DE102016216222A1 - Antriebsstranganordnung und Verfahren zum Stabilisieren einer Antriebsstrangkomponente eines Hybridfahrzeugs - Google Patents

Antriebsstranganordnung und Verfahren zum Stabilisieren einer Antriebsstrangkomponente eines Hybridfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsstranganordnung (1) zum Stabilisieren einer Antriebsstrangkomponente mit: einem Antriebstrang, der eine Hauptantriebskomponente (3), eine erste und eine zweite Elektromaschine (5, 7) umfasst, einem zwischen Hauptantriebskomponente (3), erster Elektromaschine (5) und zweiter Elektromaschine (7) wirkenden mechanischen Übertragungsglied (29; 33), wobei die die Hauptantriebskomponente (3), erste Elektromaschine (5) und zweite Elektromaschine (7) über das mechanische Übertragungsglied (29; 33) und damit untereinander koppelbar sind und im Fahrbetrieb eine Steuerung (35) eingerichtet ist, die erste und zweite Elektromaschine (5, 7) so anzusteuern, dass jeweils eine der Elektromaschinen (5, 7) im Generatorbetrieb arbeitet und eine im Motorbetrieb, so dass über die Steuerung (35) am mechanischen Übertragungsglied (29,; 33) ein definiertes Stabilisierungsdrehmoment einstellbar ist, welches in einem kritischen Betriebszustand einen Richtungswechsel von mechanischen Anlagepunkten im mechanischen Übertragungsglied (29; 33) verhindert. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum dynamischen Verspannen von Antriebskomponenten der Anordnung (1) einen Hybridantrieb (2) und ein Fahrzeug (100).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebsstranganordnung zum Stabilisieren einer Antriebsstrangkomponente, die einen Verbrennungsmotor bzw. eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) und eine erste und zweite Elektromaschine umfasst.
  • In modernen Hybridfahrzeugen werden zunehmend solche Antriebskonzepte verfolgt, bei denen der Verbrennungsmotor mit zwei Elektromaschinen (z.B. sogenannte Parallel Torque Split PTS Hybride) kombiniert wird. Bei so einer Kombination wird ein klassisches Parallelhybridkonzept, bei dem eine Elektromaschine auf der Antriebskurbelwelle des Verbrennungsmotors sitzt und über eine Kupplung mit dem Schaltgetriebe verbunden ist, um eine weitere Elektromaschine verstärkt, die ebenfalls auf das Schaltgetriebe (oder den Antrieb) wirkt. Die Kopplung des Verbrennungsmotors und der ersten Elektromaschine erfolgt dabei üblicherweise über eine Reibkupplung oder im Falle von automatisch betätigbaren Getrieben auch über eine Doppelscheibenkupplung oder einen fluiddynamischen Wandler mit entsprechend geeignetem Automatikschaltgetriebe.
  • Solche Kupplungslösungen sind jedoch relativ schwer, großvolumig oder verursachen Effizienznachteile, so dass sie für die Kopplung der zweiten Elektromaschine oft nicht gewünscht werden.
  • Eine bekannte Anordnung ist bspw. der DE 10 2008 002 381 A1 zu entnehmen, in der ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen wird, das einen Verbrennungsmotor und mindestens zwei Elektromaschinen, ein Mehrganggetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle, eine Schaltbetätigung, einen elektrischen Energiespeicher sowie Leistungselektronik und -sensorik aufweist. Verbrennungsmotor und die erste Elektromaschine sind dabei fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriemenantrieb gemeinsam oder einzeln mit der Getriebeeingangswelle eines Mehrganggetriebes verbunden, deren Ausgangswelle wiederum fest oder in anderer Weise mit einem Rad oder einem Differential einer ersten Fahrzeugachse verbunden ist. Eine zweite Elektromaschine ist dabei entweder mit einem Rad oder einem Differential der Fahrzeugachse verbunden und damit auch mit der ersten Elektromaschine und dem Verbrennungsmotor. Eine Abkopplung der zweiten Elektromaschine vom Antriebsstrang ist hier nicht vorgesehen. Dies kann zu einer Funktionseinschränkung führen, da es nicht möglich ist, die zweite Elektromaschine aus Effizienzgründen z.B. bei höheren Drehzahlen oder Geschwindigkeiten vom Antriebsstrang abzukoppeln.
  • Daher könnte man den Ansatz verfolgen, die zweite Elektromaschine über ein formschlüssiges Schaltelement an das Getriebe anzubinden, im einfachsten Fall bspw. über eine Klauenkupplung. Bei solchen kompakten, formschlüssigen Übertragungsgliedern kann das Problem auftreten, dass in Betriebszuständen mit geringem Antriebsmoment oder bei einem Übergang von einem Fahrzustand in einen anderen, eine auf diese Weise angebundene Komponente unbelastet (Drehmoment = 0) mitläuft. Dabei können während des Betriebes Anlagepunkte (Kraftübertragungs- oder Koppelpunkte) in so einem Schaltelement gewechselt werden, die dadurch akustisch auffallen können. So können unerwünschte Schwingungen oder Rasselgeräusche entstehen. So ein Effekt kann gegebenenfalls dadurch verstärkt werden, dass der zweite Elektromotor über ein zusätzliches Getriebe mit weiteren Anlagepunkten mit dem Hauptgetriebe verbunden ist.
  • Außerdem bleibt in solchen Anordnungen das oben dargestellte akustische bzw. Schwingungsproblem ungelöst, da die zweite Elektromaschine nicht immer vom Hauptgetriebe abgekoppelt werden soll, da sonst die Antriebsverfügbarkeit der zweiten Elektromaschine durch die Schaltverzögerung herabgesetzt ist.
  • Bekannte Verfahren zur Steuerung der Elektromaschinen unter SOC-Gesichtspunkten (State of Charge), wie sie bspw. in der DE 10 2010 011 163 A1 angegeben sind, berücksichtigen zwar untere Drehmomentschwellen des Verbrennungsmotors, bei denen unerwünschte Verbrennungsaussetzer auftreten können, sowie obere Lademomentschwellen, bei denen andere akustische Beanstandungen hervorgerufen werden können. Solche Verfahren sind aber nicht in der Lage, das Problem von Schwingungen oder akustischen Auffälligkeiten zu lösen, das durch Anlagepunktwechsel im Betrieb innerhalb von mechanischen Übertragungsgliedern verursacht werden kann, und zwar zwischen einer Antriebsstrangkomponente, welche den Verbrennungsmotor und die erste Elektromaschine umfasst, und einer Antriebskomponente, welche die zweite Elektromaschine umfasst.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Antriebsstranganordnung für einen Hybridantrieb bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
  • Gemäß einem ersten Aspekt weist eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung einen Antriebsstrang auf, der eine Hauptantriebskomponente, insbesondere ein Verbrennungsmotor, eine erste und eine zweite Elektromaschine umfasst, ein zwischen Verbrennungsmotor, erster Elektromaschine und zweiter Elektromaschine wirkendes mechanisches Übertragungsglied, wobei die Komponenten Verbrennungsmotor, erste Elektromaschine und zweite Elektromaschine über das mechanische Übertragungsglied und damit untereinander koppelbar sind und im Fahrbetrieb eine Steuerung so eingerichtet ist, dass die erste und zweite Elektromaschine so angesteuert wird, dass jeweils eine der Elektromaschinen im Generatorbetrieb arbeitet und eine im Motorbetrieb, so dass über die Steuerung am mechanischen Übertragungsglied ein definiertes Stabilisierungsdrehmoment einstellbar ist, welches in einem kritischen Betriebszustand einen Richtungswechsel von mechanischen Anlagepunkten im mechanischen Übertragungsglied verhindert.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Verspannen von Komponenten einer solchen Antriebsstranganordnung.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft einen Hybridantriebsstrang mit einer Antriebsstranganordnung und einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
  • Ein Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
  • Der erfindungsgemäße Antriebsstrang löst das Problem, indem das mechanische Übertragungsglied immer mit einem gewissen Drehmoment beaufschlagt wird, um die akustischen Auffälligkeiten zu vermeiden, die durch einen Wechsel des oder der Anlagepunkte im Betrieb verursacht werden können. Das dazu betragsmäßig minimale erforderliche Drehmoment wird über einen gegenläufigen Betrieb der beiden Elektromaschinen realisiert. D.h., eine der Elektromaschinen wird im Motorbetrieb und eine im Generatorbetrieb betrieben. Die beiden elektrischen Maschinen werden also dynamisch gegeneinander „verspannt“, um eine möglichst geringe Belastung der Batterie bzw. des Versorgungsnetzes zu gewährleisten. Dabei wird die von der motorisch betriebenen Elektromaschine entnommene elektrische Energie (bspw. aus einem Traktionsnetzspeicher) von der entsprechend generatorisch betriebenen zweiten Elektromaschine weitgehend wieder eingespeist, so dass die Energiebilanz nahezu ausgeglichen bzw. der Stromverbrauch und die Entladung des Energiespeichers weitgehend minimiert ist.
  • Die gewählten Drehmomentrichtungen der motorisch bzw. generatorisch betriebenen Elektromaschinen können von unterschiedlichen Faktoren abhängen. Dies können Drehmomentgrenzen der einzelnen Antriebsstrangkomponenten sein, der Ladezustand eines Stromspeichers oder auch ein Fahrerwunsch. Dazu ist die Steuerung im Fahrbetrieb so eingerichtet, dass am mechanischen Übertragungsglied ein definiertes stabilisierendes Drehmoment einstellbar ist, so dass der Richtungswechsel mechanischer Anlagepunkte in einem kritischen Betriebszustand nicht auftritt.
  • Ein typischer kritischer Betriebszustand liegt bspw. dann vor, wenn bei geringer Drehmomentbeanspruchung des Getriebes das Fahrzeug wechselweise zwischen Zug- und Schubbetrieb hin- und herwechselt, der in dem mechanischen Übertragungsglied Richtungswechsel in der Belastung von mechanischen Anlagepunkten verursachen kann. Es handelt sich dabei nicht zwingend um einen bauteilkritischen Zustand, sondern umfasst eine akustische und/oder eine den Fahrkomfort beeinträchtigende Auffälligkeit (Schwingungen, Geräusche), die hier als kritischer Betriebszustand bezeichnet wird. So ein Zustand tritt nicht nur bei dynamischer Fahrt bzw. Zug-/Schubwechseln auf, sondern kann auch bei Konstantfahrt auftreten. In diesem Fall reicht ein relativ geringes zusätzliches Antriebsdrehmoment aus dem zweiten/ersten Elektromotor aus, das weitgehend durch ein entsprechendes Abtriebsmoment des im generatorischen Betrieb befindlichen ersten/zweiten Elektromotors neutralisiert wird. Damit wird die notwendige Drehmomentdifferenz am Übertragungsglied zur Verfügung gestellt, um den ungewünschten Lastanlagewechsel zu unterbinden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Es gibt Ausführungen, bei welchen das mechanische Übertragungsglied wenigstens eine der folgenden Komponenten umfasst: Getriebeanordnung, Kupplung, formschlüssige Schaltkupplung, kraftschlüssige Schaltkupplung. Das oben beschriebene Konzept ist also sehr vielseitig auf unterschiedliche mechanische Übertragungsglieder zu übertragen, und es erlaubt eine anwendungsoptimierte Auswahl solcher Komponenten, die bspw. aus Gewichts-, Bauraum- und Performanceanforderungen heraus zu bevorzugen sind.
  • Eine Getriebeanordnung als Übertragungsglied ermöglicht es bspw. einen bestimmten Elektromotor in seinen optimalen Betriebsbereichen hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment zu betreiben, und diese Größen über ein Zwischengetriebe an die Anforderungen des Fahrzeugs oder des Antriebsstrangs anzupassen.
  • Nicht schaltbare Kupplungen können bspw. aus Montagegründen oder zum Ausgleich von einem Achsversatz oder zum Ausgleich von unterschiedlichen Achswinkeln verwendet werden.
  • Formschlüssige Schaltkupplungen erlauben eine einfache Abkopplung der zweiten Elektromaschine vom Antriebsstrang und kraftschlüssige (reib-)Schaltkupplungen können bei Nutzung des vorgestellten Konzeptes gegebenenfalls ohne zusätzliche Torsionsdämpfung verwendet werden.
  • Bei Ausführungen, bei denen das mechanische Übertragungsglied als Zwischengetriebe und /oder schaltbare Zahnkupplung ausgebildet ist, können die Vorteile eines Zwischengetriebes und einer schaltbaren Zahnkupplung kombiniert werden. Schaltbare Zahnkupplungen sind im Fahrzeugbau besonders bewährte und ausgereifte Komponenten, die in kompakter Bauform und hoher Zuverlässigkeit verfügbar sind.
  • Bei einer Ausführung, bei welcher die erste Elektromaschine und die Verbrennungskraftmaschine über eine erste Antriebswelle, und die zweite Elektromaschine über eine zweite Antriebswelle mit dem mechanischen Übertragungsglied gekoppelt sind, ergibt sich eine klare Komponentengruppierung, die es erlaubt, unterschiedlichste Übertragungsglieder zwischen diesen beiden Antriebsstrangkomponenten anzuordnen bzw. einzukoppeln.
  • Insbesondere lässt sich dadurch die zweite Elektromaschine sehr flexibel hinsichtlich Ort und Ausrichtung anordnen. Die Antriebsachsen brauchen also bspw. nicht parallel, koaxial bzw. gleichgerichtet verlaufen.
  • Eine Ausführung, bei der die erste Elektromaschine für einen überwiegend generatorischen Betrieb und die zweite Elektromaschine für einen überwiegend motorischen Betrieb ausgelegt ist, erlaubt eine anwendungsoptimierte Konzeption der Elektromaschinen mit unterschiedlichen Leistungsstufen. So kann die erste Elektromaschine bspw. als typsicher Startergenerator ausgebildet sind, der zum einen als Generator das Traktionsnetz versorgt bzw. einen Traktionsnetzspeicher im verbrennungsmotorischen Betrieb auflädt bzw. dessen Ladung stabilisiert und zum anderen im Start-Stopp-Betrieb als Starter arbeitet. Dabei kann dann die zweite Elektromaschine, die vorwiegend motorisch betrieben wird, als zusätzliche oder alleinige Antriebskomponente ausgelegt sein.
  • Die erste Elektromaschine liegt je nach Fahrzeugklasse und Elektrifizierungsgrad dabei typischerweise in einem Leistungsbereich von ca. 20–60 kW während ein typsicher Leistungsbereich für eine zweite Elektromaschine im Bereich von ca. 80 bis 150 kW liegt. Andere Leistungsbereiche der Elektromaschinen, die deutlich darunter oder darüber liegen, sind für unterschiedliche Fahrzeugklassen und -typen möglich (z.B. Krafträder, Lastkraftwagen, Nutzfahrzeuge). Darüber hinaus ist es aber auch möglich, für Drehmomentspitzen beide elektrischen Maschinen motorisch zu betreiben.
  • Es gibt Ausführungen, bei denen beide elektrische Maschinen Bestandteil eines gemeinsamen Traktionsnetzes sind, so dass die abgerufenen bzw. die gelieferten Ströme direkt und weitgehend ohne Umsetzungsverluste in einen Traktionsnetzspeicher auf einem Spannungsniveau eingespeist bzw. aus diesem entnommen werden können.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum dynamischen Verspannen von Antriebskomponenten, einer Antriebsstranganordnung, die obenstehend beschrieben wurde, umfasst die Schritte (teilweise optional):
    • 1) Erfassen eines Fahrerwunsches,
    • 2) Betreiben der Hauptantriebskomponenten, insbesondere eines Verbrennungsmotors, gemäß einem Fahrerwunsch,
    • 3) (optional) Erfassen von Merkmalen eines Betriebszustandes, und
    • 4) (optional) bei Erfassen eines ersten kritischen Betriebszustandes das (a) Betreiben der zweiten oder ersten Elektromaschine in einem motorischen Betriebszustand und das Betreiben der ersten oder zweiten Elektromaschine in einem generatorischen Betriebszustand, und (b) das Einstellen eines erforderlichen motorischen Drehmoments, eines generatorischen Drehmoments und/oder des Stabilisierungsdrehmoments,
    • 5) und bei Erfassen eines unkritischen Betriebszustandes, (a) Betreiben der Hauptantriebskomponente (z.B. Verbrennungsmotors) gemäß dem Fahrerwunsch.
  • Eine solche Verfahrensschleife, die innerhalb von gewünschten Intervallen durchlaufen wird, stellt sicher, dass der Antriebsstrang bzw. die Antriebsstrangkomponenten und insbesondere das Übertragungselement immer in einem Zustand gehalten wird, in dem kein kritischer Betriebszustand herrscht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gefahr eines Anlagewechsels in diesen Betriebszustand besteht.
  • Dabei ist das Rücklesen (Erfassen) des Betriebszustands optional. Im einfachsten Fall wird bei verbrennungsmotorischer Fahrt immer ein betragsmäßiges Minimaldrehmoment auf die Elektromaschinen aufgeprägt. So eine Strategie ist hinsichtlich Energieeffizienz nicht immer optimal, erspart aber aufwändige Sensorik. Damit ist auch eine zusätzliche steuerungstechnische Vernetzung (z.B. mit Getriebesensorik) minimierbar.
  • Kritische Betriebszustände können bspw. durch bestimmte Drehmoment/Drehzahl-Kombinationen gekennzeichnet sein, die in einem abrufbaren Kennfeld hinterlegt sind und dann ohne zusätzliche Sensorik die Drehmomentverspannung über die Elektromaschinen auslösen. Ein kritischer Betriebszustand kann auch durch Lastwechsel bei niedrigem Antriebsdrehmoment gekennzeichnet sein und gegebenenfalls auch durch zusätzliche Detektoren (für Schwingungen, Vibrationen) erfasst werden.
  • Es gibt auch Ausführungen, bei denen im Verfahren die Erfassung eines zweiten kritischen Betriebszustandes vorgesehen ist, der den Verfahrensschritt auslöst, dass die zweite Elektromaschine mittels des mechanischen Übertragungsgliedes (bspw. eine schaltbare Kupplung) vom Verbrennungsmotor und/oder der ersten Elektromaschine abgekoppelt wird. So ein zweiter kritischer Betriebszustand kann bspw. dann auftreten, wenn die verbrennungsmotorische Leistung ohne Beeinträchtigung der gegebenenfalls leer mitgeschleppten zweiten Elektromaschine abgerufen werden soll. So ein Betriebszustand tritt bspw. dann auf, wenn ein Fahrzeug in einem verbrauchsoptimalen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors betrieben wird.
  • Ein Hybrid-Antriebsstrang mit einer oben beschriebenen Antriebsstranganordnung und einer oben beschriebenen Steuerung, die dazu eingerichtet ist, das skizzierte Verfahren auszuführen, hat verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Geräuschentwicklung in bestimmten Betriebsbereichen.
  • Das gleiche gilt für ein Fahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
  • 1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung in einem ersten Betriebszustand;
  • 2 den in 1 dargestellten Antriebsstrang in einem zweiten Betriebszustand und
  • 3 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Das in 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Fahrzeug 100 (strichpunktierter Rahmen) mit einer Antriebstopologie, die eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung 1 umfasst, die Bestandteil eines Hybridantriebs 2 ist. Der Antriebsstrang umfasst hier einen als Hauptantriebskomponente ausgebildeten Verbrennungsmotor 3 (oder Verbrennungskraftmaschine: VKM), eine erste elektrische Maschine 5 (nachfolgend auch als EM1 bezeichnet) und eine zweite elektrische Maschine 7 (nachfolgend auch als EM2 bezeichnet).
  • In anderen Ausführungen kann die Hauptantriebskomponente auch eine weitere Elektromaschine oder aber auch die erste oder zweite Elektromaschine sein.
  • Der Verbrennungsmotor 3 ist über eine erste Antriebswelle 9 mit der ersten elektrischen Maschine 5 gekoppelt, die wiederum ein Schaltgetriebe 11 antreibt. Das Schaltgetriebe 11 umfasst mehrere Getriebesätze, die über ein Schaltelement 13 mit der ersten Antriebswelle 9 koppelbar sind. Abtriebsseitig ist das Schaltgetriebe mit einer Antriebsachse 15 verbunden, die zwei Räder 17 antreibt. Das Schaltelement 13 ist über eine Schalteinrichtung 19 verstellbar, die entweder manuell oder auch automatisch betätigbar ist.
  • Zwischen der ersten Antriebswelle 9 und dem Schaltgetriebe 11 ist optional eine Kupplungseinrichtung 21 vorgesehen, die bspw. als reibschlüssige Schaltkupplung ausgebildet ist.
  • Eine weitere optionale Kupplungseinrichtung 23 kann zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und der ersten elektrischen Maschine 5 vorgesehen werden, die dazu dienen kann, gegebenenfalls die Antriebskette zwischen Verbrennungsmotor 3 und erster elektrischer Maschine 5 zu unterbrechen.
  • Am anderen Ende der Getriebewelle 25 ist eine zweite Antriebswelle 27 über eine schaltbare formschlüssige Kupplung 29 mit der Antriebswelle 31 der zweiten elektrischen Maschine 7 gekoppelt. Zwischen der Antriebswelle 31 und der zweiten Antriebswelle 27 ist ein optionales Zwischengetriebe 33 gezeigt, das gegebenenfalls dazu dienen kann, das Leistungsprofil der zweiten elektrischen Maschine 7 an die Erfordernisse der Antriebsstranganordnung 1 anzupassen (und zwar insbesondere hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment).
  • Die zweite elektrische Maschine 7 kann also ebenfalls über die Antriebswelle 31, das optionale Zwischengetriebe 33, die zweite Antriebswelle 27 und die schaltbare formschlüssige Kupplung 29 ein Drehmoment auf das Schaltgetriebe 11 und damit auf die Antriebsachse 15 bzw. die Räder 17 ausüben.
  • Eine Steuerung 35 dient dazu, die Antriebskomponenten entsprechend einem Fahrerwunsch anzusteuern. Dazu ist sie über geeignete Signalleitungen 37 mit dem Verbrennungsmotor 3, der ersten elektrischen Maschine 5, der zweiten elektrischen Maschine 7, der Schalteinrichtung 19, der Kupplungseinrichtung 21, der Kupplungseinrichtung 23, der schaltbaren, formschlüssigen Kupplung 29 und gegebenenfalls auch mit optionalen Brems- und Kupplungseinrichtungen des Zwischengetriebes 33 verbunden, das bspw. auch als schaltbares Planetengetriebe ausgebildet sein kann.
  • Die Steuerung 35 ist insbesondere dazu eingerichtet, die wirksamen Drehmomente aus dem Verbrennungsmotor 3 und den beiden elektrischen Maschinen 5 und 7 einzustellen und deren motorischen und/oder generatorischen Betrieb zu steuern.
  • In 1 zeigt ein Drehmomentverlauf 50 einen Betriebszustand, in dem die Antriebsstranganordnung 1 bzw. das Fahrzeug 100 über die Verbrennungskraftmaschine 3 angetrieben wird. In diesem Betriebszustand läuft die fest gekoppelte erste Elektromaschine 5 und die über die schaltbare formschlüssige Kupplung 29 und das Zwischengetriebe 33 gekoppelte zweite Elektromaschine 7 ohne maßgebliche Drehmomentwirkung mit.
  • In so einem Betriebszustand kann ein erster kritischer Betriebszustand dann auftreten, wenn bei einem betragsmäßig geringen Drehmoment Lastwechsel im Antriebsstrang auftreten, die dazu führen können, dass insbesondere in der schaltbaren formschlüssigen Kupplung 29 oder aber auch gegebenenfalls im Zwischengetriebe 33 Anlagewechsel der mechanisch miteinander im Eingriff befindlichen Übertragungselemente stattfinden. Dies kann bspw. dann auftreten, wenn das Fahrzeug leicht wechselnd zwischen Zug- und Schubbetrieb hin- und herwechselt, aber auch bei Konstantfahrt.
  • Dabei bilden die schaltbare formschlüssig Kupplung 29 und das Zwischengetriebe 33 mechanische Übertragungsglieder, deren formschlüssige gekoppelte Elemente (z.B. Zahnradpaarungen im Zwischengetriebe 33, die Taschen und Klauen einer als Klauenkupplung oder die Elemente einer als schaltbare Zahnkupplung ausgebildeten Kupplung 29) spielbedingt in wechselnder Belastungsrichtung aneinander schlagen. Dabei kann es zu unerwünschter Geräuschentwicklung (Rasseln) oder auch schlimmstenfalls zu sich aufschaukelnden Schwingungen kommen.
  • So ein kritischer Betriebszustand kann mithilfe der Steuerung 35 vorweggenommen, detektiert und verhindert werden. Dazu können bspw. bestimmte Betriebspunkte als kritisch gekennzeichnet werden (bspw. in einem Drehmoment-/Drehzahl-Kennfeld). Es ist auch möglich, über zusätzliche Detektoren (Schwingungs-, Geräuschsensoren) einen solchen kritischen Betriebszustand zu identifizieren.
  • 2 zeigt einen Betriebszustand, insbesondere der beiden elektrischen Maschinen 5 und 7, die einen solchen kritischen Betriebszustand verhindern oder unterbinden. Dazu wird ein zusätzliches Antriebsmoment 51 über die zweite elektrische Maschine 7 aufgebracht (Pfeil 51), dem ein entsprechendes, (etwas niedrigeres) generatorisches Moment 53 in der ersten elektrischen Maschine 5 (Pfeil 53) entgegenwirkt. Durch die Differenz entsteht an den Übertragungsgliedern (hier im Zwischengetriebe 33 bzw. in der schaltbaren formschlüssigen Kupplung 29) ein definiertes Stabilisierungsdrehmoment, welches in etwa der Drehmomentdifferenz zwischen dem motorisch aufgebrachten Moment 51 und dem generatorischen Gegenmoment 53 entspricht. Dieses Stabilisierungsdrehmoment verspannt die lastübertragenden Elemente der schaltbaren formschlüssigen Kupplung 29 (Klauen und Taschen) und des Zwischengetriebes 33 (Zahnradpaarungen) gegeneinander und verhindert unabhängig vom aufgebrachten Antriebsmoment 50 den oben beschriebenen kritischen Betriebszustand.
  • Der gleiche Effekt ist erzielbar, wenn das (zusätzliche) motorische Moment über die erste elektrische Maschine 5 und das generatorische Moment über die zweite elektrische Maschine 7 aufgebracht wird. Das Differenzdrehmoment bzw. das stabilisierende Drehmoment wirkt dann in entgegengesetzter Richtung, verhindert aber ebenfalls den oben beschriebenen Anlagewechsel.
  • Die erste elektrische Maschine 5 und die zweite elektrische Maschine 7 sind dabei Bestandteil eines elektrischen Traktionsnetzes und werden aus einem gemeinsamen Traktionsnetzspeicher (z.B. eine Batterie) gespeist (im motorischen Betrieb) bzw. liefern an den Traktionsnetzspeicher (im generatorischen Betrieb) Strom. Dadurch dass der motorische Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 7 einen entsprechenden generatorischen Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 5 bewirkt, wird der Traktionsnetzspeicher minimal belastet, so dass ein für Hybridfahrzeuge erforderliches Ladungssteuerungsregime (SOC-State of Charge) nur minimal beeinträchtigt wird.
  • Das in der Steuerung 35 ausgeführte Verfahren ist in 3 dargestellt. Es umfasst die Schritte:
    • (1) Zunächst erfasst die Steuerung 35 einen Fahrerwunsch und
    • (2) betreibt die Hauptantriebskomponente, insbesondere den Verbrennungsmotor 3, entsprechend diesem Fahrerwunsch.
    • (3) Während des Betriebes werden ständig Merkmale eines Betriebszustandes erfasst und die Steuerung greift
    • (4) beim Erfassen eines ersten kritischen Betriebszustandes (z.B. bei detektierten Anlagewechseln in der schaltbaren formschlüssigen Kupplung 29 bzw. der Zwischengetriebe 33 oder beim Einnehmen eines bestimmten Betriebszustandes) folgendes aus: a) Die zweite Elektromaschine 7 (oder aber die erste Elektromaschine 5) wird in einen motorischen Betriebszustand versetzt, der einen Drehmomentverlauf 51 hervorruft, und b) die erste Elektromaschine 5 (bzw. die zweite Elektromaschine 7, wenn die erste motorisch betrieben wird) wird in einen generatorischen Betriebszustand versetzt, bei dem das oben beschriebene Gegendrehmoment 53 auftritt. c) Durch die gegenseitige Verspannung der relevanten Elemente im Antriebsstrang wird so der kritische Betriebszustand in
    • (5) einen unkritischen Betriebszustand überführt der (optional) erfasst wird
    • (6) und die Hauptantriebskomponente, insbesondere der Verbrennungsmotor 3, wird weiter gemäß dem Fahrerwunsch betrieben.
  • Optional kann das Verfahren auch einen zweiten kritischen Betriebszustand erfassen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Antriebswelle 27 vollständig vom Schaltgetriebe 11 abgekoppelt werden soll. Dies kann dann wünschenswert sein, wenn die Leistung des Verbrennungsmotors 3 (oder einer anderen Hauptantriebskomponente) nicht durch das Mitschleppen der zweiten elektrischen Maschine 7 bzw. Mitbetreiben des Zwischengetriebes 33 vermindert werden soll. In so einem Fall wird über die Betätigung der schaltbaren formschlüssigen Kupplung 29 oder einem anderen geeigneten Übertragungselement die zweite Antriebswelle 27 von der Getriebewelle 25 abgekoppelt.
  • Das oben gesagte gilt auch für Antriebe ohne Verbrennungsmotor, die einen anderen Hauptantrieb (z.B. eine weitere Elektromaschine) haben und kann daher auch ohne weiteres auch auf rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit mehreren Elektromotoren übertragen werden. Es ist auch möglich, dass eine der beiden Elektromaschinen 5, 7 den Hauptantrieb bilden. In jedem Fall müssen zwei elektromotorisch-generatorisch „verspannbare“ Antriebe vorhanden sein, die auf einen gemeinsamen Antriebsstrang wirken.
  • Weitere Ausführungen und Variationen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Fahrzeug
    1
    Antriebsanordnung
    2
    Hybridantrieb
    3
    Verbrennungsmotor (Hauptantriebskomponente)
    5
    erste elektrische Maschine EM1
    7
    zweite elektrische Maschine EM2
    9
    erste Antriebswelle
    11
    Schaltgetriebe
    13
    Schaltelement
    15
    Antriebsachse
    17
    Räder
    19
    Schalteinrichtung
    21
    optionale Kupplungseinrichtung
    23
    optionale Kupplungseinrichtung
    25
    Getriebewelle
    27
    zweite Antriebswelle
    29
    schaltbare formschlüssige Kupplung
    31
    Antriebswelle
    33
    Zwischengetriebe
    35
    Steuerung
    37
    Signalleitung
    50
    Antriebsmoment Verbrennungskraftmaschine
    51
    Antriebsmoment zweite elektrische Maschine
    53
    generatorisches Moment erste elektrische Maschine
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008002381 A1 [0004]
    • DE 102010011163 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Antriebsstranganordnung (1) zum Stabilisieren einer Antriebsstrangkomponente mit: einem Antriebstrang, der eine Hauptantriebskomponente (3), eine erste und eine zweite Elektromaschine (5, 7) umfasst, einem zwischen Hauptantriebskomponente (3), erster Elektromaschine (5) und zweiter Elektromaschine (7) wirkenden mechanischen Übertragungsglied (29; 33), wobei die Hauptantriebsomponente (3), erste Elektromaschine (5) und zweite Elektromaschine (7) über das mechanische Übertragungsglied (29; 33) und damit untereinander koppelbar sind und im Fahrbetrieb eine Steuerung (35) eingerichtet ist, die erste und zweite Elektromaschine (5, 7) so anzusteuern, dass jeweils eine der Elektromaschinen (5, 7) im Generatorbetrieb arbeitet und eine im Motorbetrieb, so dass über die Steuerung (35) am mechanischen Übertragungsglied (29, 33) ein definiertes Stabilisierungsdrehmoment einstellbar ist, welches in einem kritischen Betriebszustand einen Richtungswechsel von mechanischen Anlagepunkten im mechanischen Übertragungsglied (29; 33) verhindert.
  2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das mechanische Übertragungsglied wenigstens eine der folgenden Komponenten umfasst: Getriebeanordnung (33), Kupplung, formschlüssige Schaltkupplung (29), kraftschlüssige Schaltkupplung.
  3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das mechanische Übertragungsglied als Zwischengetriebe (33) und/oder schaltbare Zahnkupplung (29) ausgebildet ist.
  4. Anordnung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die erste Elektromaschine (5) und die Verbrennungskraftmaschine (3) über eine erste Antriebswelle (9) und die zweite Elektromaschine (7) über eine zweite Antriebswelle (27) mit dem mechanischen Übertragungsglied (33; 27) gekoppelt sind.
  5. Anordnung (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei welchem die erste Elektromaschine (5) für einen überwiegend generatorischen Betrieb und die zweite Elektromaschine (7) für einen überwiegend motorischen Betrieb ausgelegt ist.
  6. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die erste und zweite Elektromaschine (5; 7) Bestandteil eines gemeinsamen Traktionsnetzes sind.
  7. Verfahren zum dynamischen Verspannen von Antriebskomponenten einer Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit: – Erfassen eines Fahrerwunsches – Betreiben der Hauptantriebskomponente (3) gemäß einem Fahrerwunsch – Erfassen von Merkmalen eines Betriebszustandes – bei Erfassung eines ersten kritischen Betriebszustands Betreiben der zweiten oder ersten Elektromaschine (7, 5) in einem motorischen Betriebszustand Betreiben der ersten oder zweiten Elektromaschine (5; 7) in einem generatorischen Betriebszustand Einstellen eines erforderlichen motorischen Drehmoments, eines generatorischen Drehmoments und/oder des Stabilisierungsdrehmoments – bei Erfassung eines unkritischen Betriebszustandes – Betreiben der Hauptantriebskomponente (3) gemäß einem Fahrerwunsch
  8. Verfahren nach Anspruch 6 zusätzlich umfassend: – bei Erfassung eines zweiten kritischen Betriebszustandes Abkoppeln der zweiten Elektromaschine (7) mittels des mechanischen Übertragungsgliedes (27; 33) von der Hauptantriebskomponente (3) und/oder von der ersten Elektromaschine (5).
  9. Hybridantrieb (2) mit einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einer Steuerung (35), die dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8 auszuführen.
  10. Fahrzeug (100) mit einem Hybridantriebsstrang gemäß Anspruch 9.
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