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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hybridantriebsstränge, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen und dergleichen eingesetzt werden, wobei zumindest zwei unterschiedliche Arten von Motoren, etwa eine elektrische Maschine und eine Verbrennungsmaschine verwendet sind, um Leistung zum Antreiben einer anzutreibenden Komponente bereitzustellen.
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ökonomische und durch die Umwelt vorgegebene Rahmenbedingungen zwingen die Hersteller von Antriebssträngen, wie sie in vielen Arten von Fortbewegungsmitteln verwendet werden, zunehmend dazu, die Wirkungen der Nachteile zu reduzieren, die üblicherweise mit der Verwendung von Verbrennungsmaschinen verbunden sind. Beispielsweise ist die Effizienz einer Verbrennungsmaschine, die nachfolgend kurz als Maschine bezeichnet wird, generell relativ gering und ändert sich über den gesamten Geschwindigkeitsbereich der Maschine, wodurch der gesamte Brennstoffverbrauch und die Menge der giftigen Abgase insbesondere in Betriebsmodi bei geringer Geschwindigkeit erhöht werden. Da ferner die Maschine im Hinblick auf die erforderliche maximale Ausgangsleistung konzipiert werden muss, die jedoch nur relativ selten tatsächlich erforderlich ist, wird die mittlere Effizienz der Maschine noch weiter verringert, während andererseits Größe und Gewicht der Maschine dadurch zunehmen.
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Aus diesen Gründen werden zunehmend Hybridantriebsstränge in Fortbewegungsmitteln eingebaut, etwa in Autos, Lastwagen und dergleichen, wobei generell die Maschine in der Größe verringert wird, indem die Eigenschaften einer elektrischen Maschine vorteilhaft ausgenutzt werden, die ihr maximales Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit besitzt, wobei dennoch ein akzeptabler Wirkungsgrad in diesem Betriebsmodus erreicht wird. Des Weiteren kann eine elektrische Maschine als Motor und Generator verwendet werden, wodurch die Wiedergewinnung von kinetischer Energie in Abhängigkeit von dem aktuellen Bewegungszustand des betrachteten Fortbewegungsmittels möglich ist. Grundsätzlich wurden mehrere Hybridantriebskonzepte entwickelt, die in serielle Hybridantriebe und parallele Hybridantriebe unterteilt werden können, wobei in jüngerer Zeit auch gemischte Versionen dieser grundlegenden Konzepte auf dem Gebiet der Kompaktfahrzeuge auf den Markt gebracht wurden, wodurch wesentliche Vorteile geschaffen und insgesamt ein geringerer Energieverbrauch erreicht wird.
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Generell wird in einem seriellen Hybridantriebsstrang eine elektrische Maschine verwendet, um die gesamte mechanische Ausgangsleistung bereitzustellen, die zur Abdeckung des gesamten Bewegungsprofils des Antriebsstrangs erforderlich ist, während die Maschine mechanisch mit einer zweiten elektrische Maschine gekoppelt ist, die als Generator und als Starter für die Maschine dient. Typischerweise wird die Maschine so gesteuert, dass diese innerhalb eines spezifizierten effizienten Geschwindigkeits- und Drehmomentbereichs arbeitet, wobei die Anforderungen für die Spitzenleistung durch einen Energiespeicher abgedeckt werden, der mit dem Generator und der Motor/Generatoreinheit, die mit dem Antriebsstrang gekoppelt ist, verbunden ist.
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In einem parallelen Hybridantriebsstrang können grundsätzlich eine Maschine und eine elektrische Maschine gemeinsam mechanische Leistung auf eine Antriebswelle des Antriebsstrangs übertragen, wobei die elektrische Maschine auch als Starter der Maschine, als Generator zum Erzeugen elektrischer Energie nach Bedarf und als Bremsunterstützung für das Wiedergewinnen kinetischer Energie zu einem gewissen Grade dienen kann. In diesem Falle ist typischerweise die maximale Ausgangsleistung der elektrischen Maschine wesentlich kleiner als die Ausgangsleistung der Maschine, die die Hauptantriebskomponente ist, die jedoch mit einer geringeren Sollausgangsleistung des gesamten Systems vorgesehen werden kann aufgrund der zusätzlichen Leistung, die bei Bedarf von der elektrischen Maschine zugeführt wird. Ferner ist die Fähigkeit des rein elektrischen Antreibens sehr begrenzt, wobei dies von der Nennleistung der elektrischen Maschine abhängt und wozu auch ein komplexes System an mechanischen Kupplungen erforderlich ist, wenn eine mechanische Ankopplung der Maschine in diesem Modus als ungeeignet im Hinblick auf unnötige mechanische Verluste und dergleichen erachtet wird.
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In vielen anderen kommerziell verfügbaren Antriebssträngen wird eine Leistungsaufteilung erreicht, indem beispielsweise ein geeignetes Planetengetriebe oder ein sehr komplexes System aus mechanischen Kupplungen verwendet wird, wobei die zwei elektrischen Maschinen und die Verbrennungsmaschine mit vergleichbarer Ausgangsleistung verwendet werden, so dass man eine maximale Ausgangsleistung erhält, die größer ist als die Ausgangsleistung jeder einzelnen Antriebskomponente. In diesem Falle ist ein rein elektrischer Antriebsmodus mit akzeptablen Antriebseigenschaften verfügbar, abhängig von der Größe des Energiespeichers, wobei auch eine relativ hohe gesamte Systemeffizienz erreicht wird, da die Maschine in einem vorteilhaften Betriebsbereich in jedem Antriebsmodus betrieben werden kann.
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In der jüngeren Zeit gibt es eine zunehmende Nachfrage nach einem rein elektrischen Antriebsmodus, wobei jedoch auch das Potential für eine große Reichweite vorzusehen ist in einem entsprechenden Fortbewegungsmittel, wodurch prinzipiell eine höhere Kapazität des Energiespeichers erforderlich ist, während auch eine zweite Antriebskomponente, etwa in Form einer Verbrennungsmaschine, notwendig sein kann, um die Anforderungen für die lange Reichweite zu erfüllen. In diesem Falle muss auch die elektrische Maschine mit einer ausreichenden Ausgangsnennleistung bereitgestellt werden, um den erforderlichen Antriebseigenschaften im rein elektrischen Modus gerecht zu werden, wobei auch die Ausgangsnennleistung der Maschine geeignet so gewählt wird, dass sie die erforderliche mittlere Leistung während des Hybridantriebsmodus bereitstellt.
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Aufgrund dieses Anforderungsprofils sind typischerweise serielle Hybridantriebsstränge und gemischte Hybridantriebsstränge entwickelt worden, wobei jedoch typischerweise zwei relativ große elektrische Maschinen und eine moderat große Maschine erforderlich sind. Wenn beispielsweise eine maximale Ausgangsleistung des Antriebsstrangs auf ungefähr 100 kW festgelegt wird, muss in einem seriellen System der Elektromotor die erforderliche Ausgangsleistung bereitstellen, während auch der Generator und die Maschine typischerweise so gestaltet sind, dass eine Ausgangsleistung von ungefähr 50–80 kW bereitgestellt wird. In komplexeren Systemen kann die Größe des Elektromotors bis zu einem gewissen Grade verringert werden, indem zumindest ein Teil der mechanischen Ausgangsleistung der Maschine und/oder des Generators als mechanische Leistung während des Antriebsmodus mit hoher Leistung bereitgestellt werden. Dennoch sind drei Antriebskomponenten mit relativ großer Ausgangsnennleistung erforderlich, und, abhängig von der gesamten Systemarchitektur, muss ein mehr oder minder komplexes mechanisches Kraftübertragungssystem ebenfalls implementiert werden.
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In ähnlicher Weise sind in gemischten Betriebssystemen, die eine Leistungsaufteilung enthalten, etwa auf der Grundlage eines Planetengetriebes, zwei elektrische Maschinen mit vergleichbarer Ausgangsleistung und eine Maschine mit ähnlicher Ausgangsleistung erforderlich.
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Die Druckschrift
WO 2010/063735 A2 beschreibt eine Hybrid-Antriebseinheit, in der eine elektrische Antriebsmaschine und eine verbrennungsmotorische Antriebsmaschine mit einem schaltbaren Mehrganggetriebe, das als Kupplungs- und Getriebebaugruppe fungiert, der Art verbunden sind, dass die Antriebsleistung der beiden Antriebsmaschinen indem das gleiche Eingangsglied der Getriebebaugruppe eingeleitet wird.
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Die Druckschrift
WO 00/03163 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, in denen ein Gangwechsel in einem Schaltgetriebe ermöglicht wird, ohne dass ein wesentliches Drehmoment von der Antriebsmaschine auf das Getriebe übertragen wird. Zu diesem Zweck wird eine elektrische Maschine vorgesehen, die in geeigneter Weise zur Einstellung des gewünschten Drehmoments gesteuert wird.
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Die Druckschrift
DE 102 25 249 A1 beschreibt ein Verfahren zum Regeln eines Anfahrvorganges in einem Antriebsstrang, wobei eine elektrische Maschine vorgesehen ist, um in einem Planetengetriebe das von der Antriebsmaschine aufzubringende Drehmoment zumindest teilweise abzustützen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hybridantriebsstrang bereitzustellen, der rein elektrische Betriebsmodi ermöglicht, wobei die Komplexität des gesamten Antriebsstrangs, beispielsweise im Hinblick auf die Anzahl der erforderlichen Motoreinheiten, reduziert ist.
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Generell beruht die vorliegende Erfindung auf dem Konzept, dass ein paralleler Hybridantriebsstrang, in welchem eine Motor/Generatoreinheit eine ausreichende mechanische Ausgangsleistung bereitstellt, ”temporär” in einen ”seriellen” Hybridantriebsstrang für ein effizientes Aufladen des Energiespeichers auf der Grundlage eines sehr effizienten mechanischen Kraftübertragungssystems umgewandelt wird, ohne dass tatsächlich insgesamt in den Antriebsmodus einer anzutreibenden Komponente durch den Hybridantriebsstrang eingegriffen wird. Diesbezüglich wurde erkannt, dass für viele Antriebsstränge eine Freilaufphase ein sehr vorteilhafter Antriebsmodus in gewissen Situationen ist, der auch effizient eingesetzt werden kann, um eine mechanische Kopplung aufrecht zu erhalten oder einzurichten zwischen einer Motor/Generatoreinheit und einer zweiten Motoreinheit, etwa einer Verbrennungsmaschine, um einen effizienten Betrieb der Motoreinheit unabhängig vom Bewegungszustand der anzutreibenden Komponente zu ermöglichen. Beispielsweise können beide eigentlichen Antriebskomponenten, d. h. die Motor/Generatoreinheit und die Motoreinheit oder die Verbrennungsmaschine in einem effizienten Betriebsbereich in einer Freilaufphase zum Laden des Speichers betrieben werden, selbst wenn die Ausgangsantriebswelle des Antriebsstrangs eine geringe Rotationsgeschwindigkeit besitzt, die ansonsten einen effizienten Betrieb der Verbrennungsmaschine verhindern würde, wenn diese mit der Motor/Generatoreinheit verbunden ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hybridantriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung einen Hybridantriebsstrang bereit, in welchem zumindest einige Freilaufphasen vorteilhaft eingesetzt werden, um einen ”seriellen” Antriebsstrang einzurichten, d. h., der Antriebsstrang ist ausgebildet, den Energiespeicher zu laden unabhängig vom Bewegungszustand der Welle des Antriebsstrangs, wobei die Motor/Generatoreinheit und die Motoreinheit, die etwa in Form einer Verbrennungsmaschine bereitgestellt ist, mechanisch gekoppelt sind.
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Es sollte beachtet werden, dass in der vorliegenden Anmeldung ein Kraftschluss als eine mechanische Verbindung zwischen zwei Komponenten verstanden wird, so dass Kraft im Wesentlichen ohne Schlupf übertragen wird, wobei die eigentliche Kraftübertragung durch dazwischen liegende Getrieberäder und dergleichen, durch eine ”direkte” mechanische Kopplung von Antriebskomponenten, beispielsweise auf der Grundlage von Reibung, erreicht wird, während in anderen Fallen ein Kraftschluss durch elektromagnetische Kräfte erreicht wird, ohne jedoch einen Schlupf zwischen den beiden zu verbindenden Antriebskomponenten hervorzurufen. Einen Schlupf wird als eine Differenz der Rotationsgeschwindigkeit zwischen zwei Komponenten verstanden, die mechanisch zu koppeln sind.
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In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den ersten Kraftschluss herzustellen bzw. zu aktivieren, indem die Motor/Generatoreinheit so gesteuert wird, dass eine Rotationsgeschwindigkeit mindestens eines internen Getrieberads der ersten Kraftübertragungseinheit vor dem Aktivieren des ersten Kraftschlusses reduziert und vorzugsweise im Wesentlichen zu null gemacht wird.
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Auf diese Weise wird die Motor/Generatoreinheit effizient verwendet, um in geeigneter Weise die relative Rotationsgeschwindigkeit vor dem eigentlichen Aktivieren bzw. Herstellen des Kraftschlusses anzupassen, so dass Verschleiß in mechanischen Komponenten der ersten Kraftübertragungseinheit deutlich verringert wird. Wenn beispielsweise der Kraftschluss auf der Grundlage eines direkten mechanischen Kontakts, d. h. durch Reibung, hergestellt wird, kann durch die deutliche Verringerung und, in bevorzugten Ausführungsformen, das zu null machen der Rotationsgeschwindigkeit der mindestens einen Getriebekomponente, die mechanisch durch eine Bremse oder dergleichen kontaktiert wird, der Kraftschlusses auf der Grundlage von nur statischer Reibung eingerichtet werden, wodurch unerwünschter Verschleiß vermieden wird und wodurch auch Energieverluste reduziert werden, da die kinetische Energie, die für das zu null machen der Relativrotationsgeschwindigkeit erforderlich ist, zum großen Teil in elektrische Energie in der Motor/Generatoreinheit umgewandelt werden kann. Ferner können auf diese Weise mechanisch robuste Bremssysteme mit geringer Komplexität eingesetzt werden, um den ersten Kraftschluss herzustellen. Somit wird eine gute Langzeitstabilität der ersten Kraftübertragungseinheit erreicht, während die Erzeugung von Abwärme im Wesentlichen vermieden wird.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den ersten Kraftschluss durch Steuern der Motor/Generatoreinheit derart einzurichten bzw. zu aktivieren, dass eine relative Rotationsgeschwindigkeit zwischen der ersten Antriebswelle und der Antriebsstrangwelle vor dem Einrichten bzw. vor der Aktivierung des ersten Kraftschlusses reduziert und vorzugsweise im Wesentlichen auf null gebracht wird.
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In dieser Ausführungsform wird eine ”direkte” mechanische Verbindung zwischen der Antriebsstrangwelle und der ersten Antriebswelle eingerichtet, was auf der Grundlage einer robusten Kupplungskomponente mit geringer Komplexität erreicht werden kann. Auf diese Weise können ebenfalls mechanische Verluste, die durch zusätzliche Getrieberäder in komplexeren Kraftübertragungssystemen oder dergleichen hervorgerufen werden könnten, deutlich verringert werden, so dass die erste Kraftübertragungseinheit als eine Komponente mit geringer Größe und geringem Gewicht bereitgestellt werden kann, was ebenfalls zur gesamten Effizienz des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs beiträgt.
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Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von Bremssystemen und Kopplungssystemen gut verfügbar sind, die auf der Grundlage elektromagnetischer Signale, durch Hydraulikdruck, pneumatischen Druck und dergleichen aktiviert und deaktiviert werden können, wobei eine mechanische Reaktionszeit sehr kurz ist, beispielsweise innerhalb eines Sekundenbruchteils und dergleichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, die Motoreinheit zu veranlassen, mechanische Ausgangsleistung an der zweiten Antriebswelle in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers bereitzustellen, wenn der zweite Kraftschluss eingerichtet ist.
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Somit wird in dieser Ausführungsform die Motoreinheit tatsächlich aktiviert, um Leistung bereitzustellen, die somit effizient in elektrische Leistung durch die Motor/Generatoreinheit umgewandelt wird, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Motoreinheit zumindest innerhalb eines Teils der Freilaufphase und somit unabhängig von einem Bewegungszustand der Antriebsstrangwelle betrieben wird. Diese Konfiguration des Antriebsstrangs wird hierin auch als eine temporäre serielle Antriebsstrangkonfiguration bezeichnet. Folglich kann ein gewünschter Betriebsmodus für die Motoreinheit gewählt werden. Beispielsweise wird die Motoreinheit in einem vordefinierten effizienten Bereich der Rotationsgeschwindigkeit und des Drehmoments betrieben. Dazu werden die Motor/Generatoreinheit und die Motoreinheit in ihren Betriebsparametern geeignet eingestellt, so dass eine gewünschte Ausgangsleistung bereitsteht. In anderen Fällen wird die mechanische Kopplung der Motor/Generatoreinheit und der Motoreinheit während der Freilaufphase eingerichtet, wobei die eigentliche Aktivierung der Motoreinheit dann in Übereinstimmung mit einem speziellen Bewegungszustand initiiert wird, beispielsweise wenn die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit der Antriebsstrangwelle mit einem zulässigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich der Motoreinheit verträglich ist. Beispielsweise wird die mechanische Kopplung der Motor/Generatoreinheit während einer Freilaufphase so in Gang gesetzt, dass der Antriebsstrang für den Hybridbetriebsmodus, d. h., einen Betriebsmodus, in welchem beide Antriebskomponenten mechanisch miteinander gekoppelt und auch mit der Welle des Antriebsstrangs gekoppelt sind, ”vorbereitet” wird, sobald die Antriebsstrangwelle eine geeignete Rotationsgeschwindigkeit erreicht hat. Die Entscheidung, ob eine mechanische Kopplung der Motor/Generatoreinheit und der Motoreinheit während einer gewissen Freilaufphase eingerichtet werden soll, kann von der Steuereinheit auf der Grundlage diverser Informationen, etwa einem vorangegangenen Geschwindigkeitsprofil, einem vorhergesagten Geschwindigkeitsprofil, auf der Grundlage von Sensordaten, auf der Grundlage von Daten eines globalen Positioniersystems, auf der Grundlage des Ladungszustand des Energiespeichers, und dergleichen getroffen werden.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, den zweiten Kraftschluss einzurichten bzw. zu aktivieren, indem die Motor/Generatoreinheit und/oder der Motor so gesteuert werden, dass eine Rotationsgeschwindigkeit mindestens einer interner Getriebekomponente der zweiten Kraftübertragungseinheit vor dem Einrichten des zweiten Kraftschlusses reduziert und vorzugsweise im Wesentlichen auf Null gesetzt wird.
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Gemäß dieser Ausführungsform kann der zweite Kraftschluss auf der Grundlage einer reduzierten Rotationsgeschwindigkeit, oder vorzugsweise auf der Grundlage einer Rotationsgeschwindigkeit von null der Getriebekomponente, die somit in der Kraftübertragungseinheit stationär ist, hergestellt werden, so dass sehr effiziente Kraftübertragungseinheiten, etwa Planetengetriebe, in Verbindung mit robusten Bremssystemen mit geringem Gewicht, geringem Verschleiß und somit hoher Effizienz verwendet werden können.
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In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, den zweiten Kraftschluss herzustellen bzw. zu aktivieren, indem die Motor/Generatoreinheit und/oder die Motoreinheit so gesteuert werden, dass eine relative Rotationsgeschwindigkeit zwischen der zweiten Antriebswelle und der ersten Antriebswelle reduziert und vorzugsweise im Wesentlichen auf Null gebracht wird, bevor der zweite Kraftschluss hergestellt wird. In diesem Falle wird eine ”direkte” mechanische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Antriebswelle eingerichtet, wobei keine zusätzlichen Getriebekomponenten zwischen diesen beiden Antriebswellen erforderlich sind, so dass das Verwenden eines robusten Kupplungssystems möglich ist, das mit einer reduzierten relativen Rotationsgeschwindigkeit und in bevorzugten Ausführungsformen mit einer relativen Rotationsgeschwindigkeit von null in Eingriff gebracht wird, so dass damit zu geringerem Gewicht, höherer Effizienz und generell zu höherer Robustheit beigetragen wird.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfassen die erste und/oder die zweite Kraftübertragungseinheit mindestens drei interne Getriebekomponenten bzw. Getrieberäder, die miteinander permanent im Eingriff sind. Wie bereits zuvor erläutert ist, wird zumindest eine zusätzliche Getriebekomponente temporär zu einer stationären Komponente gemacht, wodurch ermöglicht wird, dass der erste und/oder der zweite Kraftschluss unter Verwendung effizienter steuerbarer Bremsmechanismen eingerichtet werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine maximale Ausgangsleistung der Motor/Generatoreinheit größer als eine maximale Ausgangsleistung der Motoreinheit. In diesem Falle ist, wie bereits zuvor erläutert ist, das Ausgangsleistungsprofil des Antriebsstrangs im Wesentlichen durch die Motor/Generatoreinheit festgelegt, wodurch ein rein elektrischer Antrieb für die meisten Situationen verfügbar ist, wenn dies gewünscht ist und mit dem aktuellen Ladezustand des Energiespeichers verträglich ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die Ausgangsleistung der Motor/Generatoreinheit so festgelegt, dass das gesamte gewünschte Geschwindigkeits-/Drehmomentprofil durch die Motor/Generatoreinheit erreicht werden kann, so dass die gleichen Betriebseigenschaften in einem rein elektrischen Modus und im Hybridmodus bereitgestellt werden. In diesem Falle wird im Hybridmodus die von der Motor/Generatoreinheit zugeführte Leistung in geeigneter Weise so reduziert, dass die Motoreinheit in einem gewünschten effizienten Betriebsbereich arbeitet, so dass effizient Ausgangsleistung der Motoreinheit für das direkte Antreiben der anzutreibenden Komponenten verwendet wird, wobei die kombinierte Ausgangsleistung so eingestellt wird, dass diese mit dem Nennausgangsleistungsprofil übereinstimmt. In anderen Fällen wird im Hybridmodus ein zusätzliches Drehmoment bei Betriebsmodi mit hoher Geschwindigkeit im Vergleich zu dem rein elektrischen Betriebsmodus bereitgestellt.
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Vorzugsweise umfasst die Motoreinheit einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung. Beispielsweise können unterschiedliche Arten an Verbrennungsmaschinen verwendet werden, wobei aufgrund des reduzierten Betriebsbereichs der Maschine eine hohe Effizienz erreicht wird, wobei etwa Betriebsmodi mit geringer Rotationsgeschwindigkeit vollständig vermieden werden können, die typischerweise Betriebsmodi sind, in denen eine deutlich geringere Effizienz in konventionellen Verbrennungsmaschinen beobachtet wird. Es können Verbrennungsmaschinen mit besseren Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf die giftigen Anteile der Abgase, verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs in einer anzutreibenden Komponente gemäß Anspruch 13 bereitgestellt.
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Wie zuvor erläutert ist, erlaubt es das erfindungsgemäße Konzept, dass die Motor/Generatoreinheit mechanisch mit der Motoreinheit in einer Freilaufphase gekoppelt wird, wodurch temporär ein Hybridantriebsstrang gebildet wird, ohne dass tatsächlich der aktuelle Bewegungszustand der anzutreibenden Komponente gestört wird.
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In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Aktivieren der Motoreinheit während zumindest eines Teils der Freilaufphase, so dass mechanische Leistung von der Motoreinheit zu der Motor/Generatoreinheit übertragen wird. Folglich kann zumindest ein Teil der Freilaufphase genutzt werden, um Energie zu erzeugen, ohne dass der Bewegungszustand der anzutreibenden Komponente beeinflusst wird. Gleichzeitig wird die Motoreinheit in einem vorteilhaften Betriebsbereich betrieben, um damit eine hohe Effizienz des temporär eingerichteten seriellen Hybridantriebsstrangs sicherzustellen. Beispielsweise kann während einer ausgedehnten Phase der Fortbewegung mit geringer Geschwindigkeit der Ladezustand des Energiespeichers unter einen gewissen Schwellwert absinken, während andererseits der Betrieb der Motoreinheit während der Periode mit geringer Geschwindigkeit zu einer insgesamt reduzierten Effizienz führen würde. In diesem Falle kann die Freilaufphase vorteilhaft genutzt werden, um elektrische Energie auf der Grundlage des temporär eingerichteten seriellen Hybridantriebsstrangs bereitzustellen, d. h. durch einen Generator und eine Maschine, die in Reihe miteinander verbunden sind, um damit den Ladungsspeicher wieder aufzuladen. Beispielsweise können bei einer Ausgangsleistung der Motoreinheit von 30 kW und für eine Freilaufphase von 1 min, die möglicherweise auch das Anhalten an einer Verkehrsampel beinhaltet, ungefähr 0,4 kWh in den Energiespeicher geladen werden, wenn eine Gesamtumwandlungseffizienz von 0,8 angenommen wird. Somit kann im Prinzip ein rein elektrischer Antriebsmodus insbesondere unter Bedingungen für die Fortbewegung bei geringer Geschwindigkeit realisiert werden, wobei bei zunehmender Erschöpfung des Energiespeichers aufgrund seiner begrenzten Kapazität dennoch ein Hybridantriebsmodus zwischenzeitlich so initiiert werden kann, dass Energie in dem Speicher mit hoher Effizienz gespeichert wird.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Beenden der Freilaufphase durch Anpassen einer Rotationsgeschwindigkeit der Motor/Generatoreinheit an eine Rotationsgeschwindigkeit der Antriebsstrangwelle derart, dass ein Kraftschluss im Wesentlichen bei einer relativen Rotationsgeschwindigkeit von null eingerichtet wird. Wie zuvor erläutert ist, kann die Motor/Generatoreinheit effizient als ein ”mechanischer Steuermechanismus” verwendet werden, um geeignete mechanische Bedingungen für das eigentliche Einrichten eines Kraftschlusses einzustellen, so dass der Kraftschluss mit einer sehr geringen und vorzugsweise mit einer verschwindenden relativen Rotationsgeschwindigkeit zwischen den entsprechenden zu verbindenden Komponenten realisiert werden kann, wodurch der gesamte Verschleiß verringert, ein unerwünschter Energieverlust vermieden wird und ein robuster und kompakter Aufbau mit geringem Gewicht einer entsprechenden Kraftübertragungseinheit möglich ist.
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Weitere anschauliche Ausführungsformen sind auch in den angefügten Patentansprüchen erläutert und weitere Details der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1a schematisch eine Leistungskurve eines Antriebsstrangs zeigt, die im Wesentlichen durch das Leistungsverhalten einer elektrischen Maschine gemäß anschaulichen Ausführungsformen bestimmt ist,
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1b und 1c schematisch Antriebsprofile in Bezug auf einen Betriebsbereich einer Maschine für zwei unterschiedliche Antriebsbedingungen zeigen,
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2a schematisch einen Antriebsstrang zeigt, der mit einer anzutreibenden Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden ist,
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2b bis 2e schematisch diverse Leistungsübertragungseinheiten zeigen, die mit der Motor/Generatoreinheit und der Motoreinheit entsprechend den diversen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbunden sind und
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2f schematisch den Antriebsstrang zeigt, in welchem eine Steuereinheit ausgebildet ist, ein Steuersignal für das Initiieren einer Freilaufphase mit und ohne mechanische Kopplung an die Motoreinheit auf der Grundlage diverser Eingangsinformationen gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen bereitzustellen.
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Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung Hybridantriebsstränge, in denen die rein elektrischen Antriebseigenschaften bereitgestellt werden, indem die Kapazität des Energiespeichers geeignet festgelegt wird und indem eine geeignet dimensionierte Motor/Generatoreinheit bereitgestellt wird, die auch effizient für die Energieumwandlung in gewissen Situationen benutzt wird, ohne dass eine zusätzliche Generatorkomponente erforderlich ist. Es wurde erkannt, dass ein geeignetes Antriebsprofil auf der Grundlage einer reduzierten Anzahl an Antriebskomponenten eingerichtet werden kann, beispielsweise durch Weglassen zumindest einer elektrischen Maschine im Vergleich zu konventionellen Hybridantriebssträngen, wobei dennoch ausreichend Mobilität in einer reinen Hybridantriebssituation sichergestellt ist. Andererseits kann die Motoreinheit, die vorzugsweise als eine Verbrennungsmaschine vorgesehen ist, mit einer geeigneten Nennleistung gemäß einem geeignet dimensionierten Energiespeicher eingerichtet werden, so dass der mittlere Leistungsbedarf in einer Situation mit Hybridantrieb abgedeckt ist, was in einigen bevorzugten Ausführungsformen bewerkstelligt wird ohne komplexe Leistungsübertragungssysteme, etwa in Form komplexer Wechselgetriebe und dergleichen, die häufig in konventionellen Hybridantriebssträngen eingesetzt werden. Somit wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Hybridantriebsstrang so bereitgestellt, dass dieser eine einzige elektrische Maschine und eine einzige Verbrennungsmaschine aufweist, wobei dennoch die Möglichkeit eines rein elektrischen Antriebs in Verbindung mit der Fähigkeit eines Hybridantriebs gegeben ist, um einen gewünschten breiten Betriebsbereich einer anzutreibenden Komponente, etwa eines Fahrzeuges, zu erreichen.
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1a zeigt schematisch ein Diagramm, in welchem ein ”Leistungsprofil” eines Antriebsstrangs dargestellt ist, wobei die horizontale Achse die ”Geschwindigkeit” einer anzutreibenden Komponente oder die Rotationsgeschwindigkeit einer Ausgangswelle des Antriebsstrangs zeigt, der mit einer anzutreibenden Komponente, etwa einer angetriebenen Welle eines Fahrzeugs, und dergleichen verbunden ist. Die vertikale Achse repräsentiert das Drehmoment des Antriebsstrangs, beispielsweise das Drehmoment, das an der Ausgangswelle des Antriebsstrangs verfügbar ist. In anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Profil, wie es schematisch in 1a gezeigt ist, im Wesentlichen durch die Motor/Generatoreinheit des Antriebsstrangs festgelegt, d. h. durch eine elektrische Maschine, so dass die gewünschten Antriebseigenschaften im Wesentlichen auch in einem rein elektrischen Antriebsmodus verfügbar sind. Beispielsweise zeigt die Kurve A in 1a ein gewünschtes Antriebsverhalten des Antriebsstrangs, wobei dieses Leistungsverhalten in einem rein elektrischen Betriebsmodus verfügbar ist. Andererseits repräsentiert die Kurve B das Profil des Antriebsstrangs, wenn etwa zusätzlich in einer Situation mit Hybridantrieb in einem oberen Geschwindigkeitsbereich die Motoreinheit, beispielsweise die Verbrennungsmaschine, gleichzeitig mit der Motor/Generatoreinheit betrieben wird. In diesem Falle kann eine höhere Leistung, d. h. ein erhöhtes Drehmoment, in dem oberen Geschwindigkeitsbereich erreicht werden.
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In anderen Fällen wird die von der Motoreinheit bereitgestellte zusätzliche Energie so mit der positiven oder negativen Ausgangsleistung der elektrischen Maschine ”kombiniert”, dass man eine kombinierte Leistung entsprechend dem Profil der Kurve A erhält, wodurch sichergestellt ist, dass im Wesentlichen die gleichen Antriebseigenschaften in dem rein elektrischen Betriebsmodus und im Hybridbetriebsmodus erreicht werden.
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1b zeigt schematisch ein Antriebsprofil einer anzutreibenden Komponente, etwa eines Fahrzeugs oder dergleichen, wobei die horizontale Achse die Fahrzeit repräsentiert, während die vertikale Achse die Geschwindigkeit der anzutreibenden Komponente darstellt. Ferner ist ein zulässiger Geschwindigkeitsbereich angegeben, der Geschwindigkeiten der anzutreibenden Komponente entspricht, bei denen die Motoreinheit, beispielsweise die Verbrennungsmaschine, so angetrieben wird, dass diese direkt mechanische Ausgangsleistung zum Antreiben der Komponente bereitstellt. In dem gezeigten Beispiel ist der zulässige Geschwindigkeitsbereich, der durch ve angegeben ist, von der maximalen Geschwindigkeit der Komponente, etwa einem Fahrzeug, bis hinab zu einer Zwischengeschwindigkeit festgelegt, wodurch sichergestellt ist, dass die mechanische Ausgangsleistung, die von der Motoreinheit bereitgestellt ist, in Situationen mit hoher Geschwindigkeit verfügbar ist, in denen typischerweise eine erhöhte Gesamtausgangsleistung des Antriebsstrangs erforderlich ist. Der Geschwindigkeitsbereich ve ist vorzugsweise so festgelegt, dass die Motoreinheit mit einer moderat hohen Effizienz und einem hohen Drehmoment arbeitet, so dass es möglich ist, dass die Antriebsstrangwelle ausschließlich durch Ausgangsleistung angetrieben wird, die von der Motoreinheit bereitgestellt wird, wobei dies von den Drehmomentanforderungen in einer speziellen Antriebssituation abhängt, während ein ”überschüssiges” Drehmoment der Motoreinheit verwendet wird, um den Energiespeicher auf der Grundlage der Motor/Generatoreinheit abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers aufzuladen.
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Aus 1b geht hervor, dass in Situationen mit einer Geschwindigkeit unterhalb des Bereichs ve eine mechanische Verbindung der Motoreinheit mit der anzutreibenden Komponente nicht möglich ist, sofern nicht zusätzliche mechanische Komponenten vorgesehen sind, etwa eine Leistungsteilungskomponente oder dergleichen, wie dies in einigen konventionellen Hybridantriebssträngen der Fall ist. Andererseits ist in diesem Geschwindigkeitsbereich typischerweise die Leistungsanforderung reduziert, mit Ausnahme von Situationen mit ausgeprägtem Bergauffahren, so dass typischerweise in diesen Zeitphasen ein rein elektrisches Antreiben aufgrund der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie möglich ist. Andererseits kann die mechanische Leistung der Motoreinheit (etwa einer Verbrennungsmaschine) in Situationen mit einer höheren Geschwindigkeit genutzt werden, so dass es möglich ist, dass die Antriebsstrangwelle von der Motoreinheit angetrieben wird und ihre überschüssige mechanische Ausgangsleistung zum Aufladen des Energiespeichers verwendet werden kann, falls dies erforderlich ist, während andererseits das Ausgangsmoment der Motoreinheit so gesteuert werden kann, dass es ausreichend ist, um die momentane Leistungsanforderungen der anzutreibenden Komponente zu decken, während die elektrische Maschine elektrisch ”neutral” ist.
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1c zeigt ein Antriebsprofil, in welchem die anzutreibende Komponente, beispielsweise ein Fahrzeug, mit relativ geringer Geschwindigkeit über eine längere Zeitdauer hinweg betrieben wird, was schließlich zu einer Erschöpfung des Energiespeichers führen kann. Da die Fortbewegungsgeschwindigkeit permanent unterhalb des zulässigen Betriebsbereichs der Motoreinheit liegt, sind in konventionellen Hybridantriebssträngen zusätzliche Komponenten erforderlich, beispielsweise eine Leistungsteilungseinrichtung in Verbindung mit einer zusätzlichen elektrischen Maschine, oder eine Generatoreinheit, die mechanisch mit der Motoreinheit gekoppelt wird, um damit einen rein seriellen Hybridantriebsstrang einzurichten und sicherzustellen, dass der Energiespeicher ausreichend wieder aufgeladen wird oder elektrische Energie direkt an die Motor/Generatoreinheit geliefert wird.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es generell vorteilhaft ist, Freilaufphasen zu verwenden, um eine innere Reibung des Antriebsstrangs zu vermeiden, wobei zumindest einige dieser Freilaufphasen genutzt werden können, um temporär eine Antriebsstrangkonfiguration einzurichten, die die mechanische Kopplung der elektrischen Maschine mit der Verbrennungsmaschine ermöglicht, ohne dass der Bewegungszustand, d. h. der Freilaufzustand, gestört wird. Beispielsweise sind geeignete Zeitpunkte in 1c angegeben, die durch f bezeichnet sind, in denen eine Freilaufphase vorteilhaft sein kann für das Erhöhen der gesamten Antriebseffizienz und bei Bedarf zum Konfigurieren der Motor/Generatoreinheit und der Motoreinheit als einen Antriebsstrang, der zum Laden des Energiespeichers dient, und/oder zum Vorbereiten des Antriebsstrangs für einen Hybridmodus bei höheren Geschwindigkeiten, wenn erwartet wird, dass ein derartiger höherer Geschwindigkeitsbereich bald eintritt. Folglich kann in dem Betriebsmodus mit geringer Geschwindigkeit, wie er in 1c gezeigt ist, Energie in den Energiespeicher gespeichert werden, wodurch ein Hybridantriebsprofil effizient möglich ist, selbst in dem Geschwindigkeitsbereich, der in 1c angegeben ist.
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2a zeigt schematisch einen Antriebsstrang 200, der mechanisch mit einer anzutreibenden Komponente 290 gekoppelt ist, die eine Antriebsachse eines Wagens, und dergleichen darstellen kann. Der Antriebsstrang 200 umfasst eine Motor/Generatoreinheit 210, die als eine Komponente zu verstehen ist, die mindestens eine elektrische Maschine, etwa eine permanent erregte elektrische Maschine in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors, einer Synchronmaschine oder dergleichen aufweist, während in anderen Fällen eine andere elektrische Maschine, etwa eine Asynchronmaschine, eine geschaltete Reluktanzmaschine und dergleichen verwendet wird. Beispielsweise umfasst in einer anschaulichen Ausführungsform die Motor/Generatoreinheit 210 eine geschaltete Reluktanzmaschine in Verbindung mit einem geeigneten elektronischen Leistungssystem, so dass ein kostengünstiges Antriebssystem mit hoher Betriebseffizienz insbesondere für Bereiche im unteren Geschwindigkeitsbereich bereitgestellt wird aufgrund der guten Leistungseigenschaften einer geschalteten Reluktanzmaschine in diesem Betriebsmodus.
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Generell ist die Motor/Generatoreinheit 210 vorzugsweise mit einer Motorsteuerung versehen, die eine schnelle Änderung eines Bewegungszustands der eigentlichen elektrische Maschine ermöglicht, beispielsweise durch Anwendung gut etablierter Steuerungsstrategien, etwa durch Vektorsteuerung, und dergleichen, die grundsätzlich eine schnelle und effiziente Anpassung des erregenden magnetischen Feldes in der elektrische Maschine auf die aktuellen Anforderungen im Hinblick auf Drehmoment und Geschwindigkeit der elektrischen Maschine ermöglichen. Folglich ist typischerweise die elektrische Reaktionszeit zum Einstellen eines geeigneten magnetischen Flusses in der elektrische Maschine der Einheit 210 kleiner als eine entsprechende mechanische Reaktionszeit der Einheit 210 oder anderer mechanischer Komponenten, die mit der Einheit 210 in Verbindung stehen. Die Einheit 210 umfasst eine Antriebswelle 211, die mechanisch mit einer ersten Kraftübertragungseinheit 230 verbunden ist, die wiederum mit einer Antriebswelle 201 des Antriebsstrangs 200 in Verbindung steht. Die Antriebswelle 201 ist wiederum geeignet mit der Komponente 290 mechanisch gekoppelt, beispielsweise durch ein Differenzialgetriebe (nicht gezeigt) oder dergleichen. Die Kraftübertragungseinheit 230 ist geeignet derart ausgebildet, dass sie die Antriebswelle 201 mit der Antriebswelle 211 mechanisch koppelt, so dass ein Kraftschluss zwischen diesen beiden Wellen hergestellt wird, wobei der Begriff ”Kraftschluss” in dem zuvor definierten Sinne zu verstehen ist. Ferner ist die Kraftübertragungseinheit 230 eine steuerbare Einheit, da der Kraftschluss aktiviert oder deaktiviert werden kann auf der Grundlage eines geeigneten Ansteuersignals, das von einer Steuereinheit 250 bereitgestellt wird.
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Ferner ist die Einheit 210 mechanisch mit einer zweiten Kraftübertragungseinheit 240 gekoppelt, die ebenfalls als eine steuerbare Einheit verstanden wird, so dass ein Kraftschluss zwischen einer geeigneten Antriebswelle, etwa der Welle 211 der Einheit 210 und einer Antriebswelle 221 einer Motoreinheit 220 aktiviert oder initiiert oder deaktiviert oder entkoppelt wird, wobei die Motoreinheit 220 in bevorzugten Ausführungsformen in Form einer Verbrennungsmaschine mit innerer Verbrennung bereitgestellt wird. Auch in diesem Falle wird die Einheit 240 durch die Steuereinheit 250 gesteuert, indem ein geeignetes Steuersignal bereitgestellt wird. Es sollte beachtet werden, dass ein ”Steuersignal” in Form eines elektrischen Signals, eines optischen Signals, oder dergleichen bereitgestellt werden kann, oder das Steuersignal kann in Form einer mechanischen Wechselwirkung, etwa durch ein magnetisches Feld, einen Druck, der durch ein Fluid ausgeübt wird, oder dergleichen bereitgestellt werden.
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Auf der Grundlage der ersten und der zweiten Kraftübertragungseinheit 230, 240 können folglich die Einheiten 210 und 220 mechanisch in Reihe geschaltet werden, wodurch es möglich ist, dass die Einheit 210 die Einheit 220 starten kann und damit als ein Starter dient, während in anderen Fällen beide Einheiten gemeinsam mechanische Ausgangsleistung an die Antriebswelle 210 abgeben, wenn die Einheit 220 mit der Einheit 210 über die Übertragungseinheit 230 gekoppelt ist. In anderen Betriebsmodi liefert die Einheit 220 mechanische Leistung, während die Einheit 210 als Generator arbeitet, um zumindest einen Teil der von der Einheit 220 gelieferten mechanischen Leistung in elektrische Energie umzuwandeln. In noch anderen Fällen wird die Einheit 210 mit der Komponente 290 gekoppelt, um als ein Motor oder ein Generator während eines Rekuperationsmodus zu dienen, während die Einheit 220 mechanisch mit der Einheit 210 verbunden ist oder von dieser entkoppelt ist und wobei der Motor 220 deaktiviert ist. In diesem Falle wird ein rein elektrischer Betriebsmodus des Antriebsstrangs 200 erreicht. Somit wird Energie zwischen der Einheit 210 und einem Energiespeicher 260 ausgetauscht, der in Form eines beliebigen geeigneten elektrischen Speichersystems, etwa in Form von Akkumulatoren, Kondensatoren, und dergleichen vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ist die Kapazität des Speichers 260 so festgelegt, dass ein gewünschter minimaler elektrischer Antriebsbereich für ein gewisses ”standardmäßiges” Antriebsprofil erreicht wird. Der Energiespeicher 260 ist ferner geeignet ausgebildet, zumindest in einigen anschaulichen Ausführungsformen, um das Zuführen von Energie beispielsweise durch Verbindung mit einer Ladestation zu ermöglichen, die direkt elektrische Energie in den Energiespeicher 260 liefern kann, während in anderen Fällen eine Ladestation mechanische Leistung dem Antriebsstrang 200 zuführt, beispielsweise über die anzutreibenden Komponente 290 und dergleichen, um die Infrastruktur des Antriebsstrangs 200 zum Wiederaufladen des Energiespeichers 260 zu nutzen. Beispielsweise kann eine entsprechende mechanische Ladestation auf ein oder mehrere Räder einwirken, während die Steuereinheit 250 den Antriebsstrang 200 so konfiguriert, dass dieser im Rekuperationsmodus ist, während die anzutreibende Komponente 290 stationär und mechanisch mit der Ladestation gekoppelt ist.
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Beispielsweise ist eine elektrische Energie von ungefähr 1 kWh bis mehrere Kilowattstunden ausreichend, um einen rein elektrischen Bereich von mehreren Kilometern bis zu zehn oder mehr Kilometer zu ermöglichen. Jedoch können auch andere Werte für die verfügbare elektrische Kapazität des Speichers 260 abhängig von den gesamten Erfordernissen verwendet werden.
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Beim Betrieb des Antriebsstrangs 200 liefert die Steuereinheit 250 geeignete Steuersignale beispielsweise auf der Grundlage einer Eingangsinformation, die man von Geschwindigkeitssensoren, die etwa an oder in Verbindung mit der anzutreibenden Komponente 290 vorgesehen sind, von der Antriebswelle 201, der Motor/Generatoreinheit 210, der Motoreinheit 220, von anderen Sensoren, die den Bewegungszustand der Komponente 290 angeben, von Anwendereingaben und dergleichen erhält. Beispielsweise steuert in einem rein elektrischen Betriebsmodus die Steuereinheit 250 die Kraftübertragungseinheit 240 derart, dass ein Kraftschluss zwischen der Welle 221 und der Welle 211 deaktiviert wird, während andererseits die Kraftübertragungseinheit 230 so gesteuert wird, dass ein Kraftschluss zwischen der Welle 211 und der Antriebswelle 201 hergestellt bzw. aktiviert wird.
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Wenn die Steuereinheit 250 den Bedarf für eine Freilaufphase der Antriebsstrangwelle 201 erkennt, wird die Kraftübertragungseinheit 230 so gesteuert, dass der Kraftschluss deaktiviert wird und somit ein Freilaufen der Welle 201 möglich ist, um damit insgesamt die mechanischen Verluste des Antriebsstrangs 200 zu reduzieren. Wenn die Steuereinheit 250 die aktuelle Freilaufphase als einen geeigneten ”Kandidaten” für das Einrichten einer mechanischen Verbindung zwischen der Einheit 210 und der Einheit 220 erkennt, wird ein Kraftschluss mittels der Übertragungseinheit 240 hergestellt, was in bevorzugten Ausführungsformen das Steuern der Einheit 210 derart beinhaltet, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle 211 deutlich verringert wird, um eine mechanische Verbindung mit reduzierten mechanischen Verlusten zu ermöglichen. Wie zuvor erläutert ist, besitzt die Einheit 210 sehr dynamische Leistungseigenschaften, wodurch eine deutliche Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit möglich ist, während die daraus resultierende elektrische Energie, die sich aus dieser Rotationsgeschwindigkeitsverringerung in der Einheit 210 ergibt, effizient dem Speicher 260 zugeführt werden kann. Wenn eine geeignete relative Rotationsgeschwindigkeit in der Übertragungseinheit 240 erreicht ist, so dass ein Kraftschluss mit geringen mechanischen Verlusten hergestellt ist, wird die Einheit 210 so gesteuert, dass die Rotationsgeschwindigkeit wieder erhöht wird, um damit eine gewünschte geeignete Geschwindigkeit in der Motoreinheit 220 einzustellen, um etwa eine Verbrennungsmaschine zu aktivieren und die Maschine in einen zulässigen Geschwindigkeitsbereich zu bringen. Anschließend kann die Einheit 220 mechanische Ausgangsleistung bereitstellen, die durch die Einheit 210, die nunmehr als Generator arbeitet, effizient in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Wenn ein Ende der Freilaufphase erkannt wird oder an einem anderen geeigneten Zeitpunkt während der Freilaufphase wird die Einheit 220 von der Einheit 210 entkoppelt, wenn dies erforderlich ist, und die Einheit 210 wird mit der Welle 201 verbunden, was in einigen bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls durch ein geeignetes Anpassen der Rotationsgeschwindigkeit der Einheit 210 in Bezug auf die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle 201 erfolgt. Folglich kann der Kraftschluss zwischen der Welle 201 und der Welle 211 direkt oder indirekt ebenfalls mit reduzierten mechanischen Verlusten hergestellt werden. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Kraftschlüsse bei einer relativen Rotationsgeschwindigkeit von im Wesentlichen Null zwischen entsprechenden bewegten Komponenten eingerichtet, wodurch die mechanischen Verluste in den Kraftübertragungseinheiten deutlich verringert werden.
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2b zeigt schematisch einen Teil des Antriebsstrangs 200, wobei die Kraftübertragungseinheit 240 so ausgebildet ist, dass diese ein Planetengetriebesystem aufweist. Beispielsweise sind Planetenräder 245p, die mit einem Träger 245c verbunden sind, ein Sonnenrad 245s und ein Hohlrad 245r vorgesehen, wobei zwei dieser Komponenten entsprechend mit der Antriebswelle 211 bzw. der Antriebswelle 221 verbunden sind. In dem gezeigten Beispiel ist der Träger 245c mechanisch mit der Welle 211 verbunden, während das Sonnenrad 245s mit der Welle 221 verbunden ist. In diesem Falle wird das Hohlrad 245r als eine lastfreie Komponente verwendet, die von einem Bremssystem 241 blockiert wird, um damit einen Kraftschluss zwischen den Wellen 211 und 221 mit einem genau definierten Übertragungsverhältnis des Getriebes 245 herzustellen. Durch Steuerung der Einheit 210 und/oder der Einheit 220 kann daher die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrads 245r deutlich verringert werden oder die Rotationsgeschwindigkeit kann auf ungefähr null gebracht werden, so dass die Aktivierung des Bremssystems 241 möglich ist, ohne dass unerwünschte Reibungsverluste beim Kontaktieren des Hohlrads 245r oder einer Komponente hervorgerufen werden, die fest damit verbunden ist, so dass das Hohlrad temporär zu einer ”stationären” Komponente des Getriebes 245 gemacht wird, die das erforderliche Gegendrehmoment bereitstellen kann. Wenn andererseits ein Kraftschluss zu deaktivieren ist, wird die Welle 221 blockiert, beispielsweise durch eine geeignete Bremse (nicht gezeigt), während die Bremse 241 deaktiviert ist, wodurch das Sonnenrad 245s zu einer stationären Komponente des Planetengetriebes 245 in diesem Betriebsmodus wird. Somit werden die Wellen 211 und 221 permanent mit den entsprechenden Komponenten des Planetengetriebes 245 verbunden, wobei es dennoch möglich ist, einen entsprechenden Kraftschluss zu aktivieren und zu deaktivieren.
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2c zeigt schematisch die Kraftübertragungseinheit 230, die ebenfalls in Form eines Planetengetriebes 235 vorgesehen ist, das Komponenten 235p, 235c in Form von Planetenrädern und einem Träger, ein Sonnenrad 235s und ein Hohlrad 235r aufweist. In dem gezeigten Beispiel ist die Antriebsstrangwelle 201 mit den Hohlrad 235r verbunden, während die Welle 211 mit dem Sonnenrad 235s verbunden ist. In diesem Falle ist der Träger 235c so ausgebildet, dass er mit einem Bremssystem 231 gekoppelt wird, beispielsweise mittels einer Komponente 235b, um einen Kraftschluss nach Bedarf zu deaktivieren oder herzustellen. Es sollte beachtet werden, dass auch in diesem Falle durch geeignetes Anpassen der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 211 an die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 201 ein Eingreifen des Bremssystems 231 in den Träger 235c mit minimalen Reibungsverlusten möglich ist.
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Zu beachten ist, dass in den Getriebesystemen 235 und 245 eine beliebige Konstellation verwendet werden kann, um die Komponenten 201, 210 einerseits und die Komponenten 210 und 220 andererseits zu verbinden.
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2d zeigt schematisch die Kraftübertragungseinheit 240, die in Form einer steuerbaren Kupplung mit Komponenten 242a, 242b vorgesehen ist, die miteinander in Eingriff gebracht werden, um einen Kraftschluss zwischen der Welle 211 und der Welle 221 herzustellen. Um Verschleiß und Reibungsverluste zu verringern, kann die relative Rotationsgeschwindigkeit der Wellen 211 und 221 so eingestellt werden, dass diese relative Rotationsgeschwindigkeit deutlich verringert oder im Wesentlichen zu null gemacht wird, was bewerkstelligt werden kann durch Steuern der Einheit 210 und/oder der Einheit 220.
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2e zeigt schematisch die Kraftübertragungseinheit 230, die als eine Kupplung mit Komponenten 232a, 232b ausgebildet ist, die einen Kraftschluss bei Empfang eines Steuersignals herstellen, das von der Steuereinheit empfangen wird. Auch in diesem Falle wird in bevorzugten Ausführungsformen die Einheit 210 so gesteuert, dass beim Herstellen eines Kraftschlusses die relative Rotationsgeschwindigkeit der Komponenten 232a und 232b deutlich reduziert wird oder vorzugsweise auf im Wesentlichen Null gebracht wird, um Reibungsverluste und die mechanische Abnutzung zu minimieren.
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Es sollte beachtet werden, dass die Kraftübertragungseinheiten 230 und 240 im Grunde die gleiche Struktur oder auch eine unterschiedliche Struktur abhängig von den gesamten Erfordernissen aufweisen können.
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2f zeigt schematisch den Antriebsstrang 200, wenn die Steuereinheit 250 eine Entscheidungs- und Erkennungseinheit 255 aufweist, die geeignet ausgebildet ist, um eine Freilaufphase zu erkennen und um zu bestimmen, ob ein Ankoppeln der Maschine, d. h. eine mechanische Kopplung der Einheit 220 mit der Einheit 210, zumindest während eines Teils einer entsprechenden Freilaufphase erforderlich ist.
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Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit 250 geeignet so ausgebildet, dass sie Eingangsinformation 251 von den diversen Komponenten empfängt, etwa dem Energiespeicher 260, der Motor/Generatoreinheit 210, der Motoreinheit 220, der Antriebswelle 201, den Übertragungseinheiten 230, 240, und dergleichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass entsprechende Eingangsinformation nicht notwendigerweise von jeder der zuvor angegebenen Komponenten empfangen werden muss.
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Ferner kann Eingangsinformation 252 von ”externen” Quellen erhalten werden, etwa der anzutreibenden Komponente, einem Gaspedal, einem Bremspedal, einer Anwenderschnittstelle zum Auswählen einer Freilaufphase, einem globalen Positioniersystem, etwa dem GPS-System, von Geschwindigkeitssensoren, etwa speziellen Lagegebern, in Form von Geschwindigkeitsinformation, die von einem Antiblockiersystem (ABS) erhalten wird, und dergleichen.
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Die Eingangsinformationen 251 und 252 können von der Steuereinheit 250 in speziellen Untereinheiten, die durch 251a, ..., 251e und 252a, ..., 252d angegeben sind, empfangen werden. Beispielsweise ist die Untereinheit 251a ausgebildet, die Eingangsinformation 251 zu empfangen und daraus einen Ladezustand des Energiespeichers 260 zu ermitteln. Die Untereinheit 251b ist geeignet ausgebildet, einen aktuellen Bewegungszustand des Antriebsstrangs 200 zu bestimmen, wobei dies zumindest Information über die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebsstrangwelle 201 beinhaltet, während in anderen Fällen zusätzlich die Rotationsgeschwindigkeit der Einheit 210 und des Motors 220 im Bewegungszustand enthalten sind. Ferner kann der Bewegungszustand auch Information über den aktuellen Zustand einer elektrischen Maschine in der Einheit 210 enthalten, beispielsweise im Hinblick darauf, ob eine elektrische Maschine in einem Generatormodus oder Motormodus oder in einem Freilaufmodus oder dergleichen ist.
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Die Untereinheit 251c kann ein Bewegungsprofil des Antriebsstrangs 200 bestimmen, das zumindest die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 201 über eine gewisse Zeitdauer hinweg enthält.
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Die Untereinheit 251d ist geeignet ausgebildet, um ein vorhergesagtes oder künftiges Bewegungsprofil zu bestimmen, um damit bei der Bestimmung zu helfen, ob eine Freilaufphase initiiert werden soll und ob eine Ankopplung der Einheit 220 erforderlich ist. Beispielsweise ist ein geeigneter Algorithmus in der Untereinheit 251d implementiert, um einen künftigen Bewegungszustand des Antriebsstrangs 200 abzuschätzen. Wenn beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 201 sich über eine spezifizierte abgelaufene Zeitdauer hinweg über einer Schwellwertrotationsgeschwindigkeit befand, kann durch die Untereinheit 251d festgelegt werden, dass ein künftiger Bewegungszustand ebenfalls eine hohe Wahrscheinlichkeit besitzt, dass eine Rotationsgeschwindigkeit der Welle 201 über dem vordefinierten Schwellwert bleibt. In anderen Fällen werden Anwenderaktivitäten analysiert, beispielsweise im Hinblick auf die Geschwindigkeit einer Änderung des Drückens oder Loslassens eines Gaspedals oder eines Bremspedals, um zu erkennen, ob eine abrupte Änderung des Bewegungszustands erwartet wird oder nicht. Wenn beispielsweise die aktuelle Geschwindigkeit deutlich über einem vordefinierten Schwellwert liegt und nur sehr geringfügige Anwenderaktivitäten erkannt werden, wird die künftige Geschwindigkeit so bewertet, dass diese über dem Schwellwert bleibt.
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Die Untereinheit 252a kann Positionsinformation empfangen, um eine künftige Leistungsanforderung für den Antriebsstrang 200 vorherzusagen, wobei das Ausgangssignal der Untereinheit 252a auch in der Einheit 251d verwendet werden kann, um ein vorhergesagtes Bewegungsprofil zu erstellen. Beispielsweise kann die Strategie zum Laden des Energiespeichers 260 in Übereinstimmung mit der Information festgelegt werden, die von der Einheit 252a bereitgestellt wird, so dass viele Bewegungssituationen abgedeckt werden können, ohne dass eine sehr hohe Kapazität des Speichers 260 erforderlich ist. Wenn beispielsweise die Untereinheit 252a die Positionsinformation, die etwa von einem GPS-Gerät erhalten wird, so bewertet, dass ein erhöhter Leistungsbedarf erwartet wird, beispielsweise aufgrund eines längeren Fahrprofils mit Bergauffahrten innerhalb der Fahrroute des Fahrzeugs, können jegliche Gelegenheiten zum Aufladen des Speichers 260 verwendet werden, beispielsweise unter Anwendung von Freilaufphasen, die während des weiteren Fahrens initiiert werden.
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Die Untereinheit 252b kann auch Information direkt von einem Anwender empfangen, beispielsweise über eine geeignete Schnittstelle, wodurch eine Anwenderforderung zum Initiieren einer Freilaufphase angezeigt wird.
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In ähnlicher Weise können die Untereinheiten 252c, 252d Information von einem Gaspedal, einem Bremspedal und dergleichen empfangen, um der Einheit 255 geeignete Information zur Verfügung zu stellen, beispielsweise im Hinblick auf das Bestimmen des Erfordernisses für eine Freilaufphase, und dergleichen. Wenn beispielsweise das Gaspedal losgelassen wird, kann die Einheit 255c bestimmen, dass eine Freilaufphase einzurichten ist und kann somit in geeigneter Weise den Antriebsstrang 200 ansteuern, wie dies zuvor beschrieben ist. Wie ferner zuvor erläutert ist, kann zusätzliche Information berücksichtigt werden, beispielsweise die Geschwindigkeit der Änderung des Status des Gaspedals, und dergleichen, sowie das aktuelle und das vorhergesagte Bewegungsprofil, um zu bestimmen, ob eine Freilaufphase zu initiieren ist oder nicht. Ferner kann die Untereinheit 251e Information von einem Geschwindigkeitssensor, beispielsweise von einem ABS, speziellen Lagegebern, dem GPS-System, und dergleichen empfangen, um eine geeignete Information für die Einheit 255 auszugeben.
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Während des Betriebs des Antriebsstrangs 200 kann somit temporär ein paralleler Antriebsstrang eingestellt werden, indem die Kraftübertragungseinheiten 230, 240 so gesteuert werden, dass die Einheiten 210 und 220 mechanisch gekoppelt werden, wenn die Steuereinheit 250 einen Bewegungszustand ermittelt, der den Betrieb der Einheit 220 in einem definierten Bereich ermöglicht, wie dies auch zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b angegeben ist. Zu diesem Zweck wird die mechanische Kopplung der Einheiten 210 und 220 vorzugsweise während einer vorhergehenden Freilaufphase eingerichtet, wodurch es möglich ist, dass die Kraftübertragungseinheit 240 in einer einfachen und robusten Konfiguration bereitgestellt wird, da eine geeignete Anpassung der Rotationsgeschwindigkeiten der Einheit 210 und der Einheit 220 erreicht wird, wie dies zuvor erläutert ist. In diesem Falle können zusätzliche komplexe Komponenten, die beispielsweise ansonsten eine kontinuierliche Anpassung des Drehmoments und der Geschwindigkeit dieser Komponenten ermöglichen sollen, weggelassen werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass derartige Komponenten, etwa Leistungsteilungseinrichtungen, und dergleichen auch in der Kraftübertragungseinheit 240 eingerichtet werden können, wenn dies als geeignet erachtet wird. In jedem Falle kann die Einheit 210 so gesteuert werden, dass ein geeigneter Kraftschluss mit der Antriebswelle 201 hergestellt wird mittels der Kraftübertragungseinheit 230, wobei die Reibungsverluste reduziert werden können, wie dies zuvor erläutert ist.
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Wenn andererseits der Bewegungszustand den Betrieb der Einheit 220 in dem vordefinierten Betriebsbereich nicht zulässt, kann die Einheit 220 deaktiviert oder mechanisch entkoppelt werden, bevor der Kraftschluss zwischen der Antriebswelle 201 und der Einheit 210 wieder hergestellt wird. In diesem Falle kann jedoch während der Freilaufphase dennoch die Einheit 220 in dem spezifizierten Geschwindigkeitsbereich dieser Einheit betrieben werden, wodurch ein effizienter Generatorbetrieb der Einheit 210 möglich ist, um bis zu einem gewissen Grade einen gewünschten Ladezustand des Energiespeichers 260 wiederherzustellen.
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Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt einen Antriebsstrang bereit, in welchem Freilaufphasen in automatisierter Weise oder auf Basis einer Anwenderanforderung initiiert werden, wobei zumindest einige der Freilaufphasen oder gewisse Bereiche davon verwendet werden, um die Motoreinheit mit der Motor/Generatoreinheit mechanisch zu koppeln, so dass temporär ein ”serieller” Hybridantriebsstrang hergestellt wird, wodurch temporär der Energiespeicher aufgeladen und/oder die mechanische Verbindung für eine weitere Nutzung in einer späteren Phase geschaffen wird, wenn erwartet wird, dass der parallele Hybridantriebsmodus erforderlich ist. D. h., es wird temporär eine Konfiguration des Hybridantriebsstrangs in der Freilaufphase eingerichtet, um die Motor/Generatoreinheit im Generatormodus zu betreiben, so dass ein effizientes Wiederaufladen des Energiespeichers selbst in einer Situation möglich ist, in der die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle des Antriebsstrangs einer nicht zulässigen Rotationsgeschwindigkeit der Motoreinheit entspricht. Somit wird eine hohe Flexibilität bei einer reduzierten Anzahl an Komponenten erreicht, da beispielsweise eine spezielle Generatoreinheit und/oder eine Leistungsteilungseinrichtung weggelassen werden können.
