DE102007055831A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes (1) eines Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug einen Antriebsstrang (2) aufweist, der im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor (3), wenigstens eine ansteuerbare Kupplung (4), wenigstens eine elektrische Maschine (5) und ein automatisiertes Schaltgetriebe (7) umfasst, bei dem der Verbrennungsmotor (3) über die wenigstens eine Kupplung (4) mit der elektrischen Maschine (5) kraftschlüssig verbindbar und mittels der elektrischen Maschine (5) startbar ist, wobei ein Start des Verbrennungsmotors (3) mit einem Gangwechsel des Schaltgetriebes (7) koordinierbar ist. Um einen möglichst kurzen und komfortablen Schaltablauf beim Start des Verbrennungsmotors (3) zu erreichen, wird nach Erfassen einer Startanforderung mit zeitgleicher Schaltanforderung durch Ansteuern der Kupplung (4) ein Drehmoment am Getriebeeingang (6) abgesenkt und ein Schleppmoment auf den Verbrennungsmotor (3) ausgeübt, so dass ein eingelegter Gang ausgelegt und der Verbrennungsmotor (3) bereits vor Erreichen einer Schaltpause gestartet werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7.
- Hybridabtriebe gewinnen im Fahrzeugbau aufgrund ihres Potenzials zur Verringerung von Schadstoffemissionen und Energieverbrauch zunehmend an Bedeutung. Derartige Fahrzeuge weisen verschiedenartige Antriebsquellen auf, wobei insbesondere Kombinationen von Verbrennungs- und Elektromotoren von Vorteil sind, da sie einerseits die Reichweiten- und Leistungsvorteile von Brennkraftmaschinen und andererseits die flexiblen Einsatzmöglichkeiten der elektrischen Maschinen als alleinige oder Hilfsantriebsquelle oder als Startergenerator sowie Generator zur Stromerzeugung und Rekuperation nutzen können.
- Vom Markt werden Hybrid-Antriebsstränge gefordert, die möglichst ohne zusätzlichen Bauraumbedarf, bei möglichst geringer Kompliziertheit und bei geringem Kosten- und Konstruktionsaufwand in Fahrzeuge implementiert werden können. Dabei werden grundsätzlich zwei Hybrid-Topologien, der Serienhybrid und der Parallelhybrid unterschieden. Solche Anordnungen sind bereits bekannt und werden ständig weiterentwickelt.
- Beim Serienhybrid sind die Antriebsmaschinen antriebstechnisch hintereinander angeordnet. Dabei dient der Verbrennungsmotor, beispielsweise ein Dieselmotor, als Antrieb für einen Generator, der eine elektrische Maschine speist. Das Fahrzeug wird ausschließlich über den E-Motor angetrieben. Der Verbrennungsmotor ist von den Antriebsrädern entkoppelt und kann daher ständig in einem Betriebspunkt, also bei einem bestimmten Drehmoment und konstanter Drehzahl betrieben werden. Dieses Antriebskonzept eignet sich beispielsweise für Busse im städtischen Kurzstreckenverkehr, wobei vorzugsweise ein Betriebspunkt, bei dem der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors möglichst hoch ist und gleichzeitig Schadstoffemissionen, Kraftstoffverbrauch und Geräuschentwicklung in einem günstigen Bereich liegen, eingestellt wird. Ungünstig wirkt sich beim Serienhybrid dagegen aus, dass der Wirkungsgrad des Antriebs aufgrund der mechanisch-elektrischen Mehrfachumwandlung eingeschränkt ist.
- Demgegenüber bieten Parallelhybrid-Antriebstränge durch eine bezüglich des Kraftflusses parallele Anordnung der Triebstrangaggregate neben der Überlagerung der Antriebsmomente die Möglichkeit der Ansteuerung mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb oder rein elektromotorischem Antrieb. Grundsätzlich kann beim Parallelhybrid der Verbrennungsmotor durch jeweiliges Belasten bzw. Unterstützen mittels einer oder mehrerer elektrischer Maschinen weitgehend bei optimalem Drehmoment betrieben werden, so dass der maximale Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors effektiv genutzt werden kann. Durch die Unterstützung des Verbrennungsmotors verringert sich im Mittel der Kraftstoffverbrauch.
- Da bei kurzzeitigen erhöhten Leistungsanforderungen im sogenannten Boostbetrieb, beispielsweise bei Überholvorgängen, eine Summierung der Antriebsleistung möglich ist, kann der Verbrennungsmotor nahezu ohne Einbußen an Leistung und Fahrkomfort des Fahrzeuges vergleichsweise kleiner, und gewichts- sowie bauraumsparender ausgelegt werden, was sich zusätzlich emissionsverringernd und kostengünstig auswirkt. Die elektrische Maschine kann zudem als integrierter Startergenerator (ISG) zum Start des Verbrennungsmotors über eine Kupplung fungieren. Weiterhin dient die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb zum Laden eines elektrischen Energiespeichers und kann zur Rekuperation eingesetzt werden. Als Getriebe zur Vari ation der Übersetzung des Antriebes der angetriebenen Achsen kommen grundsätzlich alle Formen von Fahrzeuggetrieben in Betracht.
- In einer gängigen Bauweise eines Parallelhybridantriebs ist, wie beispielsweise in der
US 2005/0221947 A1 DE 10 2004 043 589 A1 gezeigt, zwischen der zweiten Kupplung und dem Getriebe eine zweite elektrische Maschine angeordnet ist. - Anstelle einer direkten Anordnung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe bzw. einer direkten kraftschlüssigen Verbindung über eine Kupplung, kann die Elektromaschine auch über ein Planetengetriebe eingekoppelt werden. Dadurch kann die Elektromaschine als elektrodynamisches Anfahrelement (EDA) wirken, wodurch wiederum eine herkömmliche Anfahrkupplung entfallen kann. Ein derartiges Hybrid-System mit EDA ist beispielsweise in Verbindung mit dem automatisierten AS Tronic-Getriebe aus dem Produktionsprogramm der Anmelderin bekannt und besonders für Nutzfahrzeuge im städtischen Verteilerverkehr mit häufigen Anfahr-, Brems- und Rangiervorgängen geeignet.
- Das Ziel zahlreicher Entwicklungen in der Hybridtechnik sind Betriebsstrategien, welche die vorhandenen Hybridkomponenten je nach Fahrsituation bei weitgehender Berücksichtigung von Fahrerwünschen und bei hohem Fahrkomfort möglichst effektiv und energiesparend einsetzen. Dazu ist im Folgenden eine Auswahl an Entwicklungen beschreiben.
- Die
DE 10 2004 043 589 A1 offenbart eine solche Betriebsstrategie in einem Parallelhybrid-Antriebsstrang, beispielsweise in Verbindung mit dem aus dem Produktionsprogramm der Anmelderin bekannten 6-gängigen Stufenautomaten 6HP26, bei der ein von einem eher sportlichen oder eher ökonomischen Fahrstil abhängiger Soll-Ladezustand eines elektrischen Energiespei chers bestimmt wird. Die Antriebsleistung wird entsprechend einer momentanen Antriebsanforderung des Fahrers so auf die Hybridaggregate verteilt, dass dieser Soll-Ladezustand eingehalten wird. Eine besonders sportliche Fahrweise erfordert es, den Energiespeicher möglicht immer bei voller Kapazität zu halten, um die summierte Leistung der Antriebsaggregate beim Boosten zur Verfügung zu stellen. Eine eher ökonomische Fahrweise erfordert es dagegen, den Energiespeicher häufig zu leeren, um die ohnehin anfallende Rekuperationsenergie zum Auffüllen des Speichers effektiv zu nutzen. - Die
WO 2006 111 434 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Elektromaschine und ein Verbrennungsmotor gemeinsam ein angefordertes Sollmoment erzeugen, wobei zur Minimierung einer jeweiligen Drehmomentreserve des Verbrennungsmotors eine momentane Drehmomentreserve der Elektromaschine berücksichtigt wird. - Aus der
WO 2007 020 130 A1 ist ein Verfahren zur Rekuperation bei einem Hybridfahrzeug bekannt, wobei der Anteil der elektrischen Maschine bei der Verzögerung mit einem vom Fahrer ausgeübten Bremsdruck koordiniert wird. - Aus der
US 7 174 980 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebes bekannt, bei dem mit Hilfe einer elektrischen Maschine ein sprunghaftes Schleppmoment-Verhalten des Verbrennungsmotors verhindert und je nach Anforderung eine Schleppmoment-Kennlinie des gesamten Hybridantriebes beeinflusst wird. - Die
DE 10 2005 044 828 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung eines optimalen Betriebspunktes eines Hybridantriebes, wobei ein vom Fahrer angefordertes Antriebsmoment einerseits und ein dynamisches Verhalten der vorhandenen Fahrzeugaggregate, z. B. ein sogenanntes Turboloch, andererseits berücksichtigt werden. Dazu wird ein Optimierungsalgorithmus vorge schlagen, in den vorab bestimmte Kennfelder und aktuelle Randbedingungen, beispielsweise die momentane Fahrpedalstellung und die Fahrzeuggeschwindigkeit, eingehen, die dann auf Variable wie die Drehmomentverteilung zwischen den Antriebsaggregaten und die Getriebeübersetzung angewandt werden. - Die
DE 10 2005 044 268 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Hybridantriebes ein Ladezustand eines Energiespeichers bzw. ein Energiefluss (Abtriebsenergie/elektrische Energie) im Fahrzeug in Abhängigkeit einer Kostenfunktion für den Energieverbrauch oder den Schadstoffausstoß geregelt wird. - In der
DE 699 32 487 T2 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung des Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug beschrieben, wobei auch bei unzureichender Rekuperation in bestimmten Fahrsituationen, beispielsweise bei wiederholt kurz aufeinander folgenden Beschleunigungen und Verzögerungen oder bei einer Steigungsfahrt, der keine unmittelbar folgende Bergabfahrt folgt, ein ausreichender Ladezustand des Speichers eingeregelt wird. - Die
DE 10 2005 049 458 A1 schlägt schließlich eine vorausschauende Strategie vor, bei der, mit Hilfe von digitalen Straßenkarten, Ortungseinrichtungen und in zeitlich-räumlichen Verkehrsmustern abgespeicherten streckenbezogenen Geschwindigkeitsverteilungen, im jeweiligen Streckenabschnitt über eine Zu- bzw. Abschaltung eines Hybridaggregates entschieden wird. - Eine besondere Bedeutung kommt bei einem Hybridfahrzeug der einwandfreie Wechsel zwischen den Antriebsformen im Fahrbetrieb zu. Insbesondere die häufig vorkommenden Starts des Verbrennungsmotors aus rein elektromotorischer Fahrt, beispielsweise im innerstädtischen Verkehr oder im Kolonnenverkehr, sollen zuverlässig und komfortabel erfolgen. Dabei können eine Schaltstrategie und eine Hybrid-Betriebsstrategie derart korreliert sein, dass relativ häufig eine Schaltanforderung mit einer Motorstartanforderung zusammenfällt.
- Bei einem Hybrid-Antriebsstrang mit einem automatisierten Schaltgetriebe mit einer Zugkraftunterbrechung beim Gangwechsel wird üblicherweise der Motorstart ab demjenigen Zeitpunkt eingeleitet, ab dem das Getriebe in Neutral geschaltet ist. Dafür muss zunächst das am Getriebeeingang anliegende Drehmoment abgesenkt werden, um den aktuell eingelegten Gang auslegen zu können. Bei elektrischer Fahrt wird dazu in der Regel das Antriebsmoment der Elektromaschine verringert. Danach wird eine Kupplung zur Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine eingerückt und das Antriebsmoment der Elektromaschine erneut angehoben, um den Verbrennungsmotor in der zugkraftunterbrochenen Schaltpause zu starten. Anschließend kann das Getriebe in üblicher Weise auf die Anschlussdrehzahl des Zielganges synchronisiert und der Zielgang eingelegt werden.
- Nachteilig bei diesem herkömmlichen Motorstartverfahren ist, dass sich die Schaltzeit durch den Start des Verbrennungsmotors in der Schaltpause signifikant verlängern kann. Weiterhin tritt durch den Auf- und Abbau des Drehmomentes an der elektrischen Maschine ein zusätzlicher Lastwechsel im Antriebsstrang auf, der den Schaltkomfort und die Langlebigkeit der Antriebsstrangkomponenten ungünstig beeinflussen kann.
- Aus der
DE 199 04 129 C1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem der Schaltvorgang bei einem automatisierten Schaltgetriebe verkürzt werden kann. Dabei wird, sobald ein Gangwechsel signalisiert ist, beispielsweise dadurch, dass der Fahrer den Schalthebel antippt, das Motormoment des Antriebsaggregates, unabhängig von einer momentanen Fahrpedalbetätigung, durch eine entsprechende Ansteuerung abgesenkt, um das Antriebsstrang-Drehmoment zu verringern, da aus dem Antriebsstrangmoment eine dem Gangauslegen entgegenwirkende Kraft resultiert. Gleichzeit wird eine Schaltkraft, beispielsweise ein Hydraulikdruck, an einem Stellglied des auszulegenden Ganges aufgebaut, mit der Folge, dass sobald die aufgebrachte Schaltkraft das sich abbauende entgegenwirkende Moment übersteigt, der Gang ausgelegt werden kann. Da dies unabhängig davon erfolgt, ob die Kupplung noch eingerückt oder bereits ausgerückt ist, kann im Ergebnis der Schaltvorgang zeitlich verkürzt werden. Um die Belastung des Antriebsstranges bei derartigen Schaltvorgängen zu begrenzen, wird die Schaltkraft des jeweiligen Stellgliedes vorzugsweise so eingestellt, dass das Drehmoment am Getriebeeingang im Bereich von Null ist, wenn das Auslegen des Ganges erfolgt. - In dieser Druckschrift wird zwar erwähnt, dass das Verfahren auch bei einem Elektromotor als Antriebsaggregat oder allgemein bei einem Hybridantrieb durchgeführt werden kann. Der Fachmann findet darin jedoch keine Hinweise auf einen Startablauf des Verbrennungsmotors aus elektrischer Fahrt während eines Schaltvorganges.
- Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes mit einem Verbrennungsmotor, einer elektrischen Maschine und einem automatisierten Schaltgetriebe anzugeben, die einen Start des Verbrennungsmotors über die elektrische Maschine bei einem Schaltvorgang mit einem hohen Betriebskomfort bei gleichzeitig zeitlich kurzem Schaltablauf ermöglichen.
- Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Schaltablauf bei einem zugkraftunterbrochenen Gangwechsel bei einem automatisierten Getriebe in einem Hybridantrieb durch eine mit dem Gangwechsel zusammenfallende Motorstartanforderung zum Start des Verbrennungsmotors nicht über die übliche getriebeinterne Schaltzeit hinaus verlängert wird, wenn der Motorstart bereits vor der zugkraftunterbrochenen Schaltphase eingeleitet wird, so dass der Verbrennungsmotor möglichst schon in der Schaltpause läuft. Dies wird durch ein Einleiten des zum Auslegen des Ganges beim Gangwechsel am Getriebeeingang abzusenkenden Drehmomentes in die Kurbelwelle des zunächst noch stillstehenden Verbrennungsmotors ermöglicht.
- Demnach geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug einen Antriebsstrang aufweist, der im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor, wenigstens eine ansteuerbare Kupplung, wenigstens eine elektrische Maschine und ein automatisiertes Schaltgetriebe umfasst, bei dem der Verbrennungsmotor über die wenigstens eine Kupplung mit der elektrischen Maschine kraftschlüssig verbindbar und mittels der elektrischen Maschine startbar ist, wobei ein Start des Verbrennungsmotors mit einem Gangwechsel des Schaltgetriebes koordinierbar ist.
- Unter einem automatisierten Schaltgetriebe wird ein Getriebe mit zugkraftunterbrochenen Schaltvorgängen verstanden, wobei entsprechende Stellorgane zum Ein- und Ausrücken der Übersetzungsstufen automatisch ansteuerbar und betätigbar sind.
- Unter einem Gangwechsel wird ein zugkraftunterbrochener Schaltvorgang verstanden, bei dem eine Ursprungsgangstufe ausgelegt und eine Zielgangstufe eingelegt wird. Grundsätzlich schließt dies auch den Spezialfall ein, dass eine Ursprungsgangstufe (eingelegter Gang) und eine Zielgangstufe (einzulegender Gang) gleich sind, d. h. dass zwar eine Schaltung, jedoch keine Übersetzungsänderung erfolgt.
- Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung folgende Verfahrensschritte vor:
- a) Erfassen einer Schaltanforderung zum Gangwechsel des Schaltgetriebes zwischen einer eingelegten Ursprungsgangstufe und einer einzulegenden Zielgangstufe sowie einer Startanforderung zum Starten des Verbrennungsmotors aus elektrischer Fahrt bei geöffneter Kupplung unter Berücksichtigung einer Mindeststartdrehzahl der elektrischen Maschine als eine Startbedingung,
- b) Absenken eines Drehmomentes an einer mit der Kupplung wirkverbundenen Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes durch Ansteuern der Kupplung in Schließrichtung,
- c) Auslegen der Ursprungsgangstufe beim Erreichen eines Nulldurchganges des Drehmomentes an Getriebeeingangswelle,
- d) Ausüben eines Schleppmomentes auf den Verbrennungsmotor über ein Antriebsmoment der elektrischen Maschine überlappend mit den beiden vorigen Schritten b) und c) bis zum Anlaufen des Verbrennungsmotors,
- e) Vollständiges Schließen der Kupplung und Einstellen eines überlagerten Antriebsmomentes der elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors in Koordination mit einem vorgegebenen Schaltablauf zum Einlegen einer Zielgangstufe.
- Durch diesen Ablauf wird vorteilhaft erreicht, dass Schaltungen mit zeitgleichem Start des Verbrennungsmotors bei einem derartigen Hybridantriebsstrang gleich schnell oder wenigstens annähernd gleich schnell wie bei reinen Schaltungen ohne Start des Verbrennungsmotors erfolgen. Dabei bleibt das Antriebsmoment an der elektrischen Maschine im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren mit wechselndem Momentenabbau zum Gangauslegen und Momentenaufbau zum Starten des Motors weitgehend konstant. Dadurch werden zusätzliche Lastwechsel im Antriebsstrang vermieden, wodurch der Be triebskomfort des Hybridantriebes erhöht wird und die Triebstrangkomponenten mechanisch geschont werden.
- Weiterhin wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst. Dazu geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges, mit einen Antriebsstrang, im wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine, eine ansteuerbare Kupplung zur kraftschlüssigen Verbindung des Verbrennungsmotors mit der elektrischen Maschine, ein automatisiertes Schaltgetriebe und eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Kupplung. Zudem ist vorgesehen, dass mittels einer entsprechend ausgebildeten Steuerungseinheit die Kupplung, ausgehend von einer rein elektromotorischen Fahrt bei offener Kupplung, derart steuerbar ist, dass bei weitgehend konstantem elektrischen Antriebsmoment der elektrischen Maschine ein auf das Schaltgetriebe wirksames Drehmoment an einer Getriebeeingangswelle den Wert Null durchläuft, während auf den Verbrennungsmotor ein Schleppmoment übertragen wird, so dass eine eingelegte Gangstufe bei drehmomentfreiem Schaltgetriebe auslegbar ist und der Verbrennungsmotor während der Übertragung des Schleppmomentes startbar ist.
- Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren bei allen Arten von Land-, Wasser- und Luft-Fahrzeugen mit derartigen Parallelhybrid-Antriebssträngen einsetzbar.
- Der Startablauf des Verbrennungsmotors erfolgt vorzugsweise in drei Phasen:
Eine erste Phase geht aus von einer Betriebssituation, in der das Fahrzeug mit rein elektromotorischem Antrieb fährt, also bei offener Kupplung und mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Eine Hybrid-Betriebsstrategie in Form von Steuerungs- und Regelungsprogrammen gibt den Befehl aus, dass der Verbrennungsmotor gestartet wird. Dieser Befehl ist mit einem durch eine Schaltstrategie initiierten Gangwechsel zeitlich koordiniert. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein überwachter Ladezustand eines elektrischen Antriebsenergiespeichers einen Schwellwert unterschreitet, d. h. insbesondere bei leerer oder nahezu leerer Antriebsenergiebatterie oder wenn eine zur Verfügung stehende Antriebsdrehmomentreserve der elektrischen Maschine zur Erfüllung einer momentanen oder sehr bald zu erwartenden Antriebsdrehmomentanforderung unzureichend ist, also bei zu geringem elektrischen Antriebsmoment. - Grundsätzlich kann die Startanforderung zum Starten des Verbrennungsmotors jedoch auch direkt von dem Fahrer erfolgen, wenn dieser dies aus der von ihm wahrgenommenen Fahrsituation heraus für zweckmäßig oder wünschenswert hält und dies über ein geeignetes Betätigungsorgan und einem Sensor entsprechend signalisiert. Als eine Startbedingung ist eine Mindeststartdrehzahl der elektrischen Maschine festgelegt. Diese kann bevorzugt eine Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors sein. Dadurch ist sichergestellt, dass die Elektromaschine in der Lage ist, einen Schleppstart des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen dessen Leerlaufdrehzahl durchzuführen.
- In einer zweiten Phase wird das am Getriebeeingang anliegende Drehmoment abgesenkt, damit der eingelegte Gang bei drehmomentfreiem Getriebe ausgelegt werden kann. Dazu wird die vorzugsweise als Reibkupplung ausgebildete Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine so in Schließrichtung angesteuert, also teilweise eingerückt, dass die stehende Kurbelwelle des Verbrennungsmotors das Drehmoment aufnimmt und am Getriebeeingang das Drehmoment abfällt. Gegen Ende dieser Phase wird der Gang ausgelegt, wenn das Drehmoment am Getriebeeingang durch den Schließvorgang der Kupplung einen Nulldurchgang durchläuft, also kurzfristig den Wert Null annimmt bzw. kein Drehmoment am Getriebeeingang anliegt.
- Der Start des Verbrennungsmotors wird einer dritten Phase zugeordnet. Dabei liegt an der Kurbelwelle ein zum Anschleppen des Verbrennungsmotors ausreichend großes Drehmoment an, so dass mit dem Anschleppen des Verbrennungsmotors begonnen werden kann oder die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bereits von der Elektromaschine gedreht wird. Bei einer (selbständigen) Kraftstoffeinspritzung läuft der Motor an. Anschließend wird die zuvor teilweise eingerückte Kupplung vollständig geschlossen, so dass – wenn der motorische Betrieb der Elektromaschine nicht abgeschaltet wird – ein summiertes Antriebsmoment beider Antriebsaggregate am Antriebsstrang zur Verfügung steht.
- Der Schaltablauf kann dann in herkömmlicher Weise mit einer Synchronisierung der zusammenwirkenden Gangelemente fortgesetzt und mit dem Einrücken des gewünschten Zielganges abgeschlossen werden, wobei das Antriebsmoment bzw. Summenmoment der Antriebsaggregate entsprechend einem konventionellen Schaltablauf eingestellt wird.
- Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
-
1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebes zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 ein Drehzahlverlauf eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine bei der Durchführung des Verfahrens, und -
3 ein Drehmomentenverlauf der Elektromaschine und einer Kupplung bei der Durchführung des Verfahrens. - Demnach ist in
1 ein Schema eines Fahrzeug-Hybridantriebes1 mit einem Parallelhybrid – Antriebsstrang2 dargestellt, wie er beispielsweise für ein Nutzfahrzeug (Lkw, Bus, Sonderfahrzeug) vorgesehen sein kann. Der Aufbau eines derartigen Antriebsstrangs2 ist dem Fachmann an sich bekannt. Der Antriebsstrang2 weist einen Verbrennungsmotor3 auf, beispielsweise einen Dieselmotor, der über eine, vorteilhaft als Reibkupplung ausgebildete, Kupplung4 mit einer elektrischen Maschine5 verbindbar ist. Wesentlich für die Erfindung ist eine erfindungsgemäße Steuerung dieses Antriebstranges2 , insbesondere der Kupplung4 . - Der elektrischen Maschine
5 ist ein automatisiertes Schaltgetriebe7 antriebstechnisch nachgeordnet. Die elektrische Maschine5 ist in nicht näher dargestellter und erläuterter Weise über eine zweite Kupplung oder über getriebeinterne Schaltelemente mit dem Schaltgetriebe zur Antriebsmomentübertragung verbindbar. In der1 ist zur Vereinfachung als Verbindungselement zur Drehmomentübertragung zwischen der Elektromaschine5 und dem Schaltgetriebe7 lediglich eine Getriebeeingangswelle6 angedeutet. - Dem Schaltgetriebe
7 kann ein nicht näher erläuterter Nebenabtrieb (PTO: Power Take-Off)8 nachgeordnet sein. Über das Übersetzungsgetriebe7 und ein Differenzial9 kann ein jeweils anliegendes Abtriebsmoment des Hybridantriebes1 in herkömmlicher Weise an eine Antriebsachse10 und über diese an die Antriebsräder11 weitergeleitet werden. - Die Elektromaschine
5 kann je nach Betriebssituation als elektrisches Antriebsaggregat oder als Generator betrieben werden. Dazu ist sie mit einem Umrichter12 verbunden, der von einem Umrichter-Steuergerät13 ansteuerbar ist. Über den Umrichter12 ist die Elektromaschine5 mit einem elektrischen Antriebsenergiespeicher14 , beispielsweise einer 340 V-Hochvolt-Batterie (auch Supercaps sind möglich), verbunden. Im motorischen Betrieb wird die Elektromaschine5 vom Energiespeicher14 mit elektrischer Energie gespeist. Im generatorischen Betrieb, d. h. bei Antrieb über den Verbrennungsmotor3 und/oder im Rekuperationsbetrieb, wird der Energiespeicher14 über die Elektromaschine5 aufgeladen. Weiterhin fungiert die Elektromaschine5 als integrierter Startergenerator (ISG) zum Starten des Verbrennungsmotors3 . - Der Hochvoltkreis des Energiespeichers
14 bzw. die daran angeschlossenen Steuergeräte sind über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC)15 an ein Bordnetz (24 V oder 12 V)16 angeschlossen. Der Energiespeicher14 ist über ein Batteriemanagementsystem (BMS)17 bezüglich seines Ladezustandes (SOC: State of Charge) überwach- und regelbar. Der Gleichspannungswandler15 ist über ein Gleichspannungswandler-Steuergerät18 ansteuerbar. Zudem ist ein Steuergerät19 für nicht näher erläuterte Bremsregelungsfunktionen, insbesondere ein Antiblockiersystem (ABS) bzw. ein elektronisches Bremssystem (EBS) sowie ein weiteres Steuergerät20 für eine elektronische Dieseleinspritzregelung (EDC) des beispielhaft als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors3 vorgesehen. Die einzelnen genannten Steuergeräte können auch, wenigstens zum Teil, in einem Steuergerät zusammengefasst sein. - Weiterhin ist eine integrierte Steuerungseinrichtung
21 angeordnet, in der ein Getriebesteuergerät (TCU: Transmission Control Unit), ein Hybridsteuergerät (HCU: Hybrid Control Unit) sowie verschiedene Betriebsfunktionen zusammengefasst sind. Der Steuerungseinrichtung21 ist eine Steuerungseinheit25 zur Ansteuerung der Kupplung4 zugeordnet, die auch in die Steuerungseinrichtung21 integriert sein kann. - Eine jeweilige Antriebsenergieverteilung und Funktionssteuerung der einzelnen Komponenten des Hybridantriebs ist über eine zentrale Strategie-Einheit
22 steuerbar, die, vorteilhaft über einen Datenbus (z. B. CAN)23 , mit der Steuerungseinrichtung21 und der Steuereinheit25 sowie den relevanten Steuergeräten13 ,17 ,18 ,19 signaltechnisch verbunden ist. - Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben, welches mit dem Hybridantrieb
1 durchführbar ist. Das Verfahren wird in drei Phasen I, II und III durchgeführt. Zur Verdeutlichung dieser drei Phasen I, II, III sind in2 zeitliche Verläufe nEM, nVM der Drehzahlen der Elektromaschine5 und des Verbrennungsmotors3 sowie in3 zeitliche Verläufe MEM, MK der Drehmomente der Elektromaschine5 und der Kupplung4 dargestellt. - Phase I: Bei elektrischer Fahrt, bei welcher der Verbrennungsmotor
3 steht und die Kupplung4 geöffnet ist, soll der Verbrennungsmotor3 gestartet werden, beispielsweise weil die elektrische Energie der Antriebsbatterie14 recht bald erschöpft sein wird. Zeitgleich ist von der Betriebsstrategie22 oder signalisiert durch den Fahrer ein Gangwechsel vorgesehen. Die Elektromaschine5 läuft bei konstanter Drehzahl nEM oberhalb einer vorgesehenen Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors3 und mit konstantem Antriebsmoment MEM. - Phase II. Über die Steuerungseinheit
25 wird die Kupplung4 in Schließrichtung angesteuert, so dass deren Reibpartner kontaktieren, wodurch ein ansteigendes Kupplungsmoment MK erzeugt wird (3 ). Die Teilschließung der Kupplung4 bewirkt am Getriebeeingang6 einen Drehmomentabfall. Wenn das Drehmoment am Getriebeeingang6 Null ist, wird über die Steuerungseinrichtung21 der aktuell eingelegte Gang ausgelegt. - Phase III. Gleichzeitig greift das unveränderte Antriebsmoment MEM der Elektromaschine
5 an der Kurbelwelle24 des Verbrennungsmotors3 an, so dass diese mitgeschleppt wird und entsprechend des Zündzeitpunktes bei der Kraftstoffeinspritzung startet, worauf die Drehzahl nVM des Verbrennungsmotors ansteigt. Die Kupplung4 wird dann vollständig geschlossen, wodurch das übertragene Kupplungsmoment MK konstant ist (3 ) und die Drehzahlverläufe nVM, nEM von Verbrennungsmotor3 und Elektromaschine5 sich angleichen (2 ). Verbrennungsmotor3 und Elektromaschine5 laufen nun im Block um. Ein resultierendes Summendrehmoment der Antriebsaggregate3 und5 wird so eingestellt, dass es einem konventionellen Schaltablauf entspricht. In der zugkraftunterbrochenen Phase der Synchronisation des Getriebes7 bis zum Einrücken des Zielganges läuft der Verbrennungsmotor3 somit bereits und steht, ohne den Schaltablauf zu verlängern, unmittelbar als Antriebsquelle zur Verfügung. -
- 1
- Hybridantrieb
- 2
- Antriebsstrang
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Kupplung
- 5
- Elektrische Maschine
- 6
- Getriebeeingangswelle
- 7
- Automatisiertes Schaltgetriebe
- 8
- Nebenabtrieb
- 9
- Differenzial
- 10
- Antriebsachse
- 11
- Fahrzeugrad
- 12
- Umrichter
- 13
- Umrichter-Steuergerät
- 14
- Elektrischer Antriebsenergiespeicher
- 15
- Gleichspannungswandler
- 16
- Bordnetz
- 17
- Batteriemanagementsystem
- 18
- Spannungswandler-Steuergerät
- 19
- Elektronische Bremsregelung
- 20
- Elektronische Dieseleinspritzregelung
- 21
- Steuerungseinrichtung
- 22
- Betriebsstrategie-Einheit
- 23
- Datenbus
- 24
- Kurbelwelle
- 25
- Kupplungs-Steuereinheit
- n
- Drehzahl
- nEM
- Drehzahl der elektrischen Maschine
- nVM
- Drehzahl des Verbrennungsmotors
- M
- Antriebsmoment
- MEM
- Drehmoment der elektrischen Maschine
- MK
- Drehmoment an der Kupplung
- t
- Zeit
- 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
-
- - US 2005/0221947 A1 [0007]
- - DE 102004043589 A1 [0007, 0010]
- - WO 2006111434 A1 [0011]
- - WO 2007020130 A1 [0012]
- - US 7174980 B2 [0013]
- - DE 102005044828 A1 [0014]
- - DE 102005044268 A1 [0015]
- - DE 69932487 T2 [0016]
- - DE 102005049458 A1 [0017]
- - DE 19904129 C1 [0021]
Claims (7)
- Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebes (
1 ) eines Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug einen Antriebsstrang (2 ) aufweist, der im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor (3 ), wenigstens eine ansteuerbare Kupplung (4 ), wenigstens eine elektrische Maschine (5 ) und ein automatisiertes Schaltgetriebe (7 ) umfasst, bei dem der Verbrennungsmotor (3 ) über die wenigstens eine Kupplung (4 ) mit der elektrischen Maschine (5 ) kraftschlüssig verbindbar und mittels der elektrischen Maschine (5 ) startbar ist, wobei ein Start des Verbrennungsmotors (3 ) mit einem Gangwechsel des Schaltgetriebes (7 ) koordinierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind: f) Erfassen einer Schaltanforderung zum Gangwechsel des Schaltgetriebes (7 ) zwischen einer eingelegten Ursprungsgangstufe und einer einzulegenden Zielgangstufe sowie einer Startanforderung zum Starten des Verbrennungsmotors (3 ) aus elektrischer Fahrt bei geöffneter Kupplung (4 ) unter Berücksichtigung einer Mindeststartdrehzahl der elektrischen Maschine (5 ) als eine Startbedingung, g) Absenken eines Drehmomentes an einer mit der Kupplung (4 ) wirkverbundenen Getriebeeingangswelle (6 ) des Schaltgetriebes (7 ) durch Ansteuern der Kupplung (4 ) in Schließrichtung, h) Auslegen der Ursprungsgangstufe beim Erreichen eines Nulldurchganges des Drehmomentes an Getriebeeingangswelle (6 ), i) Ausüben eines Schleppmomentes auf den Verbrennungsmotor (3 ) über ein Antriebsmoment der elektrischen Maschine (5 ) überlappend mit den beiden vorigen Schritten b) und c) bis zum Anlaufen des Verbrennungsmotors (3 ), j) Vollständiges Schließen der Kupplung (4 ) und Einstellen eines überlagerten Antriebsmomentes der elektrischen Maschine (5 ) und des Verbrennungsmotors (3 ) in Koordination mit einem vorgegebenen Schaltablauf zum Einlegen einer Zielgangstufe. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Startbedingung vorgegebene Mindeststartdrehzahl eine Leerlaufdrehzahl oder eine oberhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (
3 ) liegende Drehzahl ist. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Startanforderung zum Starten des Verbrennungsmotors (
3 ) über eine Hybrid-Betriebstrategie erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Start des Verbrennungsmotors (
3 ) eingeleitet wird, wenn ein überwachter Ladezustand eines elektrischen Antriebsenergiespeichers (14 ) einen Schwellwert unterschreitet. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Start des Verbrennungsmotors (
3 ) eingeleitet wird, wenn eine zur Verfügung stehende Antriebsmomentreserve der elektrischen Maschine (5 ) zur Erfüllung einer momentanen oder sehr bald zu erwartenden Antriebsmomentanforderung zu gering ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Startanforderung zum Starten des Verbrennungsmotors (
3 ) über eine Fahreranforderung erfolgt. - Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes (
1 ) eines Fahrzeuges, mit einen Antriebsstrang (2 ), im wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor (3 ), eine elektrische Maschine (5 ), eine ansteuerbare Kupplung (4 ) zur kraftschlüssigen Verbindung des Verbrennungsmotors (3 ) mit der elektrischen Maschine (5 ), ein automatisiertes Schaltgetriebe (7 ) und eine Steuerungseinheit (25 ) zur Ansteuerung der Kupplung (4 ), dadurch gekennzeich net, dass die Steuerungseinheit (25 ) derart ausgebildet ist, dass ausgehend von einer rein elektromotorischen Fahrt bei offener Kupplung (4 ) die Kupplung (4 ) derart steuerbar ist, dass bei weitgehend konstantem elektrischen Antriebsmoment der elektrischen Maschine (5 ) ein auf das Schaltgetriebe (7 ) wirksames Drehmoment an einer Getriebeeingangswelle (6 ) den Wert Null durchläuft, während auf den Verbrennungsmotor (3 ) ein Schleppmoment übertragen wird, so dass eine eingelegte Gangstufe bei drehmomentfreiem Schaltgetriebe (7 ) auslegbar ist und der Verbrennungsmotor (3 ) während der Übertragung des Schleppmomentes startbar ist.
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WO (1) | WO2009077323A2 (de) |
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