DE102016100209A1

DE102016100209A1 - Hybridfahrzeug und verfahren zum ausrücken einer overdrive-kupplung in einem hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102016100209A1
Application number: DE102016100209.7A
Authority: DE
Inventors: Bernard D. Nefcy; Daniel S. Colvin; Luke OTTAWAY; Walter J. Ortmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2016-07-21
Also published as: US20160207525A1; CN105799689A; CN105799689B; US10239515B2

Abstract

Ein Fahrzeug enthält eine Kraftmaschine und eine elektrische Maschine, die mit einem Planetenrad verbunden sind, eine Freilaufkupplung und eine Steuerung. Die Freilaufkupplung überträgt Drehmoment von dem Planetenrad zu einem Overdrive-Rad. Die Steuerung erhöht als Reaktion auf eine Bedingung, die ein Ausrücken der Freilaufkupplung erfordert, ein Drehmoment der elektrischen Maschine basierend auf einem Drehmomentbefehl für die elektrische Maschine und dem von dem Planetenrad zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Antriebsstränge für Hybridelektrofahrzeuge.
HINTERGRUND
Eine Klasse von Hybridelektrofahrzeugantriebssträngen, gemeinhin als leistungsverzweigter Antriebsstrang bezeichnet, weist zwei Energiequellen auf. Die erste Quelle enthält eine Brennkraftmaschine und die zweite Quelle enthält eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Generator und einer Batterie. Die Kraftmaschine und der Generator stellen zusammen mit einem Planetenradsatz, einer Vorgelegewelle und einem Motor einen mechanischen Drehmomentflussweg und einen elektromechanischen Drehmomentflussweg zu Fahrzeugantriebsrädern her. Die Batterie ist eine Energiespeichervorrichtung für den Generator und den Motor. Kraftmaschinenleistung wird bei jeglicher Generatordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit in zwei Leistungsflusswege aufgeteilt. Die Kraftmaschinendrehzahl wird durch den Generator gesteuert, was bedeutet, dass die Kraftmaschinendrehzahl innerhalb des zulässigen Drehzahlbereichs des Generators von der Fahrzeuggeschwindigkeit entkoppelt werden kann. Dieser Betriebsmodus, in dem der Generator unter Verwendung von mechanischer Leistungseingabe von der Kraftmaschine elektrische Leistung erzeugt, wird als ”positive Leistungsverzweigung” bezeichnet.
Aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Planetenradsatzes kann der Generator Leistung an den Planetenradsatz zum Antrieb des Fahrzeugs abgeben. Dieser Betriebsmodus wird als ”negative Leistungsverzweigung” bezeichnet. Die Kombination aus einem Generator, einem Motor und einem Planetenradsatz kann somit als die Eigenschaften eines elektrischen stufenlosen Getriebes (e-CVT, electrical continuously variable transmission) aufweisend betrachtet werden.
Es kann eine Generatorbremse aktiviert werden, so dass die Kraftmaschinenausgangsleistung mit einem festen Übersetzungsverhältnis nur über einen mechanischen Weg zu der Drehmomentausgangsseite des Antriebsstrangs übertragen wird. Die erste Energiequelle kann nur Vorwärtsantrieb des Fahrzeugs beeinflussen, da es keinen Rückwärtsgang gibt. Die Kraftmaschine erfordert entweder eine Generatorsteuerung oder ein Anwenden einer Generatorbremse zur Übertragung von Ausgangsleistung für Vorwärtsfahrt.
Wenn die zweite Energiequelle aktiv ist, zieht der Elektromotor Leistung von der Batterie und treibt das Fahrzeug unabhängig von der Kraftmaschine sowohl für Vorwärtsfahrt als auch Rückwärtsfahrt an. Der Motor kann auch Leistung erzeugen und die Batterie aufladen, wenn die Kraftmaschine eine Leistung erzeugt, die die Fahreranforderung übersteigt, oder in einem Rekuperationsmodus, in dem kinetische Fahrzeugenergie aufgenommen wird. Darüber hinaus kann der Generator Leistung von der Batterie ziehen und gegen eine Freilaufkupplung auf der Abtriebswelle der Kraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs in einer Vorwärtsrichtung treiben. Dieser Betriebsmodus wird als ”Generatorantriebsmodus” bezeichnet. Eine Fahrzeugsystemsteuerung koordiniert die beiden Energiequellen, so dass sie nahtlos zusammenarbeiten, um eine Drehmomentanforderung durch den Fahrer zu erfüllen, ohne Antriebsstrangsystemgrenzen zu überschreiten. Die Fahrzeugsystemsteuerung gestattet eine kontinuierliche Regelung der Kraftmaschinendrehzahl für jede gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit und Leistungsanforderung. Der mechanische Leistungsflussweg stellt eine effiziente Leistungsabgabe durch den Planetenradsatz zur Antriebswelle bereit.
KURZFASSUNG
In einem Beispiel enthält ein Fahrzeug eine Kraftmaschine und eine elektrische Maschine, die mit einem Planetenrad verbunden sind, eine Freilaufkupplung, die zur Übertragung von Drehmoment von dem Planetenrad zu einem Overdrive-Rad konfiguriert ist, und eine Steuerung. Die Steuerung erhöht als Reaktion auf eine Bedingung, die ein Ausrücken der Freilaufkupplung erfordert, ein Drehmoment der elektrischen Maschine basierend auf dem von dem Planetenrad zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment.
In einem anderen Beispiel enthält ein Hybridfahrzeug einen Planetenradsatz, eine Kraftmaschine, ein Overdrive-Getriebe, eine Freilaufkupplung, einen Generator und eine Steuerung. Der Planetenradsatz weist ein Sonnenrad, ein Trägerrad und ein Hohlrad auf. Das Hohlrad ist dazu konfiguriert, Drehmoment zu einem Antriebsrad zu übertragen. Die Kraftmaschine ist mit dem Trägerrad verbunden und ist dazu konfiguriert, Drehmoment zu dem Planetenradsatz zu übertragen. Das Overdrive-Rad ist dazu konfiguriert, Drehmoment von der Kraftmaschine zu dem Antriebsrad zu übertragen. Die Freilaufkupplung ist dazu konfiguriert, beim Schalten zwischen Antriebsstrangnenn- und Overdrive-Betriebsmodi Drehmoment von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad zu übertragen. Der Generator ist mit dem Sonnenrad verbunden und dazu konfiguriert, die Freilaufkupplung freilaufen zu lassen, wenn sie in einer Ausrückrichtung gedreht wird. Als Reaktion auf eine Bedingung, die Schalten aus dem Antriebsstrang-Overdrive-Modus in den Antriebsstrang-Nennbetriebsmodus erfordert, ändert die Steuerung ein Drehmoment des Generators in der Ausrückrichtung gemäß einem Drehmomentbefehl, der auf dem von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment basiert.
Gemäß noch einem weiteren Beispiel wird ein Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs offenbart. Das Fahrzeug enthält eine Kraftmaschine und eine elektrische Maschine, die mit einem Planetenradsatz verbunden sind, und eine Freilaufkupplung, die dazu konfiguriert ist, Drehmoment von dem Planetenradsatz zu einem Overdrive-Rad zu übertragen. Als Reaktion auf eine Bedingung, die ein Ausrücken der Freilaufkupplung erfordert, wird ein Drehmoment der elektrischen Maschine basierend auf dem von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment erhöht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Hybridfahrzeug mit einem leistungsverzweigten Antriebsstrang dar;
2 stellt Drehmoment- und Drehzahlübertragung durch einen leistungsverzweigten Antriebsstrang dar;
3 stellt ein Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang gemäß der vorliegenden Offenbarung dar;
4 und 9 stellen Algorithmen zur Steuerung eines Antriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung in Flussdiagrammform dar;
5 ist eine schematische Ansicht einer elektromagnetischen Freilaufkupplung;
6 ist eine Detailansicht einer elektromagnetischen Freilaufkupplung;
7A und 7B stellen Verfahren zum Einrücken einer Freilaufkupplung bzw. einer Klauenkupplung gemäß der vorliegenden Offenbarung in Flussdiagrammform dar;
8A und 8B stellen Verfahren zum Ausrücken einer Freilaufkupplung bzw. einer Klauenkupplung gemäß der vorliegenden Offenbarung in Flussdiagrammform dar;
10 stellt einen Algorithmus zur Steuerung des Generators, wenn er im Nennbetriebsmodus betrieben wird, in Flussdiagrammform dar;
11A stellt einen Algorithmus zur Steuerung des Generators, einschließlich eines Nennbetriebsmodus und eines Overdrive-Betriebsmodus, in Flussdiagrammform dar; und
11B stellt die Gesamtdrehmomentabgabe des Hybridfahrzeugantriebsstrangs in Flussdiagrammform dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung 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 maßstäblich; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Wie für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand liegt, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit anderen Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen. Es können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Nunmehr auf 1 Bezug nehmend, wird ein Hybridelektrofahrzeug mit einem leistungsverzweigten Antriebsstrang dargestellt. Der Antriebsstrang enthält zwei Energiequellen, die mit dem Triebstrang verbunden sind: (1) eine Kraftmaschine 16 und eine elektrische Maschine 50 (die als Generator bezeichnet werden kann), die über eine Planetengetriebeanordnung 20 miteinander verbunden sind; und (2) ein elektrisches Antriebssystem, das eine Batterie 12, eine elektrische Maschine 46 (die als Motor bezeichnet werden kann) und einen Generator 50 enthält. Die Batterie 12 ist ein Energiespeichersystem für den Motor 46 und den Generator 50.
Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC – vehicle system controller) 10 ist dazu konfiguriert, Steuersignale zu der Batterie 12 und/oder der Kraftmaschine 16 und/oder dem Motor 46 und/oder dem Generator 50 zu senden und sensorische Rückmeldungsinformationen von ihnen zu empfangen, damit den Fahrzeugantriebsrädern 40 Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs zugeführt werden kann. Die Steuerung 10 steuert die Energiequelle mit Proportionierung zwischen der Batterie 12 und der Kraftmaschine 16 zur Bereitstellung von Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs und steuert dadurch den Ladezustand (SOC – state of charge) der Batterie 12.
Das Getriebe 14 enthält die Planetenanordnung 20, die ein Hohlrad 22, ein Sonnenrad 24 und eine Trägeranordnung 26 enthält. Das Hohlrad 22 gibt Drehmoment an Stufenräder ab, die kämmende Zahnradelemente 28, 30, 32, 34 und 36 umfassen. Eine Drehmomentausgangswelle 38 des Getriebes 14 ist durch einen Differenzial- und Achsmechanismus 42 mit den Rädern 40 antriebsverbunden. Die Zahnräder 30, 32 und 34 sind auf einer Vorgelegewelle 31 angebracht, wobei das Zahnrad 32 ein motorgetriebenes Zahnrad 44 in Eingriff nimmt. Der Motor 46 treibt das Zahnrad 44 an. Das Zahnrad 44 wirkt als ein Drehmomenteingang für die Vorgelegewelle 31. Die Kraftmaschine 16 gibt Drehmoment durch die Eingangswelle 18 an das Getriebe 14 ab. Die Batterie 12 liefert dem Motor 46 elektrische Leistung durch den Leistungsflussweg 48. Der Generator 50 ist mit der Batterie 12 und dem Motor 46 elektrisch verbunden, wie bei 52 gezeigt.
Während die Batterie 12 bei ausgeschalteter Kraftmaschine 16 als einzige Energiequelle wirkt, werden die Eingangswelle 18 und die Trägeranordnung 26 durch eine Freilaufkupplung (OWC – one-way clutch) 53 gebremst. Eine mechanische Bremse 55 verankert den Rotor des Generators 50 und das Sonnenrad 24, wenn die Kraftmaschine 16 eingeschaltet ist und sich der Antriebsstrang in einem Parallelantriebsmodus befindet, wobei das Sonnenrad 24 als ein Reaktionselement wirkt.
Die Steuerung 10 empfängt ein Signal PRND (Parken, Rückwärts, Neutral, Fahren) von einem Fahrstufenwähler 63, das zusammen mit einem Sollraddrehmoment, einer Soll-Kraftmaschinendrehzahl und einem Generatorbremsbefehl, wie bei 71 gezeigt, an ein Getriebesteuermodul (TCM – transmission control module) 67 übertragen wird. Ein Batterieschalter 73 wird nach einem Fahrzeug-”Schlüssel-ein”-Start geschlossen. Die Steuerung 10 gibt eine Soll-Kraftmaschinendrehmomentanforderung an die Kraftmaschine 16 aus, wie bei 69 gezeigt, die von der Ausgabe des Fahrpedalstellungssensors (APPS – accelerator pedal position sensor) 65 abhängig ist. Ein Bremspedalstellungssensor (BPPS – brake pedal position sensor) gibt ein Radbremssignal an die Steuerung 10 aus, wie bei 61 gezeigt. Ein Bremssystemsteuermodul (nicht gezeigt) kann einen Nutzbremsbefehl basierend auf Informationen vom BPPS an die Steuerung 10 ausgeben. Das TCM 67 gibt ein Generatorbremssteuersignal an die Generatorbremse 55 aus. Das TCM 67 gibt weiterhin ein Generatorsteuersignal an den Generator 50 aus.
Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, wird ein Blockdiagramm der Leistungsflusswege zwischen den verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs von 1 gezeigt. Kraftstoff wird unter der Steuerung des Fahrers, der eine Kraftmaschinendrossel verwendet, zur Kraftmaschine 16 geliefert. Der Kraftmaschine 16 liefert Kraftmaschinenleistung (τ_engω_eng, wobei τ_eng das Kraftmaschinendrehmoment und ω_eng die Kraftmaschinendrehzahl ist) an die Planetenanordnung 20. Die Planetenanordnung 20 liefert Leistung (τ_ringω_ring, wobei τ_ring das Hohlraddrehmoment ist und ω_ring die Hohlraddrehzahl ist) an die Vorgelegewelle 31. Die Ausgangswelle 38 gibt Leistung (P_out = τ_outω_out, wobei τ_out und ω_out das Drehmoment bzw. die Drehzahl der Ausgangswelle 38 sind) an die Räder 40 ab. Der Generator 50 kann der Planetenanordnung 20 Leistung liefern oder von ihr angetrieben werden. Ebenso kann die Leistungsverteilung zwischen dem Motor 46 und der Vorgelegewelle 31 in beiden Richtungen erfolgen. Antriebsleistung von der Batterie 12 oder Ladeenergie für die Batterie 12 wird durch den bidirektionalen Pfeil 48 dargestellt.
Die Kraftmaschinenausgangsleistung (τ_engω_eng) kann in einen mechanischen Leistungsflussweg (τ_ringω_ring) und einen elektrische Leistungsflussweg (τ_genω_gen zu τ_motω_mot, wobei τ_gen das Generatordrehmoment ist, ω_gen die Generatordrehzahl ist, τ_mot das Motordrehmoment ist, und ω_mot die Motordrehzahl ist) aufgeteilt werden. In diesem so genannten positiven Verteilungsbetriebsmodus liefert die Kraftmaschine 16 der Planetenanordnung 20 Leistung, die der Vorgelegewelle 31 Leistung (τ_ringω_ring) liefert, die wiederum die Räder 40 dreht. Ein Teil der Planetengetriebeleistung (τ_genω_gen) wird an den Generator 50 abgegeben, der Ladeenergie an die Batterie 12 liefert. Die Batterie 12 treibt den Motor 46 an, der Leistung (τ_motω_mot) an die Vorgelegewelle 31 abgibt.
Wenn die Generatorbremse 55 aktiviert ist, wird ein Parallelbetriebsmodus hergestellt. Bei der Parallelbetriebskonfiguration ist die Kraftmaschine 16 eingeschaltet und der Generator 50 wird gebremst. Die Batterie 12 speist den Motor 46, der die Vorgelegewelle 31 gleichzeitig mit der Lieferung von Leistung von der Kraftmaschine 16 zur Planetenanordnung 20 zur Vorgelegewelle 31 antreibt. Bei Betrieb mit der zweiten Energiequelle (als die Batterie 12, den Motor 46 und den Generator 50 enthaltend beschrieben), zieht der Motor 46 Leistung von der Batterie 12 und stellt Antrieb unabhängig von der Kraftmaschine 16 zum Triebstrang bereit.
Wie beschrieben, hat das HEV zwei Energiequellen zum Liefern von Antriebsleistung zu den Rädern 40. Die erste Energiequelle enthält die Kraftmaschine 16 und die zweite Energiequelle enthält die Batterie 12. Die Kraftmaschine 16 und die Batterie 12 können Antriebsleistung entweder gleichzeitig oder unabhängig bereitstellen. Die Steuerung 10 steuert die Zumessung der elektrischen Energie und der Kraftstoffenergie, um den Antriebsanforderungen zu entsprechen, und steuert dadurch die Kraftmaschine 16 und die Batterie 12 entsprechend.
Wie beobachtet werden kann, gibt die Planetengetriebeanordnung 20 Drehzahl- und Drehmomentverhältnisse zwischen der Kraftmaschine 18, dem Generator 50 und den Fahrzeugantriebsrädern 40 vor. Wie oben besprochen, kann der Generator 50 dahingehend gesteuert werden, Leistung von der Kraftmaschine 18 unter Verwendung der Planetengetriebeanordnung 20 als ein CVT zu den Fahrzeugantriebsrädern 40 zu übertragen. Unter einigen Betriebsbedingungen übersteigen die durch Betrieb des Generators 50 hervorgerufenen Verluste jedoch den Energievorteil des CVT
Wenn sich das Fahrzeug beispielsweise im ”stationären” Betrieb befindet, wie zum Beispiel Fahren mit einer allgemein konstanten Geschwindigkeit, erfährt der Generator 50 Betriebsverluste, die ein kW übersteigen können, während das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kraftmaschine 16 und den Antriebsrädern 40 allgemein unverändert bleibt. Hier bezieht sich stationärer Betrieb auf eine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit, eine konstante Leistungsanforderung durch den Fahrer und eine allgemein konstante zum Laden des Fahrzeugs verwendete Menge an Kraftmaschinenleistung. Dies tritt im Allgemeinem auf, wenn die Leistungsanforderung durch den Fahrer ungefähr gleich dem ”Fahrwiderstand” oder der Summe von am Fahrzeug wirkenden Kräften (zum Beispiel Rollwiderstand, aerodynamischer Widerstand usw.) ist.
Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, wird ein Antriebsstrang gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der Antriebsstrang enthält zwei Energiequellen, die mit dem Getriebe 14' und dem Triebstrang verbunden sind: (1) eine Kraftmaschine 16' und einen Generator 50', die über eine Planetenradanordnung 20' miteinander verbunden sind; und (2) ein elektrisches Antriebssystem, das eine Batterie 12', einen Elektromotor 46' und einen Generator 50' enthält. Die Planetenradanordnung 20' kann ein Hohlrad 22', ein Sonnenrad 24' und eine Trägeranordnung 26' enthalten. Die Kraftmaschine 16' kann mit der Trägeranordnung 26' gekoppelt sein, und der Generator 50' kann mit dem Sonnenrad 24' gekoppelt sein. Die Planetengetriebeanordnung 20' definiert in Verbindung mit kämmenden Zahnradelementen 28', 30', 32', 34' und 36' ein erstes mechanisches Gestänge zwischen der Kraftmaschine 16', dem Generator 50' und den Antriebsrädern 40'. Ein mechanisches Gestänge wird durch kämmende Zahnradelemente 44' und 32', die Ausgangswelle 79 und kämmende Zahnradelemente 34' und 36' zwischen dem Motor 46' und den Antriebsrädern 40' definiert. Die kämmenden Zahnradelemente 30', 32' und 34' drehen sich um eine gemeinsame Ausgangswelle 79, und die kämmenden Zahnradelemente 34' und 36' definieren eine Achsübersetzung zwischen der Ausgangswelle 79 und der Ausgangswelle 38'. Die Ausgangswelle 38' des Getriebes 14' ist durch einen Differenzial- und Achsmechanismus 42' mit den Rädern 40' antriebsverbunden.
Darüber hinaus enthält der Antriebsstrang eine Parallel-Overdrive-Welle 80, die fest mit dem Zahnradelement 30' für eine gemeinsame Drehung mit der Ausgangswelle 79 gekoppelt ist. Die Overdrive-Welle 80 ist mit dem Zahnradelement 82 gekoppelt, das mit dem Zahnradelement 84 in Dreheingriff steht. Eine Overdrive-Kupplung 86 ist dahingehend betreibbar, das Zahnradelement 84 mit der Kraftmaschine 16' selektiv zu koppeln und Drehmoment von der Planetenradanordnung 20' weg auf eine Overdrive-Getriebeanordnung zu übertragen. Die Overdrive-Kupplung 86 enthält einen Eingriffsmechanismus zur Übertragung des Drehmoments von der Planetenradanordnung 20' weg und auf eine Overdrive-Getriebeanordnung. Beispiele für den Eingriffsmechanismus umfassen Klauenkupplungen und Freilaufkupplungen, wie zum Beispiel eine elektronisch gesteuerte Kipphebel-Freilaufkupplung, sind aber nicht darauf beschränkt. Die kämmenden Getriebeelemente 84 und 82 weisen ein festes Übersetzungsverhältnis auf, das dazu konfiguriert ist, ein Overdrive-Drehzahl- und -drehmoment-Verhältnis zwischen der Kraftmaschine 16' und der Ausgangswelle 79 zu definieren, wenn die Overdrive-Kupplung 86 eingerückt ist. Eine Steuerung 88 ist dazu konfiguriert, die Overdrive-Kupplung 86 als Reaktion auf verschiedene Betriebsbedingungen selektiv zum Einrücken oder Ausrücken anzusteuern, wie unten unter Bezugnahme auf 4 besprochen werden wird. Es können natürlich auch andere Getriebeanordnungen, die ein Overdrive-Drehzahlverhältnis zwischen der Kraftmaschine 16' und der Ausgangswelle 79 vorgeben, verwendet werden.
Nunmehr auf 4 Bezug nehmend, wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Antriebsstrangs in Flussdiagrammform dargestellt. Der Hybridfahrzeugantriebsstrang wird gemäß einer Nennlogik (oder einem Nennbetriebsmodus) mit ausgerückter Kupplung betrieben, wie bei Block 90 dargestellt. Es wird dann eine Bestimmung darüber getroffen, ob eine erste Betriebsbedingung erfüllt ist, wie bei Operation 92 dargestellt. Die erste Betriebsbedingung entspricht allgemein einer Änderung von nicht stationärem Betrieb zu stationärem Betrieb oder einer Verringerung der Höhe einer Differenz zwischen einer Leistungsanforderung durch den Fahrer und dem Fahrwiderstand. Die erste Betriebsbedingung kann eine der Betriebsbedingungen von Liste A sein, die bei Block 94 dargestellt ist. Die erste Betriebsbedingung kann eine allgemein konstante Leistungsanforderung durch den Fahrer durch ein erstes gleichmäßiges Beschleunigungsereignis sein. Die erste Betriebsbedingung kann auch ein zweites Beschleunigungsereignis, an das sich eine Verringerung der Leistungsanforderung, so dass sie allgemein gleich dem Fahrwiderstand ist, anschließt, sein. Das erste Beschleunigungsereignis kann auch ein drittes Beschleunigungsereignis, an das sich eine Verringerung der Leistungsanforderung durch den Fahrer und Aktivierung von Rekuperationsbremsung anschließen, sein. Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich der Beschleunigungsereignisse ”erste(s)”, ”zweite(s)” und ”dritte(s)” der Veranschaulichung halber verwendet werden und nicht irgendeine Reihenfolge oder ein erforderliches Zusammenfallen anzeigen. Wenn die erste Betriebsbedingung nicht erfüllt ist, kehrt die Steuerung zu Block 90 zurück. Wenn die erste Betriebsbedingung erfüllt ist, wird die Kupplung eingerückt und der Antriebsstrang wird im Overdrive-Modus gesteuert, wie bei Block 96 gezeigt.
Dann wird eine Bestimmung darüber getroffen, ob eine zweite Betriebsbedingung erfüllt ist, wie bei Operation 98 dargestellt. Die zweite Betriebsbedingung entspricht allgemein einem weiteren stationären Betrieb oder einer allgemein konstanten Differenz zwischen der Leistungsanforderung durch den Fahrer und dem Fahrwiderstand. Die zweite Betriebsbedingung kann eine der Betriebsbedingungen von Liste B sein, die bei Block 100 dargestellt ist. Die zweite Betriebsbedingung kann eine geringe Abweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder Leistungsanforderung durch den Fahrer umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Geschwindigkeitsabweichungsschwelle oder eine Abweichungsschwelle für die Leistungsanforderung bereitgestellt sein. Bei solchen Ausführungsformen können Abweichungen bei Geschwindigkeit oder Leistungsanforderung, die die jeweiligen Schwellen nicht übersteigen, die zweite Betriebsbedingung erfüllen. Die zweite Betriebsbedingung kann auch eine allgemein konstante Leistungsanforderung durch den Fahrer mit einer Änderung des Fahrzeuglademodus sein. In einigen Drehzahl- und Drehmomentbereichen ist ein Laden durch Verwendung eines Motors effizienter, und in anderen Bereichen ist ein Laden durch Verwendung eines Generators effizienter. Ein Wechsel von Motorladung zu Generatorladung oder von Generatorladung zu Motorladung in Verbindung mit einer allgemein konstanten Leistungsanforderung durch den Fahrer würde somit die zweite Betriebsbedingung erfüllen. Ebenso würde ein Wechsel von einem ”Nichtlade-”Modus zu einem Lademodus in Verbindung mit einer allgemein konstanten Leistungsanforderung durch den Fahrer somit die zweite Betriebsbedingung erfüllen. Wenn eine Bestimmung getroffen wird, dass die zweite Betriebsbedingung erfüllt ist, dann wird die Kupplung in der eingerückten Stellung gehalten, wie bei Block 102 dargestellt. Dann kehrt die Steuerung zu Operation 98 zurück. Somit wird der Antriebsstrang bei weiterem stationären Betrieb im Overdrive-Modus gesteuert.
Wenn eine Bestimmung getroffen wird, dass die zweite Betriebsbedingung nicht erfüllt ist, dann wird eine Bestimmung darüber getroffen, ob eine dritte Betriebsbedingung erfüllt ist, wie bei Block 104 dargestellt. Die dritte Betriebsbedingung entspricht allgemein einem Wechsel von stationärem Betrieb zu nicht stationärem Betrieb oder einer Vergrößerung der Höhe der Differenz zwischen der Leistungsanforderung durch den Fahrer und dem Fahrwiderstand. Die dritte Betriebsbedingung kann eine der Betriebsbedingungen von Liste C sein, die bei Block 106 dargestellt wird. Die dritte Betriebsbedingung kann eine starke Verringerung der Leistungsanforderung oder eine starke Vergrößerung der Leistungsanforderung sein. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Leistungsanforderungsabweichungsschwelle bereitgestellt, und die dritte Betriebsbedingung ist erfüllt, wenn eine Abweichung der Leistungsanforderung durch den Fahrer die Schwelle übersteigt. Dies kann eine erste Schwelle für Verringerungen der Leistungsanforderung und eine zweite Schwelle für Vergrößerungen der Leistungsanforderung umfassen. Die dritte Betriebsbedingung kann auch eine starke Betätigung von Fahrzeugbremsen sein. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Bremsschwelle bereitgestellt, und die dritte Betriebsbedingung ist erfüllt, wenn eine Bremsbetätigung durch den Fahrer die Schwelle übersteigt. Die dritte Betriebsbedingung kann auch eine starke Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit sein. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Geschwindigkeitsabweichungsschwelle bereitgestellt, und die dritte Bedingung wird erfüllt, wenn eine Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit die Schwelle übersteigt. Die dritte Betriebsbedingung kann eine Kraftmaschinenabschaltungsanforderung sein. Wenn ein Batterieladezustand zur Unterstützung des elektrischen Betriebs ausreichend ist und eine Kraftmaschinenabschaltungsanforderung abgegeben wird, ist die dritte Bedingung erfüllt. Wenn eine Bestimmung getroffen wird, dass die dritte Betriebsbedingung nicht erfüllt ist, geht die Steuerung zu Block 102 über. Wenn die dritte Betriebsbedingung erfüllt ist, wird die Kupplung ausgerückt, wie bei Block 108 gezeigt. Dann kehrt die Steuerung zu Block 90 zurück.
Obgleich sie als eine einzige Steuerung dargestellt ist, kann die Steuerung 88 auch Teil eines größeren Steuersystems sein und kann durch verschiedene andere über das Fahrzeug hinweg verteilte Steuerungen, wie z. B. eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC – Vehicle System Controller) gesteuert werden. Es versteht sich daher, dass die Steuerung 88 und eine oder mehrere andere Steuerungen gemeinsam als eine ”Steuerung” bezeichnet werden können, die als Reaktion auf Signale von verschiedenen Sensoren zur Steuerung verschiedener Funktionen verschiedene Aktuatoren steuert. Die Steuerung 88 kann einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit (CPU – Central Processing Unit) enthalten, der bzw. die mit verschiedenen Arten von rechnerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien in Verbindung steht. Zu rechnerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können flüchtige und nichtflüchtige Speicherung in zum Beispiel Nurlesespeichern (ROM – Read-Only Memory), Direktzugriffsspeichern (RAM – Random-Access Memory) und Keep-Alive-Speichern (KAM – Keep Alive Memory) gehören. Der KAM ist ein persistenter oder nichtflüchtiger Speicher, der zum Speichern von verschiedenen Betriebsvariablen, während die CPU abgeschaltet ist, verwendet werden kann. Die rechnerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können unter Verwendung einer beliebigen einer Anzahl von bekannten Speichervorrichtungen implementiert werden, wie zum Beispiel PROMs (programmierbare Nurlesespeicher), EPROMs (elektrische PROM), EEPROMs (elektrisch löschbare PROMs), Flash-Speicher oder irgendwelche anderen elektrischen, magnetischen, optischen oder Kombinationsspeichervorrichtungen, die in der Lage sind, Daten zu speichern, von denen einige ausführbare Anweisungen darstellen, die von der Steuerung beim Steuern der Kraftmaschine oder des Fahrzeugs verwendet werden.
Nunmehr auf die 5 und 6 Bezug nehmend, wird eine Kipphebel-Freilaufkupplung 110 (bei der es sich um eine elektromagnetische Kupplung handeln kann), wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, schematisch dargestellt. Insbesondere kann die Kipphebel-Freilaufkupplung als die Overdrive-Kupplung 86 verwendet werden, die zum gezielten Koppeln des Zahnradelements 84 mit der Kraftmaschine 16' verwendet werden kann. Die Freilaufkupplung 110 enthält eine Kipphebelscheibe 112 mit Taschen 114, wobei jede Tasche 114 einen entsprechenden Kipphebel 116 enthält, der in den jeweiligen Taschen 114 schwenkbar gelagert ist. Die Kupplung 110 enthält ferner eine Nockenscheibe 118, die mehrere Zähne definierende Kerben 120 aufweist. Wenn die Kipphebel 16 bezüglich der Taschen 114 geschwenkt werden, können die Zähne nach innen ragende Teile der Kipphebel 116 ergreifen. Die Kipphebel 116 werden von einer Feder 121 so vorbelastet, dass sie ohne vorzuragen in den Taschen bleiben. Bei dieser Konfiguration besteht kein Eingriff zwischen den Kipphebeln 16 und den Kerben 120, und somit wird zwischen der Kipphebelscheibe 112 und der Nockenscheibe 118 kein Drehmoment übertragen. 5 stellt die Kupplung 110 in dieser ausgerückten Position dar.
Die Nockenscheibe 118 enthält eine (nicht dargestellte) Spule, die selektiv bestromt werden kann, um eine magnetische Kraft zu erzeugen und die Kupplung 110 in Eingriff zu nehmen. Als Reaktion auf die magnetische Kraft schwenken die Kipphebel 116 gegen die Vorbelastung der Feder 121 aus den Taschen 114 nach außen, so dass ein Teil der Kipphebel 116 über eine radial innen liegende Fläche der Kipphebelscheibe 112 hinausragt. Der vorragende Teil der Kipphebel 116 kann in die Kerben 120 eingreifen und Drehmoment zwischen der Kipphebelscheibe 112 und der Nockenscheibe 118 in einer Drehrichtung übertragen. 6 stellt die Kupplung 110 in dieser eingerückten Position dar.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 7A und 7B werden Verfahren zum Einrücken einer Kupplung, wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, dargestellt. 7A stellt ein Verfahren zum Einrücken einer Freilaufkupplung dar. Der Generator wird dazu gesteuert, die Kupplung freilaufen zu lassen, wie bei Block 122 dargestellt. Dies kann durch Drehen der Kipphebelscheibe in einer Ausrückrichtung durchgeführt werden. Dann wird die Kupplung aktiviert, wie bei Block 124 dargestellt. Wie oben unter Bezugnahme auf 6 besprochen, kann dies das Bestromen einer Spule zum Erzeugen eines magnetischen Felds umfassen, woraufhin die Kipphebel schwenken und in die Kerben in einer Nockenscheibe eingreifen. Dann wird die Kupplung eingerückt, wie bei Block 126 dargestellt. Dies erfolgt durch Drehen der Kipphebelscheibe um eine kurze Strecke in einer Einrückrichtung zum Ineingriffbringen der Kipphebel mit Zähnen in der Nockenscheibe. Von dem Generator getragenes Drehmoment wird dann zur Kupplung übertragen, wie bei Block 128 dargestellt.
7B stellt ein Verfahren zum Einrücken einer Klauenkupplung dar. Eine Generatordrehzahl wird auf eine Ziel-Drehzahl zum Synchronisieren mit der Kupplung gesteuert, wie bei Block 130 dargestellt. Die Kupplung wird dann eingerückt, wie bei Block 132 dargestellt. Von dem Generator getragenes Drehmoment wird dann zur Kupplung übertragen, wie bei Block 134 dargestellt.
Nunmehr auf die 8A und 8B Bezug nehmend, werden Verfahren zum Ausrücken einer Kupplung, wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, dargestellt. 8A stellt ein Verfahren zum Ausrücken einer Freilaufkupplung dar. Von der Kupplung getragenes Drehmoment wird zum Generator übertragen, wie bei Block 136 dargestellt. Der Generator wird dazu gesteuert, die Kupplung freilaufen zu lassen, wie bei Block 138 dargestellt. Dies kann durch Drehen des Generators in der Ausrückrichtung erfolgen. Dann wird die Kupplung deaktiviert, wie bei Block 140 dargestellt. Dann wird die Generatorsteuerung zu Nennbetrieb zurückgeführt, wie bei Block 142 dargestellt.
8B stellt ein Verfahren zum Ausrücken einer Klauenkupplung dar. Von der Kupplung getragenes Drehmoment wird zum Generator übertragen, wie bei Block 144 dargestellt. Dann wird die Kupplung ausgerückt, wie bei Block 146 dargestellt. Dann wird die Generatorsteuerung zu Nennbetrieb zurückgeführt, wie bei Block 148 dargestellt.
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden ein Verfahren und ein Steuersystem zum Steuern des Antriebsstrangs basierend auf einer beim Einrücken der Overdrive-Kupplung durch die Kupplung übertragenen geschätzten Drehmomenthöhe für einen sanften Übergang in den und aus dem Overdrive-Modus bereitgestellt. Dazu kann ein Generatorreaktionsverhältnis (GRR – generator reaction ratio) bestimmt und in den normalen Antriebstrangdrehmomentberechnungen implementiert werden. Das GRR ist ein Verhältnis des Generatordrehmoments zum Kraftmaschinendrehmoment, wobei die Zahnräder in der Planetenradanordnung 20' berücksichtigt werden:
wobei τ_gen das Drehmoment des Generators 50' ist, τ_eng das Drehmoment der Kraftmaschine 16' ist und ρ ein Verhältnis (N_s/N_r) der Anzahl von Zähnen (N_s) im Sonnenrad 24' zu der Anzahl von Zähnen (N_r) im Hohlrad 22' ist. In einem Beispiel weist das Sonnenrad 24' 34 Zähne auf (N_s = 34) und weist das Hohlrad 22' 86 Zähne auf (N_r = 86), was ein Verhältnis ρ von 0,395 ergibt.
Durch Verwendung des GRR können Drehmomentwerte berechnet und verglichen werden, um das Drehmoment in der Overdrive-Kupplung zu schätzen. Zum Beispiel
wobei τ_ODS das durch die Overdrive-Kupplung 66 übertragene Drehmoment ist, N₈₂ die Anzahl von Zähnen im Zahnradelement 82 ist und N₈₄ die Anzahl von Zähnen im Zahnradelement 84 ist. In einem Beispiel weist das Zahnradelement 84 83 Zähne auf (N₈₄ = 83), und das Zahnradelement 82 weist 59 Zähne auf (N₈₂ = 59). Die Beziehung in Gleichung (2) stellt eine Schätzung des durch die Overdrive-Kupplung 86 übertragenen Drehmoments basierend auf der Drehmomentabgabe durch die Kraftmaschine und dem Verhältnis des Generatordrehmoments zum Kraftmaschinendrehmoment (GRR) bereit, wobei das Übersetzungsverhältnis in den kämmenden Overdrive-Zahnradelementen 84 und 82 berücksichtigt wird.
Darüber hinaus kann das Drehmoment durch das Hohlrad 22' während der Synchronisierung der Overdrive-Kupplung wie folgt dargestellt werden: τ_ring = – 1 / ρ + 1(τ_eng)(GRR) (3) wobei τ_ring das durch das Hohlrad 22' übertragene Drehmoment ist. Das Drehmoment durch das Hohlrad 22' (τ_ring) kann in den in der vorliegenden Offenbarung nicht ausführlich beschriebenen Hauptsteuerungen des Antriebsstrangs verwendet werden.
Bei Kenntnis des durch die Overdrive-Kupplung übertragenen geschätzten Drehmoments (τ_ODS) können die Abgaben der Kraftmaschine 16' und des Motors 46' zur Gewährleistung eines sanften Übergangs in den oder aus dem Overdrive-Modus gesteuert werden, wenn die Overdrive-Kupplung zwischen einem eingerückten und einem ausgerückten Zustand wechselt. Das Overdrive-Kupplungsdrehmoment an die Räder kann zum Beispiel wie folgt dargestellt werden:
wobei τ_ODS→O das Overdrive-Kulungsdrehmoment an die Ausgangswelle 38' ist, wobei ein Übersetzungsverhältnis
berücksichtigt wird und N_34' und N₃₆' die Anzahl von Zähnen an den Zahnrädern 34' bzw. 36' sind, die Drehmoment von der Overdrive-Kupplung zur Ausgangswelle 38' übertragen. Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Übersetzungsverhältnissen vorliegen, die die Drehzahl effektiv ändern, während Drehmoment dort hindurch übertragen wird. In einem Beispiel ist N_34' 23 und N_36' ist 59, was ein Übersetzungsverhältnis von 2,565 ergibt.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Variablen und Erkenntnisse kann das durch die Ausgangswelle 38' übertragende Gesamtdrehmoment wie folgt dargestellt werden:
wobei τ_out das durch die Ausgangswelle 38' übertragene Drehmoment ist, C_R→O die Übersetzungsverhältnisumwandlung von dem Hohlrad zum Ausgang ist (d. h. unter Berücksichtigung der Zahnräder 28', 30', 34' und 36') und τ_M→O das Motordrehmoment am Ausgang ist, wobei Übersetzungsverhältnisumwandlungen berücksichtigt werden (d. h. die Zahnräder 44', 32', 34' und 36' berücksichtigt werden). Es sei darauf hingewiesen, dass
auch als τ_ring→O ausgedrückt werden kann. Die Übersetzungsverhältnisumwandlung vom Hohlrad zum Ausgang C_R→O ergibt bei Multiplikation mit dem Kraftmaschinendrehmoment τ_eng das Kraftmaschinendrehmoment am Ausgang. Unter Verwendung der obigen Gleichung (5) kann die Drehmomentabgabe der Kraftmaschine 16' und des Motors 46' während des Einrückens oder Ausrückens der Overdrive-Kupplung 86 moduliert werden, um zu gewährleisten, dass die Gesamtdrehmomentabgabe τ_out einem angeforderten Drehmoment entspricht, während beim Einrücken oder Ausrücken der Overdrive-Kupplung 86 entstehende Schläge verhindert werden. Zum Beispiel kann die Abgabe des Motors 46' schneller moduliert werden als die der Kraftmaschine 16', und deshalb kann der Motor 46' dahingehend gesteuert werden, seine Drehmomentabgabe basierend auf dem Generatorreaktionsverhältnis GRR und anderen oben beschriebenen Beziehungen zu erhöhen oder zu verringern, wenn die Overdrive-Kupplung 86 eingerückt/ausgerückt wird. Andere Situationen, wie zum Beispiel während eines niedrigen Ladezustands der Batterie, können vorgeben, dass die Kraftmaschinenabgabe anstatt der Motorabgabe moduliert wird. Natürlich kann/können die Kraftmaschinenabgabe und/oder die Motorabgabe basierend auf den oben beschriebenen Beziehungen gesteuert werden.
9 stellt einen Algorithmus zur Steuerung eines Antriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung in Flussdiagrammform dar. Insbesondere stellt das Flussdiagramm in 9 ein Beispiel für eine Steuerstrategie dar, die durch die Steuerung implementiert wird, um die Kraftmaschine und/oder den Motor basierend auf einem durch die Overdrive-Kupplung 86 übertragenen geschätzten Drehmoment zu steuern, wie oben näher beschrieben wird. Bei 200 bestimmt die Steuerung, ob die Overdrive-Kupplung eingerückt oder ausgerückt ist. Dies kann auf verschiedenste Weise erreicht werden, wie zum Beispiel durch Lesen von Signaleingängen von Sensoren in der oder um die Kupplung herum oder Bestimmen einer Drehzahldifferenz auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kupplung
Wenn die Kupplung zumindest teilweise eingerückt ist, einschließlich Zeiten, in denen die Kupplung zunächst zum Einrücken angesteuert wird und ”schlupft”, kann bei 202 das Generatorreaktionsverhältnis (GRR) gemäß Gleichung (1) oben bestimmt werden. Das GRR wird bei 204 gefiltert oder unterliegt einer Ratengrenze, um das GRR über die Zeit zu glätten, wodurch verhindert wird, dass unerwünschte Spitzen der Drehmomentmesswerte den Betrieb der Kraftmaschinen- oder Motorsteuerungen stören. Bei 206 wird das GRR dann mit 0 und 1 auf einem Mindestwert bzw. Höchstwert geclippt, so dass das GRR nicht negativ ist und 1 nicht überschreitet. Das sich nach 206 ergebende GRR ist ein Wert zwischen 0 und 1 zur Verwendung bei der Overdrive-Kupplungsdrehmomentschätzung.
Bei 208 schätzt die Steuerung das Overdrive-Kupplungsdrehmoment unter Verwendung des geclippten und gefilterten GRR gemäß Gleichung (2). Das geschätzte Overdrive-Kupplungsdrehmoment kann bei 210 bei der Berechnung des geschätzten Overdrive-Kupplungsdrehmoments am Ausgang gemäß Gleichung (4) verwendet werden. Danach kann ein Drehmomentsteuerungsprozess bei 212 durch die Steuerung zum Steuern der Drehmoment- und Leistungsabgaben der Kraftmaschine und des Motors zum Aufrechterhalten der Fahrbarkeit des Fahrzeugs verwendet werden, während angeforderten Drehmomenten und Leistungen, insbesondere während Zeiten des Eintritts in den und Austritt aus dem Overdrive-Modus, entsprochen wird. Zum Beispiel kann das Motordrehmoment um einen Betrag basierend auf dem GRR und anderen obigen Variablen moduliert werden, um Fahreranforderungen weiter zu entsprechen.
Wenn bei 200 bestimmt wird, dass die Overdrive-Kupplung nicht eingerückt ist, wird das GRR bei 214 auf 1 gesetzt. Dadurch wird im Grunde jegliches Generatorreaktionsverhältnis in irgendeiner der obigen Gleichungen annulliert, wodurch Betrieb der Kraftmaschine, des Motors und des Generators im Nennbetriebsmodus gestattet wird. Ferner gibt es kein durch die geöffnete Kupplung übertragenes Drehmoment, wie bei 216 und 218 angezeigt. Es wird der Hauptantriebsprozess 220 laufen gelassen, in dem das Hybridfahrzeug auf normale Weise, das heißt nicht in Overdrive, gesteuert wird.
Auf 10 Bezug nehmend, wird ein Steuersystem 300 des Generators 50' bei Betrieb im Nennbetriebsmodus dargestellt. Ein Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} bei Betrieb im Nennbetriebsmodus hängt von dem Drehmoment der Kraftmaschine τ_eng ab und kann wie folgt dargestellt werden: τ_{gen_des} = –(τ_eng × ( ρ / ρ + 1)) (6) wobei τ_{gen_des} das Soll-Drehmoment des Generators 50' ist, τ_eng das Drehmoment der Kraftmaschine 16' ist und ( ρ / ρ + 1) das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kraftmaschine 16' und dem Generator 50' ist, wobei die Kraftmaschine mit der Trägeranordnung 26' und der Generator 50' mit dem Sonnenrad 24' verbunden ist. Das Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} wird durch Block 302 dargestellt und wird in einen Summierknoten 304 vorwärtsgekoppelt, wo ein Generatoreinstellungsdrehmomentwert τ_{gen_adj} zu dem Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} addiert wird. Die Summierung des Soll-Drehmoments des Generators τ_{gen_des} und des Generatoreinstellungsdrehmomentwerts τ_{gen_adj} wird dann dem Generator 50' zugeführt. Der Generator 50' gibt dann ein Ist-Drehmoment τ_{gen_act} und eine Ist-Drehzahl ω_{gen_act} ab. Die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} wird als Rückkopplung in einen Summierknoten 306 verwendet, wo die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} von einer Soll-Drehzahl des Generators ω_{gen_des} subtrahiert wird, was einen Generatordrehzahlfehler ω_error ergibt. Der Generatordrehzahlfehler ω_error wird in eine Vorwärtskupplungssteuerung 308 eingegeben, die den Generatoreinstellungsdrehmomentwert τ_{gen_adj} erzeugt, der am Summierknoten 304 zu dem Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} addiert wird. Die Vorwärtskupplungssteuerung 308 kann eine beliebige Kombination aus einem Proportionalterm, einem Integralterm und einem Derivativterm enthalten, ist aber vorzugsweise ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler).
Auf 11A Bezug nehmend, wird ein modifiziertes Steuersystem 400 des Generators 50' dargestellt. Das modifizierte Steuersystem 400 umfasst Betrieb des Generators 50' im Nennmodus, im Overdrive-Modus und während eines Übergangs zwischen dem Overdrive- und Nennbetriebsmodus. Die in dem modifizierten Steuersystem 400 verwendete Overdrive-Kupplung 86 kann eine Kipphebel-Freilaufkupplung sein und wird als solche dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass neben Kipphebel-Freilaufkupplungen auch andere Arten von Freilaufkupplungen, die andere Arten von Eingriffsmechanismen einsetzen, verwendet werden können.
Bei Betrieb des Generators 50' im Nennbetriebsmodus arbeitet das Steuersystem 400 unter den gleichen Parametern wie das Steuersystem 300. Im Nennmodus ist ein erstes Schaltelement 402 mit einem ersten Schaltknoten 404 verbunden und von einem zweiten Schaltknoten 406 getrennt. Steuerblock 408 steuert das Einrücken und Ausrücken der Overdrive-Kupplung 86 durch das erste Schaltelement 402. Das erste Schaltelement 402 ist durch den ersten Schaltknoten 404 mit dem Steuerblock 410 verbunden. Wenn das erste Schaltelement 402 mit dem Steuerblock 410 verbunden ist, arbeitet das Steuersystem entweder im Nennbetriebsmodus oder kehrt durch Steuerung des Generators 50' auf eine Basisdrehzahl des Nennbetriebsmodus zu dem Nennbetriebsmodus zurück. Das Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} wird durch Block 412 dargestellt und wird in einen Summierknoten 414 vorwärtsgekoppelt, wo ein Generatoreinstellungsdrehmomentwert τ_{gen_adj} zu dem Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} addiert wird. Die Summierung des Soll-Drehmoments des Generators τ_{gen_des} und des Generatoreinstellungsdrehmomentwerts τ_{gen_adj} wird dann dem Generator 50' durch ein zweites Schaltelement 416, das mit einem ersten Schaltknoten 418 verbunden ist und von einem zweiten Schaltknoten 420 getrennt ist, wenn sich das Steuersystem 400 in dem Nennbetriebsmodus befindet, zugeführt. Das zweite Schaltelement 416 ist mit dem Steuerblock 422 verbunden. Der Steuerblock 422 steuert die Drehmomentübertragung zu und von der Overdrive-Kupplung 86. Der Generator 50' gibt dann ein Ist-Drehmoment τ_{gen_act} und eine Ist-Drehzahl ω_{gen_act} ab. Die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} wird als eine Rückkopplung in einen Summierknoten 424 verwendet, wo die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} von einer Soll-Drehzahl des Generators ω_{gen_des} subtrahiert wird, was einen Generatordrehzahlfehler ω_error ergibt. Der Generatordrehzahlfehler ω_error wird in eine Vorwärtskupplungssteuerung 426 eingegeben, die den Generatoreinstellungsdrehmomentwert τ_{gen_adj} erzeugt, der am Summierknoten 414 zu dem Soll-Drehmoment des Generators τ_{gen_des} addiert wird. Die Vorwärtskupplungssteuerung 426 kann eine beliebige Kombination aus einem Proportionalterm, einem Integralterm und einem Derivativterm enthalten, ist aber vorzugsweise ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler).
Beim Überführen des Generators 50' aus dem Nennbetriebsmodus in den Overdrive-Betriebsmodus wird das erste Schaltelement 402 von dem ersten Schaltknoten 404 getrennt und mit dem zweiten Schaltknoten 406 verbunden. Das erste Schaltelement 402 wird dann durch den zweiten Schaltknoten 406 mit dem Steuerblock 428 verbunden. Der Steuerblock 428 steuert den Generator 50' auf eine Soll-Freilaufdrehzahl der Overdrive-Kupplung 86. Nachdem die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} eine Soll-Freilaufdrehzahl der Overdrive-Kupplung 86 erreicht hat und bei Erfassungsblock 430 detektiert wird, werden die Kipphebel der Overdrive-Kupplung 86 bei Block 432 ausgestreckt. Nach dem Ausstrecken der Kipphebel der Overdrive-Kupplung wird die Drehzahl des Generators 50' auf eine Synchrondrehzahl verlangsamt, um die Overdrive-Kupplung 86 in Eingriff zu nehmen. Nach der Ineingriffnahme der Overdrive-Kupplung wird das zweite Schaltelement 416 von dem ersten Schaltknoten 418 getrennt und mit dem zweiten Schaltknoten 420 verbunden. Das zweite Schaltelement wird dann durch den zweiten Schaltknoten 420 mit dem Steuerblock 434 verbunden. Dann steuert der Steuerblock 434 den Generator 50' zum Ausrampen des Drehmoments von der Planetengetriebeanordnung 20' und rampenförmigen Übertragen auf die Overdrive-Kupplung 86. Das Ist-Drehmoment des Generators τ_{gen_act} wird in Block 436 eingegeben, wo dem Generatorreaktionsverhältnis (GRR) gefolgt wird. Dem GRR kann während aller Betriebszeiten, einschließlich des Overdrive-Modus, Nennmodus und während Übergängen zwischen dem Overdrive- und Nennmodus, gefolgt werden.
Wenn der Generator 50' von dem Overdrive-Betriebsmodus in den Nennbetriebsmodus übergeht, wird das zweite Schaltelement durch den zweiten Schaltknoten 420 mit dem Steuerblock 434 verbunden. Der Steuerblock 434 steuert dann den Generator 50' zum Ausrampen des Drehmoments von der Overdrive-Kupplung 86 und rampenförmigen Übertragen auf die Planetengetriebeanordnung 20'. Das Ist-Drehmoment des Generators τ_{gen_act} wird wieder in Block 436 eingegeben, wo dem Generatorreaktionsverhältnis (GRR) gefolgt wird. Nach dem Ausrampen des Drehmoments von der Overdrive-Kupplung wird das zweite Schaltelement von dem zweiten Schaltknoten 420 getrennt und mit dem ersten Schaltknoten 418 verbunden. Bei durch den zweiten Schaltknoten 406 mit dem Steuerblock 428 verbundenem ersten Schaltelement 402 steuert der Steuerblock 428 dann den Generator 50' auf eine Soll-Freilaufdrehzahl der Overdrive-Kupplung 86. Wenn die Ist-Drehzahl des Generators ω_{gen_act} eine Soll-Freilaufdrehzahl der Overdrive-Kupplung 86 erreicht und bei Erfassungsblock 430 detektiert wird, werden die Kipphebel der Overdrive-Kupplung 86 bei Block 432 zurückgezogen. Nach dem Zurückziehen der Kipphebel der Overdrive-Kupplung wird das erste Schaltelement 402 von dem zweiten Schaltknoten 406 getrennt und durch den ersten Schaltknoten 404 mit dem Steuerblock 410 verbunden. Der Steuerblock 410 steuert dann den Generator 50' auf eine Basisdrehzahl und kehrt in den Nennbetriebsmodus zurück. Eine einen Übergang von dem Overdrive-Betriebsmodus in den Nennbetriebsmodus erfordernde Bedingung kann eine beliebige der in 4 gefundenen dritten Betriebsbedingungen 106 sein, ist aber nicht drauf beschränkt.
Beim Übergang von dem Overdrive-Modus in den Nennbetriebsmodus erhöht sich des Weiteren das zum Ausrampen des Drehmoments von der Freilaufkupplung 86 und rampenförmigen Übertragen auf die Planetengetriebeanordnung 20' erforderliche Generatordrehmoment mit Zunahme des Werts des auf die Freilauf-Overdrive-Kupplung übertragenen Drehmoments τ_{OD_Clutch}. Des Weiteren kann das Drehmoment des Generators 50' durch den Steuerblock 434 erhöht werden, wenn die Overdrive-Kupplung 86 ausgerückt wird, indem bei Steuerblock 434 ein Drehmomentbefehl erzeugt wird, der gleich dem Drehmoment τ_{OD_Clutch} ist, das auf die Freilauf-Overdrive-Kupplung übertragen wurde. Ein Drehmomentbefehl durch Steuerblock 434, der gleich dem Drehmoment τ_{OD_Clutch} ist, das auf die Freilauf-Overdrive-Kupplung übertragen wurde, gestattet eine schnelle Verstärkung des Drehmoments, das nahe der Höhe des zum Ausrampen des Drehmoments von der Overdrive-Kupplung 86 und rampenförmigen Übertragen auf die Planetengetriebeanordnung 20' erforderlichen Drehmoments sein sollte. Nach dem anfänglichen Drehmomentbefehl, wie zur Übertragung sämtlichen Drehmoments von der Overdrive-Kupplung 86 und auf die Planetengetriebeanordnung 20' erforderlich, kann zusätzliches Drehmoment hinzugefügt werden, was zu einem Null- oder vernachlässigbaren Drehmoment an der Overdrive-Kupplung führt.
Das bei Betrieb im Overdrive-Modus oder beim Übergang zwischen dem Overdrive- und Nennbetriebsmodus auf die Freilauf-Overdrive-Kupplung 86 übertragene Drehmoment hängt von dem Drehmoment der Kraftmaschine τ_eng und dem Generatorreaktionsverhältnis (GRR) ab und kann wie folgt dargestellt werden: τ_{OD_Clutch} = (1 – GRR)τ_eng (7) wobei τ_{OD_Clutch} das Drehmoment ist, das von der Planetenradanordnung 20' auf die Freilauf-Overdrive-Kupplung 86 übertragen wurde, τ_eng das Drehmoment der Kraftmaschine 16' ist und GRR das Generatorreaktionsverhältnis ist.
Nunmehr auf 11B Bezug nehmend, wird ein Steuersystem 500 der Gesamtdrehmomentabgabe des Hybridfahrzeugantriebsstrangs dargestellt. Das Kraftmaschinendrehmoment τ_eng wird in Block 502 eingegeben, und das Overdrive-Kupplungsdrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_ODS→O wird als Ausgabe von Block 502 erzeugt. Die Funktion in Block 502 kann wie folgt dargestellt werden:
Das Kraftmaschinendrehmoment τ_eng ist die Eingabe in den Block 504, und das Hohlraddrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_ring→O wird als Ausgabe aus Block 504 erzeugt. Die Funktion in Block 504 kann wie folgt dargestellt werden: τ_ring = –(GRR) 1 / 1 + ρ(τ_eng) × (C_R→O) (9)
Das Soll-Drehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_{out_desired} wird in Block 506 eingegeben, und es wird dann das Motordrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_M→O als Ausgabe aus Block 506 erzeugt. Die Funktion in Block 506 kann wie folgt dargestellt werden: τ_M→O = τ_{out_desired} – τ_ring→O – τ_ODS→O (10)
Das Overdrive-Kupplungsdrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_ODS→O, das Hohlraddrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_ring→O und das Motordrehmoment an der Ausgangswelle 38' τ_M→O werden dann bei Summierknoten 508 summiert, was zu dem durch die Ausgangswelle 38' τ_out übertragenen Gesamtdrehmoment führt.
Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften beschrieben worden sein, jedoch können, wie für den Durchschnittsfachmann offensichtlich ist, zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, was von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig ist. Diese Merkmale können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Kraftmaschine und eine elektrische Maschine, die mit einem Planetenrad verbunden sind; eine Freilaufkupplung, die zur Übertragung von Drehmoment von dem Planetenrad zu einem Overdrive-Rad konfiguriert ist; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine Bedingung, die ein Ausrücken der Freilaufkupplung erfordert, ein Drehmoment der elektrischen Maschine basierend auf dem von dem Planetenrad zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment zu erhöhen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, das Drehmoment der elektrischen Maschine zu erhöhen, bis das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird, eine Drehzahl der elektrischen Maschine so einzustellen, dass die Freilaufkupplung einen Freilaufzustand erreicht.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass die Freilaufkupplung den Freilaufzustand erreicht, einen Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung zurückzuziehen.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion auf das Zurückziehen des Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung einen Overdrive-Modus zu verlassen und die Drehzahl der elektrischen Maschine zum Eintritt in einen Nennbetriebsmodus einzustellen.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Freilaufkupplung eine elektromagnetische Kipphebel-Freilaufkupplung ist und wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine elektronische Deaktivierung der elektromagnetischen Kipphebel-Freilaufkupplung die Kipphebel der elektromagnetischen Kipphebel-Freilaufkupplung zurückzuziehen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Bedingung eine Verringerung der Leistungsanforderung, eine Erhöhung der Leistungsanforderung, Bremsen, eine Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Kraftmaschinenabschaltungsanforderung ist.
Hybridfahrzeug, umfassend: einen Planetenradsatz, der ein Sonnenrad, ein Trägerrad und ein Hohlrad aufweist, wobei das Hohlrad dazu konfiguriert ist, Drehmoment zu einem Antriebsrad zu übertragen; eine Kraftmaschine, die mit dem Trägerrad verbunden ist und dazu konfiguriert ist, Drehmoment zu dem Planetenradsatz zu übertragen; ein Overdrive-Rad, das dazu konfiguriert ist, Drehmoment von der Kraftmaschine zu dem Antriebsrad zu übertragen; eine Freilaufkupplung, die dazu konfiguriert ist, beim Schalten zwischen Antriebsstrangnenn- und Overdrive-Betriebsmodi Drehmoment von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad zu übertragen; einen Generator, der mit dem Sonnenrad verbunden ist und dazu konfiguriert ist, die Freilaufkupplung freilaufen zu lassen, wenn sie in einer Ausrückrichtung gedreht wird; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine Bedingung, die Schalten aus dem Antriebsstrang-Overdrive-Modus in den Antriebsstrang-Nennbetriebsmodus erfordert, ein Drehmoment des Generators in der Ausrückrichtung gemäß einem Drehmomentbefehl, der auf dem von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment basiert, zu steuern.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, das Drehmoment des Generators zu ändern, bis das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird, eine Drehzahl des Generators so einzustellen, dass die Freilaufkupplung einen Freilaufzustand erreicht.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass die Freilaufkupplung den Freilaufzustand erreicht, einen Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung zurückzuziehen.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion auf das Zurückziehen des Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung den Antriebsstrang-Overdrive-Modus zu verlassen und die Drehzahl des Generators zum Eintritt in einen Antriebsstrang-Nennbetriebsmodus einzustellen.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Freilaufkupplung eine elektromagnetische Kipphebel-Freilaufkupplung ist und wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine elektronische Deaktivierung der elektromagnetischen Kipphebel-Freilaufkupplung die Kipphebel der elektromagnetischen Kipphebel-Freilaufkupplung zurückzuziehen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Bedingung eine Verringerung der Leistungsanforderung, eine Erhöhung der Leistungsanforderung, Bremsen, eine Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Kraftmaschinenabschaltungsanforderung ist.
Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs, das eine Kraftmaschine und eine elektrische Maschine, die mit einem Planetenradsatz verbunden sind, und eine Freilaufkupplung, die dazu konfiguriert ist, Drehmoment von dem Planetenradsatz zu einem Overdrive-Rad zu übertragen, aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: als Reaktion auf eine Bedingung, die ein Ausrücken der Freilaufkupplung erfordert, Erhöhen eines Drehmoments der elektrischen Maschine basierend auf dem von dem Planetenradsatz zu dem Overdrive-Rad übertragenen Drehmoment.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend Erhöhen des Drehmoments der elektrischen Maschine, bis das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend als Reaktion darauf, dass das zum Overdrive-Rad übertragene Drehmoment null wird, Einstellen einer Drehzahl der elektrischen Maschine derart, dass die Freilaufkupplung einen Freilaufzustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend als Reaktion darauf, dass die Freilaufkupplung den Freilaufzustand erreicht, Zurückziehen eines Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend als Reaktion auf das Zurückziehen des Eingriffsmechanismus der Freilaufkupplung Verlassen eines Overdrive-Modus und Einstellen der Drehzahl der elektrischen Maschine zum Eintritt in einen Nennbetriebsmodus.