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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betriff die Erfindung einen Antriebsstrang gemäß dem Anspruch 9 sowie ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 10.
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Antriebsstränge weisen meist ein Getriebe mit veränderbarer Getriebeübersetzung auf. Die Getriebeübersetzung wird dabei abhängig von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise der aktuellen Drehzahl oder Leistungsanforderung, eingestellt. Abhängig vom Typ des Antriebsstrangs und des Getriebes finden Änderungen in der Getriebeübersetzung entweder sprunghaft, also gestuft, oder kontinuierlich, also stufenlos, statt. Einige Antriebsstrang-Getriebe-Kombinationen ermöglichen es darüber hinaus, Änderungen in der Getriebeübersetzung sowohl gestuft, als auch stufenlos umzusetzen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2015 206 061 A1 ist beispielsweise eine Schaltroutine für ein Stufenautomatikgetriebe in einem leistungsverzweigten Antriebsstrang bekannt, welche die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine zur Erhöhung der Energieeffizienz auf eine Solldrehzahl regelt.
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Aus dem Dokument
DE 10 2014 016 188 A1 geht weiterhin ein Antriebsstrang mit einem Getriebe und einem Steuerungsverfahren hervor, welcher sowohl einen stufenlosen als auch einen gestuften Betrieb ermöglicht und beispielsweise abhängig von der Antriebsleistung zwischen dem gestuften und dem stufenlosen Betrieb wechselt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Fahrkomfort während des Umschaltvorgangs zwischen einem gestuften und einem stufenlosen Betrieb eines Antriebsstrangs zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, sowie mit einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 9 und einem Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines Antriebsstrangs mit mindestens einer Antriebsmaschine, mit einer Getriebeanordnung und einem Antriebssteuergerät. Das Antriebssteuergerät kann in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise dazu ausgestaltet sein, neben der Steuerung des Antriebsstrangs auch außerhalb des Antriebsstrangs liegende Komponenten zu steuern. Weiterhin können die im Rahmen dieser Beschreibung dem Antriebsstrangsteuergerät attribuierten Eigenschaften und Funktionen auch auf mehrere hardwaretechnisch verteilte Steuergeräte aufgeteilt werden, welche in ihrer Gesamtheit das Antriebssteuergerät bilden. Die Getriebeanordnung kann dabei wahlweise wenigstens in einer rein gestuften Betriebsart oder einer stufenlosen Betriebsart betrieben werden. Im Antriebssteuergerät wird dabei eine erste Zieldrehzahl der mindestens einen Antriebsmaschine für eine rein gestufte Betriebsart der Getriebeanordnung im Antriebssteuergerät sowie eine zweite Zieldrehzahl der mindestens einen Antriebsmaschine für eine stufenlose Betriebsart der Getriebeanordnung im Antriebssteuergerät bereitgestellt. Weiterhin wird eine dritte Zieldrehzahl der mindestens einen Antriebsmaschine in einer dritten Betriebsart der Getriebeanordnung in Abhängigkeit der ersten Zieldrehzahl und der zweiten Zieldrehzahl im Antriebssteuergerät gebildet und sodann die mindestens eine Antriebsmaschine mit der dritten Zieldrehzahl betrieben. Durch den entstehenden kontinuierlichen Umschaltvorgang kann bei einer Getriebeanordnung, welche sowohl gestuft als auch stufenlos schaltbar ist, ein besonders komfortables Fahrverhalten erzeugt werden.
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Unter Antriebsstrang kann vorteilhaft eine Baugruppe verstanden werden, welche dazu geeignet ist, beispielsweise durch Bereitstellen einer rotatorischen oder translatorischen Bewegung, eine Maschine oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Landfahrzeug, bevorzugt ein nicht schienengebundenes Landfahrzeug anzutreiben. Eine rotatorische von dem Antriebsstrang bereitgestellte Bewegung kann dabei auch als Abtriebsdrehzahl bezeichnet werden. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Antriebsstrang zum Antrieben eines elektrifizierten Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid oder Elektrofahrzeugs dienen. Dabei kann ein Hybridfahrzeug als Plug-In-Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Plug-In-Hybridfahrzeuge ermöglichen es vorteilhaft, über längere Strecken rein elektrisch betrieben zu werden und bieten große Freiheitsgrade bei der Antriebsstrangsteuerung.
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Der Antriebsstrang kann dabei eine oder mehrere Antriebsmaschinen, beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmaschinen, und/oder eine oder mehrere Elektromaschinen, beispielsweise Asynchronmaschinen und/oder Synchronmaschinen umfassen. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine sowie mindestens eine, bevorzugt zwei Elektromaschinen. Ein Antriebsstrang umfasst weiterhin bevorzugt auch eine Getriebeanordnung. Die Antriebsmaschinen können dabei einzeln oder in Kombination mit der Getriebeanordnung wirken. Dabei ist es möglich, dass einzelne Antriebsmaschinen direkt auf einen Abtrieb des Antriebsstrangs wirken, oder aber, dass sie beispielsweise zum Abbremsen des Antriebsstrangs und/oder anderen Antriebsmaschinen sowie zum Laden oder Entladen einer möglicherweise von dem Antriebsstrang umfassten Traktionsbatterie wirken. Wirken Antriebsmaschinen direkt auf den Abtrieb eines Antriebsstrangs, so führt dies zu einer verbesserten Effizienz des Gesamtsystems, da ineffiziente Energiewandlungsvorgänge vermieden werden können.
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Unter dem Begriff Getriebeanordnung kann vorliegend eine Baugruppe aus mehreren, insbesondere verschiedenen Untergetrieben verstanden werden. Die Getriebeanordnung ermöglicht es mitunter, die Drehzahlen verschiedener Antriebsmaschinen zueinander und/oder deren Drehzahlen im Verhältnis zu einem oder mehreren Abtrieben der Getriebeanordnung fest und/oder veränderbar einzustellen.
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Dies gilt auch für die einzelnen Untergetriebe selbst. Drehzahlverhältnisse, sofern sie veränderbar sind, können, abhängig von der Art und Steuerung der Getriebeanordnung gestuft und/oder stufenlos geändert werden. Eine gestufte Schaltung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass nur definierte Getriebeübersetzungen dauerhaft realisierbar sind, wobei typischerweise Änderungen in der Getriebeübersetzung relativ schnell durchgeführt werden können. Dagegen ist eine stufenlose Schaltung dadurch ausgezeichnet, dass innerhalb des maximalen Verstellbereichs eines Getriebes theoretisch alle Übersetzungen dauerhaft anliegen können.
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Ein Beispiel für ein gestuft schaltbares Getriebe ist ein herkömmliches als schaltbares Stirnradgetriebe ausgeführtes Schaltgetriebe, welches beispielsweise automatisch mittels eines hydraulischen Aktuators und/oder von einem Bediener mittels eines Schalthebels geschaltet werden kann. Ein gestuftes Schaltverhalten kann auch mittels einer häufig in konventionellen Automatikgetrieben zum Einsatz kommenden Kombination verschiedener Planetenradsätze, welche bei Blockierung unterschiedlicher Getriebe-Freiheitsgrade, beispielsweise mittels Kupplungen, unterschiedliche Getriebeübersetzungen ermöglichen, erzeugt werden.
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Ein stufenloses Getriebe kann beispielsweise als mechanisch stufenlos schaltbares Getriebe, wie ein Schubgliederband oder ein Riemengetriebe, mit veränderlichen Reibradien realisiert werden. Bevorzugt kann ein stufenloses Getriebe auch als sogenanntes elektrisches stufenloses Getriebe, auch eCVT genannt, umgesetzt werden. Ein elektrisches stufenloses Getriebe im Sinne der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine Elektromaschine, welche mit mindestens einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines leistungsverzweigten Getriebes und/oder eines Überlagerungsgetriebes wechselwirkt, umfassen. Diese Anordnung ermöglicht es vorteilhafterweise, die Eigenschaften von Elektromaschinen, wie Vier-Quadranten-Betrieb, mit der aus einer Übersetzungsoptimierung resultierenden Effizienzerhöhung eines Verbrennungsmotors zu kombinieren.
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Ein konventioneller Drehmomentwandler, wie er vielfach in Automatikgetrieben, insbesondere im Fahrzeugsegment zum Einsatz kommt, stellt zwar in der Theorie auch eine Art stufenloses Getriebe dar, er wird jedoch im Sinne der Erfindung nicht als solches betrachtet, da die oben genannte Eigenschaft, dauerhaft mit einer beliebigen Getriebeübersetzung betrieben werden zu können, nicht oder nur mit sehr hohem technischen Aufwand erreicht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gestuft mit einem stufenlos schaltbaren, insbesondere beispielsweise ein mindestens einen Planetenradsatz umfassendes Schaltgetriebe mit einem elektrisch stufenlos schaltbaren, Getriebe zu einer Getriebeanordnung kombiniert. Dadurch können die Vorteile von Schaltgetrieben, wie beispielsweise eine weite Drehzahlspreizung, mit den Vorteilen von stufenlosen Getrieben, wie beispielsweise einer sehr freien und komfortablen Drehzahlführung, verbunden werden.
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Die Drehzahlen der Antriebsmaschinen, sofern mehr als eine vorgesehen ist, sowie die Getriebeübersetzungen der verschiedenen Untergetriebe und die Abtriebsdrehzahl des Antriebsstrangs sind über mathematische Beziehungen miteinander gekoppelt. Aus diesem Grund kann sich die erfindungsgemäße Zieldrehzahl vorteilhafterweise auf die Zieldrehzahl, mit anderen Worten die Solldrehzahl, eines Verbrennungsmotors des Antriebsstrangs beziehen. Dies ist deswegen von Vorteil, da die Drehzahl des Verbrennungsmotors einen besonders hohen Einfluss auf die Effizienz des Antriebsstrangs und dessen Wirkung auf die Fahrzeuginsassen hat und weiterhin bei einer als gegeben angenommen Abtriebsdrehzahl des Antriebsstrangs, die Übersetzungen der schaltbaren Untergetriebe aus ihr bestimmt werden können. Die Drehzahl kann beispielsweise als Umdrehungen pro Zeit oder auch als qualitative Größe („hoch“, „mittel“, „niedrig“ oder Ähnliches) angegeben werden.
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Die erste Zieldrehzahl für einen gestuften Betrieb der Getriebeanordnung kann vorliegend frei innerhalb eines Verstellbereichs bestimmt werden. Bei einem Antriebsstrang mit einer teilweise oder vollständig stufenlos betreibbaren Getriebeanordnung, kann eine Zieldrehzahl eines gestuften Betriebs mit einem stufenlosen Getriebe emuliert werden. Es ergeben sich dadurch mit anderen Worten virtuelle Gänge. Dies hat den Vorteil, dass die Zieldrehzahl einer Antriebsmaschine vollkommen frei eingestellt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Zieldrehzahl anhand von physikalischen Übersetzungsstufen eines Schaltgetriebes bestimmt. Dies hat in einer Getriebeanordnung, welche sowohl gestuft, als auch stufenlos betrieben werden kann den Vorteil, dass bei einer gestuften Änderung lediglich der gestuft schaltende Anteil angepasst werden muss, wodurch die Schaltung besonders effizient und schnell durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es außerdem vorgesehen, dass die zweite Zieldrehzahl für einen stufenlosen Betrieb der Getriebeanordnung anhand der Übersetzung eines elektrischen stufenlosen Getriebes bestimmt oder festgelegt wird. Analog zur Bestimmung der ersten Drehzahl hat dies in einer Getriebeanordnung, welche sowohl gestuft, als auch stufenlos betrieben werden kann den Vorteil, dass bei einer Übersetzungsänderung lediglich der stufenlos schaltende Anteil angepasst werden muss, wodurch eine Übersetzungsänderung besonders effizient und komfortabel durchgeführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die dritte Zieldrehzahl neben der ersten und zweiten Zieldrehzahl auch abhängig von einer Fahrpedalstellung und/oder einer Drehzahl der mindestens einen Antriebsmaschine und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einer Wählhebelstellung und/oder einem Zustand der Klimaanlage und/oder einer Betriebsmodusauswahl gebildet. Unter Zustand der Komaanlage kann vorliegend beispielsweise ein Heiz- und/oder Kühlbetrieb verstanden werden. Weiterhin kann darunter eine von dem Fahrzeugführer gewünschte Zieltemperatur für den Fahrzeuginnenraum verstanden werden. Die Anwendung der Klimaanlage muss weiterhin nicht auf den Fahrgastinnenraum beschränkt sein, sondern kann in einigen Ausführungsformen auch zur Kühlung von Antriebskomponenten, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie, zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen Antriebsmaschine um eine Verbrennungskraftmaschine. Die Bestimmung der Zieldrehzahl anhand der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine hat den Vorteil, dass diese Drehzahl besonderen Einfluss auf die Effizienz und die akustische Wirkung des Antriebsstrangs hat. Die Einstellung der Zieldrehzahl anhand einer Fahrzeuggeschwindigkeit vereinfach in vorteilhafter Weise die Berücksichtigung von Fahrwiderständen und Fahrgeräuschen bei einer hinsichtlich Effizienz und Komfort optimierten Antriebsstrangsteuerung. In einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebsstranges, insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug, kann weiterhin eine hohe Leistungsabgabe der Antriebsmaschinen vorteilhaft in einem gestuft schaltenden Betrieb und hoher Komfort bei geringer Leistungsabgabe vorteilhaft in einem stufenlos schaltenden Betrieb der Getriebeanordnung realisiert werden. Da die Fahrpedalstellung ein guter Indikator für die Leistungsanforderung an einen Antriebsstrang, insbesondere in der Anwendung als Fahrzeugantrieb, ist, bietet sie sich besonders vorteilhaft zur Bildung einer dritten Zieldrehzahl aus der ersten und zweiten Zieldrehzahl an. Unter dem Begriff Fahrpedal kann im Sinne der Erfindung auch eine analog verwendbare Stell-Bedieneinrichtung, wie ein Hebel oder Schieberegler, aber auch ein virtuelles Fahrpedal, beispielsweise bei der Anwendung einer automatischen Steuerung eines erfindungsgemäßen Verfahrens durch beispielsweise einen Roboter oder eine Software, verstanden werden. Dies ist abhängig davon, wo genau das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird.
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In einer Gruppe von bevorzugten Ausführungsformen, wird die dritte Zieldrehzahl durch eine Interpolation zwischen der ersten und der zweiten Drehzahl mittels eines Kennfeldes bestimmt. Durch die Nutzung eines Kennfeldes kann für eine bestimmte Kombination aus Eingangsparametern, wie beispielsweise den oben genannten, besonders ressourcensparend und/oder reproduzierbar eine dritte Zieldrehzahl und damit ein Antriebsstrangverhalten erzeugt werden. In besonders einfachen Ausführungsformen kann es sich um ein Kennfeld mit nur einem Eingangsparameter, mit anderen Worten also um eine Kennlinie, handeln.
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Besonders vorteilhaft kommt das Verfahren bei der Umschaltung zwischen einem stufenlosen und einem gestuften Betrieb einer Getriebeanordnung, beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang, zum Einsatz. In diesem Fall kann das Verfahren die folgenden Schritte in der folgenden Reihenfolge aufweisen:
- a. Betreiben der Antriebsmaschine in einer stufenlosen Betriebsart,
- b. Ermitteln, dass mindestens ein Eingangsparameter des Antriebssteuergeräts einen vorgegebenen ersten Wert überschreitet,
- c. Betreiben der Antriebsmaschine mit der dritten Zieldrehzahl als Interpolation zwischen der ersten und zweiten Zieldrehzahl anhand eines Kennfeldes, solange bis der mindestens eine Eingangsparameter des Antriebssteuergeräts den ersten Wert unterschreitet oder einen vorgegebenen zweiten Wert überschreitet,
- d. Sofern der erste Wert unterschritten wurde, Betreiben der Antriebsmaschine in einer stufenlosen Betriebsart, ansonsten Betreiben der Antriebsmaschine in einer gestuften Betriebsart.
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Bei dem mindestens einen Eingangsparameter in der vorgenannten Ausführungsform kann es sich beispielsweise um eine Fahrpedalstellung oder einen Beschleunigungswunsch, bei der Antriebsmaschine beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug handeln.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, umfassend ein Antriebssteuergerät, zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
- 1 die Verläufe der ersten, zweiten und dritten Zieldrehzahl als Drehzahlverlauf einer Verbrennungskraftmaschine über der Geschwindigkeit bei der Anwendung des Verfahrens in einem Kraftfahrzeug,
- 2 einen Drehzahlverlauf bei einem Übergang von einem stufenlosen zu einem gestuften Betrieb in Abhängigkeit von einer Fahrpedalstellung,
- 3 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens beim Übergang von einem stufenlosen zu einem gestuften Betrieb in Abhängigkeit von der Fahrpedalstellung,
- 4 ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang umfassend eine schaltbare und eine stufenlose Getriebestufe.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dessen beispielhafte Anwendung in einem Fahrzeug dargestellt.
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1 zeigt für ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft die Verläufe von einer ersten gestuften 10, einer zweiten stufenlosen 12 und einer dritten Zieldrehzahl 14 über einer Fahrzeuggeschwindigkeit. Es handelt sich um ein Fahrzeug 20 mit einer Antriebsstrangkonfiguration 22, wie sie in 2 dargestellt ist. Dabei ist in einer Getriebeanordnung ein Schaltgetriebe 24 mit einem elektrischen stufenlosen Getriebe 26 kombiniert. Der Antriebsstrang umfasst dabei außerdem eine Verbrennungskraftmaschine und eine Elektromaschine.
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Der Verlauf einer Zieldrehzahl für das gestufte Getriebe 10 wird dabei derart gebildet, dass die Übersetzungssprünge in dem Drehzahlverlauf des Verbrennungsmotors den Übersetzungssprüngen des gestuften Getriebes entsprechen. Die Zieldrehzahl des stufenlosen Getriebes 12 wird dagegen unter der Annahme einer hohen Übersetzung des gestuften Getriebes mit kontinuierlicher Übersetzungsänderung mittels des elektrischen stufenlosen Getriebes gebildet. Es liegt also in diesem Ausführungsbeispiel für jede Geschwindigkeit eine erste und eine zweite Zieldrehzahl vor.
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Vorzugsweise abhängig von einem weiteren Parameter, wie beispielsweise der Fahrpedalstellung, kann aus diesen Zieldrehzahlen dann anhand einer Rechenvorschrift und/oder eines Kennfeldes die dritte zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine vorgesehene Zieldrehzahl 14 gebildet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für den Übergang von einem stufenlosen in einen gestuften Betrieb der Getriebeanordnung zeigen 3 und 4. 3 zeigt den Drehzahlverlauf einer Verbrennungskraftmaschine nVM abhängig von einer Fahrpedalstellung bei einer festen Geschwindigkeit. Unterhalb des ersten Schwellwertes 16 befindet sich der Antriebsstrang in einem Zustand niedriger Lastanforderung wobei die Getriebeanordnung stufenlos betrieben wird. Diese Ausgangssituation, also der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit der dritten Drehzahl, wobei diese Drehzahl der zweiten Drehzahl entspricht, entspricht dem in 4 gezeigten ersten Verfahrensschritt S1. Im nächsten Verfahrensschritt S2 wird festgestellt, dass die Fahrpedalstellung den ersten Schwellwert 16 übersteigt. Daraufhin wird bei steigender Fahrpedalstellung die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine im nächsten Verfahrensschritt S3 durch Regeln der Drehzahl auf die dritte Zieldrehzahl 14 langsam in den für höhere Leistungsanforderungen geeigneten rein gestuften Betrieb 10 überführt. Im letzten Verfahrensschritt S4 entspricht bei Überschreiten der zweiten Fahrpedalschwelle 18 die dritte Zieldrehzahl vollständig der für den gestuften Betrieb 10 bestimmten. Die dritte Zieldrehzahl 14 wird nicht linear zur Fahrpedalstellung geformt. Dies kann beispielsweise zur Verbesserung der Fahrbarkeit vorgesehen werden, indem in Drehzahlbereichen, in welchen dies für Fahrzeuginsassen weniger spürbar ist, die Drehzahlformung, und damit der Übergang des stufenlosen in den gestuften Betrieb, schneller und dennoch komfortabel durchgeführt werden kann. Die entsprechende Interpolationsvorschrift zur Bildung der dritten Zieldrehzahl ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Fahrpedalstellung hinterlegt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Erste Zieldrehzahl
- 12
- Zweite Zieldrehzahl
- 14
- Dritte Zieldrehzahl
- 16
- Erster Schwellwert
- 18
- Zweiter Schwellwert
- 20
- Fahrzeug
- 22
- Antriebsstrang
- 24
- Schaltgetriebe
- 26
- Stufenloses Getriebe
- S1
- Erster Verfahrensschritt
- S2
- Zweiter Verfahrensschritt
- S3
- Dritter Verfahrensschritt
- S4
- Vierter Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206061 A1 [0003]
- DE 102014016188 A1 [0004]
