DE102007034567A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb sowie Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Antriebssystems - Google Patents

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb sowie Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Antriebssystems Download PDF

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Joachim Froeschl
Markus Kaindl
Wolfgang Biberger
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb. Das Antriebssystem umfasst eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine, eine Getriebeeinrichtung sowie eine zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der Getriebeeingangswelle der Getriebeeinrichtung angeordnete Kupplungseinrichtung. Erfindungsgemäß weist die Kupplungseinrichtung an den Rotor der elektrischen Maschine angebundene Kupplungsmittel auf, über die der Rotor wahlweise mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder mit der Getriebeeingangswelle der Getriebeeinrichtung verbindbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Antriebssystems.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit einem Antriebssystem mit Hybridantrieb, bei denen das für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Antriebsmoment zumindest zeitweise durch eine Brennkraftmaschine und durch eine elektrische Maschine gemeinsam bereitgestellt wird, und bei denen der Antrieb der Brennkraftmaschine während des Startvorgangs nicht durch einen separaten Startermotor sondern durch die elektrische Antriebsmaschine (so genannte Kurbelwellen-Starter-Generator- bzw. KSG-Systeme) erfolgt, ist das Starten der Brennkraftmaschine technisch sehr aufwändig und zumeist nur eingeschränkt zu gewährleisten. Aus diesem Grund wird häufig ein zusätzlicher Anlassermotor verbaut, um auch bei niedrigen Temperaturen (z. B. –25°C) einen sicheren Startvorgang der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Von Nachteil sind bei derartigen Systemen insbesondere das zusätzliche Gewicht, der zusätzlich benötigte Bauraum sowie die zusätzliche Belastung des elektrischen Bordnetzes.
  • Aus der DE 10 2005 024 359 A1 ist eine gattungsgemäße Hybridantriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der zusätzlich eine zweite elektrische Maschine als Startervorrichtung für die Brennkraftmaschine vorhanden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Antriebssystem mit technisch reduziertem Aufwand bereitzustellen. Insbesondere soll das Gewicht des erfindungsgemäßen Antriebssystems im Vergleich zu herkömmlichen Systemen reduziert und der erforderliche Bauraum verkleinert werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die (insbesondere als koaxial zur Antriebsstrang-Achse angeordneten Kurbelwellen-Starter-Generator ausgebildete) elektrische Maschine des Antriebssystems mit einer zweiseitig wirkenden Kupplung zu verbinden, wobei je nach Betriebszustand des Antriebssystems die elektrische Maschine an den Getriebeeingang (Getriebeeingangswelle) oder an den Brennkraftmaschinenausgang (Kurbelwelle) oder an beide (d. h. sowohl an den Getriebeeingang als auch an den Brennkraftmaschinenausgang) kraftschlüssig gekuppelt bzw. gekoppelt wird. Dabei kann in einer ersten Ausführungsform der Rotor der elektrischen Maschine wahlweise (in Abhängigkeit von dem jeweils vorliegenden Betriebszustand des Systems) entweder an die Getriebeeingangswelle der Getriebeeinrichtung oder an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt werden. In einer zweiten Ausführungsform bzw. einer Weiterbildung kann zusätzlich auch die Kopplung des Rotors an beide Wellen (Getriebeeingangswelle und Kurbelwelle) vorgesehen sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung von Brennkraftmaschine, elektrischer Maschine, Kupplungseinrichtung und Getriebeeinrichtung die mit Vorteil derart ausgebildet ist, das ein Motor-Start-Stopp-Betrieb umsetzbar ist. Bei einem derartigen Motor-Start-Stopp-Betrieb wird die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von vorbestimmten (Betriebs-) Bedingungen (z. B. keine Gangstufe eingelegt, Bremspedal betätigt und Fahrzeuggeschwindigkeit = 0) z. B. durch Abschaltung der Kraftstoffzufuhr deaktiviert und bei Vorliegen weiterer vorbestimmter (Betriebs-)Bedingungen (z. B. Kupplung betätigt und Bremspedal betätigt), ausgehend von dem vorliegenden (Auto-)Stopp-Zustand, die Brennkraftmaschine automatisch z. B. durch Zuschaltung der Kraftstoffzufuhr wieder aktiviert.
  • Mit Vorteil ist das Antriebssystem derart ausgebildet, dass bei jedem Motorstart, insbesondere bei jedem automatischen Motorstart im Start-Stopp-Betriebsmodus, der Anfahrvorgang mit deaktivierter Brennkraftmaschine ausschließlich über die elektrische Maschine erfolgt und erst bei Vorliegen zumindest einer vorbestimmten Betriebsbedingung (z. B. Erreichen einer vorbestimmten Grenzgeschwindigkeit oder Zieldrehzahl, Schaltvorgang in eine höhere Gangstufe, Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer oder dergleichen) der Start der Brennkraftmaschine eingeleitet wird. Dabei ist die elektrische Maschine während des elektrischen Anfahrvorgangs über die Kupplungseinrichtung mit Vorteil ausschließlich mit der Getriebeeingangswelle wirkverbunden bzw. kraftschlüssig gekoppelt. Erst bei Vorliegen der vorbestimmten Betriebsbedingung(en) zur Einleitung des Starts der Brennkraftmaschine wird der Rotor der elektrischen Maschine über die Kupplungseinrichtung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Als diesbezüglich vorbestimmte Betriebsbedingungen werden insbesondere herangezogen: der Ablauf einer Grenz-Zeitdauer, das Erreichen einer Zieldrehzahl, das Vorliegen eines Ladezustands der die elektrische Maschine versorgenden Energiespeichereinheit. Der Antrieb der Brennkraftmaschine während des Startvorgangs kann erfolgen, indem über die Kupplungseinrichtung die vorliegende kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Getriebeeingangswelle gelöst und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufgebaut wird und ggf. erst zu einem späteren Zeitpunkt, nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine, die Kopplung zwischen Rotor und Getriebeeingangswelle (und damit die Kopplung zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle) zusätzlich aufgebaut wird. Alternativ kann zum Antrieb der Brennkraftmaschine während des Startvorgangs derselben aber auch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Getriebeeingangswelle aufrechterhalten bleiben, während der Rotor und damit gleichzeitig die Getriebeeingangswelle mit der Kurbelwelle gekoppelt wird. In beiden Fällen kann die Energie der rotierenden Schwungmasse der elektrischen Maschine aus dem Anfahrvorgang für den Start der Brennkraftmaschine genutzt werden. Weiterhin kann im Anschluss an den Startvorgang der Brennkraftmaschine – etwa bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine während des Schaltvorgangs in eine nächst höhere Gangstufe – mit Hilfe einer Drehzahlregelung der elektrischen Maschine die Drehzahl von Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeglichen werden. Mit Vorteil wird zur Drehzahlanpassung die Drehzahl der Kurbelwelle beim Startvorgang auf die vorhandene Ist-Drehzahl der Getriebeeingangswelle eingeregelt. Abhängig von der Dimensionierung der elektrischen Maschine und des die elektrische Maschine versorgenden Energiespeichers sowie abhängig von dessen Ladezustand ist die zulässige Zeitdauer für die ein rein elektrisches Anfahren (ohne Starten der Brennkraftmaschine) zugelassen wird unterschiedlich vorbestimmt. Für den Fall, dass der Energiespeicher im Wesentlichen auf der Basis kapazitiver Energiespeicher (wie Supercaps/Doppelschichtkondensatoren oder dergleichen) aufgebaut ist, können nur vergleichsweise kurze Zeitdauern zugelassen werden, bis ein Start der Brennkraftmaschine (unter Ausnutzung der vorhandenen Schwungenergie des rotierenden Rotors) eingeleitet wird.
  • In einer anderen Ausführungsform kann für den Start der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine im Leerlauf betrieben werden (also weder mit der Getriebeeingangswelle noch mit der Kurbelwelle kraftschlüssig verbunden sein) und bei Vorliegen einer vorbestimmten Betriebsbedingung (z. B. Vorliegen einer Grenzdrehzahl, Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer oder dergleichen) über die Steuerung der Kupplungseinrichtung die kraftschlüssige Kopplung zwischen Rotor und Kurbelwelle herbeigeführt werden.
  • Alternativ kann der Start der Brennkraftmaschine (Startvorgang) auch durchgeführt werden während des elektrischen Kraftfahrzeugbetriebs bei eingelegter Gangstufe.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1: den Aufbau eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung, und
  • 2: das Antriebssystem gemäß 1 mit einer möglichen Ausführungsform einer zweiseitig wirkenden Kupplungseinrichtung.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebssystems umfassend eine Brennkraftmaschine 2, eine elektrische Maschine 4, eine Getriebeeinrichtung 6 sowie eine zwischen der Kurbelwelle KW der Brennkraftmaschine 2 und der Eingangswelle EW der Getriebeeinrichtung 6 angeordnete Kupplungseinrichtung 8. Über die Kupplungseinrichtung 8 ist zum einen eine kraftschlüssige Verbindung (sowie eine entsprechende Trennung) zwischen Brennkraftmaschine 2 und elektrischer Maschine 4 in Sinne einer herkömmlichen Trennkupplung realisierbar. Darüber hinaus ist die Kupplungseinrichtung 8 derart ausgebildet, dass über diese ebenfalls eine kraftschlüssige Verbindung (sowie eine entsprechende Trennung)
    • – zwischen dem Rotor R der elektrischen Maschine 4 und der Kurbelwelle KW der Brennkraftmaschine 2
    • – oder zwischen dem Rotor R der elektrischen Maschine 4 und der Getriebeeingangswelle EW der Getriebeeinrichtung 6
    • – oder zwischen der Kurbelwelle KW und der Getriebeeingangswelle EW und dem Rotor der elektrischen Maschine 4
    realisierbar ist. Die Steuerung und/oder Regelung des Antriebssystems erfolgt über eine übergeordnete Steuereinrichtung 10. Gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst die Steuereinrichtung 10 einen Steuerungsteil SBKM zur Steuerung der Brennkraftmaschine 2, einen Steuerungsteil SEM zur Steuerung der elektrischen Maschine 4, einen Steuerungsteil SKupplung zur Steuerung der Kupplungseinrichtung 8 sowie einen Steuerungsteil SGetriebe zur Steuerung der Getriebeeinrichtung 6. Ferner ist ein Kupplungspedal KP schematisch angedeutet, über welches die Kupplungseinrichtung 8 auch manuell zur Durchführung manueller Schaltvorgänge betätigt werden kann. Der Steuerungsteil SKupplung zur Steuerung der Kupplungseinrichtung 8 kann derart ausgebildet sein, dass über diese sowohl automatische Kupplungsvorgänge zur Ansteuerung der ersten und zweiten Kupplungsmittel K1, K2 als auch die kraftschlüssige Kopplung bzw. Entkopplung des Rotors R (bzw. des mit diesem verbundenen dritten Kupplungsmittels K3) mit bzw. von Kupplungsmitteln K1 und/oder K2 realisiert werden kann. Darüber hinaus ist vorgesehen, über die elektrische Maschine 4 zusätzlich Nebenaggregate N anzutreiben. Diese können unmittelbar (z. B. über einen Riementrieb, eine Getriebestufe) an die elektrische Maschine 4 angebunden sein oder über weitere nicht dargestellte schaltbare Kupplungsmittel. Im Schubbetrieb des Fahrzeugs, in welchem bevorzugt ein Rekuperationsmodus (in dem die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, um vorhandene Energiespeicher aufzuladen und/oder um zusätzlich das Bordnetz mit Energie zu versorgen) gefahren wird, kann so z. B. ein an die elektrische Maschine 4 angebundenes Nebenaggregat wie der Klimakompressor über die kraftschlüssig verbundenen Kupplungsmittel K1 und K3 an die rotierende Getriebeeingangswelle gekoppelt und auf diese Weise angetrieben werden.
  • Gemäß 2 umfasst die Kupplungseinrichtung 8 erste, an die Kurbelwelle KW der Brennkraftmaschine 2 angebundene Kupplungsmittel K1 und zweite, an die Getriebeeingangswelle EW angebundene Kupplungsmittel K2. Die beiden Kupplungsmittel K1 und K2 wirken im Sinne einer herkömmlichen Trennkupplung zur Trennung bzw. zur kraftschlüssigen Kopplung zwischen der Kurbelwelle KW und der Getriebeeingangswelle EW zusammen. Dabei kann das erste Kupplungsmittel K1 in Form einer ersten Trennkupplungsscheibe axial verschiebbar (z. B. über einen Kupplungs-Hydraulikzylinder HZ1 betätigbar) auf der Kurbelwelle KW angeordnet sein, während das zweite Kupplungsmittel K2 in Form einer mit der ersten Kupplungsscheibe zusammenwirkenden weiteren Kupplungsscheibe fest (oder verschiebbar) auf der Getriebeeingangswelle EW angeordnet ist. Alternativ kann auch umgekehrt die zweite Kupplungsscheibe axial verschiebbar auf der Getriebeeingangswelle EW und die erste Kupplungsscheibe fest (oder verschiebbar) auf der Getriebeeingangswelle EW angeordnet werden (nicht dargestellt). Die elektrische Maschine 4 ist koaxial zu der durch die Kurbelwelle KW und die Getriebeeingangswelle EW gebildete Antriebsstrang-Achse angeordnet, wobei der Rotor R der elektrischen Maschine 4 über die Kupplungseinrichtung 8 mit dem Ausgang der Brennkraftmaschine 2 und/oder dem Eingang der Getriebeeinrichtung 6 koppelbar ist. Hierfür weist die Kupplungseinrichtung 8 dritte, an den Rotor R der elektrischen Maschine 4 angebundene Kupplungsmittel K3 auf, die wahlweise mit den ersten Kupplungsmitteln K1 oder mit den zweiten Kupplungsmitteln K2 kraftschlüssig verbindbar sind oder die wahlweise mit den ersten Kupplungsmitteln K1 oder mit den zweiten Kupplungsmitteln K2 oder den ersten und den zweiten Kupplungsmitteln K1; K2 kraftschlüssig verbindbar sind. Zusätzlich kann jeweils eine Leerlaufposition des dritten Kupplungsmittels K3 vorgesehen sein, in der das dritte Kupplungsmittel K3 mit keinem der beiden Kupplungsmittel K1; K2 kraftschlüssig verbunden ist und der Rotor R frei rotieren kann.
  • Die dritten Kupplungsmittel K3 sind vorliegend als Ringscheibe mit Befestigungsfortsatz (und im Längsschnitt gesehen L-förmig) ausgebildet, wobei die Ringscheibe zumindest bereichsweise in den Zwischenbereich der beiden gegenüberliegend angeordneten Kupplungsscheiben der Kupplungsmittel K1 und K2 hineinragt und über den Befestigungsfortsatz am Rotor R der elektrischen Maschine 4, in Richtung der Rotorachse R axial verschiebbar angeordnet, befestigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Kupplungsmittel K3 über einen Hydraulikzylinder HZ2 verschoben, der über die Kupplungssteuerung SKupplung angesteuert wird. Des Weiteren sind Rückstellmittel R (in Form einer Rückstellfeder oder dergleichen) vorgesehen, die auf die dritten Kupplungsmittel K3 wirken derart, dass die Kupplungsmittel K3 im Falle eines außer Betrieb befindlichen Hydraulikzylinders HZ2 in eine definierte Notlaufposition bewegt werden. Als Notlaufposition ist vorzugsweise eine Position definiert, in der eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Rotor R und Kurbelwelle KW vorhanden ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Ausführungsformen mit einer Kupplungseinrichtung gemäß 2 beschränkt. So können beispielsweise die dritten Kupplungsmittel K3 zur An- bzw. Entkopplung des Rotors R in bzw. von der Antriebsstrang-Achse auch andersartig ausgeführt und senkrecht zur Rotorachse verschiebbar am Rotor R angeordnet sein, um diesen mit der Antriebsstrangachse koppeln bzw. diesen von der Antriebsstrang-Achse entkoppeln zu können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005024359 A1 [0003]

Claims (12)

  1. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend: – eine Brennkraftmaschine (2), – eine elektrische Maschine (4), – eine Getriebeeinrichtung (6), sowie – eine zwischen der Kurbelwelle (KW) der Brennkraftmaschine (2) und der Getriebeeingangswelle (EW) der Getriebeeinrichtung (6) angeordnete Kupplungseinrichtung (8), mit ersten, an die Kurbelwelle (KW) der Brennkraftmaschine (2) angebundenen Kupplungsmitteln (K1) und mit zweiten, an die Getriebeeingangswelle (EW) angebundenen Kupplungsmitteln (K2), die mit den ersten Kupplungsmitteln (K1) zur Trennung oder zur kraftschlüssigen Kopplung zwischen der Kurbelwelle (KW) und der Getriebeeingangswelle (EW) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kupplungseinrichtung (8) dritte, an den Rotor (R) der elektrischen Maschine (4) angebundene Kupplungsmittel (K3) aufweist, – die wahlweise mit den ersten Kupplungsmitteln (K1) oder mit den zweiten Kupplungsmitteln (K2) kraftschlüssig verbindbar sind, oder – die wahlweise mit den ersten Kupplungsmitteln (K1) oder mit den zweiten Kupplungsmitteln (K2) oder mit den ersten und den zweiten Kupplungsmitteln (K1; K2) kraftschlüssig verbindbar sind.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kupplungsmittel (K1) axial verschiebbar auf der Kurbelwelle (KW) oder einer hiermit wirkverbundenen Antriebswelle angeordnet sind, und dass die zweiten Kupplungsmittel (K2) axial verschiebbar oder fest mit der Getriebeeingangswelle (EW) oder einer hiermit wirkverbundenen Welle angeordnet sind.
  3. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kupplungsmittel (K1) axial verschiebbar oder fest auf der Kurbelwelle (KW) oder einer hiermit wirkverbundenen Antriebswelle angeordnet sind, und dass die zweiten Kupplungsmittel (K2) axial verschiebbar mit der Getriebeeingangswelle (EW) oder einer hiermit wirkverbundenen Welle angeordnet sind.
  4. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) koaxial zu der durch die Kurbelwelle (KW) und die Getriebeeingangswelle (EW) gebildete Antriebsstrang-Achse angeordnet ist.
  5. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Kupplungsmittel (K3) parallel zur Rotorachse axial verschiebbar mit dem Rotor (R) verbunden sind.
  6. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Kupplungsmittel (K3) senkrecht zur Rotorachse verschiebbar mit dem Rotor (R) verbunden sind.
  7. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rückstellmittel, die auf die dritten Kupplungsmittel (K3) einwirken derart, dass für den Fall eines Ausfalls der, die dritten Kupplungsmittel (K3) betätigenden Aktuatorik (HZ2) die dritten Kupplungsmittel (K3) sicher in einen Notlaufzustand überführt werden, in welchem sie kraftschlüssig mit den ersten Kupplungsmitten (K1) verbunden sind.
  8. Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Brennkraftmaschine (2) während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (2) erfolgt, indem ausgehend von einem Betriebszustand mit rotierender elektrischer Maschine (4) die Kupplungseinrichtung (8) derart angesteuert wird, dass eine Kopplung zwischen den dritten und den ersten Kupplungsmitteln (K3; K1) herbeigeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang der Brennkraftmaschine (2) während eines Gangstufenwechsels der Getriebeeinrichtung (6) durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang der Brennkraftmaschine (2) während eines Gangstufenwechsels der Getriebeeinrichtung (6) in eine höhere Gangstufe, insbesondere beim Gangstufenwechsel von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang durchgeführt wird zum Start der Brennkraftmaschine (2) aus dem Stoppzustand während eines aktivierten Start-Stopp-Betriebs.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Startvorgang durchgeführt wird zum Start der Brennkraftmaschine (2) während des Kraftfahrzeugbetriebs mit eingelegter Gangstufe.
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