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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems.
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Um Hybridfahrzeuge energieeffizient anzutreiben ist es aus dem Stand der Technik bekannt, bei unbetätigtem Fahrpedal, also wenn keine aktive Fahrzeugbeschleunigung gewünscht ist, den Kraftschluss im Antriebsstrang bei befeuertem Verbrennungsmotor aufzuheben und so in einen Betriebszustand des sogenannten „Leerlaufsegelns“ zu gelangen. Ferner ist bei unbetätigtem Fahrpedal auch bekannt, den Verbrennungsmotor bei geschlossenem Kraftschluss im Antriebsstrang auszuschalten, sodass sich ein mechanischer Schleppbetrieb einstellt.
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Ein besonders energiesparendes Abschalten des Verbrennungsmotors erfolgt bisher jedoch selten und nur über kurze Zeitintervalle, da der Verbrennungsmotor die Stromversorgung des elektrischen Bordnetzes gewährleisten muss, wobei das Bordnetz aufgrund der inzwischen sehr umfangreichen Bordelektronik durch zahlreiche Verbraucher meist stark belastet ist. Üblicherweise muss das Bordnetz außerdem in der Lage sein, einen hohen Starterstrom beim Zustarten des Verbrennungsmotors bereitzustellen.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben des Antriebssystems zu schaffen, das besonders häufig und langandauernd einen Betriebszustand mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor ermöglicht, sodass sich ein besonders energieeffizienter Antrieb des Hybridfahrzeugs realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, der eine Verbrennungsmotorwelle aufweist und antreiben kann, einem Fahrzeuggetriebe, das antriebsseitig eine koaxial zur Verbrennungsmotorwelle angeordnete Getriebewelle aufweist, einer Schwungmassen-Antriebseinheit, die zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Fahrzeuggetriebe angeordnet ist sowie eine koaxial zur Verbrennungsmotorwelle angeordnete Zwischenwelle aufweist, einer ersten Kupplung zum Koppeln oder Entkoppeln der Verbrennungsmotorwelle und der Zwischenwelle, einer zweiten Kupplung zum Koppeln oder Entkoppeln der Zwischenwelle und der Getriebewelle, einer Elektromaschine, die eine Elektromaschinenwelle aufweist und diese in einem Motorbetrieb antreiben kann, sowie einem Quertriebsmodul, das die Elektromaschinenwelle mit der Zwischenwelle koppelt, wobei wenigstens eine Arbeitsmaschine vorgesehen und mit der Elektromaschinenwelle antriebsmäßig verbunden ist.
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Da die Funktion der wenigstens einen Arbeitsmaschine somit gegebenenfalls durch die Elektromaschine sichergestellt wird, lässt sich der Verbrennungsmotor auch über ein längeres Zeitintervall abschalten.
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Darüber hinaus ist keine elektrische Startvorrichtung zum Zustarten des Verbrennungsmotors nötig, weil die Schwungmassen-Antriebseinheit und die erste Kupplung einen mechanischen Schleppstart des abgeschalteten Verbrennungsmotors bei stehendem und rollendem Fahrzeug ermöglichen. Infolgedessen lässt sich der Verbrennungsmotor auch bei hoher Belastung des elektrischen Bordnetzes abschalten, da das Bordnetz beim Zustarten des Verbrennungsmotors keinen Starterstrom bereitstellen muss.
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In einer Ausführungsform des Antriebssystems umfasst die wenigstens eine Arbeitsmaschine einen Kühlmittelkompressor einer Fahrzeugklimaanlage. Da der Kühlmittelkompressor bei Bedarf von der Elektromaschine angetrieben wird, kann der Verbrennungsmotor auch über längere Zeit abgeschaltet bleiben, ohne dass die Fahrzeugklimatisierung beeinträchtigt wird. Im Allgemeinen kann die wenigstens eine Arbeitsmaschine komfort-, funktions- oder sicherheitsrelevante Aufgaben im Hybridfahrzeug erfüllen. Abgesehen vom Kühlmittelkompressor können auf der Elektromaschinenwelle weitere Arbeitsmaschinen wie zum Beispiel eine Getriebeölpumpe oder eine Wasserpumpe sitzen.
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Vorzugsweise ist die Schwungmassen-Antriebseinheit als Wandler oder Zweimassenschwungrad ausgebildet. Die Schwungmassen-Antriebseinheit bildet einen Energiespeicher und ist in jedem Fall so ausgeführt, dass der Verbrennungsmotor über eine rotierende Schwungmasse der Schwungmassen-Antriebseinheit gestartet werden kann. Um eine hierfür notwendige Mindestdrehzahl der Schwungmasse zu erreichen oder zu halten, wird die Schwungmassen-Antriebseinheit gegebenenfalls von der Elektromaschine angetrieben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Antriebssystems ist ein elektrisches Bordnetz vorgesehen, wobei die Elektromaschine auch als Generator ausgebildet ist und in einem Generatorbetrieb elektrische Energie in das Bordnetz einspeist.
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Insbesondere ist ausschließlich ein Niedervolt-Bordnetz mit weniger als 60 V Betriebsspannung vorgesehen. Durch die Ausbildung als Niedervolt-Bordnetz lassen sich die Kosten des Antriebssystems reduzieren. Dies liegt vor allem daran, dass aufgrund der niedrigeren elektrischen Spannung im System das Gefährdungsrisiko geringer und die Absicherung des Bordnetzes somit einfacher und kostengünstiger bereitzustellen ist. Insbesondere ist das Niedervolt-Bordnetz ein 12-Volt- und/oder ein 48-Volt-Bordnetz.
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Ferner ist in dieser Ausführungsform des Antriebssystems vorzugsweise ein mit der Elektromaschine verbundener, rekuperationsfähiger Bordnetz-Speicher vorgesehen. Konkret können als rekuperationsfähige Bordnetz-Speicher zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebssystems für ein Hybridfahrzeug ist das Fahrzeuggetriebe ein Automatikgetriebe.
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Die obengenannte Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Antriebssystems, welches eine elektrische Steuereinheit zur Steuerung des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Die elektrische Steuereinheit ermittelt eine erste Steuergröße zur Freigabe oder Verhinderung eines Fahrzeug-Segelbetriebs sowie eine zweite Steuergröße zur Freigabe oder Verhinderung einer Verbrennungsmotor-Abschaltung;
- b) falls durch die beiden Steuergrößen sowohl der Fahrzeug-Segelbetrieb als auch die Verbrennungsmotor-Abschaltung freigegeben wird, schaltet die elektrische Steuereinheit in einen Betriebszustand, in welchem der Verbrennungsmotor abgeschaltet, die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen ist.
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Als Fahrzeug-Segelbetrieb wird in diesem Zusammenhang ein Betriebszustand des Hybridfahrzeugs bezeichnet, bei dem der Verbrennungsmotor vom Fahrzeuggetriebe entkoppelt ist. Innerhalb des Fahrzeug-Segelbetriebs wird ferner unterschieden zwischen „Leerlaufsegeln“ (bei befeuertem Verbrennungsmotor) und „Motor-Aus-Segeln“ (bei unbefeuertem, das heißt abgeschaltetem Verbrennungsmotor).
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In diesem Betriebszustand wird über die Getriebewelle, das Quertriebsmodul und die Elektromaschinenwelle die Elektromaschine sowie die wenigstens eine Arbeitsmaschine angetrieben.
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Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Elektromaschine im Schritt b) in einen Generatorbetrieb geschaltet und erzeugt elektrische Energie. Dieser Generatorbetrieb, bei dem die Elektromaschine die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie umsetzt, wird auch als Rekuperation bezeichnet.
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Vorzugsweise wird an der Elektromaschine im Generatorbetrieb ein Widerstand eingestellt, der im Wesentlichen einem mechanischen Schleppmoment des Verbrennungsmotors entspricht. Diese sogenannte Schlepprekuperation im Betriebszustand des „Motor-Aus-Segelns“ simuliert damit einen herkömmlichen, mechanischen Schleppbetrieb des Fahrzeugs, bei dem der Kraftschluss im Antriebsstrang geschlossen und das Fahrpedal unbetätigt ist, sodass der Verbrennungsmotor mitgeschleppt wird. Subjektiv empfindet der Fahrer daher das „Motor-Aus-Segeln“ mit Schlepprekuperation genau wie den gewohnten mechanischen Schleppbetrieb des Fahrzeugs, wobei über die Rekuperation jedoch in vorteilhafter Weise elektrische Energie gewonnen wird.
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Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird beim Betätigen einer Fahrzeugbremse eine gewünschte Fahrzeugverzögerung zunächst durch ein über den Widerstand der Elektromaschine einstellbares, elektrisches Bremsmoment erzeugt und erst bei Erreichen eines maximalen elektrischen Bremsmoments eine Reibbremse des Fahrzeugs zugeschaltet. Die oben beschriebene Schlepprekuperation wird in diesem Fall folglich noch durch eine sogenannte Bremsrekuperation ergänzt, um möglichst viel kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Erst wenn das maximale elektrische Bremsmoment erreicht ist, wird die Reibbremse zugeschaltet, welche die kinetische Energie des Fahrzeugs in Wärmeenergie umsetzt.
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Die im Generatorbetrieb von der Elektromaschine erzeugte elektrische Energie kann dabei zunächst in ein elektrisches Bordnetz eingespeist werden und bei Überschreiten eines Energiebedarfs des elektrischen Bordnetzes einen Bordnetz-Speicher aufladen.
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Bevorzugt wird die zweite Kupplung bei Unterschreiten einer Mindestdrehzahl der Zwischenwelle geöffnet und die Elektromaschine in den Motorbetrieb geschaltet. Die Mindestdrehzahl wird dabei insbesondere so vorgegeben, dass die Energie einer Schwungmasse der Schwungmassen-Antriebseinheit zum Starten des abgeschalteten Verbrennungsmotors gerade noch ausreicht. Falls die vorgegebene Mindestdrehzahl der Zwischenwelle erreicht wird, so verhindert die Elektromaschine ein weiteres Absinken der Drehzahl, indem sie in den Motorbetrieb schaltet und die Schwungmassen-Antriebseinheit antreibt. Falls das Fahrzeuggetriebe als automatisiertes Schaltgetriebe ausgeführt ist, kann bei Erreichen der Mindestdrehzahl der Zwischenwelle über eine voreingestellte Schaltstrategie alternativ oder zusätzlich auch ein Wechsel auf eine niedrigere Gangstufe erfolgen, um die Drehzahl zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante erhält die elektrische Steuereinheit im Schritt a) von funktions-, sicherheits- und/oder komfortrelevanten Fahrzeugkomponenten jeweils ein Signal zum Fahrzeug-Segelbetrieb sowie zur Verbrennungsmotor-Abschaltung, wobei die elektrische Steuereinheit den Fahrzeug-Segelbetrieb nur dann freigibt, wenn alle entsprechenden Signale Freigabesignale sind, und wobei die elektrische Steuereinheit die Verbrennungsmotor-Abschaltung nur dann freigibt, wenn alle entsprechenden Signale Freigabesignale sind. Die Signale der jeweiligen Fahrzeugkomponenten sind dabei entweder Freigabesignale oder Verhinderungssignale. Ein Signal zur Verhinderung der Verbrennungsmotor-Abschaltung wird beispielsweise durch eine Betätigung des Fahrpedals, eine zu geringe Kühlmitteltemperatur im Motorkühlkreislauf oder einen niedrigen Batterieladestand generiert. Beispiele für ein Signal zur Verhinderung des Fahrzeug-Segelbetriebs sind eine Betätigung des Fahrpedals, ein sensorisch erfasstes, mit geringem Abstand vorausfahrendes Fahrzeug, eine zu große Steigung bzw. ein zu großes Gefälle oder eine aktivierte Sonderausstattung wie das Fahren im Sportmodus.
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Vorzugsweise schaltet die elektrische Steuereinheit in einen Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor befeuert, die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen ist, falls durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb freigegeben und durch die zweite Steuergröße die Verbrennungsmotor-Abschaltung verhindert wird.
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Ferner schaltet die elektrische Steuereinheit bevorzugt in einen Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor abgeschaltet, die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung ebenfalls geschlossen ist, falls durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb verhindert und durch die zweite Steuergröße die Verbrennungsmotor-Abschaltung freigegeben wird.
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Schließlich schaltet die elektrische Steuereinheit vorzugsweise in einen Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor befeuert, die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung ebenfalls geschlossen ist, falls durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb verhindert und durch die zweite Steuergröße auch die Verbrennungsmotor-Abschaltung verhindert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei die einzige Figur eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 10 für ein Hybridfahrzeug zeigt.
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Das Antriebssystem 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12, der eine Verbrennungsmotorwelle 14 aufweist und antreiben kann, ein Fahrzeuggetriebe 16, das antriebsseitig eine koaxial zur Verbrennungsmotorwelle 14 angeordnete Getriebewelle 18 aufweist, eine Schwungmassen-Antriebseinheit 20, die zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und dem Fahrzeuggetriebe 16 angeordnet ist sowie eine koaxial zur Verbrennungsmotorwelle 14 angeordnete Zwischenwelle 22 aufweist, eine erste Kupplung 24 zum Koppeln oder Entkoppeln der Verbrennungsmotorwelle 14 und der Zwischenwelle 22, eine zweite Kupplung 26 zum Koppeln oder Entkoppeln der Zwischenwelle 22 und der Getriebewelle 18, eine Elektromaschine 28, die eine Elektromaschinenwelle 30 aufweist und diese in einem Motorbetrieb der Elektromaschine 28 antreiben kann, sowie ein Quertriebsmodul 32, welches die Elektromaschinenwelle 30 mit der parallelen, nicht-koaxialen Zwischenwelle 22 koppelt.
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Das Quertriebsmodul 32 ist hierbei eine feste Getriebeübersetzung zwischen der Elektromaschinenwelle 30 und der parallelen, nicht-koaxialen Zwischenwelle 22, auf der die Schwungmassen-Antriebseinheit 20 sitzt.
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Gemäß der Figur ist die zweite Kupplung 26 eine dem Fahrzeuggetriebe 16 vorgeschaltete, separate Kupplung. Alternativ kann die zweite Kupplung 26 auch eine in das Fahrzeuggetriebe 16 integrierte Getriebekupplung sein, wobei das Fahrzeuggetriebe 16 dann insbesondere ein Automatikgetriebe ist.
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Ferner weist das Antriebssystem 10 des Hybridfahrzeugs Arbeitsmaschinen 34, 36 auf, die mit der Elektromaschinenwelle 30 antriebsmäßig verbunden sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsmaschine 34 ein Kühlmittelkompressor einer Fahrzeugklimaanlage während die Arbeitsmaschine 36 eine Pumpe, insbesondere eine Getriebeölpumpe oder Wasserpumpe des Hybridfahrzeugs ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sitzen die Antriebsmaschinen 34, 36 drehfest auf der Elektromaschinenwelle 30. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Antriebsmaschinen 34, 36 eigene Nebenwellen aufweisen, die mit der Elektromaschinenwelle 30 dauerhaft fest verbunden sind.
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Indem die Antriebsmaschinen 34, 36 im Motorbetrieb der Elektromaschine 28 von dieser angetrieben werden, müssen die Arbeitsmaschinen 34, 36 nicht mehr über einen Riementrieb des Verbrennungsmotors mitgeschleppt werden, sodass sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ein riemenloser Verbrennungsmotor 12 realisieren lässt.
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Obwohl in der Figur beispielhaft zwei Arbeitsmaschinen 34, 36 dargestellt sind ist klar, dass auch nur eine Arbeitsmaschine 34, 36 oder mehr als zwei Arbeitsmaschinen 34, 36 drehfest auf der Elektromaschinenwelle 30 sitzen und von der Elektromaschine 28 angetrieben werden können. Sofern die Arbeitsmaschinen 34, 36 in unterschiedlichen Drehzahlbereichen arbeiten, ist gegebenenfalls eine geeignete Übersetzung vorzusehen.
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Die Schwungmassen-Antriebseinheit 20 bildet einen Energiespeicher und ist insbesondere als Drehmomentwandler ausgeführt. Alternativ kann jedoch auch ein Zweimassenschwungrad als Schwungmassen-Antriebseinheit 20 verwendet werden.
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Unabhängig von der konkreten Konstruktion der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 ermöglicht deren Schwungmasse zusammen mit der ersten Kupplung 24 einen mechanischen Schleppstart des ausgeschalteten Verbrennungsmotors 12 bei stehendem oder rollendem Fahrzeug. Folglich kann auf eine elektrische Startvorrichtung für den Verbrennungsmotor 12 verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist die zweite Kupplung 26 während des Schleppstarts (kurzzeitig) geöffnet, um einen unerwünschten Fahrzeugruck beim Ankoppeln des Verbrennungsmotors 12 zu vermeiden.
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Gemäß der Figur ist ferner ein elektrisches Bordnetz 38 vorgesehen, wobei die Elektromaschine 28 auch als Generator ausgebildet ist und in einem Generatorbetrieb elektrische Energie in das elektrische Bordnetz 38 einspeist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ausschließlich ein Niedervolt-Bordnetz 38 mit weniger als 60 V Betriebsspannung vorgesehen. Konkret handelt es sich bei dem elektrischen Bordnetz 38 um ein Zweispannungsbordnetz, welches einen 48-V-Bordnetzspeicher 40 sowie einen herkömmlichen 12-V-Bordnetzspeicher 42 umfasst, wobei die beiden Bordnetzspeicher 40, 42 durch einen Gleichstromwandler 44 gekoppelt sind.
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Dabei ist zumindest der mit der Elektromaschine 28 verbundene 48-V-Bordnetzspeicher 40 ein rekuperationsfähiger Bordnetzspeicher, der im Generatorbetrieb der Elektromaschine 28 aufgeladen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden als rekuperationsfähige Bordnetzspeicher 40, 42 Lithium-Ionen-Batterien verwendet.
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Das in der Figur dargestellte Fahrzeuggetriebe 16 ist aufgrund der komplexen Steuerung des Antriebssystems 10 insbesondere ein Automatikgetriebe. Ferner ermöglichen Automatikgetriebe eine äußerst effiziente Rekuperation, während die Energierückgewinnung bei Handschaltgetrieben durch die Zugkraftunterbrechung beim Rückschalten der Gangstufe eingeschränkt wird. Prinzipiell ist das dargestellte Antriebssystem 10 jedoch auch für Handschaltgetriebe geeignet.
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Gemäß der Figur ist ferner eine elektrische Steuereinheit 46 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 12, der Elektromaschine 28 und des als Automatikgetriebe ausgebildeten Fahrzeuggetriebes 16 vorgesehen, wobei die elektrische Steuereinheit 46 im vorliegenden Fall beispielhaft drei separate Steuergeräte 48, 50, 52 aufweist, die jedoch miteinander verbunden sind.
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So ist das Steuergerät 48 zur Getriebesteuerung mit dem als Automatikgetriebe ausgeführten Fahrzeuggetriebe 16 sowie einem Aktuator 54 zur Betätigung der zweiten Kupplung 26 verbunden.
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Das Steuergerät 50 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 12 ist mit dem Verbrennungsmotor 12 sowie einem Aktuator 56 zur Betätigung der ersten Kupplung 24 verbunden. Ferner sind in der Figur ein Fahrpedal 58 sowie ein Bremspedal 60 einer Fahrzeugbremse 62 angedeutet, welche mit dem Steuergerät 50 so gekoppelt sind, dass die elektrische Steuereinheit 46 eine Betätigung des Fahrpedals 58 oder des Bremspedals 60 erfassen kann. Insbesondere kann die elektrische Steuereinheit 46 sogar eine Betätigungskraft und/oder einen Betätigungsweg des Fahrpedals 58 und/oder des Bremspedals 60 erfassen.
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Das Steuergerät 52 zur Steuerung der Elektromaschine 28 ist zum einen mit der Elektromaschine 28 und zum anderen mit dem elektrischen Bordnetz 38 verbunden und kann die Elektromaschine 28 beispielsweise vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb schalten, oder umgekehrt.
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Im Folgenden wird anhand der Figur auf das Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Antriebssystems 10 für ein Hybridfahrzeug eingegangen.
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In einem ersten Verfahrensschritt a) ermittelt die elektrische Steuereinheit 46 eine erste Steuergröße zur Freigabe oder Verhinderung eines Fahrzeug-Segelbetriebs sowie eine zweite Steuergröße zur Freigabe oder Verhinderung einer Verbrennungsmotor-Abschaltung.
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Falls durch die beiden Steuergrößen sowohl der Fahrzeug-Segelbetrieb als auch die Verbrennungsmotor-Abschaltung freigegeben werden, schaltet die elektrische Steuereinheit 46 in einem nachfolgenden Verfahrensschritt b) in einen Betriebszustand des Antriebssystems 10, in welchem der Verbrennungsmotor 12 abgeschaltet, die erste Kupplung 24 geöffnet und die zweite Kupplung 26 geschlossen ist. In der zeitlichen Abfolge wird dabei zunächst die erste Kupplung 24 geöffnet und erst danach der Verbrennungsmotor 12 abgeschaltet sowie die zweite Kupplung 26 geschlossen.
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In diesem Betriebszustand, der auch als „Motor-Aus-Segeln“ bezeichnet wird, ist der Verbrennungsmotor 12 abgelegt, das heißt unbefeuert (also abgeschaltet) sowie vom Fahrzeuggetriebe 16 entkoppelt. Die Elektromaschine 28 und die Arbeitsmaschinen 34, 36 sind hingegen über die Elektromaschinenwelle 30 und das Quertriebsmodul 32 mit der Zwischenwelle 22 sowie über die geschlossene zweite Kupplung 26 auch mit der Getriebewelle 18 des Fahrzeuggetriebes 16 im Wesentlichen drehfest gekoppelt, sodass sie bei einer Bewegung des Fahrzeugs mitgeschleppt werden.
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Ferner ist auch die auf der Zwischenwelle 22 sitzende Schwungmassen-Antriebseinheit 20 über die geschlossene zweite Kupplung 26 mit der Getriebewelle 18 gekoppelt.
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Die Elektromaschine 28 wird von der elektrischen Steuereinheit 46 im Verfahrensschritt b) in den Generatorbetrieb geschaltet und erzeugt elektrische Energie.
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Dabei wird an der Elektromaschine 28 im Generatorbetrieb ein als Widerstand wirkendes, elektrisches Schleppmoment eingestellt, das bei unbetätigtem Bremspedal 60 im Wesentlichen einem mechanischen Schleppmoment des Verbrennungsmotors 12 entspricht. Dieser Betriebszustand des Antriebssystems 10 wird auch als „Motor-Aus-Segeln mit Schlepprekuperation“ bezeichnet und simuliert einen herkömmlichen, mechanischen Schleppbetrieb des Verbrennungsmotors 12, bei dem der abgeschaltete, unbefeuerte Verbrennungsmotor 12 durch einen geschlossenen Kraftschluss im Antriebsstrang mitgeschleppt wird. Dies wirkt sich positiv auf den Fahreindruck aus, da der Fahrer beim „Motor-Aus-Segeln mit Schlepprekuperation“ subjektiv keine Veränderung zum gewohnten mechanischen Schleppbetrieb wahrnimmt.
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Allerdings wird beim Motor-Aus-Segeln mit Schlepprekuperation über den Generatorbetrieb der Elektromaschine 28 elektrischer Strom gewonnen, der in das elektrische Bordnetz 38 eingespeist werden oder einen Bordnetzspeicher 40, 42 des elektrischen Bordnetzes 38 laden kann. Folglich ist das Motor-Aus-Segeln mit Schlepprekuperation hinsichtlich der Energieeffizienz deutlich vorteilhafter als der mechanische Schleppbetrieb des Antriebssystems 10.
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Beim Betätigen des Bremspedals 60 einer Fahrzeugbremse 62 wird eine gewünschte Fahrzeugverzögerung zunächst durch ein über den Widerstand der Elektromaschine 28 einstellbares, gegenüber dem elektrischen Schleppmoment höheres elektrisches Bremsmoment erzeugt. Erst bei Erreichen eines maximalen elektrischen Bremsmoments wird eine Reibbremse 64 des Fahrzeugs zugeschaltet. Diese sogenannte Bremsrekuperation lässt sich im Falle einer gewünschten Fahrzeugverzögerung sowohl beim mechanischen Schleppbetrieb als auch beim Motor-Aus-Segeln mit Schlepprekuperation einstellen und trägt zu einer weiteren Steigerung der Energieeffizienz des Antriebssystems 10 bei.
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Erst wenn die gewünschte Fahrzeugverzögerung durch das über den Widerstand der Elektromaschine 28 einstellbare, elektrische Bremsmoment nicht mehr erzeugt werden kann, wird die herkömmliche Reibbremse 64 zugeschaltet, welche die kinetische Energie des Fahrzeugs in Wärmeenergie umsetzt.
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Die im Generatorbetrieb von der Elektromaschine 28 erzeugte elektrische Energie wird zunächst in das elektrische Bordnetz 38 eingespeist. Erst bei Überschreiten eines Energiebedarfs des elektrischen Bordnetzes 38 wird die im Generatorbetrieb von der Elektromaschine 28 erzeugte elektrische Energie zum Laden des Bordnetzspeichers 40, 42 verwendet.
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Bei Unterschreiten einer Mindestdrehzahl der Zwischenwelle 22 wird die zweite Kupplung 26 von der elektrischen Steuereinheit 46 geöffnet und die Elektromaschine 28 in den Motorbetrieb geschaltet. Die Mindestdrehzahl der drehfest mit der Schwungmasse der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 verbundenen Zwischenwelle 22 wird dabei insbesondere so gewählt, dass die Drehzahl der Schwungmasse bzw. die in der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 gespeicherte Energie gerade noch ausreicht, um den unbefeuerten, d.h. ausgeschalteten Verbrennungsmotor 12 wieder zu starten.
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Falls die vorgegebene Mindestdrehzahl der Zwischenwelle 22 unterschritten wird, öffnet die zweite Kupplung 26, um die Schwungmassen-Antriebseinheit 20 von der Getriebewelle 18 zu entkoppeln. Die Elektromaschine 28 schaltet in den Motorbetrieb und treibt über das Quertriebsmodul 32 die Schwungmasse der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 bedarfsgesteuert so an, dass die Drehzahl der Schwungmasse bzw. die in der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 gespeicherte Energie ausreicht, um den Verbrennungsmotor 12 zu starten.
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Auch die Arbeitsmaschinen 34, 36 werden in diesem Fall von der Elektromaschine 28 angetrieben.
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Auch bei einem Kaltstart des Hybridfahrzeugs wird die Schwungmassen-Antriebseinheit 20 bei geöffneter erster Kupplung 24 und geöffneter zweiter Kupplung 26 von der Elektromaschine 28 angetrieben und beschleunigt, bis die Energie der Schwungmassen-Antriebseinheit 20 ausreicht, um den Verbrennungsmotor 12 durch Schließen der ersten Kupplung 24 zu starten. Somit kann auf eine elektrische Startervorrichtung für den Verbrennungsmotor 12 vollständig verzichtet werden. Um anschließend aus dem Fahrzeugstillstand anzufahren, muss die zweite Kupplung 26 wieder geschlossen werden.
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Beim Verfahren zum Betreiben des Antriebssystems 10 erhält die elektrische Steuereinheit 46 im Schritt a) von funktions-, sicherheits- und/oder komfortrelevanten Fahrzeugkomponenten jeweils ein Signal zum Fahrzeug-Segelbetrieb sowie zur Verbrennungsmotor-Abschaltung, wobei die elektrische Steuereinheit 46 den Fahrzeug-Segelbetrieb nur dann freigibt, wenn alle entsprechenden Signale Freigabesignale sind, und wobei die elektrische Steuereinheit 46 die Verbrennungsmotor-Abschaltung nur dann freigibt, wenn alle entsprechenden Signale Freigabesignale sind.
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Die Signale der jeweiligen Fahrzeugkomponenten sind entweder Freigabesignale oder Verhinderungssignale, wobei ein Signal zur Verhinderung der Verbrennungsmotor-Abschaltung beispielsweise durch eine Betätigung des Fahrpedals, eine zu geringe Kühlmitteltemperatur im Motorkühlkreislauf oder einen niedrigen Batterieladestand generiert wird. Signale zur Verhinderung des Fahrzeug-Segelbetriebs werden zum Beispiel durch eine Betätigung des Fahrpedals, ein sensorisch erfasstes, mit geringem Abstand vorausfahrendes Fahrzeug, eine zu große Steigung bzw. ein zu großes Gefälle oder eine aktivierte Sonderausstattung wie das Fahren im Sportmodus generiert.
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Ein Freigabesignal kann in diesem Zusammenhang auch durch die Unterbrechung eines Verhinderungssignals erzeugt werden, um die Signalverarbeitung und die Systemreaktion zu beschleunigen.
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Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante erzeugt beispielsweise jede funktions-, sicherheits- und/oder komfortrelevante Fahrzeugkomponente solange ein Verhinderungssignal für die Verbrennungsmotor-Abschaltung und/oder den Fahrzeug-Segelbetrieb, wie dies für eine gewünschte Funktionalität, die Sicherheit oder den Komfort des Hybridfahrzeugs notwendig ist. Sobald eine Freigabe der Verbrennungsmotor-Abschaltung bzw. des Fahrzeug-Segelbetriebs möglich ist, unterbricht die jeweilige Fahrzeugkomponente dann lediglich das Verhinderungssignal, wobei diese Signalunterbrechung gleichbedeutend mit einem Freigabesignal ist.
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Liegt wenigstens ein Signal zur Verhinderung der Verbrennungsmotor-Abschaltung an, wird durch die elektrische Steuereinheit 46 ein Abschalten des Verbrennungsmotors 12 verhindert oder ein Starten des bereits abgeschalteten Verbrennungsmotors 12 veranlasst. Analog wird durch die elektrische Steuereinheit 46 ein Fahrzeug-Segelbetrieb verhindert oder eine Kopplung zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und dem Fahrzeuggetriebe 16 veranlasst, sofern wenigstens ein Signal zur Verhinderung des Fahrzeug-Segelbetriebs anliegt.
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Falls durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb freigegeben und durch die zweite Steuergröße die Verbrennungsmotor-Abschaltung verhindert wird, schaltet die elektrische Steuereinheit 46 in einen Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor 12 befeuert, die erste Kupplung 24 geöffnet und die zweite Kupplung 26 geschlossen ist. Dieser Betriebszustand wird auch als Leerlaufsegeln bezeichnet.
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Falls durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb verhindert und durch die zweite Steuergröße die Verbrennungsmotor-Abschaltung freigegeben wird, schaltet die elektrische Steuereinheit 46 in einen Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor 12 unbefeuert, d.h. abgeschaltet ist und die erste Kupplung 24 sowie die zweite Kupplung 26 geschlossen sind. Dieser Betriebszustand entspricht dem bereits oben erwähnten, mechanischen Schleppbetrieb.
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Falls schließlich durch die erste Steuergröße der Fahrzeug-Segelbetrieb verhindert und durch die zweite Steuergröße die Verbrennungsmotor-Abschaltung ebenfalls verhindert wird, schaltet die elektrische Steuereinheit 46 in einen Betriebszustand, in welchem der Verbrennungsmotor 12 befeuert, die erste Kupplung 24 geschlossen und die zweite Kupplung 26 ebenfalls geschlossen ist.
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Um vom Motor-Aus-Segeln in diesen Betriebszustand zu gelangen, wird zunächst die zweite Kupplung 26 geöffnet, um einen unerwünschten Fahrzeugruck beim Ankoppeln des Verbrennungsmotors 12 zu vermeiden. Anschließend wird ein Schleppstart des Verbrennungsmotors 12 durchgeführt, wobei die erste Kupplung 24 zum Anheben der Motordrehzahl geschlossen und der Verbrennungsmotor 12 befeuert wird. Schließlich wird die zweite Kupplung 26 wieder geschlossen, wodurch die Drehzahlen der Verbrennungsmotorwelle 14 und der Getriebewelle 18 synchronisiert werden und der Kraftschluss im Antriebsstrang wieder hergestellt wird.
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Dieser Betriebszustand wird beispielsweise dann gewählt, wenn der Fahrer durch eine Betätigung des Fahrpedals 58 anzeigt, dass er das Fahrzeug aktiv beschleunigen oder die Fahrzeuggeschwindigkeit aktiv konstant halten möchte.
