DE102008027658A1 - Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs, bei dem die von einer Brennkraftmaschine und von einer elektrischen Antriebsmaschine erzeugbaren Drehmomente je nach Betriebszustand einzeln oder additiv auf eine Getriebeeingangswelle einer Automatikgetriebeeinrichtung wirken und bei dem die Brennkraftmaschine und die elektrische Antriebsmaschine je nach Betriebszustand über eine steuerbare Kupplungseinrichtung miteinander koppelbar oder voneinander trennbar sind. Gemäß der Erfindung wird ausgehend von einem Fahrbetriebsmodus, in dem die Brennkraftmaschine deaktiviert und über die Kupplungseinrichtung von der elektrischen Antriebsmaschine entkoppelt ist, ein Starten der Brennkraftmaschine durchgeführt, indem über die Automatikgetriebeeinrichtung eine höhere Übersetzungsstufe eingestellt und die Kupplungeinrichtung derart angesteuert wird, dass zwischen elektrischer Antriebsmaschine und Brennkraftmaschine eine zumindest teilweise kraftschlüssige Kopplung zum Anschleppen der Brennkraftmaschine hergestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren zum Starten bzw. Zustarten der Brennkraftmaschine eines fahrenden Hybridfahrzeugs bekannt. So beschreibt die DE 10 2006 022 395 A1 in ihrem einleitenden Teil ein Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine und elektrischer Antriebsmaschine, wobei – ausgehend von einem elektrischen Fahrbetrieb mit deaktivierter und vom Antriebsstrang entkoppelter Brennkraftmaschine – durch einen so genannten Impulsstart die Brennkraftmaschine bei Bedarf gestartet und zugeschaltet werden kann. Hierfür wird zuerst die Drehzahl der antreibenden elektrischen Maschine erhöht und zeitgleich eine zwischen elektrischer Maschine und Getriebeeinrichtung angeordnete Trennkupplung derart angesteuert (schlupfend betrieben), dass das gemäß Fahrerwunsch vorgegebene Wunschmoment nicht beeinträchtigt wird. Anschließend wird eine zwischen elektrischer Maschine und Brennkraftmaschine angeordnete Trennkupplung geschlossen, um die Brennkraftmaschine zu beschleunigen und zuzustarten. Zeitgleich muss die getriebeseitige Trennkupplung derart angesteuert werden, dass der Schlupf reduziert und das eingestellte Fahrerwunschmoment beibehalten wird.
  • Als eine andere Maßnahme zum Starten der Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs, ausgehend von einem elektrischen Fahrbetrieb, wird gemäß der DE 10 2006 022 395 A1 vorgeschlagen, die bei einem Impulsstart der Brennkraftmaschine auftretende Drehzahländerung der auch zum Impulsstart eingebundenen elektrischen Antriebsmaschine durch kontinuierliche Änderungen der Getriebeübersetzung zu kompensieren. Hierfür wird bei einer aufgrund des Impulsstarts auftretenden Drehzahländerung (Verringerung der Drehzahl) das Übersetzungsverhältnis eines automatischen Getriebes entsprechend reduziert – es erfolgt eine automatische Schaltung in eine niedrigere Gangstufe (z. B. von Gangstufe 2 in Gangstufe 1).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Starten bzw. Zustarten einer Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll durch dass angegebene Verfahren ein möglichst schnelles Zustarten der Brennkraftmaschine ermöglicht werden. Ferner soll es zu keinen drehzahländerungsbedingten Komforteinbußen für die Fahrzeuginsassen kommen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem so genannten Parallelhybridfahrzeug – welches sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Antriebsmomente von elektrischer Maschine und Brennkraftmaschine bei gemeinsamem Betrieb der Antriebsmaschinen sich zu einem Gesamtantriebsmoment aufaddieren – ausgehend von einem Fahrbetriebsmodus, in dem die Brennkraftmaschine deaktiviert und über die Kupplungseinrichtung von der elektrischen Antriebsmaschine kraftmäßig getrennt ist, ein Starten bzw. Zustarten der Brennkraftmaschine erfolgt, indem über die Automatikgetriebeeinrichtung eine höhere Übersetzungsstufe eingestellt und die Kupplungseinrichtung derart angesteuert wird, dass zwischen elektrischer Antriebsmaschine und Brennkraftmaschine eine zumindest teilweise kraftschlüssige Kopplung zum Anschleppen der Brennkraftmaschine hergestellt wird. Mit Vorteil wird die Brennkraftmaschine bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahlschwelle zumindest durch die Zufuhr von Kraftstoff gestartet. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Zustarten der Brennkraftmaschine erfolgt mit Vorteil in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern – insbesondere sobald ein vorbestimmter elektrischer Fahrbereich verlassen wird. Dieser elektrische Fahrbereich definiert sich vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC state of charge) der die elektrische Antriebsmaschine versorgenden Energiespeichereinrichtung und/oder in Abhängigkeit von der aktuell vorliegenden Fahrzeuggeschwindigkeit in Verbindung mit der aktuellen Lastanforderung (bzw. dem aktuellen Fahrerwunsch). Ferner ist vorgesehen, die Schaltpunkte für elektromotorisches Fahren unterschiedlich von denen für brennkraftmotorisches Fahren zu wählen. Auch ist aufgrund der Betriebsstrategie vorgesehen, sofern dies der Ladezustand der die elektrische Antriebsmaschine versorgenden Energiespeichereinrichtung zulässt, das Kraftfahrzeug in einem vorbestimmten unteren Geschwindigkeitsbereich (z. B. bis etwa 55 km/h) ausschließlich elektromotorisch anzutreiben und bei Überschreiten einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit die Brennkraftmaschine zu starten und das Kraftfahrzeug zumindest anteilig über die Brennkraftmaschine anzutreiben. Während des elektromotorischen Antriebs wird das Kraftfahrzeug z. B. ausschließlich in der ersten oder der zweiten Gangstufe betrieben, so dass jederzeit eine im Wesentlichen wirkungsgradoptimierte Betriebsweise der elektrischen Maschine realisiert werden kann.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in besonders effizienter Weise ein Start bzw. Zustart der Brennkraftmaschine erreicht, indem das durch eine Hochschaltung freiwerdende rotatorische Moment der elektrischen Antriebsmaschine zum Antreiben der Brennkraftmaschine verwendet wird. Zusätzliche elektrische Energie zur Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine im Vorfeld eines Brennkraftmaschinenzustarts ist nicht erforderlich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Startvorgang der Brennkraftmaschine, bei dem diese durch das aufgrund der Hochschaltung freiwerdende rotatorische Moment der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird, durch den Betrieb einer zusätzlichen separaten Startereinrichtung (z. B. einen herkömmlichen Riemenstarter) unterstützt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Startvorgang der Brennkraftmaschine auch durch einen so genannten Direktstart unterstützt werden, indem, entweder unmittelbar vor dem Antrieb der Brennkraftmaschine (also bei nicht rotierender Kurbelwelle) durch die elektrische Antriebsmaschine oder während des Antriebs durch die elektrische Antriebsmaschine, die Brennkraftmaschine durch Wiederaktivierung der Kraftstoffzufuhr mit einem Luft/Kraftstoffgemisch versorgt wird, welches dann gezündet wird.
  • Bevorzugt ist die Automatikgetriebeeinrichtung als Stufenautomatikgetriebe ausgeführt, wobei die Erhöhung der Gangstufe zur Erzeugung des freiwerdenden rotatorischen Moments der elektrischen Antriebsmaschine durch Einstellung einer Übersetzungsstufe um mindestens zwei Gangstufen erfolgt (z. B. von Gangstufe 2 in Gangstufe 4). Alternativ kann eine derartige Erhöhung der Übersetzung auch über eine stufenlose Automatikgetriebeeinrichtung – ein so genanntes CVT – dargestellt werden.
  • Grundsätzlich wird beim Zustarten der Brennkraftmaschine – ausgehend von einem Fahrbetrieb, bei dem das Kraftfahrzeug ausschließlich durch die elektrische Antriebsmaschine angetrieben wird und bei dem die Brennkraftmaschine vom Antriebsstrang bzw. der Getriebeeingangswelle entkoppelt ist – zwischen zwei sich unterscheidenden Start- bzw. Zustartarten unterschieden. Dabei erfolgt die Auswahl der Zustartart gemäß der in einem zentralen Steuergerät hinterlegten Betriebsstrategie in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern wie dem Ladezustand der die elektrische Antriebsmaschine versorgenden Energiespeichereinrichtung und/oder der vorliegenden Fahrzeuggeschwindigkeit in Verbindung mit der aktuell vorliegenden Lastanforderung (bzw. der zeitlichen Änderung der Lastanforderung – z. B. Fahrpedalgradient).
  • Eine erste Startart erfolgt in Abhängigkeit von der Lastanforderung, wobei bei Erreichen einer vorbestimmten Mindest-Lastanforderung (bzw. bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Lastanforderungsänderung) der Start der Brennkraftmaschine schnellstmöglich durch Aktivierung einer separaten Startereinrichtung initiiert wird. Bei dieser Art von Start kann vielmehr unmittelbar eine Rückschaltung in eine niedrigere Gangstufe erfolgen, um die anstehende erhöhte Lastanforderung so schnell wie möglich umzusetzen.
  • In einer zweiten Startart, wird die Brennkraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gestartet, wobei in diesem Fall keine erhöhte Lastanforderung vorliegt. Diese Startart erfolgt insbesondere sobald der die elektrische Antriebsmaschine versorgende Energiespeicher eine vorbestimmte Ladeschwelle unterschreitet oder wenn aufgrund einer schleichenden Erhöhung der Lastanforderung (z. B. mit einem Fahrpedalgradienten kleiner einem vorbestimmten Grenzgradienten) ein Start der Brennkraftmaschine erforderlich wird bzw. sinnvoll erscheint.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1: den Antriebsstrang eines so genannten Parallelhybridfahrzeugs in einer schematischen Darstellung, und
  • 2: die Momentenkennlinie einer elektrischen Antriebsmaschine.
  • 1 zeigt den Antriebsstrang eines so genannten Parallelhybridfahrzeugs, bei dem für den Fall, dass beide Antriebseinrichtungen (Elektromaschine und Brennkraftmaschine) zur Erzeugung von Antriebsmoment in den Antriebsstrang eingekoppelt sind und entsprechend angesteuert werden, das resultierende Gesamtantriebsmoment sich aus der Addition beider Einzelmomente ergibt. Der Antriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine 2 zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments, eine über eine steuerbare Kupplungseinrichtung (im Folgenden auch als Trennkupplung bezeichnet) 4 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 gekoppelte elektrische Maschine 6 zur Erzeugung eines zweiten Antriebsmoments sowie eine mit der elektrischen Maschine 6 ausgangsseitig verbundene bzw. an diese angekoppelte Automatikgetriebeeinrichtung 8. Dabei ist die elektrische Maschine 6 mit Vorteil über eine weitere steuerbare Trennkupplung 10 mit der Eingangswelle der Automatikgetriebeeinrichtung 8 verbunden. Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine 2 bzw. deren Kurbelwelle (vorzugsweise an ihrem der Trennkupplung 4 abgekehrten Ende) über einen Riemenantrieb oder dergleichen mit einer separaten Startereinrichtung 12 gekoppelt. Zur Steuerung der Antriebsstrangkomponenten sind diese beispielsweise über ein Bussystem BUS mit einer zentralen Steuereinrichtung 14 verbunden, über die ein Start der Brennkraftmaschine 2 (etwa in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsparametern) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann. Der Rotor der elektrischen Maschine 6, die sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden kann, ist zwischen Brennkraftmaschinenausgangswelle und Getriebeeingangswelle angeordnet.
  • In 2 ist die Momentenkennlinie der elektrischen Maschine 6 schematisch dargestellt. Wie jede elektrische, motorisch betriebene Maschine liefert auch die elektrische Antriebsmaschine 6 unmittelbar nach dem Start (n > 0) ein sehr hohes Drehmoment Mmax – weshalb sich Elektromotoren grundsätzlich für den Anfahrbetrieb und den Fahrbetrieb bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten besonders gut eignen. Elektromotoren stellen daher drehmomenttechnisch gesehen eine ideale Ergänzung zur Brennkraftmaschine dar, da diese erst ab einer bestimmten höheren Drehzahl ein nennenswertes Drehmoment erzeugt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird – ausgehend von einem rein elektrischen Fahrbetrieb – zu einem Zeitpunkt, zu dem die elektrische Maschine 6 bei einer bestimmten Gangstufe (z. B. Gangstufe 1) mit einer Drehzahl n1 von z. B. 3000 U/min betrieben wird und ein bestimmtes erstes Antriebsmoment M1 erzeugt, über die Steuereinrichtung 14 ein Hochschaltbefehl generiert und an die Automatikgetriebeeinrichtung 8 weitergeleitet. Durch die hierdurch eingeleitete automatische Hochschaltung (zu einem Zeitpunkt, zu dem die Leistungsanforderung bzw. deren Gradient kleiner/gleich einer vorbestimmten Schwelle ist und der Start der Brennkraftmaschine 6 aufgrund anderer vorbestimmter Bedingungen erfolgt) in eine höhere Gangstufe (z. B. von Gangstufe 1 in Gangstufe 2 oder 3) wird ein rotatorisches Moment der elektrischen Maschine 6 freigesetzt, welches gezielt zum Antrieb der Brennkraftmaschine 2 zu deren Start eingesetzt wird. Äquivalent zu der Erhöhung der Gangstufe und dem Freiwerden des rotatorischen Moments der elektrischen Maschine 6 wird die Drehzahl n der elektrischen Maschine 6 um ein entsprechendes Maß (analog zur Übersetzungsänderung) auf die Drehzahl n2 verringert. Durch die Reduzierung der Drehzahl n der elektrischen Maschine 6 wird diese in einem Betriebsbereich mit erhöhtem Drehmoment betrieben (Drehmoment M2 bei auf n2 reduzierter Drehzahl). So wird im Wesentlichen zeitgleich mit der Hochschaltung in eine höhere Gangstufe die bis zu diesem Zeitpunkt geöffnete Trennkupplung 4 zwischen Brennkraftmaschine 2 und elektrischer Maschine 6 geschlossen und das freigewordene rotatorische Moment (ΔM = M2 – M1) der elektrischen Maschine 6 zumindest teilweise auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 übertragen. Bei einem nicht fahrleistungsbedingten Wechsel der Antriebsquellen, von einem Antrieb ausschließlich durch die elektrische Maschine 6 auf einen Antrieb ausschließlich durch die Brennkraftmaschine oder auf einen Antrieb durch elektrische Maschine 6 und Brennkraftmaschine 2 gemeinsam, wird demnach automatisch eine Hochschaltung in der Getriebeeinrichtung 8 ausgelöst und die hierdurch freiwerdende kinetische Energie (rotatorisches Moment der elektrischen Maschine 6), die dem Getriebeeingang nebst elektrischer Maschine 6 und nebst einem etwaig vorhandenen Schwingungstilger entzogen werden muss, zum Start der Brennkraftmaschine 2 genutzt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine ohnehin im System vorhandene kinetische Energie in Betriebssituationen, in denen der Start der Brennkraftmaschine 2 nicht aus Fahrleistungsgründen erfolgt (also Fahrleistungsanforderung unterhalb einer vorbestimmten Schwelle), bereitgestellt bzw. freigesetzt,. Hierdurch kann zum einen der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs signifikant reduziert werden und zum anderen eine zusätzliche Startereirichtung 12 bei gleicher oder verbesserter Lebensdauer kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
  • 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 102006022395 A1 [0002, 0003]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine (2) eines Hybridfahrzeugs, – bei dem die von einer Brennkraftmaschine (2) und von einer elektrischen Antriebsmaschine (6) erzeugbaren Drehmomente je nach Betriebszustand einzeln oder additiv auf eine Getriebeeingangswelle einer Automatikgetriebeeinrichtung (8) wirken, – und bei dem die Brennkraftmaschine (2) und die elektrische Antriebsmaschine (6) je nach Betriebszustand über eine steuerbare Kupplungseinrichtung (4) miteinander koppelbar oder von einander trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – ausgehend von einem Fahrbetriebsmodus, in dem die Brennkraftmaschine (2) deaktiviert und über die Kupplungseinrichtung (4) von der elektrischen Antriebsmaschine (6) entkoppelt ist, ein Starten der Brennkraftmaschine (2) erfolgt, indem über die Automatikgetriebeeinrichtung (8) eine höhere Übersetzungsstufe eingestellt und die Kupplungseinrichtung (4) derart angesteuert wird, dass zwischen elektrischer Antriebsmaschine (6) und Brennkraftmaschine (2) eine zumindest teilweise kraftschlüssige Kopplung zum Anschleppen der Brennkraftmaschine (2) hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (2) diese über eine zusätzliche Startereinrichtung (12) mit einem zusätzlichen Antriebsmoment zum Anschleppen beaufschlagt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten des Startvorgangs der Brennkraftmaschine (2) oder während des Startvorgangs die Brennkraftmaschine (2) analog einem Direktstart mit einem Luft /Kraftstoffgemisch versorgt und dieses gezündet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Automatikgetriebeeinrichtung (8) eine Stufenautomatikgetriebeeinrichtung ist und für die Einstellung einer höheren Übersetzungsstufe die Getriebeeinrichtung hoch geschaltet wird, insbesondere eine Hochschaltung um mindestens zwei Gangstufen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Zustartarten für die zu startende Brennkraftmaschine (2) unterschieden wird, wobei bei einer der Zustartarten ein Start der Brennkraftmaschine (2) aufgrund einer vorbestimmten Mindest-Fahrleistungsanforderung erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine (2) aufgrund einer vorbestimmten Mindest-Fahrleistungsanforderung keine Einstellung einer höheren Übersetzungsstufe erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine (2) aufgrund einer vorbestimmten Mindest-Fahrleistungsanforderung kein Anschleppen der Brennkraftmaschine (2) durch Kopplung über die Kupplungseinrichtung (4) erfolgt und die Brennkraftmaschine ausschließlich über die zusätzliche Startereinrichtung (12) angeschleppt wird.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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