DE102014204305A1 - Verfahren zum Schalten einer Übersetzungseinheit, Steuerungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Antriebsanordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer Übersetzungseinheit für den Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und mindestens einem Elektromotor, der als Generator betrieben werden kann, wobei ein erhöhter Bedarf an elektrischer Leistung im Bordnetz abgedeckt wird und gleichzeitig die Fahrzeugfunktionen stabil und sicher bestehen bleiben. Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Antriebsanordnung.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer Übersetzungseinheit für den Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und mindestens einem Elektromotor, der als Generator betrieben werden kann, wobei ein erhöhter Bedarf an elektrischer Leistung im Bordnetz abgedeckt wird und gleichzeitig die Fahrzeugfunktionen stabil und sicher bestehen bleiben. Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Antriebsanordnung.
• Hintergrund der Erfindung
• In den vergangenen Jahren hat sich die Diskussion über die Leistungsgrenzen der Bordnetze in Kraftfahrzeugen verstärkt. Tatsächlich tritt im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine und bei niedrigen Drehzahlen häufig eine Überlast des Bordnetzes auf, die sich folgendermaßen erklärt: Die Motordrehzahl wird von der Kurbelwellenriemenscheibe über den Riementrieb an die Riemenscheibe des Generators übertragen. Typische Übersetzungen im PKW-Bereich liegen bei 2:1 bis 3:1 des Verhältnisses der Motordrehzahlen der Riemenscheibe der Kurbelwelle und der Riemenscheibe des Generators. Bei einer Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors von beispielsweise ca. 600U/min liegt damit die Drehzahl des Generators zwischen 1200 und 1800 U/min. Bei diesem Drehzahlniveau liefert die elektrische Maschine nur einen geringen Strom, der den Leistungsbedarf unter Umständen nicht decken kann.
• Da moderne Kraftfahrzeuge eine Vielzahl an elektrisch betriebenen Systemen aufweisen, kann das 14V-Bordnetz an seine Grenzen stoßen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, einen erhöhten Leistungsbedarf im Bordnetz, der beispielsweise durch das Einschalten mehrerer Verbraucher wie Heckscheibenheizung, Sitzheizung, etc. entsteht, durch eine geeignete Betriebsstrategie für den Generator zu regeln. Der Generator wird über seinen Regler gesteuert. Gelangt dieser an seiner Leistungsgrenze, wird zusätzlich der Starterbatterie Energie entzogen, solange dies der Ladezustand (state of charge, SOC) der Batterie zulässt. Sinkt der SOC unter ein kritisches Niveau, werden die Verbraucher nach einer festgelegten Priorität abgeschaltet, um die primären und sicherheitsrelevanten Funktionen des Fahrzeugs zu gewährleisten.
• Ein erhöhter Leistungsbedarf lässt sich alternativ dadurch abdecken, dass die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angehoben wird. Allerdings führt dies zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch und Komfort-Einbußen für die Fahrzeug-Insassen.
• Die DE 10 2011 083 802 A1 beschreibt ein Planetengetriebe für riemengetriebene Nebenaggregate. Eine geänderte Übersetzung zwischen Riementrieb und elektrischer Maschine (Übersetzung in eine höhere Drehzahl) kann zwar bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors zu einer besseren Energieausbeute führen, birgt allerdings die Gefahr, dass die E-Maschine zu hoch dreht. Daher muss diese eventuell größer und/oder für ein größeres Drehzahlband ausgelegt werden. Die Verwendung einer Standard-E-Maschine, die gegebenenfalls auch geringer dimensioniert werden könnte, kommt daher nach dem Stand der Technik nicht in Betracht.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Antriebsanordnung aufzuzeigen, mit der ein stabiles und sicheres Niveau der dem Bordnetz zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung gewährleistet werden kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebsanordnung vorzuschlagen. Als zusätzlicher Effekt ist dabei jeweils ferner eine Einsparung des Treibstoff- und Energieverbrauch sowie eine Verringerung der Schadstoffemissionen des Fahrzeugs angestrebt.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Steuerungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 8 und eine Antriebsanordnung gemäß Patentanspruch 9.
• Um auf einen erhöhten Leistungsbedarf nicht mit dem Abschalten verschiedener Systeme und/oder Anheben der Leerlaufdrehzahl der Verbrennungsmotors reagieren zu müssen, wird ein aktuierbares Getriebe zwischen Riemenscheibe und Generator angeordnet, um verschiedene Übersetzungen zu ermöglichen.
• Vorgeschlagen wird damit eine Anordnung, die es erlaubt, die Drehzahl des Generators und damit den vom Generator bereitgestellten Strom anzuheben. Dies geschieht durch eine zusätzliche veränderbare Übersetzung der Generatordrehzahl mittels eines schaltbaren Planetengetriebes und der dazugehörigen Betriebsstrategie.
• Das schaltbare Getriebe liefert verschiedene Übersetzungen i für eine riemengetriebene elektrische Maschine, so dass folgende Übersetzungsverhältnisse der Drehzahl der Generatorriemenscheibe auf den Generator möglich sind:
  Übersetzung i_n = 1:1
  Übersetzung i_l = 1:0, also ein Abkoppeln des Generators (Generatorabwurf),
  Übersetzung i_s = 1:x, wobei x << 1 (Übersetzung ins Schnelle).
• Dadurch wird gewährleistet, dass die E-Maschine immer in einem günstigen Betriebsbereich betrieben wird, so dass die Starterbatterie entlastet werden kann. Gegebenenfalls kann die Starterbatterie sogar kleiner dimensioniert werden, so dass eine zusätzliche Kosten- und Bauraumeinsparung bewirkt wird.
• Beschreibung der Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben werden, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen:
• 1 eine typische Kennlinie eines Drehstromgenerators,
• 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung
• 3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs ohne Generatorabwurf
• 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs mit Generatorabwurf
• Die Kennlinie aus 1 verdeutlicht, dass bei einer Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors von beispielsweise ca. 600U/min und einer damit einhergehenden Drehzahl des Generators zwischen 1200 und 1800 U/min die E-Maschine nur einen geringen Strom liefert, der den Leistungsbedarf unter Umständen nicht decken kann.
• 2 zeigt schematisch die Anordnung aus Riemenscheibe 30, Übersetzungsvorrichtung 20 und Generator 10.
• Der Antrieb durch die Riemenscheibe 30 erfolgt über die Riemenscheibenwelle 31 auf den Planetenträger 24.
• Im Fahrzeugleerlauf oder bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors wird die Übersetzungsvorrichtung als Schnellgang ausgelegt, also für eine Übersetzung vom Langsamen ins Schnelle. In diesem Betriebsmodus wird vom Planetenträger 24 über die Planeten 22 das Sonnenrad 21 angetrieben, das sich auf der Generatorwelle 11 des Generators 10 befindet. In diesem Fall ist die Planetenträgerbremse 25 geöffnet und die Hohlradbremse 26 geschlossen. Der Abtrieb erfolgt in dieser Ausführungsvariante also über das Sonnenrad, während das Hohlrad festgehalten wird.
• Die Aktuierung der Bremsen kann hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder mechanisch erfolgen. Die Bremsen können als Form- oder Kraftschlusselemente ausgeführt sein. Die Planetenträgerbremse 25 kann als Freilauf (One-Way Clutch) und die Hohlradbremse 26 als Bandbremse ausgeführt sein.
• Die Übersetzung i ergibt sich dabei aus

  
• Dieser Betriebszustand wird beim Starten des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen einer Grenzdrehzahl n_Grenz gehalten.
• Außerdem kann die Übersetzungsstufe "leer" geschalten werden und so der Generator aus dem Riementrieb genommen werden („Riemenabwurf/Generatorabwurf“). In diesem Zustand sind beide Bremsen 25, 26 offen. Dieser Zustand ist sinnvoll, solange die Grenzdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine unterschritten bleibt und die Auslastung der E-Maschine in einem vorab zu definierenden Teillastbereich liegt.
• In einem weiteren Betriebsmodus wird vom Planetenträger 24 bei geschlossener Planetenträgerbremse 25 direkt die Generatorwelle angetrieben. In diesem Zustand ist die Hohlradbremse offen. Sinnvoll wird dieser Betriebsmodus sobald n_Grenz überschritten ist.
• Die 3 und 4 zeigen detailliert das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb vorstehend beschriebener Anordnung.
• Dabei bezeichnen

n_VKM

Drehzahl des Verbrennungsmotors

n_Grenz

einen vorab festzulegenden Grenzwert der Drehzahl n_VKM

B₁

Stellung der Planetenträgerbremse (0: offen; 1: geschlossen)

B₂

Stellung der Hohlradbremse (0: offen; 1: geschlossen)

B+

Generator(kontroll)spannung

B+_Grenz

Grenzwert der Generatorspannung

SOC

Ladezustand der Batterie

SOC_Grenz

Grenzwert für den Ladezustand, den die Batterie zulässt

• Die Wahl des Wertes n_Grenz wird abhängig von den Kennzahlen des Generators/E-Maschine gewählt, um diese in einem für deren Wirkungsgrad sinnvollen Betriebsbereich zu betreiben. Wird beispielsweise eine Gesamtübersetzung von Riemenscheibe und Übersetzungsvorrichtung von 0,1 erreicht, so kann diese Übersetzungsstufe bis zu einer Drehzahl des Verbrennungsmotors von 1500U/min betrieben werden, wenn die E-Maschine bei 15.000U/min ihren maximalen Strom liefert.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Planetenträgerbremse als "normal geöffnet" und die Hohlradbremse als "normal geschlossen" zu betreiben. Dies entspricht der Normalstellung einer Übersetzung ins Schnelle birgt den Vorteil, dass in einem niedrigem Drehzahlbereich, der im sogenannten Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) überwiegt, keinerlei Leistung zur Steuerung der Bremsen aufgewandt werden muss.
• Für den Fall eines Fehlverhaltens der Bremse kann hierbei auf Stand der Technik zurückgegriffen werden, denn sollte es zu einem Fehlverhalten kommen, kann dies dem Fahrer angezeigt werden, er zu einem Werkstattbesuch aufgefordert werden und der Verbrennungsmotor im Notlauf mit begrenzter Drehzahl betrieben werden.
• 3 zeigt, dass zunächst mit Anlassen des Verbrennungsmotors diese Normalstellung eingenommen wird. Sodann wird die Generatorspannung überprüft. Sofern diese Generatorspannung Null ist, wird ein Warnsignal abgesetzt, beispielsweise über eine aus dem Stand der Technik bekannte Generatorkontrollleuchte im Cockpit des Fahrzeugs. Falls die Generatorspannung größer 0 ist, wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors abgefragt. Ist diese Drehzahl gleich einem vorab festgelegten Grenzwert, so ändert sich das System nicht und die gemessenen Werte werden erneut abgefragt. Dies geschieht so lange, bis die Drehzahl des Verbrennungsmotors die Grenzdrehzahl überschreitet. Durch Schließen der Planententrägerbremse B1 und gleichzeitiges Öffnen der Hohlradbremse B2 wird die Übersetzung des Generators durch das Planetengetriebe auf eine 1:1-Übersetzung herabgesetzt, was einem direkten Durchtrieb entspricht. Die Generatordrehzahl ist in diesem Fall nicht zwangsläufig gleich der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, da die antreibende Riemenscheibe ebenfalls eine Übersetzung bewirkt. Im folgenden wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors kontrolliert. Solange diese über dem Grenzwert n_Grenz liegt, wird der direkte Durchtrieb beibehalten. Bei Unterschreiten des Grenzwertes n_Grenz, sieht das Verfahren eine Rückkehr an den Verfahrensbeginn vor und die Übersetzung wird wieder auf die schnelle Übersetzung geschaltet.
• 4 zeigt eine Betriebsstrategie ähnlich der aus 3, jedoch mit folgenden Erweiterungen für den Fall dass die Starterbatterie entladen werden kann ohne dabei Schaden zu erleiden:
  Ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors größer als die Grenzdrehzahl n_Grenz, wird (wie in 3) die Planetenträgerbremse B1 geschlossen und gleichzeitig die Hohlradbremse B2 geöffnet und so auf die 1:1-Übersetzung geschaltet. Dabei ist es sowohl möglich, die n_VKM neu zu bestimmen, als auch den zu Verfahrensbeginn gemessenen Wert für n_VKM mit n_Grenz zu vergleichen. Nun wird eine Generatorkontrollspannung B₊ abgefragt. Liegt B₊ über einem zuvor festgelegten Grenzwert B_+Grenz, führt also diese Abfrage zu dem Ergebnis, dass der Generator ausgelastet ist, also „anderweitig durch viele Verbraucher benötigt“ wird, dann wird das Verfahren wieder auf Anfang gesetzt, also mit der Abfrage von n_VKM neu begonnen. Ist der Generator jedoch nicht ausgelastet, liegt die Generatorkontrollspannung B₊ also unter dem Grenzwert B_+Grenz, dann wird der Ladezustand SOC der Batterie abgefragt. Liegt dieser unter einem zuvor festgelegten Grenzwert SOC_Grenz, so kehrt das Verfahren ebenfalls an den Anfang zurück. Liegt der SOC jedoch über dem Grenzwert SOC_Grenz, so dass also die Batterie ausreichend geladen ist, um eine Entnahme zu ermöglichen, dann wird der Generator sogar komplett aus der Wirkverbindung zwischen Riemenscheibe und Generator abgekoppelt. Dies geschieht durch das Öffnen beider Bremsen.
• Im Folgenden wird wiederum die Generatorkontrollspannung B₊ abgefragt. Sobald in diesem abgekoppelten Zustand die Generatorkontrollspannung B₊ den Grenzwert B_+Grenz überschreitet, kehrt das Verfahren an den Anfang zurück. Gleiches geschieht, wenn B_+Grenz nicht überschritten wird, jedoch der Ladezustand der Batterie unter den Grenzwert SOC_Grenz des Ladezustandes sinkt.
• Sofern eine Batterie verwendet wird, die eine Entladung zulässt, kann ein Abkoppeln des Generators auch erfolgen, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors nicht über der Grenzdrehzahl n_Grenz liegt:
  Solange die Grenzdrehzahl n_Grenz nicht überschritten ist, ist nach wie vor die Übersetzung ins Schnelle geschaltet. Nun wird wiederum die Auslastung der E-Maschine abgefragt, ob diese über einem vorab zu definierenden Teillastbereich liegt. Auch hier wird der Teillastbereich durch einen Vergleich zwischen dem Spannungsgrenzwert B_+Grenz, mit der Generatorkontrollspannung B₊ definiert. Ist der Generator ausgelastet, so wird das Verfahren wiederum von vorne begonnen. Ist der Generator nicht ausgelastet, wird der Ladezustand der Batterie abgefragt. Liegt dieser über dem SOC_Grenz, so kann die Übersetzungsstufe wiederum „leer“ geschaltet werden und so der Generator aus dem Riementrieb genommen werden („Riemenabwurf“). Sobald der SOC unter den definierten Ladezustand fällt, kehrt das Verfahren zum Anfangspunkt zurück.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011083802 A1 [0005]

Claims (10)

1. Verfahren zum Schalten einer Übersetzungseinheit (20), die zwischen einer Antriebseinheit (30) und einer mit dieser in lösbarer Wirkverbindung stehenden elektrischen Maschine (10) angeordnet ist, wobei – die Übersetzungseinheit (20) für mindestens zwei Übersetzungen i_n und i_s ausgelegt ist, wobei i_n < i_s, – die Antriebseinheit (30) mit einer Drehzahl n_VKM dreht und – die Auslastung der elektrischen Maschine (10) als Generator über die Generatorspannung B₊ bestimmt wird, umfassend folgende Schritte: S1: Festlegen eines Grenzwertes n_Grenz für die Drehzahl der Antriebseinheit S2: Bestimmen von n_VKM falls n_VKM > 0: S3: Wählen von i = i_s S4: Bestimmen von B₊ falls B₊ > 0: S5: Bestimmen von n_VKM falls n_VKM > n_Grenz: S6: Wählen von i = i_n
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt S7: Wiederholen ab S5.
3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: S8: Festlegen eines Grenzwertes B_+Grenz für die Generatorspannung B₊ S9: Festlegen eines Grenzwertes SOC_Grenz für den Ladezustand SOC einer Batterie S10: falls B₊ < B_+Grenz: Bestimmen von SOC falls SOC > SOC_Grenz: S11: Lösen der Wirkverbindung, wobei die Schritte S8 und S9 vor einem der Schritte S1 bis S10 durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend den Schritt S12: Wiederholen ab S10.
5. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend die Schritte S14 falls n_VKM ≤ n_Grenz und B₊ < B_+Grenz: Bestimmen von SOC falls SOC > SOC_Grenz: S15: Lösen der Wirkverbindung
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Übersetzungseinheit eine Hohlradbremse (26) und eine Planetenträgerbremse (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass i_s durch das Feststellen der Hohlradbremse (26) und Öffnen der Planetenträgerbremse (25) und i_n durch das Öffnen der Hohlradbremse (26) und Feststellen der Planetenträgerbremse (25) bewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Lösen der Wirkverbindung durch das Öffnen der Hohlradbremse (26) und der Planetenträgerbremse (25) bewirkt wird.
8. Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Antriebsanordnung umfassend eine Antriebseinheit (30), eine elektrische Maschine (10), eine Übersetzungseinheit mit einem Sonnenrad (21), Planeten (22), einem Hohlrad (23), das über eine Hohlradbremse (26) feststellbar ausgeführt ist, einem Planetenträger (24), der über eine Planetenträgerbremse (25) mit einer Welle (11) der elektrischen Maschine (10) fest verbindbar ausgeführt ist, wobei die Welle (31) der Antriebseinheit (30) den Planetenträger (24) treibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenträgerbremse (25) im unbetätigten Zustand offen und die Hohlradbremse (26) im unbetätigten Zustand geschlossen ausgeführt ist.
10. Antriebsanordnung nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Steuerungseinrichtung, die die Betätigung der Hohlradbremse (26) und der Planetenträgerbremse (25) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebseinheit (30), der Auslastung der elektrischen Maschine (10) und dem Ladezustand steuert.

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