DE102018113271A1 - Verfahren zum Betreiben eines, eine Fliehkraftkupplung aufweisenden, hybriden Antriebsstranges eines Fahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebsstranges (1) eines Fahrzeuges, wobei der Antriebsstrang (1) eine elektrische Maschine (2), eine Verbrennungskraftmaschine (3), eine Fliehkraftkupplung (4), eine Getriebeeinrichtung (10) sowie einen Abtrieb (5) aufweist, wobei die Fliehkraftkupplung (4) mit ihrem Eingang (6) mit der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist und mit ihrem Ausgang (7) mit dem Abtrieb (5) gekoppelt ist, und wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) wiederum an den Ausgang (7) der Fliehkraftkupplung (4) angekoppelt oder ankoppelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder sonstigen Nutzfahrzeuges, wobei der Antriebsstrang auf typische Weise eine elektrische Maschine, eine Verbrennungskraftmaschine, eine Fliehkraftkupplung sowie einen Abtrieb aufweist.
  • Gattungsgemäße Antriebsstränge mit Fliehkraftkupplungen sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielhaft ist mit der DE 10 2015 223 559 B3 eine Kupplungsanordnung für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit dieser Kupplungsanordnung offenbart. Auch mit der DE 10 2013 204 446 B4 ist eine Kupplungsanordnung für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb des Fahrzeuges offenbart.
  • Der Anmelderin ist weiterhin interner, noch nicht veröffentlichter Stand der Technik bekannt, der beim Deutschen Patent- und Markenamt unter dem Aktenzeichen 10 2017 128 882.1 am 5. Dezember 2017 als Patentanmeldung eingereicht worden ist. Hierin ist eine weitere Kupplungsanordnung für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug mit dieser Kupplungsanordnung offenbart.
  • Folglich sind aus dem Stand der Technik bereits prinzipiell Ausführungen bekannt, bei denen die elektrische Maschine eingängig ohne Abkopplung, eingängig oder zweigängig abkoppelbar betrieben wird. Auch sind so genannte P3- und P4-Anordnungen der Antriebsstränge bekannt. Eine Abkopplung der elektrischen Maschine wird gemäß dem Stand der Technik meist mit einem „aktiven“ Schaltaktor realisiert. Die hierbei umgesetzten Schaltpunkte sind variabel. Mit Verwendung der Fliehkraftkupplung wird die elektrische Maschine bei einer systemtypischen Fahrzeuggeschwindigkeit (Abkoppelgeschwindigkeit) abgekoppelt. Aus Komfortgründen ist ab dieser Abkoppelgeschwindigkeit, in einem definierten und festen Geschwindigkeitsabstand, ein Synchronlauf der elektrischen Maschine zur Raddrehzahl / zur Drehzahl des Abtriebes notwendig, um sicher zu stellen, dass ein ungewolltes Beschleunigen der elektrischen Maschine / eines Rotors der elektrischen Maschine im Bereich der Kupplungshysterese vermieden wird. Die Kupplungshysterese ist hierbei eine Funktion der „inneren“ Reibung und ist bauformabhängig. Als nachteilig hat es sich diesbezüglich jedoch herausgestellt, dass es aufgrund abrupter negativer Fahrzeugbeschleunigungen (z.B. Bremsbeschleunigung) um den Abkoppelschaltpunkt und einem nicht ausreichenden Synchronlauf der elektrischen Maschine es zu einem unerwünschten Bremsmoment am Rad / Abtrieb kommen kann, bedingt durch eine ungewollte Massenbeschleunigung des Rotors.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und eine effektivere Strategie zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Hybridfahrzeug zur Verfügung zu stellen, mittels der ein ungewolltes Motormoment / Antriebsmoment bzw. ein Schleppmoment der elektrischen Maschine beim Ab- / Ankoppeln an den Antriebsstrang (durch die Fliehkraftkupplung) möglichst vermieden werden soll. Zugleich soll der Bereitstellungszeitraum der elektrischen Maschine, d. h. die Dauer eines Synchronlaufs der elektrischen Maschine zum Rad vor einer Ankopplung an den Antriebsstrang bzw. einer Abkopplung von dem Antriebsstrang minimal sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei ein Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebsstranges eines Fahrzeuges beansprucht ist, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine, eine Verbrennungskraftmaschine, eine Fliehkraftkupplung, eine Getriebeeinrichtung sowie einen Abtrieb aufweist. Die Fliehkraftkupplung ist mit ihrem Eingang direkt oder indirekt mit der elektrischen Maschine gekoppelt und mit ihrem Ausgang direkt oder indirekt mit dem Abtrieb gekoppelt. Die Verbrennungskraftmaschine ist wiederum direkt oder indirekt an den Ausgang der Fliehkraftkupplung angekoppelt oder zumindest wahlweise ankoppelbar. In einem ersten Betriebszustand, in dem die elektrische Maschine mit dem Eingang der Fliehkraftkupplung direkt oder indirekt drehverbunden ist und mit einer Drehzahl betrieben wird, die unterhalb einer bestimmten ersten Grenzdrehzahl liegt, ist die Fliehkraftkupplung in einer geschlossenen Stellung geschaltet und seitens des Ausgangs der Fliehkraftkupplung wird eine durch die elektrische Maschine erzeugte Antriebsleistung an den Abtrieb übertragen, sodass die Fliehkraftkupplung eine Kapazität von 100% aufweist. Unter der Kapazität der Fliehkraftkupplung ist die Leistungskapazität zu verstehen; bei einer Kapazität von 100% überträgt die Fliehkraftkupplung folglich eine (praktisch mögliche) Leistung von 100%. In einem, durch eine Hystereseeigenschaft der Fliehkraftkupplung bedingten, zweiten Betriebszustand, in dem die elektrische Maschine mit einer Drehzahl betrieben wird, die oberhalb der ersten Grenzdrehzahl sowie unterhalb einer zweiten Grenzdrehzahl liegt, befindet sich die Fliehkraftkupplung in einem Zustand, in dem sie eine Kapazität zwischen 0% und 100% aufweist. Vorzugsweise ist die Fliehkraftkupplung in diesem zweiten Betriebszustand in einer geöffneten Stellung, wenn der Abtrieb mit einer gleichbleibenden / stetigen Bremskraft abgebremst wird, und in der geschlossenen Stellung, wenn auf den Abtrieb eine gleichbleibende / stetige Beschleunigung ausgeübt wird. In dem zweiten Betriebszustand kann die Fliehkraftkupplung in Abhängigkeit der vorherrschenden Kräftezustände geöffnet oder geschlossen sein. In einem dritten Betriebszustand, in dem der Abtrieb mit einer Abtriebsdrehzahl betrieben ist, die höher als in den ersten und zweiten Betriebszuständen ist, ist die Fliehkraftkupplung vollständig (d. h. unabhängig von einem Beschleunigen der elektrischen Maschine relativ zu dem Abtrieb oder einem Abbremsen des Abtriebs relativ zu der elektrischen Maschine) geöffnet und weist somit eine Kapazität von 0% auf (keine Antriebsleistung wird über die Fliehkraftkupplung übertragen). Die elektrische Maschine wird zudem in dem dritten Betriebszustand im direkten Anschluss nach dem Übergang von dem zweiten Betriebszustand zu dem dritten Betriebszustand oder direkt vor dem Übergang von dem dritten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand, innerhalb eines variabel bestimmbaren Drehzahlbereiches des Abtriebes in einen Bereitschaftsmodus geschaltet, in welchem Bereitschaftsmodus die elektrische Maschine mit einer bestimmten Drehzahl größer 0 betrieben wird.
  • Somit wird die elektrische Maschine in dem dritten Betriebszustand in eine Art Drehzahlbereitschaft gesetzt, sodass insbesondere nach einer möglichen Bremsung noch vor dem jeweiligen Übergangspunkt hin zu dem zweiten Betriebszustand der Rotor der elektrischen Maschine beschleunigt wird, um mit möglichst synchroner Drehzahl relativ zu einer Drehzahl des Abtriebs / einer Raddrehzahl, den entsprechenden Betriebspunkt zu durchlaufen. Dadurch wird der Fahrkomfort des Hybridfahrzeuges deutlich gesteigert. Diese Anwendung hat den Vorteil, dass sie einerseits einen möglichst einfach herstellbaren Antriebsstrang durch den Einsatz der mechanisch wirkenden Fliehkraftkupplung, andererseits eine ausreichend starke Hybridisierung für zahlreiche Fahrzeuganwendungen ermöglicht.
  • In anderen Worten ausgedrückt, wird somit erfindungsgemäß ein Betriebspunkt a) zur Verfügung gestellt, der einen Abkoppelschaltpunkt zu einer definierten Fahrzeuggeschwindigkeit definiert. Dieser Betriebspunkt a) kennzeichnet den Übergang von der geschlossenen Fliehkraftkupplung zur „nicht sicher“ geöffneten Fliehkraftkupplung. Zudem wird ein Betriebspunkt b) zur Verfügung gestellt, der einen so genannten sicheren weiteren Abkoppelschaltpunkt darstellt. Die hysteresebehaftete Kupplungskennlinie der Fliehkraftkupplung endet hier. Dieser Betriebspunkt b) kennzeichnet den Übergang von der „nicht sicheren“ geöffneten Kupplung zu einer „sicher“ / vollständig geöffneten Kupplung (gemäß der Kupplungshysterese). Der durch den Drehzahlbereich variabel einstellbare weitere Betriebspunkt c) kennzeichnet die Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. die Geschwindigkeit des Abtriebs, bei der die elektrische Maschine in Drehzahlbereitschaft gesetzt wird, mit dem Ziel, nach einer möglichen Bremsung noch vor dem Betriebspunkt b) den Rotor zu beschleunigen, um mit synchroner Raddrehzahl den Betriebspunkt b) zu durchlaufen. Dadurch lässt sich fahrsituationsabhängig die Größe des variabel bestimmbaren Drehzahlbereichs geschickt einstellen, sodass die elektrische Maschine nur zu einem möglichst kurzen Zeitraum betrieben werden braucht. Beispielsweise steht eine erste Fahrsituation für eine „verzögerungsarme“ Fahrt, für die das System die Bremsbereitschaft des Fahrers sowie den Grad der Bremsung eher als relativ gering einstuft und der Betriebspunkt c) dadurch tendenziell in Richtung des Betriebspunktes b) verschoben wird. In diesem Zusammenhang ist der variabel einstellbare Drehzahlbereich möglichst gering. In einer weiteren, zweiten Fahrsituation wird beispielhaft eine „bremsbereite“ Fahrt umgesetzt, wobei das System die Bremsbereitschaft des Fahrers sowie den Grad der Bremsung als relativ hoch einstuft und der Betriebspunkt c) dadurch tendenziell weiter weg von dem Betriebspunkt b) weg läuft, in Richtung höherer Fahrzeuggeschwindigkeiten. Dadurch ist der variabel einstellbare Drehzahlbereich in dieser zweiten Fahrsituation größer als in der ersten Fahrsituation.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
  • Demnach ist es auch vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine in ihrem Bereitschaftsmodus mit einer Drehzahl betrieben wird, die der zweiten Grenzdrehzahl entspricht (oder höher, weiter bevorzugt niedriger als die zweite Grenzdrehzahl ist). Dadurch wird ein besonders ruckelfreier Übergang zwischen den Betriebszuständen ermöglicht.
  • Wird der variabel bestimmbare Drehzahlbereich fahrsituationsabhängig von einer Steuerungseinrichtung berechnet, ist dieser durch verschiedene im Fahrzeug ohnehin vorhandene Mittel auf einfache Weise festlegbar. Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei herausgestellt, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich durch Heranziehen von Umgebungsdaten des Fahrzeuges, wie der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Drehzahl des Abtriebs / des Rades, der Temperatur, etc. bestimmt wird. Zum Bestimmen dieser Daten sind auf typische Weise Sensoren in dem Fahrzeug vorhanden, wie z. B. ein Radar, ein Sonar, ein Lidar, ein GPS / ein Drehzahlsensor, ein Temperatursensor, eine Wärmebildkamera, usw.. In Abhängigkeit der fahrsituationsabhängigen Daten werden dann auf Grundlage verschiedener Algorithmen und Kennfelder eine an die elektrische Maschine auszugebende Drehzahl sowie ein ausschließlich zur Beschleunigung des Rotors (auf die Drehzahl) benötigtes Moment bestimmt. Dadurch wird der Rotor der elektrischen Maschine als vorbereitende Maßnahme vor dem Schließen der Fliehkraftkupplung auf die Drehzahl (zweite Grenzdrehzahl) gebracht. Somit ist es vorteilhaft, wie bereits erwähnt, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich in der zweiten Fahrsituation, die bspw. einen Stau oder eine aufkommende Störung entlang des Fahrverlaufes des Fahrzeuges widerspiegelt, größer ist als in der ersten Fahrsituation, in der entlang des Fahrverlaufes des Fahrzeuges mit einer freien Fahrt oder mit keinen Hindernissen zu rechnen ist.
  • Zweckmäßig ist es auch, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich, in einem Drehmoment-Geschwindigkeits-Diagramm betrachtet, durch einen ersten Betriebspunkt (Betriebspunkt b)), der durch eine Kennlinie der Fliehkraftkupplung bei einem Momentenwert (Kupplungsmoment) von 0 festgelegt ist (Radmoment und Antriebsmoment der elektrischen Maschine ist somit Null; es wird kein Kupplungsmoment übertragen), sowie einen zweiten Betriebspunkt (Betriebspunkt c)), bei dem der Momentenwert (Kupplungsmoment) ebenfalls 0 beträgt (Radmoment oder Antriebsmoment der elektrischen Maschine ist ebenfalls Null, es wird kein Kupplungsmoment übertragen, was ohnehin durch die geöffnete Stellung der Fliehkraftkupplung nicht umsetzbar ist), bestimmt ist, wobei die Lage des zweiten Betriebspunktes variabel einstellbar ist. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Berechnungsmethode für den Drehzahlbereich. Der variabel bestimmbare Drehzahlbereich ist somit jener Betriebsbereich zwischen zwei nachfolgend als Betriebspunkt b) und Betriebspunkt c) bezeichneten Betriebspunkten.
  • Des Weiteren ist es für das Verfahren vorteilhaft, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeuges / des Abtriebes auf eine andere Größe festgelegt wird als bei einem Abbremsvorgang des Fahrzeuges / Abtriebes. Dadurch wird die notwendige Betriebsdauer der elektrischen Maschine möglichst geschickt auf unterschiedliche Fahrzeugsituationen angepasst.
  • Diesbezüglich ist es zudem vorteilhaft, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich bei dem Beschleunigungsvorgang kleiner festgelegt wird als bei dem Abbremsvorgang.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn der variabel bestimmbare Drehzahlbereich mit zunehmender Abbremsrate des Fahrzeuges / Abtriebes größer wird.
  • Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine Geschwindigkeitsanzeige des Fahrzeuges in dem zweiten Betriebszustand und/oder in dem variabel bestimmbaren Drehzahlbereich des dritten Betriebszustandes, unter Einhalten einer zulässigen Anzeigetoleranz, einen gleichbleibenden Geschwindigkeitswert anzeigt. Der zweite Betriebszustand ist jener Betriebsbereich zwischen zwei nachfolgend als Betriebspunkt a) und Betriebspunkt b) bezeichneten Betriebspunkten. Wenn das Fahrzeug somit von dem Betriebspunkt a) auf den Betriebspunkt c) beschleunigt, wobei in dem Betriebspunkt c) die Fahrzeuggeschwindigkeit möglichst nahe an oder gleich der realen Fahrzeuggeschwindigkeit angezeigt wird, wird die an der Geschwindigkeitsanzeige angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit immer genauer in Bezug auf die reale Fahrzeuggeschwindigkeit. In einem Koppelpunkt, in dem die Fliehkraftkupplung geschlossen wird, ist die an der Geschwindigkeitsanzeige angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb der Toleranz.
  • Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die in einem Anzeigeinstrument des Fahrzeuges eingesetzte Geschwindigkeitsanzeige bevorzugt über einen Algorithmus berechnet wird. Mögliche Eingangsgrößen zur Geschwindigkeitsanzeigenberechnung sind die Radgröße, die Raddrehzahl, das GPS-Signal, etc., welche als Eingangsgrößen dienenden Daten in der entsprechenden Steuereinrichtung weiter verarbeitet werden. Diese Eingangsgrößen sind redundant und können plausibilisiert werden. Bei nicht zulässiger Abweichung kann ein Warnhinweis ausgegeben werden; bei einem Signalausfall dient jeweils der andere Pfad als Berechnungsgrundlage. Als Ausgangsgröße wird dann entsprechend die Geschwindigkeitsanzeige angesteuert und der entsprechende Geschwindigkeitswert des Fahrzeuges angezeigt.
  • Das Verfahren wird besonders effizient umgesetzt, wenn die elektrische Maschine eine Nennspannung von ca. 48 Volt aufweist, sodass der hybride Antriebsstrang als ein Mild-Hybridantriebsstrang realisiert ist. Jedoch ist der Einsatzbereich des Verfahrens von der Betriebsspannung unabhängig. Es sind auch prinzipiell höhere oder niedrigere Betriebsspannungen (etwa im Hochvoltbereich) umsetzbar.
  • Ist die Getriebeeinrichtung), vorzugsweise eine feste Übersetzungsstufe ausbildend, entlang eines Drehmomentübertragungspfades zwischen der elektrischen Maschine und der Fliehkraftkupplung und/oder zwischen der Fliehkraftkupplung und dem Abtrieb eingesetzt, sind die entsprechenden Betriebszustände des Hybridantriebsstranges auf typische Weise einfach umsetzbar.
  • Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei zweckmäßigerweise stets über eine Getriebeeinrichtung, vorzugsweise in Form eines schaltbaren Getriebes mit mehreren Übersetzungsstufen mit dem Abtrieb / dem Ausgang der Fliehkraftkupplung gekoppelt oder koppelbar. Der Rotor der elektrischen Maschine ist entweder direkt oder indirekt, etwa über eine feste Übersetzungsstufe, mit dem Eingang der Fliehkraftkupplung gekoppelt; der Ausgang der Fliehkraftkupplung ist entweder direkt oder indirekt, etwa über eine feste Übersetzungsstufe, mit dem Abtrieb gekoppelt. Dadurch lässt sich eine geschickte P3-Anordnung des Antriebsstranges realisieren.
  • In weiteren Ausführungen ist mit dem Verfahren auch ein Antriebsstrang nach einer P4-Anordnung ansteuerbar, wobei die elektrische Maschine mit einer ersten Antriebsachse, etwa einer Hinterachse, des Fahrzeuges (über die Fliehkraftkupplung) zusammenwirkt und die Verbrennungskraftmaschine mit einer zweiten Antriebsachse, etwa eine Vorderachse, des Fahrzeuges zusammenwirkt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun nachfolgend anhand von verschiedenen Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges nach einer beispielhaften Ausführung, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt ist,
    • 2a bis 2c drei Drehmoment-Geschwindigkeits-Diagramme zur Veranschaulichung verschiedener Betriebszustände des Antriebsstranges nach 1, wobei 2a einen ersten Betriebszustand, in dem eine elektrische Maschine bei einer geschlossenen Fliehkraftkupplung des Antriebsstranges betrieben ist, 2b einen zweiten Betriebszustand, in dem die Fliehkraftkupplung geöffnet oder geschlossen sein kann, und 2c einen dritten Betriebszustand, in dem die Fliehkraftkupplung sicher geöffnet ist, zeigen,
    • 3 eine Detailansicht des in 2a dargestellten Diagramms zur Veranschaulichung verschiedener Geschwindigkeitsbereiche,
    • 4 ein Drehzahl-Geschwindigkeits-Diagramm der in 1 eingesetzten elektrischen Maschine, wobei mehrere die Betriebszustände begrenzenden Betriebspunkte eingezeichnet sind,
    • 5 ein Diagramm, das das Verhältnis einer angezeigten Geschwindigkeit zu einer tatsächlichen Geschwindigkeit des Fahrzeuges darstellt, wobei das Fahrzeug einer ersten Fahrsituation ausgesetzt ist,
    • 6 ein Diagramm, das das Verhältnis einer angezeigten Geschwindigkeit zu einer tatsächlichen Geschwindigkeit des Fahrzeuges darstellt, ähnlich zu 5, wobei das Fahrzeug nun einer zweiten Fahrsituation ausgesetzt ist,
    • 7 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung einer Datenverarbeitung zur Geschwindigkeitsanzeige in dem Fahrzeug,
    • 8 ein schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Berechnung eines variabel bestimmbaren Drehzahlbereiches zum Betrieb der elektrischen Maschine in einer ersten Fahrsituation, und
    • 9 ein schematisches Flussdiagramm, ähnlich zu 8, wobei eine zweite Fahrsituation veranschaulicht ist.
  • Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.
  • In 1 ist zunächst ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen hybriden Antriebsstranges 1 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Der Antriebsstrang 1 ist in seinem Betrieb auf typische Weise Bestandteil eines Fahrzeuges. Der Antriebsstrang 1 weist hierbei prinzipiell eine sogenannte P3-Anordnung auf, ist jedoch auch anders ausführbar, etwa als P4-Anordnung. Der Antriebsstrang 1 weist eine elektrische Maschine 2 auf, die auf typische Weise einen gehäusefest angeordneten Stator sowie einen relativ zu dem Stator drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei Stator und Rotor der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Zudem weist der Antriebsstrang 1 eine Verbrennungskraftmaschine 3, wie einen Diesel- oder Ottomotor, auf.
  • Zum wahlweisen Anbinden des Rotors der elektrischen Maschine 2 / der elektrischen Maschine 2 an einem Abtrieb 5 ist eine Fliehkraftkupplung 4 vorhanden. Die Fliehkraftkupplung 4 ist als eine Reiblamellenkupplung realisiert und fliehkraftaktuiert. Somit ist die Fliehkraftkupplung 4 in Abhängigkeit einer auf sie wirkenden Drehzahl von ihrer geschlossenen Stellung in ihre geöffnete Stellung verbringbar. Der prinzipielle Aufbau der Fliehkraftkupplung 4 ist bspw. aus der DE 10 2015 223 559 B3 bekannt, weshalb die hierin als Kupplungsanordnung bezeichnete Fliehkraftkupplung 4 für die weitere Ausbildung der Fliehkraftkupplung 4 als integriert gilt.
  • Mit ihrem Eingang 6 ist die Fliehkraftkupplung 4 direkt sowie dauerhaft mit dem Rotor der elektrischen Maschine 2 drehfest gekoppelt. Auch ist es gemäß einer weiteren Ausführung denkbar, eine Getriebeeinrichtung mit einer festen Getriebestufe / Übersetzungsstufe zwischen dem Rotor und dem Eingang 6 anzuordnen. Mit ihrem Ausgang 7 ist die Fliehkraftkupplung 4 mit dem Abtrieb 5 drehgekoppelt. Der Abtrieb 5 weist in dieser Ausführung zwei Abtriebswellen 8a, 8b auf, die an ein Differenzial 9 anschließen. Die Abtriebswellen 8a, 8b sind jeweils mit einem Rad des Fahrzeuges weiter verbunden. In dieser Ausführung ist der Ausgang 7 der Fliehkraftkupplung 4 dauerhaft mit dem Abtrieb 5 drehfest gekoppelt. Auch ist es gemäß einer weiteren Ausführung denkbar, eine Getriebeeinrichtung mit einer festen Getriebestufe / Übersetzungsstufe zwischen dem Ausgang 7 und dem Abtrieb 5 anzuordnen.
  • In 1 ist eine optionale Getriebeeinrichtung 10 strichliert dargestellt. Die Getriebeeinrichtung 10 ist demnach gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels zwischen dem Ausgang 7 und dem Abtrieb 5 anordnenbar, wobei Ausgang 7 und Abtrieb 5 dennoch mit einer festen Übersetzungsstufe miteinander verbunden sind. Die Fliehkraftkupplung 4 ist hierbei mit einer Getriebeausgangswelle der Getriebeeinrichtung 10 wirkverbunden. In dieser Ausführung ist die Verbrennungskraftmaschine 3 mit ihrer Ausgangswelle 11 mit der Getriebeeinrichtung 10 wirkverbunden. Die Verbrennungskraftmaschine 3 ist folglich (über die Getriebeeinrichtung 10 und somit wahlweise über verschiedene schaltbare Übersetzungsstufen) mit dem Ausgang 7 drehfest verbunden. Die Verbrennungskraftmaschine 3 wirkt somit in ihrem betätigten Zustand antreibend auf den Abtrieb 5 ein.
  • In Verbindung mit den 2a bis 2c und 3 ist ein Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben dieses Antriebsstranges 1 zu erkennen. Die 2a bis 2c sowie 3 zeigen jeweils ein Drehmoment-Geschwindigkeits-Diagramm, auf dessen Abszisse die Geschwindigkeit v des Abtriebs 5 in km/h (entsprechend einer Drehzahl oder Rotationsgeschwindigkeit des Abtriebs 5 / des Rades des Fahrzeuges) und auf deren Ordinate das Moment in Nm aufgetragen ist. Mit einer durchgezogenen Linie ist jeweils der Verlauf der elektrischen Maschine 2, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Nennleistung von 20 kW hat, eingezeichnet. Die idealisierte Kennlinie (Abweichungen hiervon sind denkbar) der elektrischen Maschine 2 verläuft zunächst horizontal und geht dann in einen progressiv abfallenden Bereich über. Des Weiteren sind zwei idealisierte Kennlinien (Abweichungen hiervon sind denkbar) für die Fliehkraftkupplung 4 eingezeichnet. Hierbei ist eine erste Kupplungslinie, bei der die Kupplung bei einem Abbremsvorgang schließt mit einem strichlierten Verlauf, und eine zweite Kupplungslinie, bei der die Kupplung bei einem Beschleunigungsvorgang öffnet, mit einem strichpunktierten Verlauf veranschaulicht.
  • In 2a ist ein beispielhafter erster Betriebszustand an einem dicken schwarzen Punkt gezeigt. In diesem ersten Betriebszustand ist die elektrische Maschine 2 / der Rotor mit dem Eingang 6 der Fliehkraftkupplung 4 drehverbunden und wird mit einer Drehzahl betrieben, die unterhalb einer bestimmten ersten Grenzdrehzahl liegt. Die Fliehkraftkupplung 4 befindet sich in ihrer geschlossenen Stellung und ist, wie bereits erwähnt, seitens des Eingangs 6 mit dem Rotor und seitens des Ausgangs 7 mit dem Abtrieb 5 drehverbunden. Dadurch kommt es in dem ersten Betriebszustand (zwischen 0 und Betriebspunkt a) in 3) zu einem Übertragen einer Antriebsleistung von der elektrischen Maschine 2 zu dem Abtrieb 5 hin bzw. von dem Abtrieb 5 hin zu der elektrischen Maschine 2. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 entspricht der Drehzahl des Eingangs 6 (nKupplung primär ) und ist somit gleich der Drehzahl des Ausgangs 7 der Fliehkraftkupplung 4 (nKupplung sekundär ). Wie bereits erwähnt, ist die gezeigte Positionierung der Fliehkraftkupplung 4 im Antriebsstrang 1 beispielhaft, sodass die Fliehkraftkupplung 4 nicht direkt an der elektrischen Maschine 2 angebunden sein braucht; es kann auch eine (feste) Übersetzungsstufe zwischen der elektrischen Maschine 2 und der Fliehkraftkupplung 4 vorhanden sein.
  • Neben dem ersten Betriebszustand wird der Antriebsstrang 1 auch in einem zweiten Betriebszustand betrieben, der mit 2b und 3 zwischen Betriebspunkt a) und Betriebspunkt b) schematisch dargestellt ist. Dieser zweite Betriebszustand ist durch eine Hystereseeigenschaft der Fliehkraftkupplung 4 bedingt. Auch in diesem zweiten Betriebszustand wird die elektrische Maschine 2 mit einer gewissen Drehzahl betrieben, nämlich einer Drehzahl, die oberhalb der ersten Grenzdrehzahl und unterhalb einer zweiten Grenzdrehzahl liegt. Diese entsprechenden Grenzdrehzahlen sind anhand der Schnittbereiche der Kennlinie der elektrischen Maschine 2 mit den ersten und zweiten Kennlinien der Fliehkraftkupplung 4 nachvollziehbar. Dabei kommt es zu einer begrenzten Drehmomentübertragung (MEM_Grenze ). Denn in diesem zweiten Betriebszustand befindet sich die Fliehkraftkupplung 4 in Abhängigkeit der Drehzahl des Abtriebs in ihrer geöffneten Stellung oder in ihrer geschlossenen Stellung. Wenn der Abtrieb 5 abgebremst wird, kann es sein, dass die geöffnete Stellung realisiert ist. Wenn der Abtrieb 5 beschleunigt wird, kann es sein, dass sich die Fliehkraftkupplung 4 in der geschlossenen Stellung befindet. Schließlich ist in diesem zweiten Betriebszustand lediglich der Abtrieb / die Abtriebsdrehzahl für das Öffnen / Schließen der Fliehkraftkupplung 4 verantwortlich.
  • Zudem ist der Antriebsstrang 1 zum Betreiben eines dritten Betriebszustandes gemäß 2c zwischen Betriebspunkt b) und Betriebspunkt c) nach 3 ausgelegt, welcher dritte Betriebszustand ein vollständiges Öffnen der Fliehkraftkupplung 4 gewährleistet. Hierbei ist die Abtriebsdrehzahl / Rotationsgeschwindigkeit des Abtriebes 5 so hoch, dass unabhängig von einem Abbremsen oder einem Beschleunigen des Ausgangs 7 gegenüber dem Eingang 6 die Kupplung 4 dauerhaft geöffnet ist. Somit ist in diesem dritten Betriebszustand die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 / des der elektrischen Maschine 2 zugewandten Eingangs 6 der Fliehkraftkupplung 4 (nKupplung primär) ungleich mit der Drehzahl des Ausgangs 7 der Fliehkraftkupplung 4 (nKupplung sekundär ). Die elektrische Maschine 2 ist vom Rad / dem Abtrieb 5 abgekoppelt und kann deshalb auf Drehzahl Null gebracht werden, was aus Verbrauchssicht und Betriebssicherheit der elektrischen Maschine 2 vorteilhaft sein kann.
  • Erfindungsgemäß, wie in 2c in Verbindung mit 3 besonders gut zu erkennen, ist die elektrische Maschine 2 in dem dritten Betriebszustand, in direktem Anschluss nach dem zweiten Betriebszustand bei einem Beschleunigen des Fahrzeuges, oder vor dem zweiten Betriebszustand, bei einem Abbremsen des Fahrzeuges, innerhalb eines variabel bestimmbaren Drehzahlbereiches / Geschwindigkeitsbereiches des Abtriebes 5 (Δvbrems ) in einen Bereitschaftsmodus geschaltet, in dem sie mit einer bestimmten Drehzahl größer 0 betrieben wird. In dieser Ausführung ist die elektrische Maschine 2 in ihrem Bereitschaftsmodus gemäß 4 direkt mit der der zweiten Grenzdrehzahl entsprechenden Drehzahl angetrieben.
  • Wie des Weiteren in 3 in der rechten Detaildarstellung zu erkennen, ist dieser variabel bestimmbare Drehzahlbereich (auch als variabel bestimmbarer Geschwindigkeitsbereich bezeichnet) zwischen einem ersten Betriebspunkt (Betriebspunkt b)), der durch die zweite Kennlinie der Fliehkraftkupplung 4 bei einem Momentenwert von 0 festgelegt ist, sowie einem zweiten Betriebspunkt (Betriebspunkt c)), bei dem der Momentenwert ebenfalls 0 beträgt, bestimmt. Hierbei ist die Lage des zweiten Betriebspunktes c) gezielt wahlweise einstellbar. Der weitere Betriebspunkt a) ist durch die wahlweise Kupplungskennlinie („Kupplung schließt“) vorgegeben (Δvreib ). Erfindungsgemäß wird dadurch zwischen den Betriebspunkten a) und c) der Betrieb der elektrischen Maschine 2 dauerhaft bereitgestellt. Innerhalb der Betriebspunkte a) bis c) ist die elektrische Maschine 2 aus Komfortgründen bzw. Funktionsgründen mit Null Radmoment zu betreiben.
  • In 4 ist nochmals der Drehzahlverlauf der elektrischen Maschine 2 über die Geschwindigkeit aufgetragen, die die entsprechende Ansteuerung darstellt.
  • In Zusammenhang mit den 8 und 9 ist veranschaulicht, dass die der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte Steuerungseinrichtung des Antriebsstranges 1 / des Fahrzeuges unmittelbar den variabel bestimmbaren Drehzahlbereich fahrsituationsabhängig bestimmt. In einer ersten Fahrsituation, wie sie in 8 dargestellt ist, ist dieser Bereich bei einem Bremsvorgang gemäß 5 kleiner als in einer zweiten Fahrsituation nach 6 und 9. In Zusammenhang mit den 5 und 6 ist zudem zu erkennen, dass in dem zweiten Betriebszustand sowie in dem variabel bestimmbaren Drehzahlbereich des dritten Betriebszustandes, unter Einhalten einer zulässigen Anzeigetoleranz, die angezeigte Geschwindigkeit seitens einer Anzeige des Fahrzeuges konstant dargestellt ist. Der Ist-Verlauf der Geschwindigkeitsanzeige entspricht somit nicht dem Soll-Verlauf in diesem Bereich. Im Bereich der Betriebspunkte a) bis c) wird das tolerierte „Voreilen“ der Geschwindigkeitsanzeige zur realen Fahrzeuggeschwindigkeit dazu genutzt, dass das Fahrzeug ohne zu verweilen durch den Geschwindigkeitsbereich a) bis c) beschleunigen kann. Am Ende des Betriebspunktes c) entspricht die angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit (Anzeige) der realen Fahrzeuggeschwindigkeit, was idealerweise wiederum dem „Soll- Verlauf“ im Diagramm entspricht.
  • In Verbindung mit 7 ist zudem zu erkennen, dass zur Verarbeitung und Berechnung der angezeigten Geschwindigkeit prinzipiell unterschiedliche Faktoren als Eingangsgröße dienen, wie bspw. die Radgröße, die Raddrehzahl und/oder ein GPS-Signal.
  • In anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß zwischen den Betriebspunkten a) und c) ein stationäres Fahren bei stetiger Geschwindigkeitsanzeige fahrzeugseitig ausgeschlossen. Das wird dadurch erreicht, dass die angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit größer ist als die „gefahrene“ Fahrzeuggeschwindigkeit und im Bereich der Ab-/ Ankopplung die angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit einem vom System vorgegebenen Verlauf folgt. Zusätzlich ist der Geschwindigkeitsbereich der Betriebspunkte a) bis c) kleiner als der zulässige Toleranzbereich der Anzeige im Betriebspunkt a). Ab dem Betriebspunkt a) beschleunigt das Fahrzeug unverzüglich weiter auf den Betriebspunkt c), wie in den 5 und 6 gezeigt. Die angezeigte Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht hierbei die des Betriebspunktes c). Unabhängig vom Fahrerwunsch bzw. der „Tempomat“- Funktion ist die Betriebszeit der elektrischen Maschine 2 innerhalb der Betriebspunkte a) bis c) minimal. Zudem ist der Betriebspunkt c) variabel. Dieser wird in Abhängigkeit der Fahrsituation bestimmt. Es gilt Δ v_EM_Bereitstellung = ΔVreib + Δvbrems. Die EM_Bereitstellung umfasst den Geschwindigkeitsbereich zwischen den Betriebspunkten a) und c), wie in 3 gezeigt. Ein Synchronlauf der elektrischen Maschine 2 zur Raddrehzahl innerhalb des Geschwindigkeitsbereiches ΔVreib ist aus Komfortgründen notwendig. 4 zeigt einen repräsentativen Drehzahlverlauf der elektrischen Maschine 2 im Bereich der Betriebspunkte. Wenn aus Komfortsicht ein Ruckeln am Rad durch das Ankoppeln der elektrischen Maschine 2 akzeptiert wird, kann der Geschwindigkeitbereich Δvbrems = 0 bzw. auch Δvreib = 0 werden. Der Betriebspunkt c) entspricht dann dem Betriebspunkt b) bzw. dem Betriebspunkt a).
  • Der Betriebspunkt a) stellt folglich einen Abkoppelschaltpunkt zu einer definierten Fahrzeuggeschwindigkeit dar. Der Abkoppelschaltpunkt ist „systemfest“ und ist von der Auslegung der Fliehkraftkupplung 4 abhängig. Dieser Betriebspunkt kennzeichnet den Übergang von geschlossener Kupplung zur „nicht sicher“ geöffneten Kupplung. Der Betriebspunkt b) stellt folglich einen „sicheren“ Abkoppelschaltpunkt dar. Die hysteresebehaftete Kupplungskennlinie endet hier. Dieser Betriebspunkt kennzeichnet den Übergang von einer „nicht sicher“ geöffneten Kupplung zu einer „sicher“ geöffneten Kupplung. Eine „nicht sicher“ geöffnete Kupplung beschreibt eine Schaltstellung innerhalb der Kupplungshysterese. Der Grenzbereich der Kupplungshysterese wird durch die Kupplungskennlinien „Kupplung öffnet“ und „Kupplung schließt“ beschrieben. Der Betriebspunkt c) kennzeichnet die Fahrzeuggeschwindigkeit, bei der die elektrische Maschine 2 in Drehzahlbereitschaft gesetzt wird, mit dem Ziel, nach einer möglichen Bremsung noch vor dem Betriebspunkt b) den Rotor zu beschleunigen, um mit synchroner Raddrehzahl den Betriebspunkt b) zu durchlaufen. Der Geschwindigkeitsbereich ΔVreib kennzeichnet den Geschwindigkeitsbereich innerhalb der Kupplungshysterese bei Motormoment (gemeint ist hierbei das zu übertragende Kupplungsmoment) = 0 Nm und ist von der Bauart der Fliehkraftkupplung 4 abhängig. Der Geschwindigkeitsbereich Δvbrems kennzeichnet den Geschwindigkeitsbereich zwischen den Betriebspunkten b) und c), wobei der Betriebspunkt c) situationsbedingt bestimmt wird. Eine erste Fahrsituation (Fahrsituation I) steht beispielhaft für eine „verzögerungsarme“ Fahrt. Das System stuft die Bremsbereitschaft des Fahrers sowie den Grad der Bremsung als gering ein. Der Betriebspunkt c) läuft tendenziell in Richtung Betriebspunkt b), wie in 8 zu erkennen. 8 zeigt die Fahrsituation I und die Umgebungssensierung zur Bestimmung der Stellgröße Δvbrems . Eine zweite Fahrsituation (Fahrsituation II) steht beispielhaft für eine „bremsbereite“ Fahrt. Das System stuft die Bremsbereitschaft des Fahrers sowie den Grad der Bremsung als hoch ein. Der Betriebspunkt c) läuft tendenziell vom Betriebspunkt b) weg, in Richtung höherer Fahrzeuggeschwindigkeit, wie in 9 zu erkennen. Auch 9 zeigt die Fahrsituation II und die Umgebungssensierung zur Bestimmung der Stellgröße Δvbrems . Es gilt: Δvbrems_Fahrsituation_I < Δvbrems_Fahrsituation_II. Die Geschwindigkeitsanzeige im Anzeigeinstrument wird über einen Algorithmus berechnet. Mögliche Eingangsgrößen zur Geschwindigkeitsanzeigenberechnung sind Radgröße, Raddrehzahl und z.B. das GPS-Signal, wie in 7 gezeigt. Die Eingangsgrößen sind redundant und können plausibilisiert werden. Bei nicht zulässiger Abweichung kann ein Warnhinweis ausgegeben werden. Bei Signalausfall dient jeweils der andere Pfad als Berechnungsgrundlage.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    elektrische Maschine
    3
    Verbrennungskraftmaschine
    4
    Fliehkraftkupplung
    5
    Abtrieb
    6
    Eingang
    7
    Ausgang
    8a
    erste Abtriebswelle
    8b
    zweite Abtriebswelle
    9
    Differenzial
    10
    Getriebeeinrichtung
    11
    Ausgangswelle
  • 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 102015223559 B3 [0002, 0026]
    • DE 102013204446 B4 [0002]
    • DE 102017128882 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines hybriden Antriebsstranges (1) eines Fahrzeuges, wobei der Antriebsstrang (1) eine elektrische Maschine (2), eine Verbrennungskraftmaschine (3), eine Fliehkraftkupplung (4), eine Getriebeeinrichtung (10) sowie einen Abtrieb (5) aufweist, wobei die Fliehkraftkupplung (4) mit ihrem Eingang (6) direkt oder indirekt mit der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist und mit ihrem Ausgang (7) direkt oder indirekt mit dem Abtrieb (5) gekoppelt ist, und wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) wiederum direkt oder indirekt an den Ausgang (7) der Fliehkraftkupplung (4) angekoppelt oder ankoppelbar ist, wobei in einem ersten Betriebszustand, in dem die elektrische Maschine (2) mit dem Eingang (6) der Fliehkraftkupplung (4) direkt oder indirekt drehverbunden ist und mit einer Drehzahl betrieben wird, die unterhalb einer bestimmten ersten Grenzdrehzahl liegt, die Fliehkraftkupplung (4) in einer geschlossenen Stellung geschaltet ist und seitens des Ausgangs (7) der Fliehkraftkupplung (4) eine durch die elektrische Maschine (2) erzeugte Antriebsleistung an den Abtrieb (5) übertragen wird, sodass die Fliehkraftkupplung (4) eine Kapazität von 100% aufweist, in einem, durch eine Hystereseeigenschaft der Fliehkraftkupplung (4) bedingten, zweiten Betriebszustand, in dem die elektrische Maschine (2) mit einer Drehzahl betrieben wird, die oberhalb der ersten Grenzdrehzahl sowie unterhalb einer zweiten Grenzdrehzahl liegt, sich die Fliehkraftkupplung (4) in einem Zustand befindet, in dem sie eine Kapazität zwischen 0% und 100% aufweist, in einem dritten Betriebszustand, in dem der Abtrieb (5) mit einer Abtriebsdrehzahl betrieben ist, die höher als in den ersten und zweiten Betriebszuständen ist, die Fliehkraftkupplung (4) vollständig geöffnet ist und somit eine Kapazität von 0% aufweist, und die elektrische Maschine (2) in dem dritten Betriebszustand, im direkten Anschluss nach dem Übergang von dem zweiten Betriebszustand zu dem dritten Betriebszustand oder direkt vor dem Übergang von dem dritten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand, innerhalb eines variabel bestimmbaren Drehzahlbereiches des Abtriebes (5) in einen Bereitschaftsmodus geschaltet wird, in dem sie mit einer bestimmten Drehzahl größer 0 betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) in ihrem Bereitschaftsmodus mit einer Drehzahl betrieben wird, die der zweiten Grenzdrehzahl entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der variabel bestimmbare Drehzahlbereich fahrsituationsabhängig von einer Steuerungseinrichtung berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der variabel bestimmbare Drehzahlbereich, in einem Drehmoment-Geschwindigkeits-Diagramm betrachtet, durch einen ersten Betriebspunkt, der durch eine Kennlinie der Fliehkraftkupplung (4) bei einem Momentenwert von 0 festgelegt ist, sowie einen zweiten Betriebspunkt, bei dem der Momentenwert ebenfalls 0 beträgt, bestimmt ist, wobei die Lage des zweiten Betriebspunktes variabel einstellbar ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der variabel bestimmbare Drehzahlbereich bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeuges auf eine andere Größe festgelegt wird als bei einem Abbremsvorgang des Fahrzeuges.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der variabel bestimmbare Drehzahlbereich bei dem Beschleunigungsvorgang kleiner als bei dem Abbremsvorgang festgelegt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der variabel bestimmbare Drehzahlbereich mit zunehmender Abbremsrate des Fahrzeuges vergrößert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeitsanzeige des Fahrzeuges in dem zweiten Betriebszustand und/oder in dem variabel bestimmbaren Drehzahlbereich des dritten Betriebszustandes, unter Einhalten einer zulässigen Anzeigetoleranz, einen gleichbleibenden Geschwindigkeitswert anzeigt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (10), eine feste Übersetzungsstufe ausbildend, entlang eines Drehmomentübertragungspfades zwischen der elektrischen Maschine (2) und der Fliehkraftkupplung (4) und/oder zwischen der Fliehkraftkupplung (4) und dem Abtrieb (5) eingesetzt ist.
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