DE102006045521B4 - Verfahren zum Umschalten einer Hybridantriebsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Umschalten einer Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer ersten Antriebsquelle (12) und einer zweiten Antriebsquelle (14), wobei die erste Antriebsquelle (12) in einem Antriebszug über ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (16) mit zumindest zwei Reibungskupplungen (28, 30) zum Aktivieren von Gangstufen auf angetriebene Räder (20) des Kraftfahrzeuges abtreibt und die zweite Antriebsquelle (14) direkt auf angetriebene Räder (24) des Kraftfahrzeuges treibt, und wobei bei einem Antrieb durch die zweite Antriebsquelle (14) ab einer definierten Geschwindigkeit durch Starten und Hochdrehen der ersten Antriebsquelle (12) auf Synchrondrehzahl und darauffolgendes Schließen einer ersten (28) der Reibungskupplungen (28, 30) die erste Antriebsquelle (12) in einer definierten Gangstufe zugeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schließen der ersten Reibungskupplung (28) durch schlupfgesteuertes Anlegen der zweiten Reibungskupplung (30) und Aktivierung einer höheren Gangstufe im Wechselgetriebe (16) der Antriebszug vorgespannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten einer Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine Problematik derartiger Hybridantriebsvorrichtungen liegt in einem ruckfreien Umschalten von der einen Antriebsquelle, insbesondere einem Elektromotor, zu der anderen Antriebsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Bei einer nicht gattungsgemäßen Hybridantriebsvorrichtung ( WO 2004/111441 A1 ), bei der beide Antriebsquellen über das Wechselgetriebe auf eine Achse des Kraftfahrzeuges abtreiben, wird dazu vorgeschlagen, beim Ankoppeln der Brennkraftmaschine mittels einer ersten Reibungskupplung zunächst die zweite – den Elektromotor mit der Eingangswelle des Wechselgetriebes verbindende – Reibungskupplung in Schlupfbetrieb zu halten und die Drehzahl des Elektromotors über die der Eingangswelle des Wechselgetriebes anzuheben.
  • Dieses bekannte Verfahren ist aber nicht anwendbar, wenn der Elektromotor direkt auf eine Achse des Kraftfahrzeuges abtreibt bzw. eine den Elektromotor abkoppelnde Kupplung oder eine triebliche Verbindung zur Eingangswelle des Wechselgetriebes nicht vorhanden ist.
  • Aus der DE 102 24 189 A1 ist ein Steuer-/Regelsystem für ein Hybridfahrzeug bekannt. Das Hybridfahrzeug weist eine Brennkraftmaschine auf, die in einem Antriebszug über ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe mit zumindest zwei Reibungskupplungen, die Gangstufen aktivieren, auf angetriebene Räder des Kraftfahrzeugs abtreibt. Zudem weist das Hybridfahrzeug einen Elektromotor auf, der direkt auf angetriebene Räder des Kraftfahrzeugs abtreibt. Aus der DE 199 50 679 A1 und aus der DE 197 11 820 A1 ist jeweils ein Verfahren zum Schalten von Doppelkupplungsgetrieben bekannt. Bei einem Hochschaltvorgang ist hierbei vorgesehen, einen Hilfsgang mit längerer Übersetzung in einem der Getriebeeingangswellen bei Schlupfbetrieb der zugeordneten Kupplungen einzulegen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umschalten einer Hybridantriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, mittels dem ein komfortables, Zugkraft-Unterbrechungsfreies und eine zügige Beschleunigung des Kraftfahrzeuges sicherstellendes Umschalten oder Zuschalten der Antriebsquellen erzielbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass vor dem Schließen der Reibungskupplung zum Zuschalten oder Umschalten der ersten Antriebsquelle durch schlupfgesteuertes Anlegen der zweiten Reibungskupplung des Wechselgetriebes und Aktivierung einer höheren Gangstufe (längeren Übersetzung) im Wechselgetriebe der Antriebszug vorgespannt wird. Im Detail beinhaltet das vorgeschlagene Verfahren aus dem elektromotorischen Betrieb heraus die folgenden Schritte: Starten der Brennkraftmaschine – Hochdrehen der Brennkraftmaschine auf eine Synchrondrehzahl, die sich aus dem im Wechselgetriebe eingelegten Zielgang abgeleitet aus der momentanen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und ggf. der Lastanforderung ergibt – Einlegen im Wechselgetriebe eines nächsthöheren Zwischenganges – Schlupfgesteuertes Anlegen der diesem Zwischengang zugeordneten, zweiten Reibungskupplung mit entsprechender Vorspannung des gesamten Antriebszuges (Zahnräder im Wechselgetriebe, Differenzial, etc.) bis zu den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges – Schließen der die Brennkraftmaschine ankoppelnden, ersten Reibungskupplung und schließlich – Aufhebung des Schlupfbetriebes der zweiten Reibungskupplung. Das beschriebene Verfahren schaltet quasi jegliche, ggf. eine Lastwechselreaktion bzw. einen Antriebsruck erzeugende Spiele in den Antriebselementen aus und bewirkt ein feinfühlig steuerbares, aber zügiges Einsetzen des Abtriebmomentes der Brennkraftmaschine.
  • Insbesondere sollte das schlupfgesteuerte Anlegen der zweiten Reibungskupplung so gesteuert werden, dass ein ruckfreier Übergang des auf die angetriebenen Räder des Kraftfahrzeuges wirkenden Abtriebsmomentes erzielt wird.
  • Zudem kann ein verbessertes Beschleunigungsverhalten des Kraftfahrzeuges erreicht werden, indem das schlupfgesteuerte Anlegen der zweiten Reibungskupplung derart gesteuert wird, dass während des Umschaltens bereits über die zweite Reibungskupplung Abtriebsmoment in definiertem Ausmaß auf den Antriebszug übertragen wird.
  • Das Wechselgetriebe kann beispielsweise ein automatisches Getriebe mit mehreren Planetenradsätzen und entsprechenden, die Gangstufen aktivierenden Reibungskupplungen (hydraulisch gesteuerten Lamellenkupplungen) sein. Bevorzugt wird als Geschwindigkeits-Wechselgetriebe jedoch ein an sich bekanntes Doppelkupplungsgetriebe mit zwei über Reibungskupplungen zuschaltbaren Eingangwellen und einer Ausgangswelle vorgeschlagen, wobei je Eingangswelle mehrere Gangstufen schaltbar sind und bei einem Umschaltvorgang zwischen den beiden Antriebsquellen jeweils eine Reibungskupplung schlupfgesteuert angelegt wird.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Achse des Kraftfahrzeuges von der ersten Antriebsquelle über das Geschwindigkeits-Wechselgetriebe und ein Differenzial und die zweite Achse des Kraftfahrzeuges von der zweiten Antriebsquelle über ein Differenzial angetrieben wird. Daraus resultiert in baulich günstiger Weise, entweder eine allradgetriebene Hydridantriebsvorrichtung mit zweiter Antriebsquelle oder eine herkömmliche Antriebsvorrichtung z. B. mit Frontantrieb des Kraftfahrzeuges bereitzustellen.
  • Alternativ wird vorgeschlagen, dass eine oder beide Achsen des Kraftfahrzeuges von der ersten Antriebsquelle über das Geschwindigkeits-Wechselgetriebe angetrieben werden und dass die zweite Antriebsquelle direkt auf die Abtriebswelle dieses Wechselgetriebes abtreibt. Die zweite Antriebsquelle bzw. der Elektromotor kann dabei unmittelbar an das Gehäuse des Wechselgetriebes angebaut sein und auf die Abtriebswelle des Wechselgetriebes wirken.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
  • 1 eine Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer ersten Antriebsquelle, die über ein Doppelkupplungsgetriebe auf die Vorderachse des Kraftfahrzeuges treibt und einer zweiten Antriebsquelle an der Hinterachse; und
  • 2 ein Blockschaltbild des Doppelkupplungsgetriebes mit den beiden Reibungskupplungen zum Umschalten der Hybridantriebsvorrichtung nach 1.
  • In der 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine Hybridantriebsvorrichtung 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt, mit einer ersten Antriebsquelle bzw. einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 12 und einer zweiten Antriebsquelle bzw. einem Elektromotor 14.
  • Die Brennkraftmaschine 12 treibt über ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe bzw. Doppelkupplungsgetriebe 16 über eine Abtriebswelle 17, ein Differenzial 18 und Gelenkwellen 19 die vorderen Räder 20 des Kraftfahrzeuges an. Ferner treibt der Elektromotor 14 über ein Differenzial 22 und Gelenkwellen 23 die hinteren Räder 24 des Kraftfahrzeuges an. Die genannten Bauteile können in dem Fachmann geläufiger Bauweise ausgeführt sein und sind deshalb nur soweit für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich beschrieben.
  • Das Kraftfahrzeug kann somit alternativ von dem Elektromotor 14 oder der Brennkraftmaschine 12 oder von beiden angetrieben werden, wobei die Auslegung in der Regel so ist, dass im Anfahrbereich und im niedrigen Geschwindigkeitsbereich (entsprechende Kapazität der elektrischen Versorgung vorausgesetzt) der Elektromotor 14 die Hinterachse des Kraftfahrzeuges und ab einer definierten Geschwindigkeit die Brennkraftmaschine 12 die Vorderachse antreibt. Das Doppelkupplungsgetriebe 16 mit z. B. 6 Gangstufen ist aber in bekannter Weise so ausgelegt, dass im 1. Gang auch über die Brennkraftmaschine 12 oder über beide Antriebsquellen 12, 14 angefahren werden kann.
  • An der Brennkraftmaschine 12 ist eine Starter-Generator-Vorrichtung 26 angeordnet, mittels der die Brennkraftmaschine 12 unabhängig von dem antreibenden Elektromotor 14 gestartet werden kann.
  • Innerhalb des Doppelkupplungsgetriebes 16 (vgl. 2 als Blockschaltbild) sind neben den bekannten Gangschaltkupplungen (Synchronkupplungen) zwei Reibungskupplungen 28, 30 vorgesehen, mittels denen die beiden Eingangswellen 32, 34 des Doppelkupplungsgetriebes 16 an die Abtriebswelle 13 (Kurbelwelle) der Brennkraftmaschine 12 ankoppelbar sind.
  • Die Eingangswellen 32, 34 sind über nicht dargestellte Schaltzahnräder mit der Abtriebswelle 17 des Doppelkupplungsgetriebes 16 trieblich verbunden, wobei jeweils über eine nicht dargestellte Schaltbetätigung die eine oder die andere Eingangswelle 32, 34 mittels der Schaltzahnräder und der Synchronkupplungen unter Darstellung einer definierten Gangstufe aktivierbar ist. So können mit der Eingangswelle 32 die Gänge 1, 3 und 5 und mit der Eingangswelle 34 die Gänge 2, 4 und 6 und ggf. ein Rückwärtsgang bereitgestellt sein.
  • Es sei angenommen, das Kraftfahrzeug wird durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 14 angefahren und bis zu einer definierten Geschwindigkeit beschleunigt. Die Antriebsleistung verläuft dabei von dem Elektromotor 14 über das Differenzial 22, die Gelenkwellen 23 auf die angetriebenen Räder 24 der Hinterachse des Kraftfahrzeuges. Die beiden Reibungskupplungen 28, 30 des Doppelkupplungsgetriebes 16 sind geöffnet; das Differenzial 18 und das Doppelkupplungsgetriebe 16 sind im lastlosen Zustand.
  • Soli nunmehr die Brennkraftmaschine 12 zugeschaltet oder auf die Brennkraftmaschine 12 umgeschaltet werden, weil dies aufgrund einer Leistungsanforderung z. B. durch den Fahrer vorgegeben wird, so werden mittels eines nicht dargestellten, elektronischen Steuergerätes die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
    • – Das Steuergerät ermittelt aufgrund der Fahrgeschwindigkeit und der Lastanforderung einen Zielgang für den Antrieb mit Brennkraftmaschine 12, z. B. der 3. Gang, und bewirkt dessen Aktivierung;
    • – Das Steuergerät aktiviert ferner eine höhere (längere) Gangstufe, bevorzugt die höchstmögliche Gangstufe, z. B. den 6. Gang an der Eingangswelle 34;
    • – Das Steuergerät bewirkt das Starten der Brennkraftmaschine 12 durch Ansteuerung der Starter-Generator-Vorrichtung 26 und das Hochdrehen der Brennkraftmaschine 12 auf eine Drehzahl größer gleich der Synchrondrehzahl entsprechend dem Zielgang; Synchrondrehzahl heißt, dass dann die Drehzahl der Eingangswelle 32 im Wesentlichen gleich der Abtriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine 12 ist;
    • – Gleichzeitig steuert das Steuergerät die Reibungskupplung 30 auf Schlupfbetrieb und zwar derart, dass nunmehr über den ersten Antriebszug, gebildet durch die Eingangswelle 34, die Schaltzahnräder für den 4. Gang, die Abtriebswelle 17, das Differenzial 18 und die Gelenkwellen 19 Abtriebsmoment abgegeben bzw. der Antriebszug unter Ausschaltung sämtlicher Zahnspiele, etc. vorgespannt ist und ggf. bereits Abtriebsmoment auf die Antriebsräder 20 ausübt. Dabei ist wesentlich, dass nur an der Eingangswelle 32 die Synchrondrehzahl anliegt, während die Eingangswelle 34 aufgrund des höheren 6. Ganges langsamer dreht als die Abtriebswelle 13 der Brennkraftmaschine 12 bzw. als das Kupplungseingangsglied der Reibungskupplung 30;
    • – Schließlich wird die Reibungskupplung 28 zügig geschlossen und anschließend die im Schlupfbetrieb befindliche Reibungskupplung 30 wieder vollständig geöffnet.
  • Die weiteren Gangwechsel des Doppelkupplungsgetriebes 16 können in bekannter Weise vollzogen werden, wobei durch entsprechende Ansteuerung der Reibungskupplungen 28, 30 alternierend zwischen den Eingangswellen 32, 34 umgeschaltet wird.
  • Die Reibungskupplungen 28, 30 sind z. B. in bekannter Weise als hydraulisch betätigte Lamellenkupplungen ausgeführt, die über Hydraulikventile, z. B. elektromagnetisch betätigte Taktventile, beide Reibungskupplungen 28, 30 im Schlupfbetrieb halten können. Selbstverständlich sind in bekannter Weise entsprechende Drehzahlsensoren, Lastsensoren, etc. für die Signalverarbeitung des nicht dargestellten, elektronischen Steuergerätes vorgesehen.
  • Der Elektromotor 14 kann nach erfolgtem Umschalten auf den Antrieb durch die Brennkraftmaschine 12 zunehmend lastlos gesteuert und ggf. sogar durch eine nicht dargestellte Kupplung stillgesetzt werden. Er kann aber zur Bereitstellung eines Allradantriebes des Kraftfahrzeuges in einem definierten Geschwindigkeitsbereich auch weiterbetrieben werden, ggf. abhängig von an den angetriebenen Rädern gemessenen Radschlupfwerten oder anderen fahrdynamischen Parametern.
  • Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Elektromotor 14 auch an das Gehäuse des Doppelkupplungsgetriebes 16 unmittelbar angebaut sein und ebenfalls auf die Abtriebswelle 17 direkt wirken. Die Abtriebswelle 17 könnte dabei trieblich (über ein Längsdifferenzial) so verzweigt sein, dass sie zur Erzielung eines permanenten Allradantriebes über eine Kardanwelle und ein hinteres Differenzial auch die hinteren Räder 24 des Kraftfahrzeuges antreibt.
  • Anstelle des Doppelkupplungsgetriebes 16 kann als Geschwindigkeits-Wechselgetriebe auch ein automatisches Getriebe mit mehreren Planetenradsätzen als Gangstufen verwendet sein, die über hydraulisch betätigte Aktuatoren die Gangstufen aktivieren.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Umschalten einer Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer ersten Antriebsquelle (12) und einer zweiten Antriebsquelle (14), wobei die erste Antriebsquelle (12) in einem Antriebszug über ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (16) mit zumindest zwei Reibungskupplungen (28, 30) zum Aktivieren von Gangstufen auf angetriebene Räder (20) des Kraftfahrzeuges abtreibt und die zweite Antriebsquelle (14) direkt auf angetriebene Räder (24) des Kraftfahrzeuges treibt, und wobei bei einem Antrieb durch die zweite Antriebsquelle (14) ab einer definierten Geschwindigkeit durch Starten und Hochdrehen der ersten Antriebsquelle (12) auf Synchrondrehzahl und darauffolgendes Schließen einer ersten (28) der Reibungskupplungen (28, 30) die erste Antriebsquelle (12) in einer definierten Gangstufe zugeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schließen der ersten Reibungskupplung (28) durch schlupfgesteuertes Anlegen der zweiten Reibungskupplung (30) und Aktivierung einer höheren Gangstufe im Wechselgetriebe (16) der Antriebszug vorgespannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlupfgesteuerte Anlegen der zweiten Reibungskupplung (30) so gesteuert wird, dass ein ruckfreier Übergang des auf die angetriebenen Räder (20) des Kraftfahrzeuges wirkenden Abtriebsmomentes erzielt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schlupfgesteuerte Anlegen der zweiten Reibungskupplung (30) derart gesteuert wird, dass während des Umschaltens bereits über die zweite Reibungskupplung (30) Abtriebsmoment in definiertem Ausmaß auf den Antriebszug übertragen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Geschwindigkeits-Wechselgetriebe ein Doppelkupplungsgetriebe (16) mit zwei über Reibungskupplungen (28, 30) zuschaltbaren Eingangwellen (32, 34) und einer Abtriebswelle (17) verwendet wird, wobei je Eingangswelle (32, 34) mehrere Gangstufen schaltbar sind und bei einem Umschaltvorgang zwischen den beiden Antriebsquellen (12, 14) jeweils eine Reibungskupplung (28 oder 30) schlupfgesteuert angelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse des Kraftfahrzeuges von der ersten Antriebsquelle (12) über das Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (16) und ein Differenzial (18) und die zweite Achse des Kraftfahrzeuges von der zweiten Antriebsquelle (14) über ein Differenzial (22) angetrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Achsen des Kraftfahrzeuges von der ersten Antriebsquelle (12) über das Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (16) angetrieben werden und dass die zweite Antriebsquelle (14) direkt auf die Abtriebswelle (17) dieses Wechselgetriebes (16) abtreibt.
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