DE102015215912A1

DE102015215912A1 - Verfahren zur Steuerung einer Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers, System zum Betreiben einer Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers, Computerprogrammprodukt, Antriebseinheit und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015215912A1
Application number: DE102015215912.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Seeberger; Arne Temp
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine (3) eines elektrifizierten Abgasturboladers (2) bei einer Antriebseinheit (100) mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (1) und einem gestuften Getriebe, umfassend die Verfahrensschritte: – Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem höheren Gang, – Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3), – Überprüfung des ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel oder den erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem höheren Gang und – Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist oder – Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist. Die Erfindung umfasst ferner ein System (200) zum Betreiben einer Elektromaschine (3) eines elektrifizierten Abgasturboladers (2), ein Computerprogrammprodukt, eine Antriebseinheit (100), ein Kraftfahrzeug sowie eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers bei einer Antriebseinheit mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem gestuften Getriebe. Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Betreiben einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers bei einer Antriebseinheit mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem gestuften Getriebe. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, eine Antriebseinheit und ein Kraftfahrzeug.
Bei Antriebseinheiten mit Verbrennungsmotor und gestuftem Getriebe ist ein Gangwechsel üblicherweise nur dann durchführbar, wenn vorab die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und eine damit zu verbindende Eingangswelle der zu schaltenden Stufe des Getriebes auf eine gleiche Drehzahl gebracht werden. Erst nach dieser Synchronisation der Drehzahlen kann der zu schaltende Gang eingelegt werden. Während der Dauer des Schaltvorganges und der Dauer der Synchronisation ist jedoch üblicherweise die durch den Verbrennungsmotor bewirkte Zugkraft der Antriebseinheit unterbrochen und damit ein suboptimaler Zustand realisiert.
Einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wenigstens eine Möglichkeit vorzuschlagen, durch welche eine Synchronisation der Drehzahlen bei einem Gangwechsel schnell erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst. Die Erfindung wird ferner mit einem System mit den Merkmalen des Anspruches 6, einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruches 10 und einer Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Darüber hinaus wird diese Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 12 und mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst. Ferner wird die Erfindung mit einer Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers bei einer Antriebseinheit mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem gestuften Getriebe vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

– Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem höheren Gang,
– Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3),
– Überprüfung des ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel oder den erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem höheren Gang.

Das Verfahren umfasst ferner einen der Verfahrensschritte:

– Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist;
– Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist.

Dadurch wird die Dynamik des Verbrennungsmotors im lastfreien Zustand erhöht, so dass eine Synchronisierung der Drehzahlen bei einem Gangwechsel durch den Verbrennungsmotor selbst vollständig oder zumindest unterstützend vorgenommen werden kann. Durch den generatorischen Betrieb der Elektromaschine bei einem Gangwechsel in einen höheren Gang bzw. eine höhere Gangstufe, beispielsweise bei einem Gangwechsel vom zweiten Gang in den dritten Gang, wird ein hoher Gegendruck im Abgasstrom des Verbrennungsmotors erzeugt, da die im Abgasstrom befindliche Abgasturbineneinrichtung des Abgasturboladers durch den Abgasstrom erst in Bewegung versetzt wird, wenn der Widerstand des im generatorischen Betrieb befindlichen Elektromaschine überwunden ist. Der hohe Gegendruck bewirkt wiederum, dass es zu hohen Ladungswechselverlusten des Verbrennungsmotors kommt. Es fällt dadurch die Drehzahl des Verbrennungsmotors schnell ab, so dass bereits nach kurzer Zeit die Zieldrehzahl für die Synchronisierung, nachfolgend auch Synchrondrehzahl genannt, erreicht ist. Sofern es systembedingt bei einem Gangwechsel zu einer Unterbrechung der Zugkraft der Antriebseinheit kommt, ist durch die schnelle Synchronisation eine Maßnahme ergriffen, um eine möglichst kurze Unterbrechung der Zugkraft zu erreichen.
Nach einer alternativen Ausführungsform, welche auch eine Ausgestaltung der vorherigen Ausführungsform sein kann, ist ein Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers bei einer Antriebseinheit mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem gestuften Getriebe vorgesehen. Der elektrifizierte Abgasturbolader kann dabei der vorstehend beschriebene elektrifizierte Abgasturbolader sein. Auch kann es sich bei der Antriebseinheit um die bereits vorstehend beschriebene Antriebseinheit handeln.
Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:

– Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem niedrigeren Gang,
– Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3),
– Überprüfung des ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel oder den erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang.

Das Verfahren umfasst ferner einen der Verfahrensschritte:

– Überführen der Elektromaschine (3) in den motorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im motorischen Betrieb, wenn ein Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang festgestellt ist;
– Überführen der Elektromaschine (3) in den motorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im motorischen Betrieb, wenn ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang festgestellt ist.

Auch dadurch wird die Dynamik des Verbrennungsmotors im lastfreien Zustand erhöht, so dass eine Synchronisierung der Drehzahlen bei einem Gangwechsel durch den Verbrennungsmotor selbst vollständig oder zumindest unterstützend vorgenommen werden kann. Der motorische Betrieb der Elektromaschine bei einem Gangwechsel in einen niedrigeren Gang bzw. eine niedrigere Gangstufe, beispielsweise bei einem Gangwechsel vom dritten Gang in den zweiten Gang, unterstützt und begünstigt damit den Ladungswechsel des Verbrennungsmotors. Denn durch den motorischen Betrieb werden die Abgasturbineneinrichtung und/oder die Verdichtereinrichtung des Abgasturboladers zusätzlich angetrieben. Die bei einem Gangwechsel in einen niedrigeren Gang vorzunehmende Anhebung der Drehzahl des Verbrennungsmotors erfolgt dadurch relativ schnell, so dass die Synchrondrehzahl nach kurzer Zeit erreicht wird. Sofern es systembedingt bei einem Gangwechsel zu einer Unterbrechung der Zugkraft der Antriebseinheit kommt, ist durch die schnelle Synchronisation eine Maßnahme ergriffen, um eine möglichst kurze Unterbrechung der Zugkraft zu erreichen.
Unter dem Gangwechsel ist ein Vorgang, insbesondere der Vorgang eines Gangwechsels zu verstehen, welcher bei einem händisch betätigten Getriebe durch ein Betätigen des Kupplungspedales und/oder ein Betätigen des Gaspedales begonnen sein kann und mit dem erneuten Betätigen des Kupplungspedales und/oder einem erneuten Betätigen des Gaspedales beendet wird, nachdem händisch ein Gang geschaltet worden ist. Im Zuge des Gangwechsels werden vor dem Einlegen des Ganges der Verbrennungsmotor und die zu schaltende Getriebestufe in ihrer jeweiligen Drehzahl gegeneinander synchronisiert.
Bei einem automatisch oder halbautomatisch betätigten Getriebe ist unter dem Gangwechsel insbesondere der Vorgang eines Gangwechsels zu verstehen, welcher durch eine Betätigung des Gaspedals begonnen wird, infolge dessen es zu einer Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors gegenüber der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe kommt und anschließend das Schalten des Ganges stattfindet. Der Schaltvorgang kann als beendet angesehen werden, wenn eine drehfeste Verbindung zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Eingangswelle oder der Ausgangswelle der geschalteten Getriebestufe hergestellt ist.
Das Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels des Getriebes kann durch Messen und/oder durch Berechnen erfolgen. Beispielsweise kann ein sich anbahnender Gangwechsel erkannt werden, wenn Informationen über die Stellung des von einem Fahrer des Fahrzeuges betätigten Gaspedals berücksichtigt werden. Ergänzend oder alternativ können auch Informationen über die zu geplante Fahrroute bzw. Fahrstrecke berücksichtigt werden, beispielsweise anhand von Informationen wenigstens eines GPS-Signales. Es kann dadurch die Wahrscheinlichkeit eines sogenannten Fahrerwunsches ermittelt werden, aus welchem sich ergibt, ob ein Gangwechsel bevorsteht und/oder ob der bevorstehende Gangwechsel ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang oder hin zu einem niedrigeren Gang sein wird.
Das Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels des Getriebes kann auch dadurch vorgenommen sein, dass ein momentaner Schaltzustand des Getriebes durch Messen und/oder durch Berechnen ermittelt wird. Mögliche zu ermittelnde Schaltzustände können dabei der Beginn eines Gangwechsels, ein sich anbahnender Gangwechsel, das Ende eines Gangwechsels, der Beginn eines Auskuppelvorganges, das Ende eines Auskuppelvorganges, der Beginn eines Einkuppelvorganges und/oder das Ende eines Einkuppelvorganges sein.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Betriebszustand der Elektromaschine zumindest solange aufrechterhalten bleibt, bis der Gangwechsel abgeschlossen ist. Dadurch werden die positiven Effekte durch den geschalteten Betriebszustand der Elektromaschine zur Anhebung oder Absenkung der Drehzahl des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen der Synchrondrehzahl aufrechterhalten. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der eingestellte Betriebszustand der Elektromaschine für den Gangwechsel bereits vor dem Ende des Gangwechsels, insbesondere vor dem Erreichen der Synchrondrehzahl beendet wird. Bei dem Betriebszustand der Elektromaschine kann es sich um einen generatorischen Betrieb im Zuge einer Hochschaltung oder um den motorischen Betrieb im Zuge einer Rückschaltung des Getriebes handeln.
Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei einem Gangwechsel mit generatorischem Betrieb der Elektromaschine die erzeugte elektrische Energie einem Elektromotor, beispielsweise des Getriebes, zugeführt wird, um mittels des Elektromotors die Zugkraft der Antriebseinheit während des Gangwechsels zu stützen. Dadurch wird die mittels des Turboladers dem Abgas des Verbrennungsmotors entzogene Energie in Form von elektrischer Energie genutzt, um den Fahrkomfort bei einem Gangwechselvorgang zu verbessern, indem für den Elektromotor des Getriebes diese Energie zur Drehmomentstützung der Antriebseinheit während des Gangwechsels dient, um eine auftretende Unterbrechung der Zugkraft zu minimieren oder zu vermeiden. Eine solche Maßnahme kann im Rahmen einer elektrodynamischen Schaltung (EDS) genutzt sein. Die erzeugte elektrische Energie kann auch der Batterie oder einem separaten elektrischen Bremswiderstand zugeführt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht ferner darin, dass bei Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors dahingehend angesteuert wird, dass eine Verringerung der Zeitdauer für eine durch den Verbrennungsmotor bewirkte Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors gegenüber der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe des Getriebes bewirkt wird. Insofern ist eine weitere Maßnahme ergriffen, um die Synchronisationszeit bei einem Gangwechsel zu reduzieren. Diese Maßnahme kann ein unabhängiger Gedanke der Erfindung sein.
Beispielsweise werden bei Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels die Auslassventile des Verbrennungsmotors pro Arbeitsspiel wenigstens zweimal geöffnet. Dadurch wird ein ungünstiger Ladungswechsel bewirkt mit der Folge, dass es zu einer schnelleren Herabsetzung der Drehzahl des Verbrennungsmotors kommt.
Ergänzend oder alternativ können bei Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels die Steuerungseinrichtung zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors dahingehend angesteuert werden, dass die Steuerzeiten der Auslassventile und/oder Einlassventile hin zu einem ungünstigeren Ladungswechsel verändert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein System zum Betreiben einer in einem generatorischen Betrieb oder einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers bei einer Antriebseinheit mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor und einem gestuften Getriebe vorgesehen. Das System ist zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens nutzbar. Das System hat

– Mittel zum Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem höheren Gang,
– Mittel zum Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine,
– Mittel zum Überprüfen eines ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine im Hinblick auf einen erkannten Gangwechsel oder einen erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem höheren Gang oder hin zu einem niedrigeren Gang und
– Mittel zum Überführen der Elektromaschine in den generatorischen Betrieb und/oder
– Mittel zum Überführen der Elektromaschine in den motorischen Betrieb.

Dadurch lässt sich ein Betrieb der Elektromaschine des Abgasturboladers in technisch einfacher Weise realisieren, insbesondere um bei einem Gangwechsel die Elektromaschine so anzusteuern, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors in relativ kurzer Zeit auf die jeweils erforderliche Synchrondrehzahl gebracht ist. Hierfür bietet es sich auch an, dass das System Mittel zum Erkennen des Endes eines Gangwechsels bzw. Gangwechselvorgangs aufweist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum elektrischen Verbinden der Elektromaschine mit einem auf den Abtrieb der Antriebseinheit treibend wirkbaren Elektromotor, insbesondere des Getriebes, vorgesehen, welcher zur Unterstützung der Zugkraft der Antriebseinheit beispielsweise während eines Gangwechsels nutzbar ist. Dadurch ist eine Maßnahme ergriffen, um die von der Elektromaschine im generatorischen Betrieb bereitgestellte elektrische Energie der Antriebseinheit für eine Nutzung wieder zur Verfügung zu stellen.
Eine wiederum weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass Mittel zum Ansteuern einer Steuerungseinrichtung vorgesehen sind, welche zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors dienen, um eine Verringerung der Zeitdauer für eine durch den Verbrennungsmotor bewirkte Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors gegenüber der Eingangsdrehzahl des Getriebes zu bewirken. Dadurch ist eine technisch einfach zu realisierende Maßnahme ergriffen, um bei einem Gangwechsel die Drehzahl des Verbrennungsmotors in relativ kurzer Zeit auf die jeweils erforderliche Synchrondrehzahl zu bringen. Diese Maßnahme kann ein unabhängiger Gedanke der Erfindung sein.
Mittel im Sinne der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können hardwaretechnisch und/oder softwaretechnisch, beispielsweise als Computerprogramm oder Computerprogrammmodul, ausgebildet sein.
Die Mittel können insbesondere eine digitale Verarbeitungseinheit aufweisen, die vorzugsweise eine Mikroprozessoreinheit (CPU) aufweist. Die CPU kann mit einem Speichersystem und/oder Bussystem daten- und/oder signalverbunden sein. Die Mittel können ferner ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die digitale Verarbeitungseinheit kann derart ausgebildet sein, dass Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abgearbeitet, Eingangssignale von einem Datenbussystem entgegengenommen und/oder Ausgangssignale an ein Datenbussystem abgegeben werden.
Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien aufweisen. Die Speichermedien können insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere, vorzugsweise nicht-flüchtige Speichermedien sein.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, welcher auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens.
Weiterhin betrifft eine weitere Ausführungsform der Erfindung eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor, einem gestuften Getriebe und einem elektrifizierten Abgasturbolader, aufweisend eine in einem generatorischen Betrieb oder einem motorischen Betrieb betreibbare Elektromaschine, und mit einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Systems, welches zum Betreiben der Elektromaschine dient. Diese Antriebseinheit ermöglicht es, dass bei einem Gangwechsel bzw. Gangschaltvorgang die erforderliche Synchronisierung der Drehzahlen von Verbrennungsmotor und zu schaltender Gangstufe des Getriebes alleine durch eine Anpassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors erreicht werden kann. Etwaige Synchronisationsbauteile der Antriebseinheit können somit vollständig eingespart werden oder zumindest in geringerer Anzahl realisiert sein oder kleiner dimensioniert sein.
Bei der Antriebseinheit wird also der Gedanke der Erfindung genutzt, die Elektromaschine eines elektrifizierten Abgasturboladers zu nutzen, um bei einem Gangwechsel die Drehzahl des Verbrennungsmotors und die Drehzahl der zu schaltenden Getriebestufe möglichst schnell zu synchronisieren. Insofern wird bei einem Gangwechsel der elektrifizierte Abgasturboladers zu einem anderen Zweck als der Aufladung der Verbrennungsluft genutzt, nämlich die Drehzahl des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf die Zieldrehzahl zu bringen, um dann die Schaltung des Ganges vornehmen zu können.
Es bietet sich an, dass die Antriebseinheit einen auf ihren Abtrieb treibend wirkbaren Elektromotor hat, welcher zur Unterstützung der Zugkraft der Antriebseinheit, beispielsweise während eines Gangwechsels, nutzbar ist. Dadurch ist eine technisch einfach zu realisierende Maßnahme ergriffen, um die von der Elektromaschine des Abgasturboladers im generatorischen Betrieb bereitgestellte elektrische Energie der Antriebseinheit für eine Nutzung wieder zur Verfügung zu stellen.
Ferner kann die Antriebseinheit eine Steuerungseinrichtung aufweisen, welche zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors dient. Dadurch ist eine technisch einfach zu realisierende Maßnahme ergriffen, um bei einem Gangwechsel die Drehzahl des Verbrennungsmotors in relativ kurzer Zeit auf die jeweils erforderliche Synchrondrehzahl zu bringen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem System, einer Antriebseinheit und/oder einem Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ferner eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung mit einem Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 eine mögliche Ausführungsform einer Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrifizierten Abgasturbolader in schematisierter Darstellung,
2a eine graphische Darstellung des Schaltzustandes einer Kupplung der Antriebseinheit und des Schaltzustandes einer Elektromaschine des Abgasturboladers über die Zeit unter Berücksichtigung eines Gangwechsels in einen höheren Gang,
2b eine graphische Darstellung der Abtriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors über die Zeit entsprechend des Zeitraumes gemäß der 2A und
2c eine graphische Darstellung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes der Antriebseinheit über die Zeit entsprechend des Zeitraumes gemäß der 2A.
1 zeigt – in schematischer Darstellung – eine mögliche Ausführungsform einer Antriebseinheit 100 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor 1 und einem (in der 1 nicht dargestellten) gestuften Getriebe. Bevorzugt ist das Getriebe ein automatisch betätigbares oder ein Automatgetriebe. Grundsätzlich kann das Getriebe auch ein händisch betätigbares Getriebe sein.
Die Antriebseinheit 100 weist ferner einen elektrifizierten Abgasturbolader 2 auf. Die Elektrifizierung des Abgabsturboladers 2 ist dadurch bewirkt, dass der Abgasturbolader 2 eine Elektromaschine 3 hat, welche in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betrieben werden kann.
Bevorzugt ist die Elektromaschine 3 auf ihrem (in der 1 nicht dargestellten) Rotor mit einer Welle 4 des Abgasturboladers 2 drehfest verbunden. Wenn die Elektromaschine 3 im motorischen Betrieb betrieben wird, treibt die Elektromaschine 3 die Welle 4 beispielsweise gemäß Pfeil 28 an. Sofern sich die Elektromaschine 3 im generatorischen Betrieb befindet, wird die Elektromaschine von der Welle 4 angetrieben, damit die kinetische Bewegungsenergie der Welle 4 in nutzbare elektrische Energie gewandelt.
Der Abgasturbolader 2 weist ferner wenigstens eine Abgasturbine 5 und wenigstens einen Verdichter 6 auf, welche mit der Welle 4 drehfest verbunden sind. Bevorzugt sind die Abgasturbine 5 und der Verdichter 6 gemeinsam auf der Welle 4 und/oder koaxial zur Welle 4 angeordnet. Die Abgasturbine 5 kann innerhalb eines Abgaskanales 7 angeordnet sein, mittels dem das Abgas des Verbrennungsmotors 1 in Richtung gemäß der Pfeile 8 von dem Verbrennungsmotor 1 weggeführt wird. Der Verdichter 6 kann innerhalb eines Verbrennungsluftkanales 9 angeordnet sein, wobei mittels des Verbrennungsluftkanales 9 Verbrennungsluft gemäß der Pfeile 10 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird.
Die Elektromaschine 3 des Abgasturboladers 2 ist von einer Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung 50, beispielsweise einer Steuereinheit 51, ansteuerbar, welche Teil eines Systems 200 zur Aufladung des Verbrennungsmotors 1 ist. Das System 200 hat Mittel 60 zum Erkennen eines Gangwechsels. Die Mittel 60 sind derart ausgebildet, dass ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang und ebenso ein Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang erkannt werden. Alternativ oder ergänzend können die Mittel 60 zum Erkennen eines sich anbahnenden Gangwechsels ausgebildet sein. Die Mittel 60 können dann derart ausgebildet sein, dass ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem höheren Gang und ebenso ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang erkannt werden.
Weiterhin weist das System 200 Mittel 70 zum Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine 3 auf. Mit Hilfe der Mittel 70 werden Informationen darüber zur Verfügung gestellt, ob die Elektromaschine 3 sich in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb befindet.
Weiterhin weist das System 200 Mittel 80 zum Überprüfen eines ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine 3 im Hinblick auf einen erkannten Gangwechsel oder einen erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel auf, wobei es sich bei dem Gangwechsel beispielsweise um einen solchen hin zu einem höheren Gang oder um einen solchen hin zu einem niedrigeren Gang handeln kann.
Darüber hinaus hat das System 200 Mittel 90 zum Überführen, insbesondere Schalten, der Elektromaschine 3 in den generatorischen Betrieb oder in den motorischen Betrieb.
Die Mittel 60, 70, 80 und/oder 90 können separat zu der Steuereinheit 51 vorgesehen sein. Sie sind dann beispielsweise über jeweils wenigstens eine Signalleitung und/oder Steuerleitung 91, 92, 93, insbesondere elektrische Signalleitung und/oder Steuerleitung, mit der Steuereinheit 51 wirkverbunden. Alternativ kann wenigstens eines der Mittel 60, 70, 80, 90 integraler Bestandteil der Steuereinheit 51 sein. Beispielsweise ist die Elektromaschine 3 über wenigstens eine Signalleitung und/oder Steuerleitung 94, insbesondere elektrische Signalleitung und/oder Steuerleitung, mit der Steuereinheit 51, insbesondere der Mittel 90, wirkverbunden und darüber ansteuerbar.
Mittels des Systems 200 kann die Elektromaschine 3 in den generatorischen Betrieb oder in den motorischen Betrieb geschaltet werden, wenn ein Gangwechsel oder ein sich anbahnender Gangwechsel erkannt wird, um dadurch eine möglichst schnelle Synchronisation der Drehzahlen zu erreichen.
Beispielsweise ist mittels des Systems 200 die nachfolgend beschriebene Funktionsweise möglich:
Ein mit der Antriebseinheit 100 und dem System 200 ausgerüstetes Kraftfahrzeug fährt eine vorgegebene Wegroute und erhält beispielsweise topografische Informationen über die Wegroute und weitere Informationen, welche beispielsweise über ein GPS-Signal bereitgestellt werden. Die Mittel 60 erkennen daraus und/oder aus weiteren Informationen, dass sich ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang anbahnt. Durch die Mittel 70 wird ermittelt, in welchem Betriebszustand sich die Elektromaschine 3 des Abgasturboladers 2 aktuell befindet. Beispielsweise kann sich die Elektromaschine 3 gerade im motorischen Betrieb befinden. Diese Information zusammen mit der Information, dass sich ein Gangwechsel anbahnt, wird durch die Mittel 80 verarbeitet, durch welche überprüft wird, ob für den sich anbahnenden Gangwechsel sich die Elektromaschine 3 in dem gewünschten Betriebszustand befindet. Aus dem vorliegenden Fall ergibt sich, dass die Elektromaschine 3 ihren Betriebszustand zu ändern hat. Diese Information wird an die Mittel 90 weitergegeben, durch welche dann die Elektromaschine 3 in den generatorischen Betrieb überführt bzw. geschaltet wird.
Der generatorische Betrieb der Elektromaschine 3 wird dann beispielsweise so lange aufrechterhalten, bis der Gangwechsel beendet ist oder zumindest bis die Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 mit der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe des Getriebes vollzogen ist.
Wenn beispielsweise anschließend die Mittel 60 einen Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang erkennen, wird die Überprüfung durch die Mittel 80 zu dem Ergebnis gelangen, dass die Elektromaschine 3 wiederum in einen anderen Betriebszustand zu überführen ist, nämlich in den motorischen Betrieb. In diesem Fall werden dann die entsprechenden Informationen an die Mittel 90 weitergegeben, welche die Elektromaschine 3 in den motorischen Betrieb überführen bzw. schalten. Der motorische Betrieb bleibt wiederum solange aufrechterhalten, bis der Gangwechsel beendet ist oder zumindest bis die Synchronisierung abgeschlossen ist.
Die Funktionsweise des Systems 200 ist im Zusammenhang mit der Antriebseinheit 100 und beispielhaft nachfolgend auch anhand der 2a, 2b und 2c erläutert.
Die 2a zeigt den Schaltzustand 20 einer (in den Figuren nicht dargestellten) Kupplung, beispielsweise einer Klauenkupplung, der Antriebseinheit 100 über die Zeit t, wobei im zeitlichen Verlauf ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang, also eine Hochschaltung, dargestellt ist. Die im Zuge des Gangwechselvorganges stattfindende Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 gegenüber der Drehzahl der zu schaltenden Getriebestufe des Getriebes ist anhand der Zeitdauer t_s für die Synchronisation gezeigt
Die Kupplung befindet sich zu Beginn des Schaltvorganges im ausgekuppelten Zustand. Der ausgekuppelte Zustand ist anhand des Zeitabschnittes 21 des zeitlichen Verlaufes des Schaltzustandes 20 dargestellt. Nach Ablauf der Zeitdauer t_S der Synchronisation wird die Kupplung eingekuppelt, was durch den Sprung des Verlaufes für den Schaltzustand 20 ersichtlich ist. Danach befindet sich die Kupplung im eingekuppelten Zustand und der Gang ist geschaltet. Dieser Zeitabschnitt ist mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet.
Die 2b zeigt über den gleichen Zeitabschnitt wie die 2A den Verlauf der Drehzahl n_MOT der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 1 in Abhängigkeit von der Zeit t. Bis der Gangwechsel gestartet wird, steigt die Drehzahl an und erreicht zum Zeitpunkt des Beginnes des Schaltvorganges eine Schaltdrehzahl 26, die deutlich über einer Anschlussdrehzahl 27 liegt, welche zur Synchronisation mit der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe des Getriebes zu erreichen ist.
Um eine möglichst schnelle Absenkung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 von der Schaltdrehzahl 26 auf die Anschlussdrehzahl 27 zu bewirken, ist das System 200 vorgesehen. Durch die Mittel 60 wird der Gangwechsel hin zu einem höheren Gang erkannt. Darüber hinaus ist durch die Mittel 70 bekannt, in welchem Betriebszustand sich die Elektromaschine 3 aktuell befindet. Mittels der Mittel 80 findet eine Überprüfung des aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine 3 im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel hin zu dem höheren Gang statt. Durch die Mittel 80 wird festgestellt, dass sich die Elektromaschine 3 noch nicht in dem entsprechenden Betriebszustand befindet, welcher für den erkannten Gangwechsel in den höheren Gang notwendig ist. Es werden daher die Mittel 90 angewiesen, die Elektromaschine 3 in den generatorischen Betrieb zu überführen bzw. zu schalten.
Der zeitliche Verlauf des Betriebszustandes der Elektromaschine 3 ist in der 2a dargestellt, dem das Bezugszeichen 23 zugeordnet ist. Über den Zeitabschnitt 24 befindet sich die Elektromaschine 3 im generatorischen Betrieb. Über den Zeitabschnitt 25 befindet sich die Elektromaschine 3 jeweils in dem motorischen Betrieb.
Durch den generatorischen Betrieb der Elektromaschine 3 über die Zeitdauer t_S der Synchronisation ist ein erhöhter Gegendruck im Abgas des Verbrennungsmotors 1 erreicht mit der Folge, dass die Ladungswechselverluste im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 ansteigen. Dadurch verliert der Verbrennungsmotors 1 schnell an Drehzahl, so dass bereits nach kurzer Zeit die Anschlussdrehzahl 27, also die Synchrondrehzahl erreicht ist.
Die 2C zeigt über den gleichen Zeitabschnitt wie die 2A den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n_GET der Getriebestufe an ihrem Ausgang, welcher dem Verlauf der Drehzahl der Antriebseinheit 100 an ihrem Abtrieb im Wesentlichen entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Abgasturbolader
3: Elektromaschine
4: Welle
5: Abgasturbine
6: Verdichter
7: Abgaskanal
8: Pfeil
9: Verbrennungsluftkanal
10: Pfeil
20: zeitlicher Verlauf des Schaltzustandes
21: Zeitabschnitt
22: Zeitabschnitt
23: zeitlicher Verlauf des Betriebszustandes der Elektromaschine
24: Zeitabschnitt
25: Zeitabschnitt
26: Schaltdrehzahl
27: Anschlussdrehzahl
28: Pfeil
50: Steruerungs- und/oder Regelungsvorrichtung
51: Steuereinheit
60: Mittel zum Erkennen eines Gangwechsels des Getriebes
70: Mittel zum Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors
80: Mittel zum Überprüfen eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine im Hinblick auf einen erkannten Gangwechsel oder einen erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel
90: Mittel zum Überführen der Elektromaschine in den generatorischen Betrieb oder in den motorischen Betrieb
91: Signalleitung
92: Signalleitung
93: Signalleitung
94: Signalleitung
100: Antriebseinheit
200: System
t: Zeit
t_S: Synchronisationszeit
n_MOT: Drehzahl der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors
n_GET: Drehzahl des Getriebes an seinem Ausgang

Claims

Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine (3) eines elektrifizierten Abgasturboladers (2) bei einer Antriebseinheit (100) mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor (1) und einem gestuften Getriebe, umfassend die Verfahrensschritte: – Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem höheren Gang, – Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3), – Überprüfung des ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel oder den erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem höheren Gang und – Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist oder – Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im generatorischen Betrieb, wenn ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem höheren Gang festgestellt ist.
Verfahren zur Steuerung einer in einem generatorischen Betrieb oder in einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine (3) eines elektrifizierten Abgasturboladers (2) bei einer Antriebseinheit (100) mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor (1) und einem gestuften Getriebe, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend die Verfahrensschritte: – Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem niedrigeren Gang, – Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3), – Überprüfung des ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf den erkannten Gangwechsel oder den erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang und – Überführen der Elektromaschine (3) in den motorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im motorischen Betrieb, wenn ein Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang festgestellt ist oder – Überführen der Elektromaschine (3) in den motorischen Betrieb oder Weiterbetreiben der Elektromaschine (3) im motorischen Betrieb, wenn ein sich anbahnender Gangwechsel hin zu einem niedrigeren Gang festgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand der Elektromaschine (3) zumindest solange aufrecht erhalten bleibt, bis der Gangwechsel abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Gangwechsel mit generatorischem Betrieb der Elektromaschine (3) die erzeugte elektrische Energie einem Elektromotor zugeführt wird, um mittels des Elektromotors die Zugkraft der Antriebseinheit (100) während des Gangwechsels zu stützen oder dass die Energie der Batterie oder einem separaten elektrischen Bremswiderstand zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors (1) dahingehend angesteuert wird, dass eine Verringerung der Zeitdauer für eine durch den Verbrennungsmotor (1) bewirkte Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) gegenüber der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe bewirkt wird.
System (200) zum Betreiben einer in einem generatorischen Betrieb oder einem motorischen Betrieb betreibbaren Elektromaschine (3) eines elektrifizierten Abgasturboladers (2) bei einer Antriebseinheit (100) mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor (1) und einem gestuften Getriebe, aufweisend: – Mittel (60) zum Erkennen eines Gangwechsels oder eines sich anbahnenden Gangwechsels hin zu einem höheren Gang, – Mittel (70) zum Ermitteln eines aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3), – Mittel (80) zum Überprüfen eines ermittelten aktuellen Betriebszustandes der Elektromaschine (3) im Hinblick auf einen erkannten Gangwechsel oder einen erkannten, sich anbahnenden Gangwechsel hin zu einem höheren Gang oder hin zu einem niedrigeren Gang und – Mittel (90) zum Überführen der Elektromaschine (3) in den generatorischen Betrieb und/oder – Mittel (90) zum Überführen der Elektromaschine (3) in den motorischen Betrieb.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erkennen des Endes eines Gangwechsels vorgesehen sind.
System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum elektrischen Verbinden der Elektromaschine (3) mit einem auf den Abtrieb der Antriebseinheit (100) treibend wirkbaren Elektromotor vorgesehen sind, welcher zur Unterstützung der Zugkraft der Antriebseinheit (100), beispielsweise während eines Gangwechsels, nutzbar ist.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Ansteuern einer Steuerungseinrichtung vorgesehen sind, welche zum Steuern der Ventile des Verbrennungsmotors (1) dienen, um eine Verringerung der Zeitdauer für eine durch den Verbrennungsmotor (1) bewirkte Synchronisation der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) gegenüber der Eingangsdrehzahl der zu schaltenden Getriebestufe des Getriebes zu bewirken.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Antriebseinheit (100) für ein Kraftfahrzeug mit einem aufladbaren oder aufgeladenen Verbrennungsmotor (1), einem gestuften Getriebe und einem elektrifizierten Abgasturbolader (2), aufweisend eine in einem generatorischen Betrieb oder einem motorischen Betrieb betreibbare Elektromaschine (3), und mit einem System (50) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, welches zum Betreiben der Elektromaschine (3) dient.
Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem System nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und/oder einer Antriebseinheit nach Anspruch 11.
Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10.
Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung (50) mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10.