DE102011010090A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine Download PDF

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Abstract

In einem Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) und einer für das Starten der Verbrennungskraftmaschine (10) vorgesehenen elektrischen Maschine (14), die über ein Planetengetriebe (16) mit der Verbrennungskraftmaschine (10) gekoppelt ist, sind zwei Getriebeelemente (20, 22) über einen Freilauf (32) miteinander gekoppelt. Die elektrische Maschine kann die Verbrennungskraftmaschine zum Zwecke des Startes überholen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein solches Überholen auch aus dem laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) heraus erfolgt, damit Schleppverluste durch das Mitschleppen der elektrischen Maschine von der Verbrennungskraftmaschine (10) vermieden werden können und der Kraftstoffverbrauch minimiert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer (insbesondere aus einer Batterie gespeisten) elektrischen Maschine, die über ein einen Freilauf umfassendes Getriebe (welches insbesondere ein Planetengetriebe aufweist) mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist. Der Freilauf soll ermöglichen, dass die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine überholt. Unter Überholen wird vorliegend verstanden, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine größer wird als die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine multipliziert mit der Übersetzung des Getriebes.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die über ein Planetengetriebe miteinander gekoppelt sind, von dem zwei Getriebeelemente über einen Freilauf miteinander gekoppelt sind, so dass durch die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine überholbar ist, wobei das Kraftfahrzeug ferner eine Steuereinheit zum Ansteuern der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine aufweist.
  • Die WO 01/77520 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.
  • Wie schon aus der DE 199 417 05 A1 bekannt, wird die elektrische Maschine über ein Planetengetriebe mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Die elektrische Maschine soll insbesondere auch ein Starten der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen. Im Falle der Vorrichtung aus der WO 01/77520 A1 ermöglicht ein trägheitsschaltbarer Freilauf ein Überholen einer Antriebswelle, auf die die Verbrennungskraftmaschine arbeitet, durch die elektrische Maschine während eines solchen Startvorgangs.
  • Aus der WO 01/77520 A1 ist es ferner bekannt, mithilfe des Planetengetriebes auch Nebenaggregate wie z. B. einen Kompressor für eine Klimatisierungsanlage sowohl an die Verbrennungskraftmaschine als auch an die elektrische Maschine anzukoppeln.
  • Bei dieser Anordnung besteht jedoch ein Nachteil darin, dass bei einer Erhöhung der Drehzahl des Verbrennungsmotors diese Nebenaggregate und auch die elektrische Maschine mit beschleunigt werden müssen. Da keine Abkopplung erfolgen kann, muss bei einer Erhöhung der Drehzahl der Nebenaggregate deren Trägheit zusätzlich von der Verbrennungskraftmaschine überwunden werden. Hierdurch tritt ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und eine Verringerung der Beschleunigung auf. Insbesondere, wenn die elektrische Maschine als Transversalflussmaschine ausgelegt sein soll, treten auch bei niedrigen Drehzahlen wegen erhöhter Reibung in besonderem Maße Schleppverluste auf.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bzw. ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7 dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Energiebilanz verbessert wird.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine aus deren laufendem Betrieb heraus durch die elektrische Maschine bewirkt. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist die Steuereinheit ausgelegt, ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine bei deren laufendem Betrieb durch die elektrische Maschine zu bewirken.
  • Während aus dem Stand der Technik lediglich ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine bei einem Starten derselben, also zur Herbeiführung von deren Betrieb, bekannt ist, wird vorliegend die elektrische Maschine auch dann betrieben und durch das Überholen bewusst von der Verbrennungskraftmaschine entkoppelt, wenn die Verbrennungskraftmaschine (schon oder noch) in Betrieb ist. Die erfindungsgemäße Maßnahme hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine nicht mehr von der Verbrennungskraftmaschine mitgeschleppt werden muss, sondern selbst ihre Trägheit überwindet. Gegebenenfalls kann auch die Trägheit zusätzlicher Nebenaggregate durch die elektrische Maschine überwunden werden. Dadurch wird weniger Kraftstoff durch die Verbrennungskraftmaschine verbraucht.
  • Bevorzugt wird das Überholen der Verbrennungskraftmaschine aus deren laufendem Betrieb heraus durch die elektrische Maschine bewirkt, wenn dies gemäß einem vorbestimmten Kriterium bevorzugt ist, bei dem der Energieverbrauch der Verbrennungskraftmaschine im laufenden Betrieb ohne gleichzeitigen Betrieb der elektrischen Maschine einerseits und der Energieverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und zusätzlich der Energieverbrauch der elektrischen Maschine (aus der Batterie) bei gemeinsamem Betrieb andererseits einander gegenübergestellt werden.
  • Mit anderen Worten wird eine Art Energiebilanz gezogen: Wenn es günstiger ist, elektrische Energie zu verbrauchen also Kraftstoff, dann wird der Betrieb der elektrischen Maschine bevorzugt, bei der diese die Verbrennungskraftmaschine überholt. Es muss hierzu nicht der absolute Wert an Energie verringert sein, sondern vielmehr können bestimmte Kosten für die Energie berücksichtigt werden. Hierbei kann z. B. der Ladezustand der Batterie, aus der die elektrische Energie entnommen wird, berücksichtigt werden: Je höher die Batterie geladen ist, desto eher wird es zu bevorzugen sein, die elektrische Maschine zum Überholen der Verbrennungskraftmaschine zu bringen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt vorgesehen bzw. beinhaltet das vorbestimmte Kriterium bevorzugt, dass bei einer vorbestimmten Änderung des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine durch die elektrische Maschine bewirkt wird. Die energetische Bilanz macht man insbesondere an einer Änderung des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine fest. Dies kann dann besonderen Situationen Rechnung tragen, in denen es sich empfiehlt, die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine überholen zu lassen. Ein besonders einfacher Fall stellt die Erhöhung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine dar, bei der, wie eingangs zur Aufgabenstellung dargestellt, die Trägheit sowohl der elektrischen Maschine als auch möglicher weiterer Nebenaggregate durch die Verbrennungskraftmaschine überwunden werden müsste, wenn die elektrische Maschine nicht betrieben werden würde und diese gleichzeitig die Verbrennungskraftmaschine überholen würde. Genauso kann sich die erfindungsgemäße Maßnahme auch empfehlen, wenn die Verbrennungskraftmaschine im Schub oder zumindest mit Teillast (bevorzugt im unteren Teillastbereich von z. B. unter 25% Last) betrieben wird. Wenn die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine überholt, ist der Betrieb der elektrischen Maschine momentenneutral. Durch die elektrische Maschine werden insbesondere Schleppverluste aufgrund der Nebenaggregate überwunden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in an sich bekannter Weise die Drehzahl der elektrischen Maschine auch bei einem Starten der Verbrennungskraftmaschine, also zur Herbeiführung von deren Betrieb, höher als die mit der Übersetzung des Getriebes multiplizierte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine. Die elektrische Maschine hat also beim Starten die Verbrennungskraftmaschine überholt. Dadurch wird besonders effizient das Ziel eines Anwerfens der Verbrennungskraftmaschine erreicht. Diese arbeitet beim Starten zunächst nicht, und erst aber einer definierten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff und die Zündung derselben.
  • Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug eine Einrichtung zum Messen der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (bevorzugt zusätzlich der elektrischen Maschine), wobei die Steuereinheit ausgelegt, ist, das Überholen in Abhängigkeit von zumindest der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Anforderung zum Verändern derselben zu bewirken. Durch diese Maßnahme bildet sich die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ab, dergemäß bei einer Erhöhung der Drehzahl das Überholen der Verbrennungskraftmaschine durch die elektrische Maschine erfolgt. Eine Anforderung zum Verändern der Drehzahl besteht insbesondere dann, wenn eine Bedienperson eine Eingabevorrichtung in einer vorbestimmten Weise bedient, z. B. das Fahrpedal über ein bestimmtes Maß hinaus herunter tritt. Eine Anforderung zum Verändern der Drehzahl kann auch durch ein Fahrdynamiksystem gegeben sein, also ein unterstützendes selbsttätig arbeitendes System, das durch ein Steuergerät in dem Kraftfahrzeug verwirklicht wird, welches in vorbestimmten Zuständen eine vorbestimmte Reaktion des Kraftfahrzeugs hervorruft.
  • Das Kraftfahrzeug weist bevorzugt eine Batterie zum Speisen der elektrischen Maschine auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, das Überholen in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Batterie zu bewirken. Ist die Batterie nahezu voll geladen, so wäre dies nachteilig, wenn beim Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie rekuperierbar wäre, diese aber nicht mehr in der Batterie speicherbar wäre. Somit ist es in diesem Falle auf jeden Fall vorteilhaft, das Überholen der Verbrennungskraftmaschine durch die elektrische Maschine zu bewirken und hierbei Strom zu verbrauchen, gleichzeitig aber Kraftstoff einzusparen.
  • Umgekehrt weist das Kraftfahrzeug bevorzugt auch einen Kraftstofftank zum Bereitstellen von Kraftstoff für die Verbrennungskraftmaschine auf, und die Steuereinheit ist ausgelegt, das Überholen in Abhängigkeit von einem Füllzustand des Kraftstofftanks zu bewirken. Je weniger Kraftstoff sich in dem Tank befindet, desto eher ist zu bevorzugen, dass die elektrische Maschine in einem vorbestimmten Betriebszustand gestartet wird und die Verbrennungskraftmaschine überholt.
  • Bevorzugt ist in an sich bekannter Weise die elektrische Maschine (z. B. über einen Riementrieb) mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt, und die Verbrennungskraftmaschine ist mit einem Planetenträger des Planetengetriebes gekoppelt. Ein Hohlrad ist gleichzeitig bevorzugt über eine Kupplung mit einem bezüglich einer Karosserie des kraftfahrzeugsfesten Element koppelbar.
  • Diese an sich bekannte Anordnung hat viele Vorteile, insbesondere wenn weitere Aggregate angetrieben werden sollen. Bevorzugt ist die elektrische Maschine über ein weiteres Getriebe (nämlich insbesondere eine Riementrieb) mit dem zumindest einen weiteren Aggregat gekoppelt.
  • Das weitere Aggregat kann z. B. einen Kompressor für eine Klimatisierungsanlage umfassen.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine gegebenenfalls überholt, ist es möglich, solche elektrische Maschinen einzusetzen, deren Betrieb insbesondere bei niedrigen Drehzahlen erhöhte Reibung mit einem großen Schleppverlust einhergeht: Es ist insbesondere möglich, dass die elektrische Maschine als Transversalflussmaschine ausgebildet ist. Eine Transversalflussmaschine weist einen transversalen Magnetfluss auf.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der die einzige Figur schematisch eine Anordnung zeigt, bei der die Erfindung realisierbar ist.
  • In einem Kraftfahrzeug ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 für den Antrieb über eine Antriebswelle 12 vorgesehen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 soll durch eine elektrische Maschine 14, die vorliegend als Transversalflussmaschine ausgebildet ist, gestartet werden können. Zu diesem Zweck ist die elektrische Verbrennungskraftmaschine 10 mit der elektrischen Maschine 14 über ein Planetengetriebe 16 gekoppelt: Die elektrische Maschine 14 ist über einen Riementrieb 18 mit dem Sonnenrad 20 des Planetengetriebes gekoppelt. Ein die Planeten 22 des Planetengetriebes 16 tragender Planetenträger 24 ist mit der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt. Ein Hohlrad 26 der Verbrennungskraftmaschine ist über eine Kupplung 28 mit einem karosseriefesten Bauteil 30 koppelbar. Das Sonnenrad 20 ist über einen Freilauf 32 mit den Planetenrädern 22 gekoppelt. Die Orientierung des Freilaufs 32 geht dahin, dass die elektrische Maschine 14 die Verbrennungskraftmaschine 10 überholen kann, dass also die Drehzahl der elektrischen Maschine größer werden kann als die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine multipliziert mit der Übersetzung des Getriebes, vorliegend des Riementriebes und der Übersetzung zwischen Sonnenrad 20 und Planetenrädern 22.
  • Eine Steuereinheit 34 steuert die Verbrennungskraftmaschine 10 und die elektrische Maschine 14 gleichermaßen an. Gemessen wird durch Drehzahlsensoren 36 an der Verbrennungskraftmaschine 10 und 38 an der elektrischen Maschine 14 die jeweilige Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. der elektrischen Maschine 14. Erhöht sich die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, so wird bewirkt, dass die elektrische Maschine 14 arbeitet, und zwar mit einer solch schnellen Drehung, dass sie die Verbrennungskraftmaschine 10 überholt, dass also ihre Drehzahl höher wird als die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine multipliziert mit der Übersetzung des Getriebes.
  • Gleichzeitig wird die Kupplung 28 geöffnet. Das Hohlrad 26 kann sich daher frei drehen, so dass der Unterschied zwischen den Drehzahlen des Sonnenrades 20 einerseits und des Planetenträgers 24 ausgeglichen wird.
  • Durch diese Maßnahme muss die Verbrennungskraftmaschine 10 nicht die elektrische Maschine 14 mitschleppen. Gegebenenfalls kann ein weiteres Aggregat, z. B. ein Klimakompressor 40, über den Riementrieb 18 an die elektrische Maschine 14 angebunden sein. Durch die Maßnahme, dass die elektrische Maschine 14 die Verbrennungskraftmaschine 10 überholt, wird gewährleistet, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 auch das weitere Aggregat, z. B. den Klimakompressor 40, nicht mitschleppen muss.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 10 bezieht ihren Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 42, die elektrische Maschine 14 ihre Energie aus einer Batterie 44. Der Steuereinheit 34 wird der Füllstand 42 des Kraftstofftanks und der Ladezustand der Batterie 44 zugeführt, und die Steuereinheit 34 legt in Abhängigkeit von diesem Füllstand bzw. Ladezustands fest, wann die elektrische Maschine 14 zum Überholen der Verbrennungskraftmaschine 10 gebracht wird.
  • Die Steuereinheit 34 kann auch von einem Sensor 46, der die Stellung eines Fahrpedals 48 misst, Signale empfangen, um so festzustellen, ob eine Anforderung besteht, die Drehzahl zu erhöhen.
  • Die Maßnahme, dass die elektrische Maschine 14 die Verbrennungskraftmaschine 10 überholt, ist auch sinnvoll, wenn sich das Kraftfahrzeug im Schub befindet oder die Verbrennungskraftmaschine 10 mit unterer Teillast betrieben wird, d. h. wenn nur ca. 25% des Drehmoments, das die Verbrennungskraftmaschine erzeugt, genutzt wird.
  • Die in der Figur gezeigte Anordnung mit dem Freilauf 32 hat durch die Maßnahme des Überholens der Verbrennungskraftmaschine 10 durch die elektrische Maschine 14 keine maßgeblichen Nachteile.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 01/77520 A1 [0003, 0004, 0005]
    • DE 19941705 A1 [0004]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (14), die über ein einen Freilauf (32) umfassendes Getriebe (18, 16) mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) gekoppelt ist, wobei es der Freilauf (32) ermöglicht, dass die elektrische Maschine (14) die Verbrennungskraftmaschine (10) überholt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine (10) aus deren laufendem Betrieb heraus durch die elektrische Maschine (14) bewirkt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine aus deren laufendem Betrieb durch die elektrische Maschine bewirkt wird, wenn dies gemäß einem vorbestimmten Kriterium bevorzugt ist, bei dem der Energieverbrauch der Verbrennungskraftmaschine im laufenden Betrieb ohne eingeschaltete elektrische Maschine einerseits und der Energieverbrauch andererseits, der durch die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine zusammen bei eingeschalteter elektrischer Maschine gegeben ist, andererseits, einander gegenübergestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem bei einer vorbestimmten Änderung des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine durch die elektrische Maschine bewirkt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die vorbestimmte Änderung eine Erhöhung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die vorbestimmte Änderung umfasst, dass die Verbrennungskraftmaschine in den Schub oder in einen Betrieb mit Teillast übergeht.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine auch zur Herbeiführung von deren Betrieb höher als die mit der Übersetzung des Getriebes (18, 16) multiplizierte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) und einer elektrischen Maschine (14), die über ein Planetengetriebe (16) miteinander gekoppelt sind, von dem zwei Getriebeelemente (20, 22) über einen Freilauf (32) miteinander gekoppelt sind, so dass durch die elektrische Maschine (14) die Verbrennungskraftmaschine (10) überholbar ist, mit einer Steuereinheit (34) zum Ansteuern der Verbrennungskraftmaschine (10) und der elektrischen Maschine (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgelegt ist, ein Überholen der Verbrennungskraftmaschine (10) bei deren laufendem Betrieb durch die elektrische Maschine (14) zu bewirken.
  8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 mit einer Einrichtung zum Messen der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Steuereinheit (34) ausgelegt ist, das Überholen in Abhängigkeit von zumindest der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder eine Anforderung zum Verändern der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) zu bewirken.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, mit einer Batterie (44) zum Speisen der elektrischen Maschine (14), wobei die Steuereinheit (34) ausgelegt ist, das Überholen in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Batterie zu bewirken.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einem Kraftstofftank (42) zum Bereitstellen von Kraftstoff für die Verbrennungskraftmaschine (10), wobei die Steuereinheit (34) ausgelegt ist, das Überholen in Abhängigkeit von einem Füllzustand des Kraftstofftanks (42) zu bewirken.
  11. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die elektrische Maschine (14) mit einem Sonnenrad (20) des Planetengetriebes und die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Planetenträger (24) des Planetengetriebes gekoppelt ist.
  12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, bei dem ein Hohlrad (26) des Planetengetriebes (16) über eine Kupplung (28) mit einem bezüglich einer Karosserie des Kraftfahrzeugs festen Element (30) koppelbar ist.
  13. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die elektrische Maschine über ein weiteres Getriebe, insbesondere einen Riementrieb (18), mit zumindest einem weiteren Aggregat (40) gekoppelt.
  14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Aggregat einen Kompressor (40) für eine Klimatisierungsanlage umfasst.
  15. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Transversalflussmaschine (14) ist.
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