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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Fahrzeugsteuerung. Insbesondere betrifft die Offenbarung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Starts einer Kraftmaschine in einem Hybrid-Elektrofahrzeug.
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Die Mehrheit der Automobile wird durch Verbrennungskraftmaschinen vorwärts getrieben, die fossile Brennstoffe verbrennen. In solchen Fahrzeugen muss die Verbrennungskraftmaschine immer laufen, wenn Kraft erforderlich ist. Die Kraftmaschine wird typischerweise gestartet, während das Fahrzeug geparkt ist, unter Verwendung eines speziell zu diesem Zweck vorgesehenen Elektromotors. Bis vor kurzem war es üblich, die Kraftmaschine am Anfang einer Fahrt zu starten und die Kraftmaschine bis zum Erreichen des Bestimmungsortes nicht auszuschalten. In den letzten Jahren sind Hybrid-Elektrofahrzeuge auf dem Markt eingeführt worden. Hybrid-Elektrofahrzeuge sind in der Lage, das Fahrzeug mit entweder der Verbrennungskraftmaschine oder mit einem Traktionsmotor, der durch die in einer Batterie gespeicherte Elektroenergie angetrieben wird, vorwärts zu treiben. Eine Art und Weise, durch die bei Hybridfahrzeugen der Kraftstoffverbrauch reduziert wird, ist das Abschalten der Kraftmaschine während der Zeiträume, in denen der Motor das Fahrzeug vorwärtstreibt, oder in denen das Fahrzeug angehalten ist. Wenn es notwendig oder wünschenswert ist, die Verwendung der Verbrennungskraftmaschine wieder aufzunehmen, muss die Kraftmaschine neu gestartet werden. Häufig muss die Kraftmaschine neu gestartet werden, während das Fahrzeug mit elektrischer Energie bewegt wird. Weil Neustartereignisse oft und nicht unbedingt in Reaktion auf eine Handlung des Fahrers geschehen, müssen die Neustarts sanfter sein als herkömmliche Kraftmaschinenstarts. Des Weiteren verlangen einige Bedingungen nach einem sehr schnellen Neustart. Obwohl herkömmliche Startermotoren eine angemessene Lebensdauer aufweisen, wenn sie nur einmal pro Fahrt benutzt werden, weisen sie möglicherweise keine ausreichende Zuverlässigkeit auf, wenn sie jedes Mal, wenn ein Hybrid-Elektrofahrzeug die Kraftmaschine starten muss, benutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Starten der Kraftmaschine eines Hybrid-Elektrofahrzeugs das Vorwärtstreiben des Fahrzeugs mit dem Motor, während die Kraftmaschine aus ist, das teilweise Einrücken einer Trennkupplung, um die Kraftmaschine zu drehen, das Ausrücken der Trennkupplung und Versorgen der Kraftmaschine mit Kraftstoff, während die Kraftmaschinendrehzahl auf eine Sollstartdrehzahl steigt, und dann das vollständige Einrücken der Trennkupplung. Die Kraftmaschine kann in einem Drehzahlsteuermodus gesteuert werden, während ihre Drehzahl auf die Solldrehzahl ansteigt, und in einem Drehmomentsteuermodus gesteuert werden, nachdem ihre Drehzahl die Solldrehzahl erreicht hat. Eine Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung kann sich während des Kraftmaschinenstartprozesses öffnen oder schlupfen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Starten der Kraftmaschine eines Hybrid-Elektrofahrzeugs das Verwenden des Motors, um das Fahrzeug mit einem offenen Drehmomentwandler vorwärtszutreiben, das teilweise Einrücken einer Trennkupplung, um Drehmoment vom Motor zur Kraftmaschine zu übertragen, und dann das vollständige Einrücken der Trennkupplung, sobald die Kraftmaschinendrehzahl die Motordrehzahl erreicht hat. Eine Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung kann eingerückt werden, nachdem die Trennkupplung vollständig eingerückt ist. Die Trennkupplung kann ausgerückt werden, während die Kraftmaschine aus eigener Leistung auf die Motordrehzahl beschleunigt. Alternativ kann die Trennkupplung so teilweise eingerückt bleiben, dass das Motordrehmoment wirkt, um die Kraftmaschinendrehzahl schneller auf Motordrehmoment zu steigern.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Hybrid-Elektro-Antriebsstrangs.
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2 ist eine Serie von Graphen, die die Beziehungen zwischen Drehmoment, Drehzahlen und Kupplungsdruck während eines Kraftmaschinenstarts gemäß einem ersten Kraftmaschinenstartverfahren darstellt.
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3 ist ein Ablaufschema, das das erste Kraftmaschinenstartverfahren darstellt.
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4 ist eine Serie von Graphen, die die Beziehungen zwischen Drehmoment, Drehzahlen und Kupplungsdruck während eines Kraftmaschinenstarts gemäß einem zweiten Kraftmaschinenstartverfahren darstellt.
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5 ist ein Ablaufschema, das das zweite Kraftmaschinenstartverfahren darstellt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, die Ausführungsformen in verschiedener Art und Weise zu benutzen. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die anhand irgendeiner der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, erwünscht sein.
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Bezug nehmend auf 1 wird ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. 1 stellt repräsentative Beziehungen unter den Komponenten dar. Die physikalische Lage und Orientierung der Komponenten innerhalb des Fahrzeugs kann variieren. Das HEV 10 beinhaltet einen Antriebsstrang 12. Der Antriebsstrang 12 beinhaltet eine Kraftmaschine 14, die ein Getriebe 16 antreibt, das als modulares Hybridgetriebe (modular hybrid transmission – MHT) bezeichnet werden kann. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, beinhaltet das Getriebe 16 eine elektrische Maschine, wie etwa einen elektrischen Motor/Generator (M/G) 18, eine zugehörige Traktionsbatterie 20, einen Drehmomentwandler 22 und ein Stufen-Automatikgetriebe oder Zahnradgetriebe 24.
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Sowohl die Kraftmaschine 14 als auch der M/G 18 sind Antriebsquellen für das HEV 10. Die Kraftmaschine 14 stellt allgemein eine Kraftquelle dar, die eine Verbrennungskraftmaschine, wie etwa eine benzin-, diesel- oder erdgasgetriebene Kraftmaschine oder eine Brennstoffzelle einschließen kann. Die Kraftmaschine 14 erzeugt eine Kraftmaschinenleistung und ein entsprechendes Kraftmaschinendrehmoment, das an den M/G 18 geliefert wird, wenn eine Trennkupplung 26 zwischen der Kraftmaschine 14 und dem M/G 18 mindestens teilweise eingerückt ist. Der M/G 18 kann durch eine aus einer Mehrzahl von elektrischen Maschinenarten implementiert sein. Zum Beispiel kann der M/G 18 ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein. Die Leistungselektronik 56 konditioniert die durch die Batterie 20 bereitgestellte Gleichstrom(DC)-Leistung für die Bedürfnisse des M/G 18, wie weiter unten noch beschrieben wird. Zum Beispiel kann die Leistungselektronik dem M/G 18 Dreiphasenwechselstrom (AC) bereitstellen.
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Die Trennkupplung 26 kann in einem ausgerückten Zustand sein, in dem vernachlässigbares Drehmoment zwischen Kraftmaschine 14 und M/G 18 übertragen wird, in einem vollständig eingerückten Zustand, in dem Kraftmaschine 14 und M/G gezwungen sind, mit derselben Drehzahl zu drehen, oder in einem teilweise eingerückten Zustand, in dem die Drehzahlen verschieden sind, aber Drehmoment vom schnelleren Element zum langsameren Element übertragen wird. Zum Beispiel kann die Trennkupplung 26 eingerückt sein und der M/G 18 kann als Generator arbeiten, um durch eine Kurbelwelle 28 und M/G-Welle 30 bereitgestellte Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln, die in der Batterie 20 gespeichert wird. Die Trennkupplung 26 kann auch ausgerückt werden, um die Kraftmaschine 14 vom Rest des Antriebsstrangs 12 so zu isolieren, dass der M/G 18 als einzige Antriebsquelle für das HEV 10 agieren kann. Die Welle 30 erstreckt sich durch den M/G 18. Der M/G 18 ist mit der Welle 30 kontinuierlich antreibbar verbunden, wohingegen die Kraftmaschine 14 mit der Welle 30 nur antreibbar verbunden ist, wenn die Trennkupplung 26 vollständig eingerückt ist. Zwei sich drehende Elemente sind antreibbar verbunden, wenn die Drehung des einen Elements das andere Element zwingt, sich mit einer proportionalen Drehzahl zu drehen.
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Der M/G 18 ist mit dem Drehmomentwandler 22 über die Welle 30 verbunden. Der Drehmomentwandler 22 ist somit mit der Kraftmaschine 14 verbunden, wenn die Trennkupplung 26 eingerückt ist. Der Drehmomentwandler 22 enthält ein an der M/G-Welle 30 befestigtes Laufrad und eine an einer Getriebeturbinenwelle 32 befestigte Turbine. Der Drehmomentwandler 22 stellt somit eine hydraulische Kopplung zwischen Welle 30 und Turbinenwelle 32 bereit. Der Drehmomentwandler 22 überträgt Kraft vom Laufrad auf die Turbine, wenn das Laufrad schneller als die Turbine rotiert. Die Größenordnungen von Turbinendrehmoment und Laufraddrehmoment hängen im Allgemeinen von den relativen Drehzahlen ab. Wenn das Verhältnis von Laufraddrehzahl zu Turbinendrehzahl hoch genug ist, ist das Turbinendrehmoment ein Vielfaches des Laufraddrehmoments. Eine Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 34 kann ebenfalls vorgesehen sein, die, wenn sie eingerückt ist, das Laufrad und die Turbine des Drehmomentwandlers 22 reibschlüssig oder mechanisch miteinander koppelt, was eine effizientere Leistungsübertragung ermöglicht.
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Das Zahnradgetriebe 24 kann Zahnradsätze (nicht gezeigt) enthalten, die wahlweise in verschiedene Übersetzungen gesetzt werden durch das wahlweise Einrücken von Reibelementen, wie etwa Kupplungen und Bremsen (nicht gezeigt), um die gewünschten diskreten oder Stufen-Mehrgangsantriebsübersetzungen herzustellen. Die Reibelemente sind durch einen Schaltablauf steuerbar, der bestimmte Elemente der Zahnradsätze verbindet und löst, um das Verhältnis zwischen einer Getriebeausgangswelle 36 und Turbinenwelle 32 zu steuern. Das Zahnradgetriebe 24 wird auf der Basis von verschiedenen Betriebsbedingungen in Fahrzeug und Umgebung durch eine zugehörige Steuereinrichtung, wie etwa eine Antriebsstrangsteuereinheit (powertrain control unit – PCU) 50, automatisch von einem Verhältnis zum anderen geschaltet. Das Zahnradgetriebe 24 stellt dann der Ausgangswelle 36 ein Antriebsstrangausgangsdrehmoment bereit.
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Es versteht sich, dass das hydraulisch gesteuerte Zahnradgetriebe 24 nur ein Beispiel eines Zahnradgetriebes oder einer Getriebeanordnung ist; jedes Zahnradgetriebe mit Mehrgangübersetzung, das Eingangsdrehmoment(e) von einer Kraftmaschine und/oder einem Motor annimmt und dann Drehmoment in den verschiedenen Übersetzungen an eine Ausgangswelle bereitstellt, ist für den Gebrauch mit den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung akzeptabel.
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Wie in der repräsentativen Ausführungsform der 1 gezeigt, ist die Ausgangswelle 36 mit einem Differenzial 40 verbunden. Das Differenzial 40 treibt ein Paar Räder 42 über die jeweiligen Achsen 44 an, die mit dem Differenzial 40 verbunden sind. Das Differenzial überträgt in etwa das gleiche Drehmoment auf jedes Rad 42, ermöglicht jedoch leichte Drehzahlunterschiede, etwa wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt. Verschiedene Arten von Differenzialen oder ähnlichen Einrichtungen können verwendet werden, um Drehmoment vom Antriebsstrang auf ein oder mehrere Räder zu verteilen. In einigen Anwendungen kann beispielsweise die Drehmomentverteilung abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus oder von den jeweiligen Bedingungen variieren.
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Der Antriebsstrang 12 enthält ferner eine zugehörige Antriebsstrangsteuereinheit (PCU) 50. Die PCU 50 ist zwar als eine Steuereinrichtung dargestellt, sie kann aber auch Teil eines größeren Steuersystems sein und kann von verschiedenen anderen Steuereinrichtungen im ganzen Fahrzeug 10, wie etwa einer Fahrzeugsystemsteuereinrichtung (vehicle system controller – VSC), gesteuert werden. Es versteht sich deshalb, dass die Antriebsstrangsteuereinheit 50 und eine oder mehrere andere Steuereinrichtungen zusammen als „Steuereinrichtung“ bezeichnet werden können, die verschiedene Aktuatoren in Reaktion auf Signale von verschiedenen Sensoren steuert, um Funktionen, wie etwa das Starten/Stoppen der Kraftmaschine 14, das Arbeiten des M/G 18, um Raddrehmoment bereitzustellen oder die Batterie 20 zu laden, Getriebeschaltvorgänge usw. auszuwählen oder zu planen, zu steuern. Die Steuereinrichtung 50 kann einen Mikroprozessor oder eine zentrale Recheneinheit (CPU) in Kommunikation mit verschiedenen Arten von computerlesbaren Speichereinrichtungen oder -medien beinhalten. Zum Beispiel können computerlesbare Speichereinrichtungen oder -medien im Nur-Lese-Speicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM) und Erhaltungsspeicher (keep-alive memory – KAM) flüchtige und nichtflüchtige Speicher enthalten. KAM ist ein beständiger oder nichtflüchtiger Speicher, der verwendet werden kann, um verschiedene Arbeitsparameter zu speichern, während die CPU ausgeschaltet ist. Computerlesbare Speichereinrichtungen oder -medien können unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von bekannten Speichereinrichtungen implementiert sein, wie etwa PROMs (programmierbare Nur-Lese-Speicher), EPROMs (elektrisch PROM), EEPROMs (elektrisch löschbarer PROM), Flash-Speicher oder beliebige andere elektrische, magnetische, optische oder Kombinationsspeichereinrichtungen, die in der Lage sind, Daten zu speichern, von denen einige ausführbare Befehle darstellen, die von der Steuereinrichtung bei der Steuerung der Kraftmaschine oder des Fahrzeugs verwendet werden.
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Die Steuereinrichtung kommuniziert mit verschiedenen Kraftmaschinen-/Fahrzeugsensoren und -aktuatoren über eine Eingabe/Ausgabe(E/A)-Schnittstelle, die als einzelne integrierte Schnittstelle implementiert sein kann, die verschiedene Rohdaten oder Signalkonditionierung, -verarbeitung und/oder -umformung, Kurzschlusssicherung und dergleichen bereitstellt. Alternativ können ein oder mehrere speziell dafür vorgesehene Hardware- oder Firmware-Chips verwendet werden, um bestimmte Signale zu konditionieren und zu verarbeiten, bevor diese an die CPU geliefert werden. Wie allgemein in der repräsentativen Ausführungsform der 1 dargestellt, kann die PCU 50 Signale an und/oder von Kraftmaschine 14, Trennkupplung 26, M/G 18, Bypass-Kupplung 34, Zahnradgetriebe 24 und Leistungselektronik 56 kommunizieren. Obwohl dies nicht explizit dargestellt ist, wird der Durchschnittsfachmann verschiedene Funktionen oder Komponenten erkennen, die innerhalb der jeweils oben angegebenen Untersysteme von der PCU 50 gesteuert werden können. Repräsentative Beispiele der Parameter, Systeme und/oder Komponenten, die direkt oder indirekt unter Verwendung einer von der Steuereinrichtung ausgeführten Steuerlogik ausgelöst/betätigt werden können, enthalten Kraftstoffeinspritz-Zeitpunktsteuerung, -Rate und -Dauer, Drosselklappenstellung, Zündkerzen-Zündzeitpunktsteuerung (für Kraftmaschinen mit Kerzenzündung), Einlass-/Auslassventilsteuerzeiten und Dauer, Frontendehilfsantrieb(FEAD)-Komponenten wie etwa Drehstromgenerator, Klimaanlagenkompressor, Batterieladung, Bremsung mit Energierückgewinnung, M/G-Betrieb, Kupplungsdrücke für Trennkupplung 26, Bypass-Kupplung 34 und Zahnradgetriebe 24 und dergleichen. Sensoren, die eine Eingabe durch die E/A-Schnittstelle kommunizieren, können verwendet werden, um beispielsweise Turboladeraufladedruck, Kurbelwellenstellung (PIP), Kraftmaschinendrehzahl (RPM), Raddrehzahlen (WS1, WS2), Fahrzeuggeschwindigkeit (VSS), Kühlmitteltemperatur (ECT), Einlasskrümmerdruck (MAP), Gaspedalstellung (PPS), Zündschalterstellung (IGN), Drosselventilstellung (TP), Lufttemperatur (TMP), Abgassauerstoffgehalt (EGO) oder andere Abgaskomponentenkonzentration oder -anwesenheit, Einlassluftstrom (MAF), Getriebegang, -übersetzungsverhältnis oder -modus, Getriebeöltemperatur (TOT), Getriebeturbinenraddrehzahl (TS), Zustand der Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 34 (TCC), Abbrems- oder Schaltmodus (MDE) anzugeben.
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Zu jedem Zeitpunkt steuert die PCU 50 die Kraftmaschine in einem von mindestens zwei Steuermodi: Drehmomentsteuermodus oder Drehzahlsteuermodus. Im Drehmomentsteuermodus stellt die PCU Drosselöffnung, Kraftstofffluss, Zündzeitpunkt, usw. rückführungslos auf der Basis eines Solldrehmoments ein. Im Drehzahlsteuermodus vergleicht die PCU eine gemessene Kraftmaschinendrehzahl mit einer Solldrehzahl und passt das Motordrehmoment entsprechend an, wobei sie das Drehmoment erhöht, wenn die Kraftmaschinendrehzahl unter der Solldrehzahl liegt, und das Drehmoment erhöht, wenn die Kraftmaschinendrehzahl über der Solldrehzahl liegt.
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Steuerlogik oder Funktionen, die von der PCU 50 durchgeführt werden, können durch Ablaufschemata oder ähnliche Diagramme in einer oder mehreren Figuren dargestellt werden. Diese Figuren sehen repräsentative Steuerstrategien und/oder Logiken vor, die unter Verwendung von einer oder mehreren Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, multitasking, multithreading und dergleichen, implementiert werden können. Insofern können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Sequenz oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen auch weggelassen werden. Obwohl dies nicht immer explizit dargestellt ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine/r oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden können, abhängig von der jeweils verwendeten Verarbeitungsstrategie. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll die Darstellung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann in erster Linie durch Software implementiert sein, die von einer auf einem Mikroprozessor basierenden Fahrzeug-, Kraftmaschinen- und/oder Antriebsstrangsteuereinrichtung, wie etwa der PCU 50, ausgeführt wird. Natürlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung als Software, Hardware oder als eine Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuereinrichtungen implementiert sein. Bei einer Implementierung als Software kann die Steuerlogik in einer oder mehreren computerlesbaren Speichereinrichtungen oder -medien vorgesehen sein, die gespeicherte Daten aufweisen, welche einen Code oder Befehle darstellen, die von einem Computer ausgeführt werden, um das Fahrzeug oder seine Untersysteme zu steuern. Die computerlesbaren Speichereinrichtungen oder -medien können eine oder mehrere aus einer Anzahl von bekannten physikalischen Einrichtungen enthalten, die elektrische, magnetische und/oder optische Speicher nutzen, um ausführbare Befehle und zugehörige Abstimmungsinformationen, Arbeitsparameter und dergleichen aufzubewahren.
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Ein Gaspedal 52 wird vom Fahrer des Fahrzeugs verwendet, um ein angefordertes Drehmoment, eine angeforderte Leistung oder Antriebsanweisung zum Vorwärtstreiben des Fahrzeugs bereitzustellen. Im Allgemeinen erzeugt ein Herunterdrücken und Loslassen des Pedals 52 ein Gaspedalstellungssignal, das von der Steuereinrichtung 50 als Bedarf an erhöhter Leistung bzw. verminderter Leistung interpretiert werden kann. Auf der Basis von mindestens des Eingangs des Pedals fordert die Steuereinrichtung 50 Drehmoment von der Kraftmaschine 14 und/oder dem M/G 18 an. Die Steuereinrichtung 50 steuert auch den Zeitpunkt der Gangschaltungen innerhalb des Zahnradgetriebes 24 sowie die Einrückung oder Ausrückung der Trennkupplung 26 und der Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 34. So wie die Trennkupplung 26 kann auch die Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 34 über einen Bereich zwischen den eingerückten und ausgerückten Stellungen moduliert werden. Dies erzeugt einen variablen Schlupf im Drehmomentwandler 22, zusätzlich zu dem variablen Schlupf, der durch die hydrodynamische Kopplung zwischen Laufrad und Turbine produziert wird. Alternativ kann die Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung 34 abhängig von der jeweiligen Anwendung verriegelt oder offen ohne die Verwendung eines modulierten Betriebsmodus betrieben werden.
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Um das Fahrzeug mit der Kraftmaschine 14 anzutreiben, ist die Trennkupplung 26 mindestens teilweise eingerückt, um mindestens einen Teil des Kraftmaschinendrehmoments durch die Trennkupplung 26 an den M/G 18 zu übertragen, und dann vom M/G 18 durch den Drehmomentwandler 22 und das Zahnradgetriebe 24. Der M/G 18 kann die Kraftmaschine 14 unterstützen, indem er zusätzliche Leistung bereitstellt, um die Welle 30 zu drehen. Dieser Betriebsmodus kann als „Hybrid-Modus“ oder „elektrischer Zusatzmodus“ bezeichnet werden.
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Um das Fahrzeug mit dem M/G 18 als einziger Kraftquelle anzutreiben, bleibt der Kraftfluss gleich, mit der Ausnahme, dass die Trennkupplung 26 die Kraftmaschine 14 vom Rest des Antriebsstrangs 12 isoliert. Die Verbrennung in der Kraftmaschine 14 kann während dieser Zeit abgeschaltet oder auf andere Weise AUS sein, um Kraftstoff zu sparen. Beispielsweise überträgt die Traktionsbatterie 20 gespeicherte elektrische Energie durch die Verdrahtung 54 zur Leistungselektronik 56, die einen Wechselrichter beinhalten kann. Die Leistungselektronik 56 wandelt Gleichspannung von der Batterie 20 in vom M/G 18 zu verwendende Wechselspannung um. Die PCU 50 weist die Leistungselektronik 56 an, Spannung von der Batterie 20 in Wechselspannung umzuwandeln, die dem M/G 18 bereitgestellt wird, um der Welle 30 ein positives oder negatives Drehmoment bereitzustellen. Dieser Betriebsmodus kann als „Nur Elektro“-Betriebsmodus bezeichnet werden.
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In jedem Betriebsmodus kann der M/G 18 als Motor agieren und eine Antriebskraft für den Antriebsstrang 12 bereitstellen. Alternativ kann der M/G 18 als Generator agieren und kinetische Energie aus dem Antriebsstrang 12 in elektrische, in der Batterie 20 zu speichernde Energie umwandeln. Zum Beispiel kann der M/G 18 als Generator agieren, während die Kraftmaschine 14 Vortriebsleistung für das Fahrzeug 10 bereitstellt. Der M/G 18 kann zusätzlich als Generator agieren während der Dauer einer Bremsung mit Energierückgewinnung, bei der Rotationsenergie von sich drehenden Rädern 42 durch das Zahnradgetriebe 24 zurück übertragen wird und in elektrische Energie zur Speicherung in der Batterie 20 umgewandelt wird.
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Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte schematische Darstellung lediglich beispielhaft ist und nicht beschränkend sein soll. Andere Ausgestaltungen sind denkbar, die wahlweise das Einrücken von sowohl Kraftmaschine als auch Motor nutzen, um durch das Getriebe zu übertragen. Zum Beispiel kann der M/G 18 zur Kurbelwelle 28 versetzt sein. Andere Ausgestaltungen sind denkbar, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Wenn das Fahrzeug vom Nur-Elektro-Modus zum Hybrid-Modus übergeht, muss die Steuereinrichtung die Kraftmaschine 14 starten. Das Fahrzeug kann einen speziell dafür vorgesehen Startermotor haben oder nicht. Auch wenn ein speziell dafür vorgesehener Startermotor vorhanden ist, kann die Anzahl von Kraftmaschinenstarts aufgrund der Übergänge vom Nur-Elektro-Modus zu hoch sein für typische Startermotoren, was zu Problemen bei der Lebensdauer führt. Deshalb ist es wünschenswert, die Kraftmaschine unter Verwendung des M/G 18 zu starten. Jedoch kann das Ableiten von Drehmoment vom M/G 18 zum Starten der Kraftmaschine das Drehmoment für die Fahrzeugräder stören, was die Fahrzeuginsassen stört. Unter einigen Umständen ist es notwendig, sehr schnell in den Hybrid-Modus überzugehen. Steuerstrategien, die die Laufruhe optimieren, können die Drehzahl beeinträchtigen, und umgekehrt.
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Die 2 und 3 veranschaulichen ein Verfahren zum Starten der Kraftmaschine 14, das geeignet ist, wenn Laufruhe Vorrang hat. Die durchgezogene Linie 102 stellt das durch den Elektromotor 18 erzeugte Drehmoment dar, während die punktierte Linie 104 das durch die Verbrennungskraftmaschine 14 erzeugte Drehmoment darstellt. In ähnlicher Weise stellt die durchgezogene Linie 106 die Wellendrehzahl des Elektromotors 18 dar, während die punktierte Linie 108 die Kurbelwellendrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 14 darstellt. Die durchgezogene Linie 110 stellt den Druck dar, der auf die Trennkupplung 26 aufgebracht wird. Wenn die Trennkupplung 26 nicht hydraulisch betätigt wird, dann soll dieser Graph als die Drehmomentkapazitätsanweisung der Trennkupplung 26 interpretiert werden. Schließlich stellt die punktierte Linie 112 den Druck dar, der auf die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 34 aufgebracht wird.
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Im Ausgangszustand 114 ist das Fahrzeug im Nur-Elektro-Modus, in dem die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 34 vollständig eingerückt und das Zahnradgetriebe 24 zum Übertragen von Leistung von der Turbinenwelle 32 zur Ausgangswelle 36 konfiguriert ist. Die Verbrennungskraftmaschine 14 ist aus und die Kurbelwelle dreht sich nicht. Der Druck auf die Trennkupplung 26 ist auf ein Niveau eingestellt, Hubdruck genannt, bei dem die Drehmomentkapazität der Kupplung 26 geringfügig ist, aber die Kupplung bereit ist, auf weitere Kapazitätssteigerungen durch Steigern des Drucks schnell anzusprechen.
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Bei Zeitpunkt t1 beginnt die Steuereinrichtung den Prozess zum Übergehen auf den Hybrid-Modus. Bei 116 wird die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 34 freigegeben, wodurch die Motordrehzahl leicht gesteigert wird, wie bei 118 gezeigt. Zwischen t1 und t2 wird der Druck auf die Trennkupplung 26 auf ein Zwischenniveau erhöht, wie bei 120 gezeigt. Als Reaktion überträgt die Trennkupplung Drehmoment vom Motor 18 zur Kraftmaschine 14. Um ein konstantes Drehmomentniveau für die Ausgangswelle 36 beizubehalten, wird der Motor 18 angewiesen, zusätzliches Drehmoment zu erzeugen, wie bei 120 gezeigt. Durch das auf die Kraftmaschine 14 aufgebrachte Drehmoment steigt die Kraftmaschinendrehzahl von Null an, wie bei 122 gezeigt.
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Bei Zeitpunkt t2 erreicht die Kraftmaschine 14 eine Drehzahl, bei der die Verbrennung aufrecht erhalten werden kann und die PCU 50 beginnt, Treibstoff und Funken bereitzustellen. Bei 124 betreibt die PCU die Kraftmaschinenaktuatoren, wie Drosselöffnung, Zündzeitpunkt, Kraftstofffluss usw. in einem Drehzahlsteuermodus mit einer Solldrehzahl. Die Solldrehzahl kann die geplante, auf der Anforderung des Fahrers basierende Motordrehzahl sein. Bei 126, zwischen t2 und t3, wird die Trennkupplung freigegeben und das Drehmoment des Motors kehrt zum vom Fahrer angeforderten Niveau zurück. Die Kraftmaschinendrehzahl steigt weiter aus eigener Leistung, und pegelt sich bei Erreichen derselben Drehzahl wie der Motor bei 128 ein. Bis zum Zeitpunkt t3 stellt die Kraftmaschine dem Fahrzeug keine Leistung bereit, da die Trennkupplung 26 freigegeben ist.
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Zwischen t3 und t4 wird die Trennkupplung allmählich, wie bei 130 gezeigt, eingerückt. Das Ausgangsdrehmoment verändert sich infolge dieser Einrückung nicht, da die im Drehzahlsteuermodus arbeitende Kraftmaschine 14 nur soviel Drehmoment erzeugt, um ihren eigenen Innenwiderstand zu überwinden. Bei 132 beginnt die PCU, den Motor im Drehmomentsteuermodus zu steuern. Zwischen t4 und t5 wird das Kraftmaschinendrehmoment allmählich bis zum vom Fahrer angeforderten Niveau nach oben geändert, wie bei 134 gezeigt, und das Motordrehmoment wird allmählich nach unten auf Null geändert, wie bei 136 gezeigt, wobei das Gesamtdrehmoment auf vom Fahrer angefordertem Niveau gehalten wird. Zwischen t1 und t5 ist die Drehmomentwandler-Bypass-Kupplung mindestens teilweise offen, was bewirkt, dass die Übertragung von kleinen Drehmomentschwankungen bei Welle 30 zur Ausgangswelle 36 minimiert wird. Stattdessen haben kleine Drehmomentfehler eine geringe Beschleunigung oder Verlangsamung des Motors 18 zur Folge, was die PCU erfassen und korrigieren kann. Um den Prozess zu vervollständigen, wird die Überbrückungskupplung 34 bei 138 wieder eingerückt, was eine geringe Verminderung der Kraftmaschinen- und Motordrehzahl zur Folge hat, wie bei 140 gezeigt. Im Endzustand 142 ist der Übergang zum Hybrid-Modus abgeschlossen.
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Die 4 und 5 stellen ein Verfahren zum Starten der Kraftmaschine 14 dar, das geeignet ist, wenn die Minimierung der Übergangszeit Vorrang hat. Wie in den 2 und 3 ist der Ausgangszustand des Fahrzeugs der Nur-Elektro-Modus. Bei Zeitpunkt t1 beginnt die Steuereinrichtung den Prozess zum Übergehen auf den Hybrid-Modus. Bei 116 wird die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 34 mindestens teilweise freigegeben, wodurch die Motordrehzahl leicht gesteigert wird, wie bei 118 gezeigt. Bei 146, zwischen t1 und t3, wird der Druck auf die Trennkupplung 26 auf einen kalibrierten Wert eingestellt, so dass die Kraftmaschinendrehzahl von Null auf die Motordrehzahl steigt. Wie bei 122 gezeigt, wird das Motordrehmoment durch die Trennkupplungsdrehmomentkapazität so gesteigert, dass das Nettodrehmoment konstant auf dem vom Fahrer angeforderten Niveau bleibt. Der kalibrierte Wert der Trennkupplungskapazität wird hoch genug gewählt, um die Kraftmaschinendrehzahl schnell zu steigern, und doch niedrig genug, dass der Motor genügend Reservedrehmoment zum Ausgleichen hat. Bei Zeitpunkt t2 erreicht die Kraftmaschine 14 eine Drehzahl, bei der die Verbrennung aufrecht erhalten werden kann und die PCU 50 beginnt, Treibstoff und Funken bereitzustellen. Zwischen t2 und t3 wird die Kraftmaschine im Drehmomentsteuermodus angewiesen bei einem angewiesenen Drehmoment, das weniger als die Trennkupplungsdrehmomentkapazität beträgt, wie bei 148 gezeigt.
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Zwischen t2 und t3 steigt die Kraftmaschinendrehzahl weiter, sowohl aus eigener Leistung als auch aufgrund der Wirkung der Trennkupplung 26. Die Kraftmaschinendrehzahl erreicht die Motordrehzahl in dem Prozess der 4 und 5 schneller als in dem Prozess der 2 und 3, weil sowohl die Trennkupplung als auch die Kraftmaschine selbst Drehmoment bereitstellen, um sie zu beschleunigen. Bei t3, wenn die Kraftmaschinendrehzahl die Motordrehzahl erreicht, dreht sich die Drehmomentrichtung durch Trennkupplung 26 um. Die Trennkupplung 26 überträgt nun Drehmoment von der Kraftmaschine zur Welle 30. Da das Kraftmaschinendrehmoment geringer ist als die Trennkupplungsdrehmomentkapazität, gibt es keine Tendenz, dass die Kraftmaschinendrehzahl die Motordrehzahl übersteigt. Bei t3 wird die Motordrehmomentanweisung reduziert, um der Wirkung der Drehmomentrichtungsänderung durch Trennkupplung 26 entgegenzuwirken, wie bei 132 gezeigt. Zwischen t3 und t4 wird das Kraftmaschinendrehmoment allmählich bis zum vom Fahrer angeforderten Niveau nach oben geändert, wie bei 134 gezeigt, und das Motordrehmoment allmählich nach unten auf Null geändert, wie bei 136 gezeigt. Um den Prozess zu vervollständigen, wird die Überbrückungskupplung 34 bei 138 wieder eingerückt, was eine geringe Verminderung der Kraftmaschinen- und Motordrehzahl zur Folge hat, wie bei 140 gezeigt.
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Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können an eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuereinrichtung oder einen Computer übertragen werden/durch diese implementiert werden, welche eine beliebige existierende programmierbare elektronische Steuereinheit oder speziell dafür vorgesehene elektronische Steuereinheit enthalten können. Desgleichen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuereinrichtung oder einem Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, einschließlich unter anderem in Form von Informationen, die permanent auf nicht-beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die änderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbandspeichern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ dazu können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung von geeigneten Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits-ASICs), feldprogrammierbaren Gatteranordnungen (Field-Programmable Gate Arrays-FPGAs), Zustandsautomaten, Steuereinrichtungen oder anderen Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen, oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten implementiert werden.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle von den Ansprüchen umfassten möglichen Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibende und nicht einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie oben beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Obwohl möglicherweise verschiedene Ausführungsformen als Vorteile bietend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften bevorzugt beschrieben wurden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein Kompromiss zwischen einem (einer) und mehreren Merkmalen und Eigenschaften geschlossen werden könnte, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. gehören. Insofern liegen Ausführungsformen, die als bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
