DE102015117886A1 - Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridfahrzeugs und Hybridfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridfahrzeugs und Hybridfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang, der eine Verbrennungskraftmaschine (2), eine Hauptelektromaschine (4), eine elektrische Startereinrichtung (14, 15) für die Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe (6), mindestens eine Kupplung (10) zum Trennen der Verbrennungskraftmaschine (2) von der Hauptelektromaschine (4) sowie zwei Bordnetze (8, 12) zur elektrischen Versorgung der Hauptelektromaschine (4) und der Startereinrichtung (14, 15) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass beide Bordnetze (8, 12) über einen DC/DC-Wandler (18) miteinander verbunden sind und dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine (2) in bestimmten Betriebszuständen eine Hochsetzung der Spannung des zweiten Bordnetzes (12) durch eine Einspeisung aus dem ersten Bordnetz (8) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridfahrzeugs sowie ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff der beiden unabhängigen Ansprüche 1 und 4.
  • In der DE 10 2013 205 969 A1 wird ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und zwei voneinander getrennten Bordnetzen beschrieben, wobei das Statorsystem der elektrischen Maschine in beide Bordnetze integriert ist. Ein zusätzlicher Verbrennungsmotor kann dabei durch die elektrische Maschine aus beiden Bordnetzen kombiniert gestartet werden.
  • In der EP 1 369 285 B1 wird ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeugs beschrieben, wobei der Verbrennungsmotor je nach Temperatur von der im Hybridfahrzeug vorhandenen Elektromaschine oder einer externen Startereinrichtung gestartet wird. Die Startereinrichtung wird von einem ersten Bordnetz gespeist, kann aber je nach Bedarf auch von einem zweiten Bordnetz über einen DC/DC-Wandler unterstützt werden.
  • In der US 2004 0140 139 A1 wird ein Hybridfahrzeug mit zwei Energiespeichereinheiten, die unterschiedliche Spannungslagen aufweisen, beschrieben, von denen die Elektromaschine des Hybridfahrzeugs gespeist wird. Dabei sind die Energiespeichereinheiten über ein elektrisches Ventil miteinander verbunden.
  • In der US 2009 0288 417 A1 wird ein Mikro-Hybrid-System, welches mit dem Bordnetz eines Fahrzeuges verbunden ist, für eine Wärmemaschine beschrieben. Dabei weist das Mikro-Hybrid-System zwei oder mehrere Startvorrichtungen auf, wobei ein überschüssiges Moment in eine zweite Wärmekraftmaschine eingespeist wird.
  • In der WO 2011 147 729 A2 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Systems für ein Fahrzeug mit zwei getrennten Bordnetzen beschrieben, wobei das System je nach Betriebszustand des Fahrzeugs variabel betrieben wird. Dabei erfolgt bspw. der Start des Verbrennungsmotors über die Elektromaschine des Hybrid-Systems.
  • In der DE 10 2013 013 541 B3 wird ein Hybridfahrzeug mit einer Klimaanlage beschrieben, wobei die Klimaanlage einen Elektromotor aufweist, welcher zum Start der Verbrennungskraftmaschine des Hybrid-Fahrzeugs mit dieser verbunden werden kann und ein benötigtes Moment aufbringen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionalität und die Performance eines Hybridfahrzeugs, insbesondere eines Parallel-Hybrids gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4, weiter zu verbessern.
  • Die Aufgabe ist bei einem Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang, der eine Verbrennungskraftmaschine, eine Hauptelektromaschine, eine elektrische Startereinrichtung für die Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe und mindestens eine Kupplung zum Trennen der Verbrennungskraftmaschine sowie zwei Bordnetze zur Versorgung der Hauptelektromaschine und der Startereinrichtung aufweist dadurch gelöst, dass beide Bordnetze über einen DC/DC-Wandler verbunden sind und dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine in bestimmten Betriebszuständen eine Hochsetzung der Spannung des ersten Bordnetzes durch eine Einspeisung aus dem zweiten Bordnetz erfolgt.
  • Mit dieser Anordnung wird erreicht, dass die Startereinrichtung kurzzeitig ein höheres Moment übertragen kann und damit der Verbrennungsmotor auch bei einem höheren Losbrechmoment sicher gestartet werden kann.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die elektrische Startereinrichtung kann auf vorteilhafte Weise als Riemen-Starter-Generator oder als 12-Volt-Anlasser ausgebildet sein, wobei letzterer z.B. als Ritzelstarter am Zweimassenschwungrad (ZMS) ausgelegt ist. Dass damit nicht der Elektromotor bzw. die Hauptelektromaschine zum Starten bzw. Anlassen des Verbrennungsmotors genutzt wird, hat dabei den Vorteil, dass durch den Elektromotor selbst kein Startmoment zum Starten des Verbrennungsmotors vorgehalten werden muss. Damit kann u.a. auch die Hauptelektromaschine geringer dimensioniert und ein Schnellstart ermöglicht werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines parallelen Hybrid- Antriebsstrangs,
  • 2 die Darstellung eines Vorsteuermoments nach einem ersten Ausführungsbeispiels,
  • 3 die Darstellung eines Vorsteuermoments nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 die Darstellung eines Vorsteuermoments nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • In 1 ist das Prinzipbild eines Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs dargestellt, der im Wesentlichen aus einem beliebigen Verbrennungsmotor 2, einem Elektromotor 4, einem Getriebe 6 und einem (nicht dargestellten) Differenzial besteht. Ein erstes Bordnetz, welches z.B. durch eine 12V- oder 48V Hochleistungsbatterie 8 gespeist ist, stellt die nötige Energie für die Leistungselektronik zur Verfügung, die den Elektromotor 4 betreibt.
  • Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 4 ist eine automatisierte Trennkupplung 10, z.B. eine Klauenkupplung, angeordnet, mit deren Hilfe das Fahrzeug „Rekuperation“ ohne das hohe Schleppmoment des Verbrennungsmotors 2 betrieben werden kann.
  • Zum Starten des Verbrennungsmotors 2 gibt es ein 12 V Bordnetz, im folgendem als zweites Bordnetz 12 bezeichnet, welches unter anderem eine Startereinrichtung 14 zum Starten des Verbrennungsmotors 12 mit elektrischer Energie versorgt. Die Startereinrichtung 14 kann dabei als sogenannter Riemenstarter- oder als Kurbelwellengenerator ausgebildet sein. Als weitere Alternative kann die Startereinrichtung 15 auch am sog. Zweimassenschwungrad (ZMS) 13 angeordnet sein, welches im Antriebsstrang zur Reduzierung von Drehschwingungen hinter dem Verbrennungsmotor 2 angeordnet ist. Dabei greift ein Zahnkranz des Anlassers (nicht dargestellt) in einen am Außenumfang des ZMS ausgebildeten Zahnkranz ein.
  • Zwischen dem Elektromotor 4 und dem Getriebe 6 ist des Weiteren ein Anfahrelement 16 angeordnet, das als ein Wandler mit Überbrückungskupplung oder alternativ als automatisiertes Schaltgetriebe ausgebildet ist. Des Weiteren ist zwischen dem ersten Bordnetz 8 und dem zweiten Bordnetz 12 ein sog. DC/DC-Wandler 18 angeordnet, dessen Funktion im nachfolgenden noch näher erläutert wird.
  • Der Verbrennungsmotors 2 kann auf unterschiedliche Art und Weise gestartet werden. Der Start des Verbrennungsmotors 2 kann alleine durch die Startereinrichtung 14, 15 erfolgen, d.h. in diesem Fall wird das Losbrechdrehmoment alleine durch die Startereinrichtung 14, 15 überwunden. Der Start des Verbrennungsmotors 2 kann alternativ dazu allein über den im Antriebsstrang angeordneten Elektromotor 4 erfolgen.
  • Falls das Losbrechdrehmoment kleiner ist als die Drehmomentkapazität der Startereinrichtung 14, 15 kann der Verbrennungsmotor 2 durch die Startereinrichtung 14, 15 gestartet werden und anschließend das Hochlaufen durch das zusätzliche Drehmoment des Elektromotors 4 beschleunigt werden.
  • Falls jedoch das erforderliche Losbrechmoment z.B. aufgrund erhöhter innerer Reibung größer ist als die Drehmomentkapazität der Startereinrichtung 14, 15 wird zur Steigerung der Drehmomentkapazität kurzzeitig die Spannung des 12V-Bordnetzes 12 erhöht. Dies geschieht mit Hilfe des Gleichspannungs- bzw. DC/DC-Wandlers 18, der mit dem ersten Bordnetz 8 verbunden ist. Damit kann der Start des Verbrennungsmotors 2 auch hier allein durch die Startereinrichtung 14, 15 erfolgen.
  • Es kann auch zu Situationen bzw. zu Betriebszuständen kommen (z.B. bei sehr niedrigen Temperaturen), bei denen das erforderliche Losbrechdrehmoment für den Verbrennungsmotor 2 viel größer ist als die Drehmomentkapazität der Startereinrichtung 14, 15, so dass in diesen Fällen zum Starten des Verbrennungsmotors 2 zumindest indirekt die Unterstützung durch den Elektromotor 4 erforderlich wird. Dazu spannt der Elektromotor 4 über die Sekundärseite des ZMS 13 den Antriebsstrang vor, so dass in Richtung der Kurbelwelle ein Moment anliegt, welches noch kleiner als das Losbrechdrehmoment des Verbrennungsmotors 2 ist. Da jedoch die durch den Elektromotor 4 erzeugte Vorspannung das noch notwendige Drehmoment zum Anlassen bzw. Andrehen des Verbrennungsmotors 2 reduziert, kann wiederum über die Startereinrichtung 14, 15 auch in diesem Fall der Verbrennungsmotor 2 gestartet werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass das Drehmoment der Startereinrichtung 14, 15 so gewählt wird, dass innerhalb des ZMS 13 kein Anlagenwechsel erfolgt.
  • Nach dem Andrehen des Verbrennungsmotors 2 können je nach Verfügbarkeit nun beide Komponenten (Startereinrichtung 14, 15 und Elektromotor 4) ihr Drehmoment erhöhen, sollte ein höherer Drehzahlgradient beim Hochlaufen des Verbrennungsmotors gefordert sein.
  • Das Vorsteuermoment kann dabei – wie in den 2 bis 4 dargestellt – durch eine digitale (siehe 2), eine rampenförmige (siehe 3) oder durch eine asymptotische Sprungfunktion (siehe 4) erzeugt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013205969 A1 [0002]
    • EP 1369285 B1 [0003]
    • US 20040140139 A1 [0004]
    • US 20090288417 A1 [0005]
    • WO 2011147729 A2 [0006]
    • DE 102013013541 B3 [0007]

Claims (6)

  1. Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang, der eine Verbrennungskraftmaschine (2), eine Hauptelektromaschine (4), eine elektrische Startereinrichtung (14, 15) für die Verbrennungskraftmaschine, ein Getriebe (6), mindestens eine Kupplung (10) zum Trennen der Verbrennungskraftmaschine (2) von der Hauptelektromaschine (4) sowie zwei Bordnetze (8, 12) zur elektrischen Versorgung der Hauptelektromaschine (4) und der Startereinrichtung (14, 15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bordnetze (8, 12) über einen DC/DC-Wandler (18) miteinander verbunden sind, und dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine (2) in vorgegebenen Betriebszuständen eine Hochsetzung der Spannung des zweiten Bordnetzes (12) durch eine Einspeisung aus dem ersten Bordnetz (8) erfolgt.
  2. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Startereinrichtung (14, 15) als Riemen-Starter-Generator oder als 12-Volt-Anlasser ausgebildet ist.
  3. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz zur Versorgung der Hauptelektromaschine (4) eine 12V-, 48V- oder eine Hochvolt-Batterie mit einem Energiespeicher aufweist.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen die Spannung des zweiten Bordnetzes kurzfristig erhöht wird, so dass die Startereinrichtung (14, 15) ein höheres Moment an die Verbrennungskraftmaschine (2) überträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des zweiten Bordnetzes (12) über den bidirektionalen DC/DC-Wandler (18) erhöht wird, wenn das Losbrechdrehmoment der Verbrennungskraftmaschine (2) größer ist, als das maximale Moment der Startereinrichtung (14, 15).
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Losbrechdrehmoments der Verbrennungskraftmaschine (2) beim Starten das Zweimassen-Schwungrad (13) über die Hauptelektromaschine (4) vorgespannt wird.
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