DE102007022530B4 - Verfahren zum Betrieb eines Parallelhybridantriebs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Parallelhybridantriebs, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die jeweils für sich oder auch in Kombination miteinander als Antriebsmotor für insbesondere ein Kraftfahrzeug nutzbar sind und wobei zwischen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine eine Impulsstartkupplung angeordnet ist, wobei ausgehend von der Ruhestellung mit still stehender Brennkraftmaschine (1) und geöffneter Impulsstartkupplung (4) in der Startphase des Parallelhybridantriebs zunächst die Elektromaschine (2) auf eine sehr geringe Drehzahl (n), welche temperaturabhängig in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 400 1/min liegt, gebracht wird, dass danach die Impulsstartkupplung (4) geschlossen wird und dass nachfolgend die Brennkraftmaschine (1) durch die Elektromaschine (2) auf höhere Drehzahlen geschleppt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2) und die Brennkraftmaschine (1) bis zur Leerlaufdrehzahl (nL) der Brennkraftmaschine (1) gemeinsam hochgefahren werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Parallelhybridantriebs, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die jeweils für sich oder auch in Kombination miteinander als Antriebsmotor für insbesondere ein Kraftfahrzeug nutzbar sind und wobei zwischen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine eine Impulsstartkupplung angeordnet ist.
  • Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb weisen zwei miteinander kombinierte Antriebseinheiten mit unterschiedlichem Wirkprinzip auf. Hierbei bieten parallele Hybridkonzepte die Möglichkeit, in unterschiedlichen Betriebszuständen eines Kraftfahrzeuges jeweils die Antriebseinheit zu verwenden, die im relevanten Drehzahl-Last-Bereich einen besseren Wirkungsgrad aufweist. Besonders vorteilhaft ergänzen sich die Eigenschaften einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine. Deshalb werden Kraftfahrzeuge mit Parallelhybridantrieb überwiegend mit einer derartigen Antriebskombination ausgestattet. Die Nutzung der Elektromaschine kann auf Bereiche mit geringen Lastanforderungen beschränkt werden, in denen die Brennkraftmaschine lediglich geringe Wirkungsgrade aufweist. Hingegen werden höhere Lastanforderungen genutzt, um mittels der Brennkraftmaschine mit einem dann relativ guten Wirkungsgrad die elektrischen Energiespeicher durch zusätzlichen Generatorbetrieb der Elektromaschine wieder zu laden. Weiterhin kann eine Leistungsabgabe von Brennkraftmaschine und Elektromaschine auch gleichzeitig erfolgen, um beispielsweise das maximale Drehmoment zu steigern.
  • In DE 100 15 912 A 1 wird ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb beschrieben, bei dem zwischen der Brennkraftmaschine und einem Getriebe eine Kupplung angeordnet ist. Die Kupplung ist als elektrische Maschine ausgestaltet und kann neben ihrer Kupplungsfunktion auch als Starter für die Brennkraftmaschine, als Generator für das Bordnetz oder als elektrischer Antrieb für das Fahrzeug genutzt werden, wobei eine solche Kupplung bei einer Nutzung als Starter auch als Impulsstartkupplung bezeichnet wird.
  • Aus DE 103 36 999 A 1 ist ein Verfahren zum Steuern der Kupplungsfunktion bei einem Kraftfahrzeug mit Parallelhybridantrieb bekannt. In Abhängigkeit der jeweils aktuellen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine und einer als Impulsstartkupplung oder Elektromotor betriebenen Elektromaschine wird der Antriebsstrang mittels der Kupplung alternativ mit einer der zwei Komponenten oder gleichzeitig mit beiden Komponenten des Hybridantriebs verbunden.
  • DE 197 05 865 C 2 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Motoranlage, die als ein Parallelhybridantrieb mit Brennkraftmaschine und Elektromaschine insbesondere für Kraftfahrzeuge ausgestaltet ist. Während des Startvorgangs wird die Brennkraftmaschine unter Nutzung von Energie aus einem Energiespeicher des Hybridantriebs zunächst auf eine vorbestimmte und erhöhte Anschleppdrehzahl angeschleppt, die mindestens der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine entspricht. Erst danach wird die Kraftstoffeinspritzung um eine vorgegebene Einspritz-Verzögerungszeit von mindestens einer Sekunde nach dem Aktivierungszeitpunkt der Zündung aktiviert. Durch diese Verfahrensweise soll bereits in der Startphase ein Motorbetrieb mit geringer Schadstoffemission erreicht werden.
  • In DE 44 22 636 A 1 wird ein Verfahren zur automatischen Steuerung einer Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit Parallelhybridantrieb beschrieben. Hierbei sollen geringe Abgasemissionen erreicht werden, indem die Brennkraftmaschine lediglich in Betriebspunkten betrieben wird, in denen die Leistungsanforderung höher ist als die von einer Elektromaschine bzw. einem elektrischen Energiespeicher momentan lieferbare Leistung. Sofern ein Start der Brennkraftmaschine notwendig ist, wird diese mit einem separaten Anlasser oder mit dem im Motorbetrieb betriebenen Generator auf eine Anlassdrehzahl unterhalb der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine beschleunigt.
  • Aus WO 99 / 50 084 A 1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, das einen Parallelhybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine und wenigstens einer Elektromaschine aufweist, die jeweils für sich oder auch in Kombination miteinander als Antriebsmotor für das Fahrzeug nutzbar sind. Dabei wird das Fahrzeug zunächst allein durch die Elektromaschine beschleunigt. Um ruckartige Bewegungen durch das Kuppeln beim späteren Zuschalten der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist eine Synchronisation zwischen dieser und dem Antrieb vorgesehen, die alternativ in zwei Varianten realisiert wird. Entweder wird die Brennkraftmaschine bereits am Beginn der Anfahrphase vom elektrischen Antrieb mitgeschleppt oder die Brennkraftmaschine wird im entkoppelten Zustand gestartet und auf eine synchrone Drehzahl mit der zu koppelnden Antriebswelle gebracht, bevor sie an den Antrieb gekoppelt wird.
  • Aus dem Dokument DE 199 01 470 B4 ist ein Verfahren bekannt, welches in einem Hybridfahrzeug während des Fahrbetriebes das Ankoppeln des Verbrennungsmotors an eine elektrische Antriebsmaschine sowie starten des Verbrennungsmotors vorsieht.
  • Aus dem Dokument DE 197 05 865 C2 ist weiterhin ein Startverfahren für einen Verbrennungsmotor mit erhöhter Startdrehzahl bekannt, in welchem die Einspritzung um eine gewisse Zeit nach dem Aktivierungszeitpunkt der Zündung verzögert wird.
  • Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung derartiger Parallelhybridantriebe hat sich die Anordnung einer Impulsstartkupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine grundsätzlich bewährt. Dabei wird die Elektromaschine zum Start der Brennkraftmaschine üblicherweise auf eine Drehzahl gebracht, die in der Nähe oder höher liegt als die Zieldrehzahl, mit der die Brennkraftmaschine nachfolgend betrieben werden soll. Sofern die Brennkraftmaschine aus dem Fahrzeugstillstand heraus gestartet wird, ist dies eine Drehzahl im Bereich der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine beim Kaltstart, wobei der Start der Brennkraftmaschine durch das Schließen der Impulsstartkupplung initiiert wird. Aufgrund der Tatsache, dass die Impulsstartkupplung sehr hohe Drehmomente oberhalb der Wechselmomente der Brennkraftmaschine (>1.000 Nm) übertragen können muss, ist eine Regelung des Startvorganges durch die Kupplung jedoch nicht darstellbar. Deshalb treten beim Start der Brennkraftmaschine hohe Winkelbeschleunigungen auf, die in problematischen Betriebspunkten (zum Beispiel bei kalter Brennkraftmaschine) schädigungsrelevant sind. Weiterhin erfordern derartige Antriebskonfigurationen eine konstruktive Auslegung der Elektromaschine, mit der ein Direktstart der Brennkraftmaschine bei geschlossener Impulsstartkupplung insbesondere bei niedrigen Temperaturen aufgrund der hohen Losbrechmomente nicht möglich ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Parallelhybridantriebs zu schaffen, mit dem eine Begrenzung der Winkelbeschleunigung der Brennkraftmaschine beim Start in problematischen Betriebspunkten erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst, indem ausgehend von der Ruhestellung mit still stehender Brennkraftmaschine und geöffneter Impulsstartkupplung in der Startphase des Parallelhybridantriebs zunächst die Elektromaschine auf eine sehr geringe Drehzahl gebracht wird. Diese Drehzahl ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine und liegt temperaturabhängig in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 400 1/min. Danach wird die Impulsstartkupplung geschlossen, wodurch ein Losreisen und erstes Anschleppen der Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine bewirkt wird. Nachfolgend wird die Brennkraftmaschine bei weiterhin geschlossener Impulsstartkupplung durch die Elektromaschine regelbar auf höhere Drehzahlen geschleppt. Dabei werden die Elektromaschine und die Brennkraftmaschine vorzugsweise bis zur Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine, die typischerweise in einem Bereich von etwa 700 bis etwa 800 1/min liegt, gemeinsam hochgefahren, so dass letztlich ein impulsunterstützter Direktstart der Brennkraftmaschine möglich wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise eine Begrenzung der Winkelbeschleunigung der Brennkraftmaschine beim Start in problematischen Betriebspunkten (z.B. bei kalter Brennkraftmaschine) erreicht, so dass die auftretenden Winkelbeschleunigungen unterhalb eines kritischen Wertes bleiben. Folglich wird die Belastung der gesamten Brennkraftmaschine reduziert. Weiterhin ist ein Direktstart der Brennkraftmaschine lediglich über die Elektromaschine möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb verschiedenartiger Parallelhybridantriebe geeignet, die eine Brennkraftmaschine, eine Elektromaschine und eine diesen Baugruppen zugeordnete Impulsstartkupplung aufweisen. Eine bevorzugte Anwendung betrifft einen diesbezüglichen Antrieb für Kraftfahrzeuge.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
    • 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Parallelhybridantriebs
    • 2 den Verlauf der Drehzahlen von Elektromaschine und Brennkraftmaschine über der Zeit bei Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens
  • In 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines Parallelhybridantriebs dargestellt. Hierbei sind in einem Antriebsstrang - beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug - eine Brennkraftmaschine 1, eine Elektromaschine 2 und ein Getriebe 3 angeordnet. Als weitere Baugruppe ist zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Elektromaschine 2 eine Impulsstartkupplung 4 angeordnet. Brennkraftmaschine 1 und Elektromaschine 2 können jeweils für sich oder auch in Kombination miteinander betrieben werden. Ein solcher Aufbau ist an sich bekannt, so dass auf nähere diesbezügliche Darlegungen verzichtet werden kann.
  • Wesentlich im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch der verfahrenstechnische Ablauf zum Betrieb eines derartigen Parallelhybridantriebs, der nachfolgend unter Hinweis auf Fig. 2 näher erläutert wird.
  • Hierbei wird ausgehend von der Ruhestellung mit still stehender Brennkraftmaschine 1 und geöffneter Impulsstartkupplung 4 in der Startphase des Parallelhybridantriebs zunächst die Elektromaschine 2 auf eine sehr geringe Drehzahl „n1“ gebracht. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass die Drehzahl „n1“ wesentlich kleiner ist als die Leerlaufdrehzahl „nL“ der Brennkraftmaschine 1. Vorzugsweise liegt die Drehzahl „n1“ temperaturabhängig in einem Bereich von etwa 100 bis etwas 400 1/min. Je niedriger die Temperatur ist, desto höher wird im Rahmen der gesetzten Grenzen die Drehzahl „n1“ eingestellt.
  • Nachdem die Elektromaschine 2 die Drehzahl „n1“ erreicht hat, wird die Impulsstartkupplung 4 geschlossen. Demzufolge wird eine Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Elektromaschine 2 erreicht, so dass nachfolgend die Brennkraftmaschine 1 durch die Elektromaschine 2 auf höhere Drehzahlen geschleppt werden kann. Dieser Betriebsbereich entspricht in 2 dem schrägen Anstieg der Drehzahllinien, wobei der Drehzahlverlauf der Brennkraftmaschine 1 mit einer punktierten Linie und der Drehzahlverlauf der Elektromaschine 2 mit einer gestrichelten Linie stilisiert ist. Vorzugsweise werden die Elektromaschine 2 und die Brennkraftmaschine 1, die typischerweise in einem Bereich von etwa 700 bis etwa 800 1/min liegt, gemeinsam bis zur Leerlaufdrehzahl „nL“ der Brennkraftmaschine 1 hochgefahren.
  • Das erfindungsgemäße Startverfahren bewirkt somit, dass die Impulsstartkupplung 4 bei einer sehr kleinen Drehzahl „n1“ der Elektromaschine 2 deutlich unterhalb der Leerlaufdrehzahl „nL“ der Brennkraftmaschine 1 geschlossen wird. Folglich wird die Brennkraftmaschine 1 zunächst lediglich losgerissen. Der weitere Startverlauf erfolgt als ein über die Elektromaschine 2 regelbarer Direktstart bei geschlossener Impulsstartkupplung 4 mit begrenzten Winkelbeschleunigungen.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Parallelhybridantriebs, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, die jeweils für sich oder auch in Kombination miteinander als Antriebsmotor für insbesondere ein Kraftfahrzeug nutzbar sind und wobei zwischen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine eine Impulsstartkupplung angeordnet ist, wobei ausgehend von der Ruhestellung mit still stehender Brennkraftmaschine (1) und geöffneter Impulsstartkupplung (4) in der Startphase des Parallelhybridantriebs zunächst die Elektromaschine (2) auf eine sehr geringe Drehzahl (n1), welche temperaturabhängig in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 400 1/min liegt, gebracht wird, dass danach die Impulsstartkupplung (4) geschlossen wird und dass nachfolgend die Brennkraftmaschine (1) durch die Elektromaschine (2) auf höhere Drehzahlen geschleppt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2) und die Brennkraftmaschine (1) bis zur Leerlaufdrehzahl (nL) der Brennkraftmaschine (1) gemeinsam hochgefahren werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl (n1) in einem Bereich von etwa 700 bis etwa 800 1/min liegt.
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