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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs
eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem
Verbrennungsmotor, der als Turbomotor ausgebildet ist, und mit mindestens
einer Elektromaschine.
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Stand der Technik
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Es
sind Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs bekannt, der einen
Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist, wobei
der Verbrennungsmotor und die Elektromaschine derartig miteinander
wirkverbindbar sind, dass ihre Antriebsdrehmomente gemeinsam wirken.
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Es
ist bekannt, dass schnelle Laständerungen
oder Schaltvorgänge
ein "Ruckeln eines
Kraftfahrzeugs anregen können.
Typischerweise schwingt die Drehmasse des Verbrennungsmotors zusammen mit
einer Getriebedrehmasse gegen eine reduzierte Fahrzeugmasse. Daneben
sind auch noch weitere Schwingungsformen möglich. Um Ruckelschwingungen
zu vermeiden, ist es bekannt die Anregung des Triebstrangs durch
schnelle Laständerungen
zu vermeiden. Dazu wird das vom einem Fahrer über ein Fahrpedal angeforderte
und/oder Fahrerassistenzsystem vorgegebene Drehmoment, welches bei
dem Hybridantrieb dem Gesamt-Solldrehmoment entspricht, welches
sich aus den Solldrehmomenten der Elektromaschine und des Verbrennungsmotors
ergibt, bei schnellen Änderungen
gefiltert, sodass sich der Drehmomentaufbeziehungsweise -abbau verzögert. Bei
Turbomotoren, also bei Verbrennungsmotoren die einen Turbolader
aufweisen, entstehen hierbei Probleme. Durch das Verzögern des
Drehmomentaufbaus entsteht zunächst
ein geringer Abgasstrom mit geringer Energie im Abgas, der zusammen mit
dem verzögerten
Ansprechen des Turbosystems dazu führt, dass der Ladedruck durch
den Turbolader nicht schnell genug aufgebaut werden kann. Das sogenannte
Turboloch, wird dadurch vergrößert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist erfindungsgemäß ein Verfahren
zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere
Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Verbrennungsmotor, der als
Turbomotor ausgebildet ist, und mit mindestens einer Elektromaschine
vorgesehen, wobei durch Fahrerwunsch ein Gesamt-Solldrehmoment für den Verbrennungsmotor und
die Elektromaschine vorliegt, das – insbesondere aus Komfortgründen – einer
Filterung unterzogen wird, und wobei durch mittels der Elektromaschine
erfolgenden Kompensation eines erhöhten Istdrehmoments des Verbrennungsmotors
ein dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment
entsprechendes Drehmoment am Antriebsstrang des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt
wird. Es ist also vorgesehen, dass bei Vorgabe eines Gesamt-Solldrehmoments
für den
Hybridantrieb, dieses einer Filterung unterzogen wird, die vorteilhafterweise – insbesondere
aus Komfortgründen – einen „weichen" Drehmomentaufbau
realisiert, so dass kein Ruckeln entsteht. Weiterhin wird dem Verbrennungsmotor
ein Solldrehmoment derartig vorgegeben, dass es zu einem erhöhten Istdrehmoment
des Verbrennungsmotors führt.
Dieses wird erfindungsgemäß durch
die Elektromaschine kompensiert, sodass das am Antriebsstrang zur
Verfügung
stehende Gesamtdrehmoment dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment
entspricht. Durch das erhöhte
Istdrehmoment des Verbrennungsmotors erhöht sich der Abgasstrom und
die darin enthaltene Energie, jedoch aufgrund der Kompensation durch die
Elektromaschine nicht das Gesamtdrehmoment. Dadurch wird das verzögerte Ansprechen
des Turbosystems des Turbomotors bei Vorgabe eines Gesamt-Solldrehmoments
kompensiert, und ein schnellerer Drehmomentaufbau des Turbomotors
ist im Anschluss an den "weichen" Drehmomentaufbau
durch die Filterung möglich.
Durch die Filterung des Gesamt-Solldrehmoments wird bei schnellen Änderungen
somit zunächst
ein Ruckeln und gleichzeitig das sogenannte Turboloch vermieden
beziehungsweise unterdrückt.
Somit weist das erfindungsgemäße Verfahren
die wesentlichen Vorteile auf, dass der Komfort für den Fahrer,
und natürlich
für eventuelle Mitfahrer,
wesentlich erhöht
wird, wobei dennoch ein schneller Drehmomentaufbau durch Vermeidung
des Turbolochs gewährleistet
wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anwendung vor oder
bei einem Lastwechsel. Insbesondere ein Lastwechsel führt zu einem
Ruckeln, also zu für
den Fahrer unangenehm auffallenden Verzögerungen beziehungsweise Beschleunigungen
des Fahrzeugs, da hierbei der Hybridantrieb und ein damit wirkverbundenes
Getriebe in ihren Lagerungen aufgrund des mit dem Lastwechsel verbundenen
Nulldurchgangs des Gesamtdrehmoments kippen. Dabei werden vorhandene
mechanische Spiele beziehungsweise Lose durchlaufen. Insbesondere
hierbei ist aus Komfortgründen
die Filterung des Gesamt-Solldrehmoments vorteilhaft, damit ein Lastwechsel "weich" erfolgt. Wobei erfindungsgemäß ein anschließender,
schneller Drehmomentaufbau des Verbrennungsmotors gewährleistet
wird.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Anwendung bei einem positiven Lastwechsel, der einen Übergang von
einem Schubbetrieb in einen Zugbetrieb betrifft. Gerade hier ist
einem Fahrer daran gelegen zum Einen einen komfortablen Übergang
zu "erfahren" und anschließend das
volle Drehmoment des Turbomotors zur Verfügung zu haben. Bei einem Lastwechsel führt die
Filterung des Gesamt-Solldrehmoments
zu einem längeren
Verweilen im Bereich des Nulldurchgangs, wodurch ein geringer Abgasstrom
mit geringer Energie im Abgas entsteht, wodurch das Ansprechen des
Turbomotors, beziehungsweise des zum Turbomotors gehörenden Turboladers,
verzögert wird,
da der Turbolader den Ladedruck nicht schnell genug aufbauen kann.
Insbesondere bei einem Lastwechsel würde also das Turboloch vergrößert werden.
Durch das vorteilhafte Verfahren wird dies jedoch, wie oben beschrieben,
kompensiert.
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Bevorzugt
wird das Gesamt-Solldrehmoment bei der Filterung tiefpassgefiltert
und/oder seine Änderungsgeschwindigkeit
begrenzt. Dazu wird ein sogenannter Führungsformer verwendet der
den Gesamt-Solldrehmomentaufbau entsprechend verzögert.
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Vorteilhafterweise
wird die Änderungsgeschwindigkeit
des gefilterten Gesamt-Solldrehmoments
während
des Lastwechsels gering und anschließend hoch vorgegeben. Dadurch
wird zunächst ein
weicher Drehmomentaufbau, insbesondere bei einem Lastwechsel, gewährleistet
und ein anschließender
schneller Drehmomentaufbau ermöglicht. Dem
Fahrer des Fahrzeugs wird somit eine hohe Dynamik ohne Ruckeln ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt die Kompensation des erhöhten
Istdrehmoments des Verbrennungsmotors vor dem Auftreten eines Turbolochs.
Erkennt also eine Steuereinheit, die zweckmäßigerweise ebenfalls die Filterung
des Gesamt-Solldrehmoments
durchführt,
dass der Fahrer ein Gesamt-Solldrehmoment vorgibt, welches zu einem
spürbaren Turboloch
führen
würde,
erhöht
sie das Istdrehmoment des Verbrennungsmotors, wie oben beschrieben.
Zeckmäßigerweise
wird bereits vor dem Lastwechsel, also vor dem Nulldurchgang, dem
Verbrennungsmotor ein erhöhtes
Solldrehmoment vorgegeben, welches zu dem erhöhten Istdrehmoment führt.
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Bevorzugt
wird der Elektromaschine zum Kompensieren des erhöhten Istdrehmoments
des als Turbomotor ausgebildeten Verbrennungsmotors ein verringertes
Solldrehmoment vorgegeben.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung wird die Elektromaschine zur Kompensation
des erhöhten Istdrehmoments
des Verbrennungsmotors generatorisch betrieben, sodass während der
Kompensation Energie durch die Elektromaschine erzeugt wird, die dem
Fahrzeug zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
werden Betriebsgrenzen des Verbrennungsmotors und/oder der Elektromaschine
berücksichtigt.
Besonders bevorzugt werden Betriebsgrenzen und/oder der Ladezustand
eines mit der Elektromaschine zusammenwirkenden Energiespeichers
berücksichtigt,
sodass dieser bei einer Kompensation des erhöhten Istdrehmoments im generatorischen
Betrieb beispielsweise nicht überladen wird.
Ist der Verbrennungsmotor beziehungsweise der Turbomotor als Dieselmotor
ausgebildet, so wird bevorzugt die Rauchgrenze mitberücksichtigt
um geringe Abgasemissionen zu erzielen. Natürlich ist es denkbar auch andere,
dem Fachmann bekannte Eigenschaften beziehungsweise Grenzen des
Turbomotors und/oder der elektrischen Maschine zu berücksichtigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden.
Dazu zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Signalflussdiagramm und
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2 die
Folge des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Drehmoment-Zeitdiagramm.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
schematisch in einem Signalflussdiagramm ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird von einem Hybridantrieb ausgegangen, bei dem das Schwungrad
eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors, der als Turbomotor
ausgebildet ist, mit einer nicht dargestellten Elektromaschine gekoppelt
ist, wobei sich die Istdrehmomente von dem Verbrennungsmotor und
der Elektromaschine zu einem Gesamtantriebsmoment addieren. Der
Verbrennungsmotor weist dabei vorteilhafterweise einen Abgasturbolader
auf.
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Im
Ausführungsbeispiel
wird das Gesamtantriebsmoment in Summe von Verbrennungsmotor und
Elektromaschine erzeugt. Im allgemeinen Fall liegt eine komplexere
Abhängigkeit
des Gesamtantriebsmoments (Gesamtistdrehmoments) von den Istdrehmomenten
der Aggregate vor, zum Beispiel bei leistungsverzweigenden Hybridantrieben.
Die Erfindung kann unter Berücksichtigung
dieser Abhängigkeiten
dort ebenfalls eingesetzt werden.
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Die 1 zeigt
dazu einen Filter 1, dem ein Gesamt-Solldrehmoment 2 zugeführt wird
und dieses tiefpassfiltert und/oder die Änderungsgeschwindigkeit des
Gesamt-Solldrehmoments 2 begrenzt. Dadurch wird ein Ruckeln
während des
Betriebs des Hybridantriebs vermieden. Das Gesamt-Solldrehmoment
wird weiterhin einem Block 3 zugeführt, in dem anhand des vom
Fahrer angeforderten Gesamt-Solldrehmoments 2 ein Strategie-Solldrehmoment 4 für die Elektromaschine
unter Energie- und Emissions-Gesichtspunkten ermittelt wird. Für den Verbrennungsmotor
ergibt sich ein Strategie-Solldrehmoment 5 dadurch, dass
von dem Gesamt-Solldrehmoment 2 in einem einen Subtrahierer
darstellenden Block 16 das Strategie-Solldrehmoment der
Elektromaschine abgezogen wird.
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Die
beiden Strategie-Solldrehmomente 4 und 5 können Sprünge bei
einem sprungförmigen Gesamt-Solldrehmoment 2 enthalten
und stellen die Solldrehmomentwerte 12 und 14 für Verbrennungsmotor
und Elektromaschine im stationären
Betrieb dar. Im instationären
Betrieb weichen die Soll-Drehmomente
für Verbrennungsmotor
und Elektromaschine von den Strategie-Solldrehmomenten 4 und 5 ab.
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Von
dem Filter 1 wird ein gefiltertes Gesamt-Solldrehmoment 6 ausgegeben,
mittels dessen in einen Block 7 ein Offsetmoment 8 aus
einer Kenlinie ermittelt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde die einfache Abhängigkeit
des Offsetmoments 8 von dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6 aufgrund
einer übersichtlichen
Darstellung gewählt.
Bei der Ermittlung des Offsetmoments 8 wird außerdem das
Strategie-Solldrehmoment 4 der Elektromaschine in einem
einen Subtrahierer darstellenden Block 9 berücksichtigt.
Aus dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6 und dem Offsetmoment 8 berechnet
sich in dem als Addierer wirkenden Block 10 ein Maximalwert 11.
Das dem Verbrennungsmotor vorgegebene Solldrehmoment 12 ergibt
sich hierbei aus einer Minimumsauswahl 13 zwischen dem
Strategie-Solldrehmoment 5 des Verbrennungsmotors und dem
Maximalwert 11. Wird in dem Block 3 bestimmt,
dass die Elektromaschine generatorisch betrieben werden soll, so
gibt der Block 3 ein negatives Strategie-Solldrehmoment 4 aus,
wodurch sich der Maximalwert 11 entsprechend erhöht. Somit
gleicht der Verbrennungsmotor durch das ihm vorgegebene Solldrehmoment 12 das
Strategie-Solldrehmoment 4 der Elektromaschine aus.
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Das
Solldrehmoment 14 für
die Elektromaschine ergibt sich aus dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6,
von dem das Solldrehmoment 12 für den Verbrennungsmotor in
dem einen Subtrahierer darstellenden Block 15 abgezogen
wird. Die Summe der Solldrehmomente 14 und 12 entspricht
somit dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6, das von dem
Filter 1 ausgegeben wird.
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Das
Solldrehmoment 12 des Verbrennungsmotors kann um das Offsetmoment 8 oberhalb
des gefilterten Gesamt-Solldrehmoments 6 verlaufen beziehungsweise
liegen. Dies wird durch die Minimumauswahl 13 gewährleistet.
Um dabei das gefilterte Gesamt-Solldrehmoment 6 dennoch
einzuhalten, muss die Elektromaschine dann den durch Vertauschen
des Vorzeichens negierten Wert des Offsetmoments 8 erzeugen.
Daher ist es sinnvoll das Offsetmoment 8 von Momentengrenzen
der Elektromaschine abhängig
zu machen, die wiederum vom Zustand eines oder mehrerer elektrischer
Energiespeicher abhängig
sein können.
Zudem kann es sinnvoll sein, den Gradienten (die Änderungsgeschwindigkeit)
des Offsetmoments 8 beziehungsweise den Gradienten des
Solldrehmoments 12 für
den Verbrennungsmotor und damit den Drehmomentgradienten der Elektromaschine
zu limitieren. Aus Lebensdauergründen können so
die Stromanstiegsgeschwindigkeiten an den elektrischen Energiespeichern
beziehungsweise einer Leistungselektronik limitiert werden. Außerdem ist
es vorteilhaft, wenn bei der Bildung des Offsetmoments 8 die
aktuelle Drehmomentgrenze des Verbrennungsmotors beziehungsweise
Turbomotors, wie zum Beispiel die Rauchgrenze beim Dieselmotor, und/oder
eine andere Motorschutzgrenze berücksichtigt wird, die vom aktuellen
Ladedruck, der aktuellen Motordrehzahl, der Motortemperatur und/oder ähnlichen
Parametern abhängt.
Das Verhalten beziehungsweise Ansprechen des Turboladers beziehungsweise
des Turbosystems des Verbrennungsmotors/des Turbomotors variiert
mit der Motordrehzahl, weswegen das Offsetmoment 8 vorteilhafterweise
zusätzlich
von der Motordrehzahl des Turbomotors abhängig ist.
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Die 2 zeigt
in einem Diagramm Simulationsergebnisse für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In dem Diagramm sind dafür
das Gesamt-Solldrehmoment 2, das gefilterte Gesamt-Solldrehmoment 6, das
Solldrehmoment 12 für
den Verbrennungsmotor und das Solldrehmoment 14 für die Elektromaschine (in
Nm) über
die Zeit (in Sekunden) aufgetragen. Ausgegangen wird dabei von einem
Sprung in dem ungefilterten Gesamt-Solldrehmoment 2, welches von
einem Fahrer vorgegeben wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
springt das Gesamt-Solldrehmoment 2 von –50 Nm auf
100 Nm. Dazu ist in dem Diagramm auf der Abszisse die Zeit in Sekunden
auf der Ordinate das Drehmoment in Nm aufgetragen. Der Sprung des
Gesamt-Solldrehmoments 2 von –50 Nm auf 100 Nm ist dabei
deutlich zu erkennen. Um die Darstellung in der 2 übersichtlich
zu halten, ändert
sich der Strategie-Solldrehmoment 4 für die Elektromaschine aufgrund
des Sprungs vom ungefilterten Gesamt-Solldrehmoment 2 nicht.
Für die
vorliegenden Simulationsergebnisse gilt, dass das Strategie-Solldrehmoment 4 der
Elektromaschine gleich null ist. Das Strategie-Solldrehmoment 5 für einen
Verbrennungsmotor beziehungsweise Turbomotor entspricht dann dem
ungefilterten Gesamt-Solldrehmoment 2, springt also ebenfalls von –50 Nm auf
100 Nm. Die in dem Block 7 hinterlegte Kennlinie, mittels
derer das Offsetmoment 8 aus dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6 ermittelt
wird, ist hier derart bedatet, dass bei gefilterten Gesamt-Solldrehmomenten 6 die
kleiner als –50
Nm oder größer als
+50 Nm sind, das Offsetmoment 8 gleich null ist. Dazwischen
nimmt das Offsetmoment 8 Werte von maximal 40 Nm an. Aufgrund
des Filters 1 wird das Gesamt-Solldrehmoment 2 tiefpassgefiltert
und zusätzlich
wird der erlaubte Gradient (erste Ableitung) des gefilterten Gesamt-Solldrehmoments 6 begrenzt,
wobei im Bereich des Nulldurchganges des gefilterten Gesamt-Solldrehmoments 6 nur
betragsmäßig kleine
Gradienten zugelassen werden und im Bereich oberhalb beziehungsweise
unterhalb des Nulldurchgangs betragsmäßig größere Gradienten. Dies führt zu einem
weichen Übergang,
zum Beispiel vom Schub- in den Zugbetrieb. Das so vorteilhaft gefilterte
Gesamt-Solldrehmoment 6 steigt zunächst stark an, wird im Bereich
des Nulldurchganges flacher, nach dem Nulldurchgang wieder steiler und
verläuft
dann tiefpassgefiltert auf das Gesamt-Solldrehmoment 2 zu.
Durch das Filtern des Gesamt-Solldrehmoments 2 wird der
Komfort für
den Fahrer erhöht,
da der Nulldurchgang welch erfolgt, wodurch ein Kippen des Hybridantriebs
und des Getriebes in ihren Lagerungen weich erfolgt und damit ein
spürbares
Ruckeln verhindert wird.
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Bei
dem als Turbomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor entstehen hierbei
Probleme. Aufgrund des langen Verweilens im Bereich des Nulldurchgangs, verbunden
mit einem geringen Abgasstrom des Verbrennungsmotors und geringer
Energie in dem Abgas, sowie des verzögerten Ansprechens des Turboladers
des Verbrennungsmotors/Turbomotors, kann der Ladedruck für den Verbrennungsmotor nicht
schnell genug aufgebaut werden. Dies hat zur Folge, dass ein schneller
Istdrehmomentaufbau des Verbrennungsmotors nach dem Nulldurchgang
limitiert ist. Wird das in der 1 beschriebene
Verfahren angewendet, und ein Offsetmoment 8 entsprechend
gewählt,
so steigt das Solldrehmoment 12 für den Verbrennungsmotor gegenüber dem
gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6 stärker an. Im Bereich des Nulldurchgangs
des gefilterten Gesamt-Solldrehmoments 6 nimmt das Solldrehmoment 12 des
Verbrennungsmotors bereits vor dem Nulldurchgang Werte von circa
40 Nm an, was einen erhöhten
Abgasstrom und eine erhöhte
Energie in dem Abgas zur Folge hat. Das resultierende Istdrehmoment
des Verbrennungsmotors wird durch einen Unterschwinger im Solldrehmoment 14 für die Elektromaschine
kompensiert, sodass das Gesamtdrehmoment (Gesamtistdrehmoment) des
Hybridantriebs dem gefilterten Gesamt-Solldrehmoment 6 entspricht.
Durch das erhöhte
Istdrehmoment des Verbrennungsmotors wird während oder auch bereits vor
dem Nulldurchgang aufgrund des erhöhten Abgasstroms und der im
Abgas enthaltenen Energie der Turbolader derart betrieben, dass
bereits ein Ladedruck aufgebaut wird, welcher nach Durchlaufen des
Nulldurchgangs zur Verfügung
steht, sodass anschließend
ein schneller Drehmoment-Aufbau des Verbrennungsmotors beziehungsweise
Gesamtdrehmoment-Aufbau des Hybridantriebs erfolgen kann. Daneben
kann aufgrund des erhöhten
Ladedrucks ein größerer Abstand
zwischen dem Istdrehmoment des Verbrennungsmotors und einer Rauchgrenze
eingehalten werden, was Abgasemissionen reduziert.
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Durch
das vorteilhafte Verfahren wird die Dynamik des Hybridantriebs erhöht und gleichzeitig
ein Ruckeln bei einem Lastwechsel, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bei einem Nulldurchgang beziehungsweise einem Lastwechsel vom Zug-
in den Schubbetrieb, verhindert. Um die Darstellung in der 2 übersichtlich
zu halten, wurde auf eine Momentenunterstützung durch die Elektromaschine, also
durch ein zusätzliches
positives Drehmoment der Elektromaschine, nach dem Nulldurchgang
verzichtet. Dieses ist jedoch selbstverständlich möglich und lässt sich vorteilhaft mit der
dargestellten Erfindung kombinieren und ermöglicht eine hohe Drehmomentdynamik
des Hybridantriebs.