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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten zumindest
eines Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges, wobei der
Hybrid-Antriebsstrang
mindestens einen Elektromotor und zumindest einen über eine
Kupplung mit dem Elektromotor verbindbaren Verbrennungsmotor aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung einen Hybrid-Antriebsstrang mit mindestens
einem Elektromotor und zumindest einem über eine Kupplung mit dem Elektromotor
verbindbaren Verbrennungsmotor und mit einer Steuereinheit zum Steuern
des Hybrid-Antriebsstranges.
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Aus
dem Stand der Technik sind Hybrid-Antriebsstränge hinreichend bekannt. Ein
Hybridantrieb stellt eine Kombination verschiedener Antriebsprinzipien
für eine
Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung dar. Als Antriebsprinzipien
werden in der Regel bei einem Hybridantrieb zumindest ein Elektromotor und
ein Verbrennungsmotor bzw. eine Brennkraftmaschine verwendet.
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Ein
Hybridantrieb wird häufig
zum Betreiben eines Fahrzeuges eingesetzt. Bei einem Hybridantrieb
mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor kann der Verbrennungsmotor
in einem sehr günstigen
Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie
des Verbrennungsmotors kann über einen
Generator für
die Batterieladung verwendet werden. Beim Beschleunigen arbeiten
Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Beim Bremsen und im Schubbetrieb
kann ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt werden.
Wird keine Antriebsleistung benötigt,
beispielsweise bei Stillstand des Fahrzeuges oder bei voll geladener
Batterie kann der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden. Der Elektromotor
kann die Funktion eines konventionellen Anlassers übernehmen.
Der Elektromotor stellt bereits beim Anfahren das maximale Drehmoment
zur Verfügung,
lässt aber bei
höherer
Drehzahl im Drehmoment nach. Ein Verbrennungsmotor liefert dagegen
ab einem bestimmten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Durch Kombination
der beiden Antriebsprinzipien kann ein Fahrzeug um etwa 10–20 % schneller
beschleunigt werden. Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor
unter günstigeren
Bedingungen zu betreiben, beispielsweise in einem optimalen Drehzahlbereich,
weil der Elektromotor die für
den Verbrennungsmotor ungünstigen
Betriebsbereiche abfedern kann. Die Leistungskennlinien eines Elektromotors
und eines Verbrennungsmotors ergänzen
sich, da das geringere Drehmoment eines Verbrennungsmotors im unteren
Drehzahlbereich durch das hohe Drehmoment des Elektromotors ausgeglichen
wird. Ein Hybridantrieb kann aber auch nur rein elektrisch gefahren
werden.
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Aus
der
DE 37 37 192 C2 ist
ein Hybridantrieb für
ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem der Hybridantrieb einen Verbrennungsmotor
und einen als Asynchronmaschine ausgebildeten Elektromotor aufweist.
Der Elektromotor ist über
eine erste Kupplung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
und mit einer zweiten Kupplung mit der Getriebeeingangswelle verbindbar.
Der Verbrennungsmotor besitzt kein eigenes Schwungrad. Stattdessen
ist der Rotor des Elektromotors als Schwungmasse für den Verbrennungsmotor
nutzbar, wenn die erste Kupplung geschlossen ist. Der Elektromotor übernimmt bei
dem Hybridantrieb die Funktion des Anlassers des Verbrennungsmotors.
Hierzu wird der Elektromotor bei geöffneter erster Kupplung auf
eine relativ hohe Drehzahl gebracht, so dass in der sich drehenden
Schwungmasse des Elektromotors ein hohes Drehmoment erzeugt wird.
Nach Erreichen des hohen Drehmomentes wird die erste Kupplung zwischen
dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor ruckartig geschlossen,
so dass der Verbrennungsmotor bis über die Anlassdrehzahl hochgerissen
wird, um dann selbstständig
weiterzulaufen. Der in der
DE
37 37 192 C2 beschriebene Hybridantrieb kann derart betrieben
werden, dass ein rein elektromotorischer Antrieb, ein rein verbrennungsmotorischer
Antrieb oder ein gleichzeitiger Antrieb erfolgt. Das ruckartige
Hochreißen
des Verbrennungsmotors hat jedoch nachteilig zur Folge, dass es
zu unerwünschten
Drehzahlschwankungen am Elektromotor kommt. Ferner werden zwei Kupplungen
benötigt, was
zu hohen Kosten führt.
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Aus
der
DE 43 23 601 A1 ist
ein im Vergleich zur
DE
37 37 192 C2 vereinfachter bzw. kompakterer Hybridantrieb
offenbart. Der dort beschriebene Hybridantrieb benötigt keine
zwei Kupplungen mehr, sondern nur noch eine Kupplung, die die Verbindung
zwischen der Verbrennungsmotorkurbelwelle und der Antriebswelle
schaltbar macht. Der Stator des Elektromotors ist mit dem Gehäuse des
Verbrennungsmotors oder des zugehörigen Schaltgetriebes fest verbunden,
während
der Rotor des Elektromotors drehfest an der Getriebeeingangswelle
sitzt. Das Starten des Verbrennungsmotors kann bei dem Hybridantrieb
gemäß der
DE 43 23 601 A1 auf
zwei Arten erfolgen. Bei Stillstand des Fahrzeuges und bei Nullstellung
des Schaltgetriebes kann bei geschlossener Kupplung aufgrund des
erzeugbaren hohen Motordrehmomentes des Elektromotors die Kurbelwelle zusammen
mit der Getriebeeingangswelle beschleunigt und der Verbrennungsmotor
gezündet
werden. Der Anlassvorgang kann auch derart erfolgen, dass die Kupplung
zunächst
geöffnet
ist und das Hybridfahrzeug rein elektromotorisch auf eine geeignete Mindestgeschwindigkeit
beschleunigt wird. D.h., der Elektromotor erzeugt ein Drehmoment,
welches auf die Getriebeeingangswelle übertragen wird. Bei Erreichen
eines bestimmten Drehmoments des Elektromotors wird die Kupplung
geschlossen, so dass der Verbrennungsmotor auf die Anlassdrehzahl
beschleunigt wird.
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Ausgehend
von der
DE 43 23 601
A1 als nächstliegendem
Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
den Startvorgang zumindest eines Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges
zu verbessern, so dass ein momentenschwankungsfreier Übergang
von einem rein elektrischen Betrieb in einen reinen Verbrennungsmotorbetrieb
oder einen kombinierten Betrieb ermöglicht wird. Insbesondere soll
eine Drehzahlschwankung infolge eines Verbrennungsmotorstarts am
Elektromotor und damit an der Getriebeeingangswelle während des
Fahrens vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Starten zumindest eines Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstrangs
mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 sowie durch einen Hybrid-Antriebsstrang mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
8 gelöst.
Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der Zeichnung sowie der Beschreibung. Merkmale und Details, die
im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Starten zumindest eines Verbrennungsmotors
eines Hybrid-Antriebsstrangs gemäß Patentanspruch
1 beschrieben werden, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrang
gemäß dem Patentanspruch
8, und umgekehrt.
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Die
Aufgabe wird gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Starten zumindest eines
Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges, wobei der Hybrid-Antriebsstrang
mindestens einen Elektromotor und zumindest einen über eine
Kupplung mit dem Elektromotor verbindbaren Verbrennungsmotor aufweist,
bei dem das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
- a) der Elektromotor wird mit einem ersten Drehmoment
gefahren,
- b) mit der Erzeugung eines Startsignal durch ein Steuergerät wird der
Schließvorgang
der Kupplung gestartet, wobei während
des Schließvorganges
der Kupplung das Drehmoment des Elektromotors von dem ersten Drehmoment hochgefahren
wird,
- c) durch das Schließen
der Kupplung wird das zusätzlich
zu dem ersten Drehmoment erzeugte, ansteigende Drehmoment auf den
Verbrennungsmotor übertragen,
wobei sich die Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors der Abtriebsdrehzahl
des Elektromotors annähert,
- d) nach dem Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors
wird das Drehmoment des Elektromotors auf ein Drehmoment, welches
der Summe des Soll-Antriebsmomentes und des Schleppmomentes des
Verbrennungsmotors, welches benötigt
wird, um den Verbrennungsmotor auf der erreichten Drehzahl zu halten,
entspricht, heruntergefahren und der Verbrennungsmotor gezündet, e)
mit Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors wird das Drehmoment
des Elektromotors um das Schleppmoment verringert sowie das Drehmoment
des Verbrennungsmotors hochgefahren und synchron zur Erhöhung des
Drehmomentes des Verbrennungsmotors wird das Drehmoment des Elektromotors
zurückgefahren,
gelöst.
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Zunächst dient
nur der zumindest eine Elektromotor als Antrieb, beispielsweise
eines Kraftfahrzeuges. D.h., es wird ein erstes Drehmoment von dem
Elektromotor an den Antriebsstrang abgegeben, welches zur Erfüllung des
Soll-Antriebsdrehmomentes infolge einer fahrerseitigen Leistungsvorgabe, wie
beispielsweise einer Gaspedalstellung, dient. Das erste Drehmoment
entspricht einem Grenzdrehmoment bzw. einem Grenzdrehmomentbereich,
ab dessen leistungsbezogenen Überschreiten
das Verfahren zum Zuschalten des Verbrennungsmotors eingeleitet
wird. D.h., das erste Drehmoment stellt nicht zwangsläufig einen
Grenzbetrag dar, sondern kann in einem Drehmomentbereich liegen,
innerhalb dessen die Leistungselektronik das Verfahren zum Zuschalten
des Verbrennungsmotors einleitet. Das Größe des ersten Drehmomentes
ist beispielsweise davon abhängig,
wie schnell, z.B. durch „Kick-Down" des Gaspedals, beschleunigt
wird oder ob gerade bergauf oder in der Ebene gefahren wird. Ein
schwacher Batterieladezustand kann das Grenzdrehmoment ebenfalls
verkleinern. Nach dem Erreichen des ersten Drehmomentes, bevorzugt
eines relativ konstanten Drehmomentes, des Elektromotors wird der Schließvorgang
der Kupplung gestartet, wobei während
des Schließvorganges
der Kupplung das Drehmoment des Elektromotors von dem ersten Drehmoment
hochgefahren wird.
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Dieses
seitens des Elektromotors zusätzlich zu
dem ersten Drehmoment erzeugte, vorteilhafterweise linear bzw. annähernd linear,
ansteigende Drehmoment wird beim Schließen der Kupplung auf den Verbrennungsmotor übertragen.
Durch den linearen bzw. annähernd
linearen Anstieg des übertragenen
Drehmomentes des Elektromotors wird die Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors
der Abtriebsdrehzahl des Elektromotors, insbesondere ruckfrei kontinuierlich,
angenähert.
Die Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors und die Abtriebsdrehzahl
des Elektromotors entsprechen der Drehzahl des jeweiligen Aggregates
auf die Getriebeeingangswelle. Hierbei können beispielsweise zwischengeschaltete
Planetengetriebe Teil des Aggregates sein. D.h., die Abtriebsdrehzahlen
sind die Drehzahlen der jeweiligen Motoren an der Getriebeeingangswelle, welche
insbesondere in Hinblick auf den Elektromotor auch über zum
Beispiel Planetengetriebe angebunden sein können. Weiterhin ist eine lineare
Steigung des Drehmomentes besonders einfach elektronisch steuerbar.
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Wird
eine vorgegebene Drehzahl des Verbrennungsmotors erreicht, wird
das Drehmoment des Elektromotors auf ein Drehmoment, welches der Summe
des Soll-Antriebsmomentes
und des Schleppmomentes des Verbrennungsmotors, welches benötigt wird,
um den Verbrennungsmotor auf der erreichten Drehzahl zu halten,
entspricht, heruntergefahren und der Verbrennungsmotor gezündet. Das
Soll-Antriebsmoment
ist das Drehmoment, welches zur Umsetzung der Gaspedalstellung notwendig
ist. Es ist in der Regel nicht konstant, da es der Leistungsvorgabe
des Fahrers über
das Gaspedal oder der Vorgabe des Geschwindigkeits-Tempomaten entspricht.
Bereits während
dieses Verfahrens kann sich das Soll-Antriebsmoment ändern, beispielsweise
durch eine geänderte
Gaspedalstellung oder bei einer Fahrt bergauf oder bergab. Bis zum Start
des Verfahrens zum Starten des Verbrennungsmotors wird das Soll-Drehmoment
alleinig durch den Elektromotor aufgebracht. Das Soll-Drehmoment kann
auch durch eventuelle Schaltvorgänge
eines automatisierten Schaltgetriebes während des Betriebes dieses
Verfahrens zumindest kurzzeitig beeinflusst sein.
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D.h.,
zum Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors steigt das vom
Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment bis auf einen Betrag, dass das
Schleppmoment zur Beibehaltung der Verbrennungsmotordrehzahl auf
Null sinkt. Der Verbrennungsmotor läuft mit Synchrondrehzahl zum
E-Motor ohne jedoch auf den Antriebsstrang Leistung abzugeben oder
aufzunehmen. Der E-Motor schleppt nicht mehr den Verbrennungsmotor
mit. Das Schleppmoment ist dabei der Teil des Drehmomentes des Elektromotors,
welches dieser aufbringt, um den nicht gezündeten Verbrennungsmotor auf
die vorgegebene Drehzahl zu bringen bzw. auf der vorgegebenen Drehzahl
zu halten. Nach der Zündung des
Verbrennungsmotors wird das Drehmoment des Elektromotors um genau
dieses Schleppmoment verringert, da der Verbrennungsmotor selbstständig anfängt zu laufen
und somit ein eigenes Drehmoment erzeugt. Zündung des Verbrennungsmotors
bedeutet Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor. Mit Beginn
des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors wird das Drehmoment des
Verbrennungsmotors hochgefahren und synchron zur Erhöhung des
Drehmomentes des Verbrennungsmotors wird das Drehmoment des Elektromotors
zurückgefahren.
D.h., das Drehmoment des Elektromotors wird um exakt den gleichen
Betrag heruntergefahren, um den das Drehmoment des Verbrennungsmotors
erhöht
wird. Hierdurch bleibt das Gesamtdrehmoment, d.h. die Summe der
Drehmomente des Elektromotors und des Verbrennungsmotors, konstant.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Drehmoment des Verbrennungsmotors
kontinuierlich hochgefahren wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren zum
Starten zumindest eines Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebs
wird der Startvorgang des Hybrid-Antriebsstranges
derart verbessert, dass ein momentenschwankungsfreier Übergang von
einem rein elektrischen Betrieb in einen reinen Verbrennungsmotorbetrieb
oder einen kombinierten Betrieb möglich ist. Eine Drehzahlschwankung
am Elektromotor infolge des Verbrennungsmotorstarts und damit an
der Getriebeeingangswelle des Hybrid-Antriebs kann durch das zuvor
beschriebene Verfahren vermieden werden. Durch das Verfahren kann
ein Anlasser zum Anlassen des Verbrennungsmotors weggelassen werden,
wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden können.
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Durch
ein derartiges Verfahren kann das von den beiden Motoren, d.h. von
dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor, abgegebene Drehmoment an
die Getriebeeingangswelle des Hybrid-Antriebs konstant gehalten
werden, wobei gleichzeitig der Verbrennungsmotor gestartet wird.
Die Momentabgabe an die Getriebeeingangswelle erfolgt zuerst von dem
Elektromotor und im weiteren Verlauf des Startvorgangs von dem Verbrennungsmotor.
D.h., zuerst wird der Hybrid-Antrieb rein elektromotorisch betrieben
und am Ende des Startvorgangs wird der Hybrid-Antrieb rein verbrennungsmotorisch oder
zum Teil elektromotorisch und zum Teil verbrennungsmotorisch betrieben.
Bei diesem Verfahren kann der Verbrennungsmotor ruckfrei zugeschaltet
werden. Dies erfolgt durch den besonderen Ablauf des Verfahrens. Während des
Schließvorgangs
der Kupplung wird die Momentenkurve, d.h., dass im Elektromotor
erzeugte Drehmoment, linear bzw. annähernd linear hochgefahren.
Der Schließvorgang
der Kupplung, d.h. der Schließweg
der Kupplung über
die Zeit, ist dabei derart abgestimmt, dass das Anwerfen des Verbrennungsmotors,
d.h. dass Bringen des Verbrennungsmotors auf selbige Drehzahl wie
der Elektromotor, keinen Abfall des auf die Getriebeeingangswelle
wirkenden Antriebsmomentes zur Folge hat. Der zum Anwerfen und Hochdrehen
des Verbrennungsmotors benötigte
Momentfluss entspricht dem linearen bzw. annähernd linearen Momentenanstieg
am Elektromotor. Somit wird beim Schließen der Kupplung der Elektromotor
auf eine während
des Schließvorgangs nahezu
konstant steigende Drehmomentabgabe eingestellt und dieser Anstieg
des Drehmomentes über die
Kupplung auf den Verbrennungsmotor kontinuierlich übertragen.
Der Schließvorgang
der Kupplung wird dabei derart gesteuert, dass jeweils das vom Elektromotor
in diesem Zeitpunkt zusätzlich
erzeugte Drehmoment übertragen
wird, aber auch nicht mehr. Dadurch wird der Verbrennungsmotor ruckfrei
zugeschaltet.
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Während der
gesamten Startphase wird die Drehmomentabgabe des Elektromotors
insoweit gesteuert, als das zuerst der Wegfall des Schleppmomentes
für den
Verbrennungsmotor zurück
geregelt wird und mit zunehmender Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors
an den Antriebstrang die Drehmomentabgabe des Elektromotors weiter
zurückgefahren
wird. Insgesamt wird die auf den Getriebeantriebstrang wirkende
Leistung, d.h. das übertragende Drehmoment,
der beiden Motoren konstant gehalten, was beispielsweise einer konstanten
Fahrpedalstellung eines Kraftfahrzeuges entspricht.
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Insgesamt
soll die Drehmomentabgabekurve des E-Motors innerhalb des gesamten
Zeitfensters vom Beginn des Mitschleppens des Motors bis zum selbstständigen Mitlaufen/allein
Antreiben seitens des Verbrennungsmotors so gesteuert werden, dass das
abgegebene Drehmoment hierbei fortwährend nahezu der Anforderung
seitens des Fahrpedals entspricht.
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Mit
Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors wird die Drehmomenterzeugung
des Verbrennungsmotors allmählich
hochgefahren und die entsprechende Reduktion des zum Antrieb des Fahrzeuges
verbleibenden Elektromotor-Drehmomentes allmählich entsprechend gesenkt.
Es wird bei diesem Verfahren zum Starten des Hybrid-Antriebsstranges
ein plötzlicher
oder unstetiger Drehmomentsprung seitens des Verbrennungsmotors
zumindest ab dem Punkt des lastfreien Selbstmitlaufens vermieden.
Insbesondere werden flache Rampen als Drehmomentänderungen für den Elektromotor und den Verbrennungsmotor
gewählt,
so dass die addierte Gesamtdrehmomentlinie nahezu linear oder zumindest
frei von Drehmomentsprüngen
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
das einfache Starten eines Verbrennungsmotors eines Hybridantriebstranges
während
des Fahrens des Elektromotors des Hybridantriebstranges. D.h., ein
Hybridantriebstrang wird in der Regel zunächst nur durch einen Elektromotor
angetrieben. Sobald ein Signal zum Starten des Verbrennungsmotors kommt,
werden die Schritte des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgeführt. Das
Signal zum Starten des Verbrennungsmotors kann z.B. durch einen
Leistungsabruf von einem Fahrer eines Kraftfahrzeuges erfolgen,
d.h. durch Gasgeben, wenn die Leistung des elektrischen Motors nicht
ausreicht. Es ist auch möglich
den Verbrennungsmotor zu starten, wenn eine Batterie des Kraftfahrzeuges
fast leer ist, so dass diese durch den Verbrennungsmotor wieder
geladen werden kann.
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Bevorzugt
ist es, wenn während
des Schließvorganges
der Kupplung das Drehmoment des Elektromotors von dem ersten Drehmoment
linear oder annähernd
linear hochgefahren wird. Das lineare Hochfahren des Drehmomentes
des Elektromotors ermöglicht
eine besonders einfache Steuerung des Schließvorganges der Kupplung. D.h.
die Momentenkurve des Elektromotors beschreibt einen linearen bzw.
annähernd
linearen Anstieg während
des Schließvorgangs
der Kupplung.
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Bevorzugt
ist ein Verfahren zum Starten eines Hybrid-Antriebsstranges, bei
dem die vorgegebene Drehzahl des Verbrennungsmotors in einem Bereich
zwischen 85% bis 100%, insbesondere bei ca. 95%, der Drehzahl des
Elektromotors liegt. Bei dem Erreichen einer derartig hohen Drehzahl
des Verbrennungsmotors wird die Kupplung zwischen dem Elektromotor
und dem Verbrennungsmotor vollständig
geschlossen, wobei im Restschließweg, das kann ca. 40% des
Kupplungsschließweges
sein, keine kontrollierte Steuerung der Schließgeschwindigkeit mehr stattfindet.
D.h., zum vollständigen
Schließen
der Kupplung muss keine Rücksicht
mehr auf den gesteuerten Drehmomentaufbau der Kupplung genommen
werden. Es kann für
den Restschließweg eine
maximale Schließgeschwindigkeit
der Kupplungsaktuatorik gewählt
werden. In diesem Bereich von ca. 95% Drehzahlgleichheit zwischen Elektromotor
und Verbrennungsmotor wird das erhöhte Elektromotordrehmoment
auf einen Betrag nach unten gefahren, welcher der aktuellen Leistungsanforderung entspricht.
Die aktuelle Leistungsanforderung, d.h. die Drehmomentanforderung
oder Lastanforderung setzt sich beispielsweise aus der vorbestimmten Fahrgeschwindigkeitanforderung,
hier ist die Last entsprechend der Gaspedalstellung oder bei Tempomatbetrieb
die eingestellte Geschwindigkeit gemeint, und dem negativen aktuellen
Verbrennungsmotordrehmoment, d.h. der Verbrennungsmotor wird leer mitgeschleppt
auf der entsprechenden Elektromotordrehzahl, zusammen.
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Ferner
ist ein derartiges Verfahren vorteilhaft, bei dem nach dem Erreichen
der vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors, insbesondere bei
95% der Elektromotordrehzahl, die Kupplung mit maximaler Schließgeschwindigkeit
zum Erreichen einer 100%igen Drehzahlgleichheit zwischen dem Elektromotor
und dem Verbrennungsmotor geschlossen wird. Zum vollständigen Schließen der
Kupplung ist keine kontrollierte Steuerung mehr notwendig, so dass
bevorzugt eine maximale Schließgeschwindigkeit
gewählt
werden kann.
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Ein
Verfahren zum Starten eines Hybrid-Antriebsstranges, bei dem die Übertragung
des Drehmomentes bzw. eines Teils des Drehmomentes des Elektromotors
auf den Verbrennungsmotor durch eine Reibungskupplung erfolgt, ist
besonders bevorzugt. Eine derartige Reibungskupplung ist „im Betrieb" des Hybrid-Antriebsstranges
schaltbar. D.h., die Kupplung kann zur Übertragung eines bereits bestehenden
Drehmomentes am Elektromotor betätigt werden.
Mit einer derartigen Reibungskupplung kann im geschlossenen Zustand
der Reibungskupplung die Energie des Elektromotors nahezu verlustfrei, also
mit selbem Drehmoment und selber Drehzahl, an den Verbrennungsmotor
weitergeben werden. Besonders geeignet ist eine trockene Reibungskupplung.
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Das
Schließen
der Kupplung, insbesondere der Reibungskupplung, erfolgt bevorzugt
hydraulisch. Eine hydraulisch betätigbare Kupplung arbeitete
ausschließlich
mit Flüssigkeitsreibung
und ist, bis auf einen Ölwechsel,
wartungs- und verschleißfrei.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführung des
Verfahrens erfolgt das Schließen
der Kupplung, insbesondere der Reibungskupplung, elektronisch. D.h.
das Schließen
der Kupplung wird elektronisch durch eine Kupplungselektronik gesteuert.
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Bevorzugt
ist des Weiteren ein Verfahren, bei dem das von dem Elektromotor
und/oder das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment an den
Hybrid-Antriebsstrang,
insbesondere an eine Getriebeeingangwelle, abgegeben wird. Während des
Startens eines Verbrennungsmotors des Hybrid-Antriebsstranges wird
das von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment zumindest
teil- und zeitweise auf die Getriebeeingangwelle des Hybrid-Antriebsstranges übertragen. Der
Startvorgang des Verbrennungsmotors wird dabei derart durchgeführt, dass
die Drehmomentabgabe des Elektromotors und/oder des Verbrennungsmotors
an die Getriebeeingangwelle während
des Startens des Verbrennungsmotors konstant gehalten wird. Aus
diesem Grund wird das Drehmoment des Elektromotors zeitweilig erhöht, bis
der Verbrennungsmotor selbst genug Drehmoment aufbringt. Aus diesem
Grund wird nach dem Selbstlauf des Verbrennungsmotors mit steigendem
Drehmoment des Verbrennungsmotors das Drehmoment im gleichen Maße synchron
zurückgefahren.
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Gemäß des zweiten
Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Hybrid-Antriebsstrang mit
mindestens einem Elektromotor und zumindest einem über eine
Kupplung mit dem Elektromotor verbindbaren Verbrennungsmotor und
mit einer Steuereinheit zum Steuern des Hybrid-Antriebsstranges, wobei
die Steuereinheit Mittel zur Durchführung des zuvor beschriebenen
Verfahrens aufweist, gelöst.
Ein derartiger Hybrid-Antriebsstrang ermöglicht eine Verbesserung des
Startvorganges zumindest eines Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges,
so dass ein momentenschwankungsfreier Übergang von einem rein elektrischen
Betrieb in einen reinen Verbrennungsmotorbetrieb oder einen kombinierten Betrieb
erfolgen kann. Durch einen derartigen Hybrid-Antriebsstrang kann
eine Drehzahlschwankung infolge eines Verbrennungsmotorstarts am
Elektromotor und damit an der Getriebeeingangswelle vermieden werden.
Die Zuschaltung des Verbrennungsmotors kann durch die Steuereinheit
ruckfrei erfolgen.
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Die
Drehmomentabgabekurve des Elektromotors kann bei einem derartigen
Hybrid-Antriebsstrang
innerhalb des gesamten Zeitfensters, d.h. vom Beginn des Mitschleppens
des Verbrennungsmotors bis zum selbstständigen Mitlaufen/allein Antreiben seitens
des Verbrennungsmotors, so gesteuert werden, dass das abgegebene
Drehmoment hierbei fortwährend
nahezu der Anforderung seitens des Fahrpedals eines Kraftfahrzeuges
entspricht.
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Mit
Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors wird durch die Steuereinheit
die Drehmomenterzeugung des Verbrennungsmotors allmählich hochgefahren
und die entsprechende Reduktion des zum Antrieb des Fahrzeuges verbleibenden E-Motor-Drehmomentes
allmählich
entsprechend gesenkt. Ein plötzlicher
oder unstetiger Drehmomentsprung seitens des Verbrennungsmotors
zumindest ab dem Punkt des lastfreien Selbstmitlaufens wird vermieden.
Insbesondere wenn flache Rampen als Drehmomentänderungen für den Elektromotor und den
Verbrennungsmotor gewählt
werden, ist die addierte Gesamtdrehmomentlinie nahezu linear oder
zumindest frei von Drehmomentsprüngen.
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Bevorzugt
ist ferner ein Hybrid-Antriebsstrang, bei dem die Kupplung als Reibungskupplung ausgebildet
ist. Die Reibungskupplung kann geschlossen werden, wenn bereits
ein erstes Drehmoment an dem Elektromotor anliegt. Die Reibungskupplung
kann hydraulisch über
Ventile oder elektronisch durch die Steuereinheit gesteuert werden.
Eine hydraulisch betätigbare
Kupplung arbeitete ausschließlich
mit Flüssigkeitsreibung
und ist, bis auf einen Ölwechsel,
wartungs- und verschleißfrei. Besonders
geeignet ist eine trockene Reibungskupplung einsetzbar.
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Der
Schließvorgang
der Kupplung ist derart von der Steuereinheit abgestimmt, dass das
Anwerfen des Verbrennungsmotors keinen Abfall des auf die Getriebeeingangswelle
wirkenden Antriebsmomentes des Elektromotors zur Folge hat.
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Der
Schließvorgang
der Reibungskupplung wird durch die Steuereinheit derart gesteuert,
dass der zum Hochfahren des Verbrennungsmotors benötigte Momentfluß dem linearen
bzw. dem nahezu linearen Momentenanstieg am Elektromotor entspricht. Die
Kupplungselektronik kann aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit,
d.h. hinsichtlich ihrer Steuerbarkeit, eine Rampe/Kurve beim Schließen der
Reibungskupplung darstellen, die der Steigung/dem Anstieg der Drehmomentabgabe
am Elektromotor entspricht. Beim Schließen der Reibungskupplung wird
der Elektromotor auf eine nahezu konstant steigende Drehmomentabgabe
eingestellt und der Anstieg des Drehmomentes über die Reibungskupplung auf
den Verbrennungsmotor übertragen.
D.h., der Schließvorgang
der Reibungskupplung wird durch die Steuereinheit des Hybrid-Antriebsstranges
derart gesteuert, dass jeweils das vom Elektromotor in diesem Zeitpunkt
zusätzlich
erzeugte Drehmoment auf den Verbrennungsmotor übertragen wird, aber auch nicht mehr.
Dadurch wird der Verbrennungsmotor ruckfrei zugeschaltet.
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Der
Hybrid-Antriebsstrang ist bevorzugt derart ausgebildet, dass der
Elektromotor und der zumindest eine Verbrennungsmotor in Reihe geschaltet sind.
Es können
auch mehrer Elektromotoren vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
schematischen Verlauf der Drehmomentkurven und der Drehzahlkurven
des Elektromotors und des Verbrennungsmotors während des Startvorgangs des
Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges;
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2 einen
schematischen theoretischen Ablauf der Drehmomentkurven des Elektromotors und
des Verbrennungsmotors während
des Startvorgangs des Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges;
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3 einen
schematischen theoretischen Ablauf der Drehzahlkurven des Elektromotors
und des Verbrennungsmotors während
des Startvorgangs des Verbrennungsmotors eines Hybrid-Antriebsstranges.
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In 1 ist
der schematische Verlauf der Drehmomentkurven eines Elektromotors
EM und eines Verbrennungsmotors ICE eines Hybrid-Antriebsstranges
während
des Startvorgangs dargestellt. Die X-Achse gibt die Zeit in Sekunden
an. Die Y-Achse gibt das Drehmoment in Newtonmeter Nm des Elektromotors
EM und des Verbrennungsmotors ICE an. Ferner gibt die Y-Achse die
Drehzahl n des Elektromotors EM und des Verbrennungsmotors ICE sowie die
Position x der Kupplung an.
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Die
Kurve 1 stellt den Solldrehmomentverlauf des Verbrennungsmotors
ICE dar.
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Die
Kurve 4 stellt den Istdrehmomentverlauf des Verbrennungsmotors ICE
dar.
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Die
Kurve 2 stellt den Sollmomentverlauf des Elektromotors EM dar.
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Die
Kurve 3 stellt den Istdrehmomentverlauf des Elektromotors EM dar.
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Die
Kurve 5 gibt die Position der Kupplung wieder.
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Die
Kurve 6 stellt den Istdrehzahlverlauf des Elektromotors EM dar.
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Die
Kurve 7 stellt den Istdrehzahlverlauf des Verbrennungsmotors ICE
dar.
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Bei
einer Zeit von 5 Sekunden weist der Elektromotors EM ein erstes
Istdrehmoment von ca. 120 Nm auf. Der Hybrid-Antriebsstrang wird
zu diesem Zeitpunkt rein elektrisch gefahren. Wenn der Befehl zum
Starten des Verbrennungsmotors von einem Steuergerät kommt,
wird der Schließvorgang
der Kupplung gestartet, wobei während
des Schließvorganges
der Kupplung das Drehmoment 3 des Elektromotors EM von dem ersten
Istdrehmoment linear oder annähernd
linear hochgefahren wird. Durch das Schließen der Kupplung wird das zusätzlich zu
dem ersten Istdrehmoment erzeugte, linear bzw. annähernd linear
ansteigende Drehmoment 3 auf den Verbrennungsmotor ICE übertragen,
wobei sich die Drehzahl 7 des Verbrennungsmotors ICE nach einer Verzögerung von
ca. 1,3 Sekunden der Drehzahl 6 des Elektromotors EM annähert. Nach
dem Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl, hier ca. einer Drehzahl
von knapp 1500 Umdrehungen pro Minute, des Verbrennungsmotors ICE,
wird das Drehmoment von fast 300 Nm des Elektromotors EM auf ein
Drehmoment vom knapp 200 Nm, welches der Summe des ersten Drehmomentes
von 120 Nm und des Schleppmomentes des Elektromotors von ca. 80
Nm, welches benötigt
wird, um den Verbrennungsmotor ICE auf der erreichten Drehzahl von
ca. 1500 Umdrehungen pro Minute zu halten, entspricht, heruntergefahren,
und der Verbrennungsmotor ICE gezündet. Nach der Zündung des
Verbrennungsmotors ICE nach ca. 6,85 Sekunden, wird das aktuelle
Drehmoment von knapp 200 Nm des Elektromotors EM um das Schleppmoment
in Höhe
von 80 Nm verringert. Ferner wird mit Beginn des Selbstlaufes des
Verbrennungsmotors ICE das Drehmoment 4 des Verbrennungsmotors ICE
kontinuierlich von einem Wert von 0 Nm bis auf einen Wert von ca.
120 Nm nach 7,2 Sekunden hochgefahren. Synchron zur Erhöhung des Drehmomentes
4 des Verbrennungsmotors ICE wird das Drehmoment 3 des Elektromotors
von einem Wert von ca. 120 Nm auf einen Wert von 0 Nm zurückgefahren.
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Im
dargestellten Diagramm 1 erfolgt die Zündung/die
Kraftstoffeinspritzung, also der Selbstlauf des Motors, etwa mit
Erreichen der Synchrondrehzahl zwischen dem Elektromotor EM und
dem Verbrennungsmotor ICE. Die Synchrondrehzahl wird hier bei 90%
Drehzahlgleichheit erreicht. Durch Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors
ICE steigt das vom Verbrennungsmotor ICE erzeugt Drehmoment 4 bis
auf einen Betrag, dass das Schleppmoment des Elektromotors EM zur
Beibehaltung der Verbrennungsmotordrehzahl 7 auf Null sinkt. Der
Verbrennungsmotor ICE läuft
mit Synchrondrehzahl zum Elektromotor EM ohne jedoch auf den Hybrid-Antriebsstrang
eine Leistung abzugeben oder aufzunehmen. Der Elektromotor EM schleppt den
Verbrennungsmotor ICE ab diesem Zeitpunkt nicht mehr mit. Der Verbrennungsmotor
ICE steigert weiterhin, insbesondere kontinuierlich, sein erzeugtes
Drehmoment 4 und gibt dieses an den Hybrid-Antriebsstrang, d.h. an die Getriebeeingangswelle,
ab. Während
dieser Gesamtphase wird die Drehmomentabgabe des Elektromotor EM
insoweit gesteuert, als das zuerst der Wegfall des Schleppmomentes
für den
Verbrennungsmotor ICE zurück
geregelt wird und mit zunehmender Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors
ICE an den Antriebstrang die Drehmomentabgabe des Elektromotors
EM weiter zurückgefahren
wird. Insgesamt soll die auf den Hybrid-Antriebstrang wirkende Leistung, das
abgegebene Drehmoment, der beiden Motoren konstant der Fahrpedalstellung
eines Kraftfahrzeuges entsprechen. Das heißt, bei konstanter „Gaspedalstellung" wird die auf die
Getriebeeingangswelle wirkende Summe der Drehmomente beider Motoren
konstant gehalten. Ist das Fahrzeug dann beim Beschleunigen, ändert sich
hierbei die Drehzahl der Getriebeeingangswelle aber nicht die Drehmomentanforderung.
Ausgenommen hiervon ist z.B. eine drehzahlabhängige Drehmomentanforderung,
z.B. bei hoher Drehzahl als Bauteilschutz ein Reduktion/Beschränkung des
maximalen Drehmomentes.
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Insgesamt
soll die Drehmomentabgabekurve des Elektromotors EM innerhalb des
gesamten Zeitfensters vom Beginn des Mitschleppens des Verbrennungsmotors
ICE bis zum selbstständigen
Mitlaufen/allein Antreiben seitens des Verbrennungsmotors ICE so
gesteuert werden durch das Verfahren, dass das abgegebene Drehmoment
hierbei fortwährend
nahezu der Anforderung seitens des Fahrpedals entspricht.
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Mit
Beginn des Selbstlaufes des Verbrennungsmotors ICE wird die Drehmomenterzeugung
4 des Verbrennungsmotors ICE allmählich hochgefahren und die
entsprechende Reduktion des zum Antrieb des Fahrzeuges verbleibenden
Elektromotor-Drehmomentes 3 allmählich
entsprechend gesenkt. Es wird ein plötzlicher oder unstetiger Drehmomentsprung
seitens des Verbrennungsmotors ICE zumindest ab dem Punkt des lastfreien
Selbstmitlaufens vermieden. Durch die Auswahl einer flachen Rampen
als Drehmomentänderungen
3 für den
Elektromotor EM und den Verbrennungsmotor ICE, ist die addierte
Gesamtdrehmomentlinie 3 + 4 nahezu linear oder zumindest frei von
Drehmomentsprüngen.
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Die 2 zeigt
einen schematischen theoretischen Ablauf der Drehmomentkurve 12
des Elektromotors EM und der Drehmomentkurve 14 des Verbrennungsmotors
VM (ICE) während
des Startvorgangs des Verbrennungsmotors VM eines Hybrid-Antriebsstranges.
In
3 ist ein schematischer theoretischer
Ablauf der Drehzahlkurve 26 des Elektromotors EM und der Drehzahlkurve
27 des Verbrennungsmotors VM während
des Startvorgangs des Verbrennungsmotors VM eines Hybrid-Antriebsstranges
dargestellt. In beiden 2 und 3 ist ferner
der Kupplungsweg 15, 25 der Kupplung schematisch dargstellt.