. Eine bekannte Abschaltbedin gung ist der Fahrzeugstillstand bei einem betätigten Bremspedal der Betriebsbremse, während eine bekannte Startbedingung der Fahrzeugstillstand, das Lösen der Betriebsbremse und das Auslenken des Fahrpedals ist. Ein derart oder ähnlich ausgelöster automatischer Startvorgang kann mit Vorteil mit einem erfindungsgemäß arbeitenden Verfahren erfolgen.

1: Verbrennungsmotor
1a: Motorabtriebswelle
2: Kupplung, erste Kupplung
3: Zweite Kupplung
4: Elektromaschine
5: Schaltgetriebe
5a: Getriebeeingangswelle
5b: Ausgangswelle des Schaltgetriebes
6: Differenzialgetriebe
7: Leistungselektronik
8: Energiespeicher
9: Angetriebene Achse
10: Räder
11: Drehzahlkurve der Elektromaschine
12: Drehzahlkurve des Verbrennungsmotors
13: Schaltverlauf der Leistungselektronik zum Betreib der Elektromaschine
14: Schaltverlauf der Schaltelemente zum Einlegen des ersten Ganges
15: Schaltverlauf der Kupplung
16: Steuerungseinrichtung
t0–t6: Zeitpunkte

Claims

Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor (1), einer elektromotorisch und generatorisch betreibbaren Elektromaschine (4), einer Kupplung, einem Schaltgetriebe (5) mit variabler Übersetzung, einer Leistungselektronik (7) und einem elektrischen Energiespeicher (8), wobei die Kupplung so zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und dem Schaltgetriebe (5) angeordnet ist, dass über diese ein Antriebsdrehmoment von dem Verbrennungsmotor (1) zu dem Schaltgetriebe (5) und von der Elektromaschine (4) zu dem Verbrennungsmotor (1) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (4) derart zwischen der einzigen zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und dem Schaltgetriebe (5) angeordneten Kupplung (2) sowie dem Schaltgetriebe (5) angeordnet ist, dass die Elektromaschine (4) unmittelbar ein positives oder negatives Drehmoment auf eine Getriebeeingangswelle (5a) des Schaltgetriebes (5) übertragen kann.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) ein Lastschalt-Automatgetriebe ist.
Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (2) als reibschlüssige Kupplung oder als eine Klauenkupplung ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (2) elektromechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist.
Hybridantrieb nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (16) vorgesehen ist, welche sowohl auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) als auch auf die Drehzahl der Elektromaschine (4) direkt oder über eine Steuerung der jeweiligen Leistungen Einfluss nehmen kann, die weiter in der Lage ist, die Kupplung (2) zu steuern, und die zumindest indirekt eine Information über den Füllstand des Energiespeichers (8) einlesen kann sowie in der Lage ist, die Leistungselektronik (7) so zu steuern, dass ein gewünschtes positives oder negatives Drehmoment durch die Elektromaschine (4) bereitgestellt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebes gemäß zumindest einem der vorstehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) bei einem Start des Verbrennungsmotors (1) sicherstellt, dass das Schaltgetriebe (5) in eine Neutralstellung geschaltet ist, die Kupplung (2) so ansteuert, dass diese zumindest teilweise geschlossen ist, die Leistungselektronik (7) so ansteuert, dass die Elektromaschine (4) ein positives Drehmoment gewählter Drehrichtung erzeugt, welches von der Kupplung (2) auf die Motorabtriebswelle (1a) des Verbrennungsmotors (1) übertragen wird, und schließlich bei Erreichen einer geeigneten Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) falls verbrennungsmotorisch notwenig ein Signal ausgibt, welches den Start des Verbrennungsmotors (1) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) bei gewünschtem Antrieb durch die Elektromaschine (4) zunächst die Kupplung (2) vollständig öffnet und die Drehzahl des Elektromotors (4) so beeinflusst, dass an der Getriebeeingangswelle (5a) nahezu die Synchrondrehzahl für den einzulegenden Gang anliegt, anschließend einen gewünschten Fahrgang des Schaltgetriebes (5) einlegt und danach die Elektromaschine (4) durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik (7) motorisch so betreibt, dass sich der gewünschte Geschwindigkeitsverslauf der angetriebenen Räder (10) des Fahrzeugs ergibt oder so weit wie elektromotorisch möglich ergibt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (16) in dem Fall, in dem eine Zuschaltung eines durch den Verbrennungsmotor (1) bereitgestellten Drehmomentes auf die Eingangswelle (5a) des Schaltgetriebes (5) gewünscht wird, die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) so weit anhebt, dass diese zumindest nahezu synchron mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle (5a) des Schaltgetriebes (5) ist, und anschließend die Kupplung (2) schließt, und die Leistung des Verbrennungsmotors (1) und der Elektromaschine (4) so steuert oder regelt, dass der gewünschte Drehzahlverlauf der angetriebenen Räder (10) eingestellt wird.