DE102009047676A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Eine Steuereinheit 13 bewegt eine Motordrossel 15 in die weit geöffnete Position, wann immer der Fahrer verlangsamen möchte. Dadurch wird die Übertragung von Rotationsenergie von den Fahrzeugrädern 6 auf das Schwungrad 12, das mit einem Antriebsstrang 7, 8, 9 verbunden ist, maximiert, da Pumpverluste im Motor 2 aufgrund der geöffneten Drossel stark reduziert werden. Die in dem Schwungrad 12 gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um die Antriebskraft des Motors zu13 eine elektro-hydraulische Kupplung 11, die das Schwungrad durch ein stufenloses Getriebe (CVT) 10 mit und von dem Antriebsstrang koppelt bzw. entkoppelt. Das Übersetzungsverhältnis des CVT 10 wird durch die ECU 13 eingestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat und einem Nebenaggregat, das eine Energiespeichervorrichtung enthält.
  • Es ist bekannt, ein Fahrzeug mit einer Nebenantriebsenergiequelle zu versehen. Solche Nebenantriebsenergiequellen können zum Beispiel eine Kombination aus einer wiederaufladbaren Batterie und einem Elektromotor oder ein Schwungrad umfassen. Diese Erfindung findet besondere Anwendung bei einem Schwungrad-Hybridfahrzeug, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • In der SAE Technical Paper 2008-01-0083, 14.–17. April 2008 wird eine Anordnung beschrieben, die aus einem stufenlosen Getriebe (CVT) besteht, das zwischen dem Motor und dem Getriebe eines Fahrzeugs verbunden und dazu konfiguriert ist, ein Schwungrad über einen Zahnradsatz anzutreiben. Die Anordnung kann der durch den Motor zugeführten Antriebsenergie weitere Energie hinzufügen oder abziehen.
  • Bei einem auf einem Schwungrad basierenden Energiespeicher- und -rückgewinnungssystem wird durch Beeinflussung der CVT-Übersetzung eine Steuerung der Energiespeicherung und -rückgewinnung erreicht. Wenn die Übersetzung dazu eingestellt ist, das Schwungrad zu beschleunigen, dann wird Energie gespeichert, und wenn die Übersetzung dazu eingestellt ist, das Schwungrad zu verlangsamen, dann wird Energie zurückgewonnen.
  • Ein Straßenfahrzeug kann beim Bremsen sehr viel Energie übertragen, und der Schlüssel zur Effektivität eines Hybridsystems besteht darin, so viel dieser normalerweise verschwendeten Energie aufzufangen wie möglich. Eine Verzögerung des Fahrzeugs wird darüber hinaus jedoch dadurch verursacht, dass die Pumpverluste durch Umdrehung des Motors während der Verzögerung überwunden werden müssen. In der Regel ist der Grad dieser Verzögerung für einen Benzinmotor größer als bei einem Dieselmotor, da beim Bremsen die Motordrossel fast vollständig geschlossen ist. Deshalb können Pumpverluste bedeutend sein. Infolge der Umdrehung des Motors ist die Menge an zur Verfügung stehender Energie zur Übertragung auf ein Schwungrad oder eine andere Energiespeichervorrichtung verringert und ist weniger als die kinetische Gesamtenergie des Fahrzeugs. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass aufgrund des Erfordernisses, Pumparbeit im Motor zu überwinden, die zum Speichern zur Verfügung stehende Energie weniger ist als wirklich vorhanden ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Steuerung und eine Vorrichtung anzugeben, mit der die kinetischen Energie eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor bei Brems- oder Verzögerungsvorgängen optimal zurückgewonnen werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt besteht die Erfindung aus einer Steuereinheit für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, Steuersignale zum Öffnen einer Drossel des Motors zu erzeugen und die Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs zu koppeln, wenn die Steuereinheit ein Eingangssignal von einem Fahrzeugsensor empfängt, das einen Fahrzeugbetriebszustand anzeigt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung, das die folgenden Schritte, während das Fahrzeug in Bewegung ist, umfasst: Erfassen eines Fahrzeugbetriebszustands, Öffnen einer Drossel des Motors und Kopplung der Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs.
  • Gemäß einem dritten Aspekt umfasst die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung,
    einem Sensor zur Erfassung eines Fahrzeugbetriebszustands,
    einer Steuereinheit zum Empfang eines Signals von dem Sensor und zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Steuersignals,
    einer Drossel, die auf das erste Steuersignal zur Steuerung von Luftstrom in den Motor reagiert,
    Kopplungsmitteln, die auf das zweite Steuersignal zur Kopplung der Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs reagieren,
    wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, das erste und das zweite Steuersignal zu erzeugen, um die Drossel zu öffnen und die Energiespeichervorrichtung mit dem Antriebsstrang zu koppeln, wenn der Sensor den Fahrzeugbetriebszustand erfasst, während das Fahrzeug in Bewegung ist.
  • Wahlweise kann die Steuereinheit ein weiteres Steuersignal erzeugen, um zu bewirken, dass das Kraftstoffversorgungssystem des Hybridfahrzeugs die Kraftstoffversorgung zu dem Motor bei Erfassen des Fahrzeugbetriebszustands unterbricht.
  • Ein Fahrzeugbetriebszustand kann zum Beispiel eine Nullmotordrehmomentanforderung oder eine Fahrzeugverzögerungsanforderung sein.
  • Ein Sensor zum Messen einer Motordrehmomentanforderung kann ein Fahrpedalstellungssensor sein, wodurch eine Nulldrehmomentanforderung angezeigt wird, wenn der Fahrer seinen Fuß von dem Fahrpedal nimmt.
  • Als Alternative oder zusätzlich dazu kann eine Nullmotordrehmomentanforderung durch eine Bord-Geschwindigkeitsregelanlage angezeigt werden, die erfasst, wann ein Fahrer einen Geschwindigkeitsregelungsbetrieb rückgängig gemacht hat, und deshalb ein Nulldrehmoment vom Motor anfordert.
  • Zur Erfassung der Fahrzeugverzögerungsanforderung kann ein Bremspedalstellungssensor eingesetzt werden.
  • Die Energiespeichervorrichtung kann ein Schwungrad sein, und das Kopplungsmittel kann eine aus einem stufenlosen Getriebe und einer Kupplung bestehende Anordnung sein, wie sie herkömmlicherweise bei Schwungrad-Hybridfahrzeugen verwendet wird. Als Reaktion auf ein Signal von der Steuereinheit an das Kopplungsmittel verbindet die Kupplung das Schwungrad mit dem Triebstrang, und das CVT stellt ihre Übersetzung ein, so dass Energie von dem Triebstrang auf das Schwungrad übertragen wird. Bei geöffneter Drossel (vorzugsweise weit geöffnet), während das Schwungrad hochdreht, wird kaum Energie dazu verwendet, Pumpverluste im Motor zu überwinden, somit kann eine maximierte Menge an zur Verfügung stehender Energie auf das Schwungrad übertragen werden.
  • Die Erfindung kann in eine beliebige Verbrennungsmotor-Schwungrad-Hybrid-Architektur eingebaut werden. Zum Beispiel könnte das Fahrzeug dazu konfiguriert sein, eine erste Achse aufzuweisen, die durch den Motor angetrieben wird, wobei das Schwungrad über einen getrennten Triebstrang mit einer zweiten Achse verbunden werden kann. Als Alternative dazu könnten der Motor und das Schwungrad über einen gemeinsamen Triebstrang mit der gleichen Achse verbunden werden.
  • Bei einem mit einem Schaltgetriebe mit automatischer Schaltung ausgestatteten Fahrzeug, kann die Steuereinheit darüber hinaus dazu ausgeführt sein, die Kupplung zwischen Motor und Getriebe zu öffnen oder einen Leerlauf- oder hohen Gang zu wählen, während das Schwungrad hochdreht. Damit werden die Energieverluste im Triebstrang des Fahrzeugs weiter verringert.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, bei der es sich um eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs handelt, das eine beispielhafte Steuereinheit gemäß der Erfindung enthält.
  • Ein Fahrzeug 1 enthält einen Verbrennungsmotor 2, der über ein Getriebe 4 und eine Vorderachse 5 ein Paar Vorderräder 3 antreibt. Ein Paar Hinterräder 6 ist über eine Hinterachse 7, ein Differential 8 und eine Antriebswelle 9 mit einem stufenlosen Getriebe (CVT) 10 verbunden. Über eine elektro-hydraulische Kupplung 11 ist das CVT 10 mit einem Schwungrad 12 verbindbar.
  • Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 13 empfängt ein Eingangssignal von einem Fahrpedalstellungssensor 14. Eine Drossel 15, ein Kraftstoffeinspritzsystem 16, die Kupplung 11 und das CVT 10 empfangen alle elektrische Steuersignale von der ECU 13.
  • Die Drossel 15 und das Kraftstoffeinspritzsystem 16 regeln die dem Motor zugeführte Luft bzw. Kraftstoffmenge gemäß bekannten Technologien.
  • Das Schwungrad 12 kann hochdrehen, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist und die Kupplung 11 das Schwungrad 12 mit dem CVT 10 gekoppelt hat.
  • Die Drehbewegung der Hinterräder 6 wird durch das Differential 8, die Antriebswelle 9, das CVT 10 und die Kupplung 11 auf das Schwungrad 12 übertragen.
  • Die Geschwindigkeit des Schwungrads hängt auch von der CVT-Übersetzung ab, die durch ein Signal von der ECU 13 auf bekannte Weise eingestellt werden kann.
  • Im Betrieb, wenn das Fahrzeug 1 in Bewegung ist und der Fahrer seinen Fuß vom (nicht gezeigten) Fahrpedal nimmt, erfasst der Pedalstellungssensor 14, dass sich die Pedalstellung am oberen Ende ihres ganzen Stellweges befindet, was bedeutet, dass eine Nullmotordrehmomentanforderung vorliegt. Der Sensor 14 sendet ein Signal an die ECU 13 und benachrichtigt sie, dass die Motordrehmomentanforderung derzeit null ist. Als Reaktion darauf berechnet die ECU 13 eine geeignete Gangübersetzungseinstellung für das CVT 10, um eine Drehzahl zu erhalten die durch das CVT 10 übertragen wird und die ein Hochdrehen des Schwungrads 12 bewirkt. Diese Berechnung erfolgt auf bekannte Weise. Darüber hinaus erzeugt die ECU 13 Ausgangssignale an die Kupplung 11, um sie zu schließen, an das Kraftstoffversorgungssystem 16, um die Kraftstoffversorgung des Motors 2 zu unterbrechen, und an die der Drossel 15, um diese ganz zu öffnen.
  • Wenn die Drossel weit offen und die Kraftstoffversorgung unterbrochen ist, wird die durch den Motor von den sich drehenden Komponenten des Fahrzeugs abgezogene Energie auf ein Minimum reduziert. Somit kann die Energieübertragung von den sich drehenden Hinterrädern 6 auf das Schwungrad 12 optimiert werden. Die in dem Schwungrad 12 gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um die Antriebsenergie des Motors zum Antrieb des Fahrzeugs zu ergänzen. In diesem Fall treibt das Schwungrad 12 die Hinterräder 6 an. Dies wird durch Einstellung des Übersetzungsverhältnisses des CVT 10 durch die Steuerung der ECU 13 erreicht.
  • Obgleich das hier beschriebene bestimmte Beispiel die Verwendung eines Schwungrads als eine Energiespeichervorrichtung betrifft, kann die Erfindung auch auf Hybridfahrzeuge angewendet werden, die andere Energiespeichervorrichtungen, wie zum Beispiel eine wiederaufladbare Batterie, enthalten.

Claims (12)

  1. Steuereinheit für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, Steuersignale zum Öffnen einer Drossel des Motors zu erzeugen und die Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs zu koppeln, wenn die Steuereinheit ein Eingangssignal von einem Fahrzeugsensor empfängt, das einen Fahrzeugbetriebszustand anzeigt.
  2. Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, ein weiteres Steuersignal zu erzeugen, um zu bewirken, dass das Kraftstoffversorgungssystem des Hybridfahrzeugs die Kraftstoffversorgung des Motors unterbricht, wenn die Steuereinheit das Eingangssignal vom Fahrzeugsensor empfängt, das den Fahrzeugbetriebszustand anzeigt.
  3. Hybridfahrzeug, insbesondere mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung, einem Sensor zur Erfassung eines Fahrzeugbetriebszustands, einer Steuereinheit zum Empfang eines Signals vom Sensor und zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Steuersignals, einer Drossel, die zur Steuerung des Luftstroms in den Motor auf das erste Steuersignal reagiert, Kopplungsmitteln, die zur Kopplung der Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs auf das zweite Steuersignal reagieren, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, das erste und das zweite Steuersignal zu erzeugen, um die Drossel zu öffnen und die Energiespeichervorrichtung mit dem Antriebsstrang zu koppeln, wenn der Sensor den Fahrzeugbetriebszustand erfasst während das Fahrzeug in Bewegung ist.
  4. Hybridfahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, ein drittes Steuersignal zu erzeugen, um zu bewirken, dass das Kraftstoffversorgungssystem des Hybridfahrzeugs die Kraftstoffversorgung des Motors bei Erfassung des Fahrzeugbetriebszustands unterbricht.
  5. Hybridfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Fahrzeugbetriebszustand eine Nullmotordrehmomentanforderung ist.
  6. Hybridfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Fahrzeugbetriebszustand eine Fahrzeugverzögerungsanforderung ist.
  7. Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Sensor ein Fahrpedalstellungssensor ist.
  8. Hybridfahrzeug nach Anspruch 6, wobei der Sensor ein Bremspedalstellungssensor ist.
  9. Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Energiespeichervorrichtung ein Schwungrad ist und das Kopplungsmittel eine aus einem stufenlosen Getriebe und einer Kupplung bestehende Anordnung umfasst.
  10. Hybridfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der Motor mit einer ersten Achse verbunden ist und das Schwungrad mit einer zweiten Achse des Fahrzeugs verbunden ist.
  11. Hybridfahrzeug nach Anspruch 9, wobei der Motor und das Schwungrad beide über einen gemeinsamen Triebstrang mit einer Achse verbunden sind.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer Energiespeichervorrichtung, das die folgenden Schritte, während das Fahrzeug in Bewegung ist, umfasst: Erfassen eines Fahrzeugbetriebszustands, Öffnen einer Drossel des Motors und Kopplung der Energiespeichervorrichtung mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs.
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