DE102007002734A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens zwei elektrischen Maschinen, wobei der Verbrennungsmotor in mindestens einem Betriebsbereich mit homogener Verbrennung betrieben wird. Es ist vorgesehen, dass der Hybridantrieb wahlweise im seriellen oder parallelen Modus betrieben wird, wobei in dem Betriebsbereich bei niedriger, an den Hybridantrieb gestellter Dynamikanforderung ein Betrieb im seriellen Modus erfolgt und bei hoher Dynamikanforderung im parallelen Modus erfolgt, bei dem eine über die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors hinausgehende Dynamikanforderung temporär durch mindestens eine der elektrischen Maschinen ausgeglichen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens zwei elektrischen Maschinen, wobei der Verbrennungsmotor in mindestens einem Betriebsbereich mit homogener Verbrennung betrieben wird.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs ist bekannt. Aktuell werden Verbrennungsmotoren wie zum Beispiel Diesel- und Ottomotoren in bestimmten Betriebsbereichen mit homogener Verbrennung (HCCI: homogeneous charge compression ignition) betrieben. Beim homogenen Brennverfahren ist das Entzünden des eingebrachten Kraftstoffs durch Zugabe von Abgas in den Brennraum des Verbrennungsmotors geregelt. Dabei ist der Betriebsbereich, in dem dieses Brennverfahren angewendet wird, durch die physikalischen Gegebenheiten zur Verbrennungsluftzufuhr des Brennraums eingeschränkt. Die maximal mögliche Dynamik des Verbrennungsmotors ist somit durch das Systemverhalten eines Luftsystems zur Verbrennungsluftversorgung limitiert. Dynamisch kann durch ebenfalls physikalisch bedingte Totzeiten des Luftsystems nicht immer eine korrekte beziehungsweise notwendige Abgasrückführung eingestellt werden, was zu einem frühen Zündzeitpunkt oder zu einem späten Zündzeitpunkt führen kann. Der frühe Zündzeitpunkt ist mit einem entsprechenden Geräusch verbunden, der späte Zündzeitpunkt ist mit Aussetzern verbunden. Daher wird der Betriebsbereich mit homogener Verbrennung und die Dynamik des Verbrennungsmotors bei homogener Verbrennung durch die Dynamik des Luftsystems, sowie die Kopplung der Zündung an die Dynamik des Luftsystems bestimmt. Zur Erhöhung der Dynamik des Verbrennungsmotors wird mindestens einer der Betriebsparameter Kraftstoffzufuhr, Verbrennungsluftzufuhr und/oder Zündzeitpunkt verändert. Durch diese Maßnahmen ergibt sich jedoch ein höherer Kraftstoffverbrauch und/oder eine höhere Schadstoffemission.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der Hybridantrieb wahlweise im seriellen oder im parallelen Modus betrieben wird, wobei in dem Betriebsbereich bei niedriger, an den Hybridantrieb gestellten Dynamikanforderung ein Betrieb im seriellen Modus erfolgt und bei hoher Dynamikanforderung ein Betrieb im parallelen Modus erfolgt, bei dem eine über die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors hinausgehende Dynamikanforderung temporär durch mindestens eine der elektrischen Maschinen ausgeglichen wird. Durch den Ausgleich einer über die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors bei homogener Verbrennung hinausgehende Dynamikanforderung durch mindestens eine der elektrischen Maschinen, kann der Verbrennungsmotor mit Betriebsparametern betrieben werden, die auf einen emissionsarmen und/oder kraftstoffsparenden Betrieb optimiert sind. Diese Betriebsparameter sind insbesondere die Kraftstoffzufuhr, die Verbrennungsluftzufuhr und/oder der Zündzeitpunkt beim Verbrennungsmotor. Bei niedriger Dynamikanforderung an den Hybridantrieb wird dieser bei kontinuierlichem Betrieb im seriellen Modus betrieben. In diesem Betriebsmodus arbeitet der Verbrennungsmotor besonders emissionsarm und/oder kraftstoffsparend. Bei Dynamikanforderungen – zum Beispiel durch Betätigen eines Fahrpedals durch einen Fahrer des Fahrzeugs –, die über die Dynamikgrenze des Hybridantriebs mit dem mit homogener Verbrennung betriebenen Verbrennungsmotors hinausgehen, wird auf einen parallelen Betrieb des Hybridantriebs umgeschaltet, bei dem die verbrennungsmotorische Leistung des Verbrennungsmotors durch elektromotorische Leistung mindestens einer der elektrischen Maschinen ergänzt wird. Kurzfristige zusätzliche Leistungsanforderungen an den Hybridantrieb werden somit durch Zuschalten der elektrischen Maschine erfüllt (Boostbetrieb). Unter einer Dynamikanforderung ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dynamik einer Moment- oder Leistungsanforderung an den Hybridantrieb zu verstehen.
  • Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Betrieb mit zwei elektrischen Maschinen derart erfolgt, dass im seriellen Modus der Verbrennungsmotor eine der elektrischen Maschinen, die als Generator arbeitet, zum Laden eines elektrischen Speichers antreibt und die andere elektrische Maschine durch Energieentnahme aus dem elektrischen Speicher das Fahrzeug antreibt. Ein Umschalten erfolgt dabei zum Beispiel durch Öffnen/Schließen einer schaltbaren Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine einerseits und der abtriebsseitig angeordneten, als Elektromotor arbeitenden elektrischen Maschine andererseits.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass ein Betrieb mit mindestens zwei elektrischen Maschinen derart erfolgt, dass im parallelen Modus der Verbrennungsmotor und mindestens einer der Elektromotoren das Fahrzeug antreibt.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor außerhalb des einen Betriebsbereichs in einem erweiterten Betriebsbereich mit konventioneller Verbrennung betrieben wird. Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit konventioneller Verbrennung ergibt sich der erweiterter Betriebsbereich mit höherer Leistungs- und höherer Drehmomentgrenze.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein leistungsverzweigter Betrieb vorgesehen. Bei geeigneter Auslegung der Leistungsverzweigung (Planetengetriebe) ist eine direkte Ankopplung an den Radantrieb (Differenzial) möglich.
  • Mit Vorteil ist ein Betrieb mit kontinuierlich verstellbarem Übersetzungsverhältnis eines Getriebes vorgesehen, um vorzugsweise einen quasistationären Verbrennungsmotorbetrieb bei gleichzeitigem generatorischen und motorischem Betreiben der beiden elektrischen Maschinen vorzunehmen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als Dieselmotor ausgebildet ist. Bei einem mit homogener Verbrennung betriebenen Dieselmotor ergeben sich geringere NOx-Emissionen und nahezu keine Rußemissionen.
  • Alternativ ist insbesondere vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet ist. Beim Ottomotor wird durch ein homogenes Brennverfahren zusätzlich zu niedrigen Emissionen auch eine deutliche Reduktion des Verbrauchs realisiert.
  • Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Betriebsbereich ein Teillast-Betriebsbereich ist. Im Teillast-Betriebsbereich kann eine besonders emissionsarmer und/oder kraftstoffsparender Betrieb realisiert werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs zur Verwendung mit dem vorstehend genannten Verfahren. Der Hybridantrieb weist mindestens einen Verbrennungsmotor und mindestens zwei elektrische Maschinen auf, ist zwischen einem seriellen Modus und einem parallelen Modus umschaltbar und kann in mindestens einem Betriebsbereich mit homogener Verbrennung betrieben werden'.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, der zwischen einem parallelen Modus und einem seriellen Modus umschaltbar ist,
  • 2 ein Diagramm mit einem Betriebsbereich homogener Verbrennung und einem erweiterten Betriebsbereich konventioneller Verbrennung und
  • 3 ein Diagramm, bei dem eine Momentenanforderung über der Zeit aufgetragen ist.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Die 1 zeigt einen Hybridantrieb 1 bestehend aus einem Verbrennungsmotor 2 mit einem zugeordneten Tank 3, sowie einer als Elektromotor 4 arbeitenden elektrischen Maschine 5 mit einer zugeordneten Leistungselektronik-Einheit 6 und einem als wiederaufladbare Batterie 7 ausgebildeten elektrischen Speicher 8. Der Verbrennungsmotor 2 und die elektrische Maschine 5 sind über ein Planetengetriebe 9 miteinander kuppelbar. Ferner ist mit dem Planetengetriebe 9 eine weitere elektrische Maschine 10 verbunden, die als Generator 11 ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 10 steht ebenfalls mit der genannten Leistungselektronik-Einheit 6 elektrisch in Verbindung. Die Abtriebswelle 12 der elektrischen Maschine 5 steht über ein Getriebe 13 mit einem Differenzial 14 in Verbindung, das zu den Antriebsrädern 15 des Fahrzeugs führt.
  • Der in 1 gezeigte Hybridantrieb 1 kann zwischen einem seriellen Modus und einem parallelen Modus umgeschaltet werden. Im parallelen Modus sind Verbrennungsmotor 2 und elektrische Maschine 5 über das Planetengetriebe 9 kuppelbar und treiben die Antriebsräder 15 über das Getriebe 13 und das Differenzial 14 an. Überschüssige Leistung des Verbrennungsmotors 2 kann mittels der elektrischen Maschine 10 in elektrische Energie umgewandelt und im elektrischen Speicher 8 gespeichert werden. Wird temporär zusätzliche Leistung benötigt, so wird diese aus dem elektrischen Speicher 8 entnommen und der als Elektromotor 4 wirkenden elektrischen Maschine 5 zugeführt. Das Speichern von elektrischer Energie und die Entnahme elektrischer Energie aus dem elektrischen Speicher 8 wird über die Leistungselektronik-Einheit 6 gesteuert/geregelt. In einem seriellen Modus des Hybridantriebs 1 trennt das Planetengetriebe 9 den Verbrennungsmotor 2 von der elektrischen Maschine 4 und dem Getriebe 13. Der Verbrennungsmotor 2 treibt im seriellen Modus lediglich die als Generator 11 wirkende elektrische Maschine 10 an, die die als Elektromotor 4 wirkende elektrische Maschine 5 betreibt und den elektrischen Speicher 8 speist. Die elektrische Maschine 5 treibt die Antriebsräder 15 über das Getriebe 13 und das Differenzial 14 an.
  • Es ergibt sich folgende Funktion des Hybridantriebs 1 bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren: Der als Dieselmotor 16 oder Ottomotor ausgebildete Verbrennungsmotor 2 wird in mindestens einem Betriebsbereich mit homogener Verbrennung betrieben. Bei der homogenen Verbrennung (HCCI-Brennverfahren) wird der entsprechende Kraftstoff (Dieselkraftstoff beziehungsweise Ottokraftstoff) eingespritzt, wobei das hier durch im Brennraum vorliegende Kraftstoff-Luftgemisch erst gezündet wird, wenn die für den Motortakt erforderliche, gesamte Kraftstoffmenge in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wurde. Bei beiden Brennverfahren wird das Zünden des eingebrachten Kraftstoffs durch die Zugabe von Abgas in den Brennraum geregelt. Dabei ist der Bereich, in dem dieses Brennverfahren angewendet werden kann, durch die physikalische Gegebenheit des Luftsystems des Verbrennungsmotors 2 limitiert. Es ergibt sich mindestens ein Betriebsbereich 17, bei dem homogene Verbrennung des Kraftstoffs möglich ist. In diesem Betriebsbereich 17 ergibt sich beim Dieselmotor 16 eine geringe NOx-Emission und nahezu keine Rußemission. Beim Ottomotor wird durch das homogene Brennverfahren zusätzlich zu den niedrigen Emissionen eine deutliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs realisiert.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm zur Charakterisierung des Verbrennungsmotors 2. Dabei ist das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 2 in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 für einen Gesamtbetriebsbereich 18 gezeigt. Der Gesamtbetriebsbereich 18 des Verbrennungsmotors 2 ist durch die Leerlaufdrehzahl n0, die Maximaldrehzahl nmax und eine einhüllende Kurve 19 begrenzt. Innerhalb des Gesamtbetriebsbereich 18 findet sich der Betriebsbereich 17 mit homogener Verbrennung. Außerhalb dieses Betriebsbereichs 17 befindet sich ein erweiterter Betriebsbereich 20, in dem der Verbrennungsmotor 2 nur mit konventioneller Verbrennung betrieben wird. Die Summe aus dem Betriebsbereich 17 mit homogener Verbrennung und dem erweiterten Betriebsbereich 20 ergibt den Gesamtbetriebsbereich 18 des Verbrennungsmotors 2.
  • Neben der Beschränkung der homogenen Verbrennung im Verbrennungsmotor 2 auf den Betriebsbereich 17 geben sich auch dynamische Grenzen der homogenen Verbrennung. Dynamisch kann durch die physikalisch bedingten Totzeiten eines Luftsystems zur Verbrennungsluftversorgung des Verbrennungsmotors 2 nicht immer die korrekte beziehungsweise notwendige Abgasrückführung eingestellt werden, was zu deutlich frühen Zündzeitpunkten und einem Geräusch oder zu späten Zündzeitpunkten und Zündaussetzern führen kann. Um diese Probleme bei der Zündungsregelung und damit die Kopplung des homogenen Brennverfahrens an die langsame Führungsgröße des Luftsystems zu umgehen und die Vorteile des homogenen Brennverfahrens (niedrige Emissionen und/oder niedriger Verbrauch) nutzen zu können, wird der Hybridantrieb 1 bei einer Dynamikanforderung unterhalb einer vom Luftsystem bestimmten Dynamikanforderung im seriellen Modus betrieben und oberhalb dieser Dynamikgrenze im parallelen Modus betrieben, wobei die über die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors hinausgehende Dynamikanforderung temporär durch mindestens eine der elektrischen Maschinen 5, 10 ausgeglichen wird. Je nach dem Verhältnis der Effizienz von seriellem und parallelem Modus ergeben sich auch zwei Dynamikgrenzen: Die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors 2 innerhalb des parallelen Modus und eine Dynamikgrenze des Hybridantriebs 1 im seriellen Modus (nicht gezeigt).
  • Die 3 zeigt ein Diagramm, bei dem das Moment M über der Zeit t aufgetragen ist. Es zeigt die Funktion 21 einer Momentanforderung und eine Funktion 22, die die Dynamikgrenze in Form einer dynamischen Momentgrenze des Verbrennungsmotors 2 bei homogener Verbrennung angibt. Liegt die Momentanforderung (Funktion 21) oberhalb der momentan dynamisch realisierbaren Momentgrenze (Funktion 22), so wird die Momentdifferenz temporär durch die elektrische Maschine 5 ausgeglichen (Bereiche 23). Sinkt die Momentanforderung (Funktion 21) unterhalb der dynamisch realisierbaren Momentgrenze (Funktion 22) beziehungsweise Dynamikgrenze, so kann die Momentenreduktion durch ein generatorisches Lastmoment der elektrischen Maschine 10 erreicht werden (Bereich 24). Dabei wird der elektrische Speicher 8 gespeist.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens zwei elektrischen Maschinen, wobei der Verbrennungsmotor in mindestens einem Betriebsbereich mit homogener Verbrennung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb wahlweise im seriellen oder im parallelen Modus betrieben wird, wobei in dem Betriebsbereich bei niedriger, an den Hybridantrieb gestellten Dynamikanforderung ein Betrieb im seriellen Modus erfolgt und bei hoher Dynamikanforderung ein Betrieb im parallelen Modus erfolgt, bei dem eine über die Dynamikgrenze des Verbrennungsmotors hinausgehende Dynamikanforderung temporär durch mindestens eine der elektrischen Maschinen ausgeglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb mit zwei elektrischen Maschinen derart erfolgt, dass im seriellen Modus der Verbrennungsmotor eine der elektrischen Maschinen, die als Generator arbeitet, zum Laden eines elektrischen Speichers antreibt und die andere elektrische Maschine durch Energieentnahme aus dem elektrischen Speicher das Fahrzeug antreibt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb mit mindestens zwei elektrischen Maschinen derart erfolgt, dass im parallelen Modus der Verbrennungsmotor und mindestens einer der Elektromotoren das Fahrzeug antreiben.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor außerhalb des einen Betriebsbereichs, in einem erweiterten Betriebsbereich mit konventioneller Verbrennung betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein leistungsverzweigter Betrieb erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betrieb mit kontinuierlich verstellbarem Übersetzungsverhältnis.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor als Dieselmotor ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich ein Teillast-Betriebsbereich ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zum Aufladen des elektrischen Speichers durch mindestens eine der elektrischen Maschinen genutzt wird.
  11. Hybridantrieb zur Verwendung mit einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10.
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