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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Sogenannte Hybridfahrzeuge gewinnen heute zunehmend an Bedeutung. Hybridfahrzeuge umfassen zum Antrieb des Fahrzeugs neben einem Verbrennungsmotor zusätzlich eine elektrische Maschine. Dadurch werden die Vorteile beider Antriebstechnologien miteinander vereint. Ein zentrales Problem beim Antrieb eines Kraftfahrzeugs mittels einer elektrischen Maschine ist die vergleichsweise geringe Reichweite des Fahrzeugs aufgrund der begrenzten Kapazität von elektrischen Energiespeichern. Ein Hybridfahrzeug kann durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden, wodurch dieses Problem weitestgehend überwunden wird.
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EP 2 334 506 B1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebes eines Hybridfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine, die mittels einer trennbaren mechanischen Kupplung mit einer antreibbaren Achse des Hybridfahrzeugs verbunden ist. Nach erfolgter Beschleunigung ist vorgesehen, dass die Kupplung geöffnet, die Rotation der elektrischen Maschine durch Rekuperation abgebremst und die hierbei in elektrische Energie umgewandelte Rotationsenergie einer Batterie oder anderen Verbrauchern zugeführt wird.
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In US 2016 / 0 375 892 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeugs offenbart, das einen als Anlasser bzw. Generator vorgesehenen zweiten Motor zum Starten des Verbrennungsmotors aufweist.
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Ein Antriebssystem für Hybridfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor und einem Differenzialgetriebe, mit dem Räder über entsprechende Fahrzeugachsen verbunden sind, ist in
DE 602 23 850 T2 offenbart.
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Zum Starten des Verbrennungsmotors wird häufig ein Riemenstartergenerator genutzt. Dieser kann durch den Energiespeicher, dessen Energie typischerweise zum Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt wird, angetrieben werden. Zudem ist denkbar, dass der Riemenstartergenerator von einem weiteren elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer 12-V-Batterie, angetrieben wird. Der Riemenstartergenerator wiederum kann den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs antreiben und dadurch starten. Diesbezüglich tritt häufig das Problem auf, dass die momentan von dem oder dem weiteren Energiespeicher bereitgestellte Leistung, z. B. aufgrund einer niedrigen Außentemperatur und/oder eines geringen Ladezustands, zu niedrig ist, um den Verbrennungsmotor durch den Riemenstartergenerator zu starten. Dieses Problem tritt verstärkt auch dann auf, wenn der Verbrennungsmotor eine im Vergleich zu seiner üblichen Betriebstemperatur kältere Temperatur aufweist. Man spricht dann von einem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Um die genannten Problematiken zu vermeiden, ist in
DE 10 2012 015 961 A1 ein Verfahren angegeben, bei dem Energie, die zum Starten des Verbrennungsmotors genutzt werden kann, in einer Schwungradanordnung zwischengespeichert wird. Diese benötigt jedoch zusätzlichen Bauraum und erhöht die Kosten des Kraftfahrzeugs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs gelöst, wobei das Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine umfasst, wobei wenigstens eine den Fahrbetrieb betreffende Fahrzeuginformation erfasst wird und in Abhängigkeit der Fahrzeuginformation einer von mehreren Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs gewählt wird, wobei in einem
- - ersten der Betriebsmodi eine Kopplungseinrichtung des Kraftfahrzeugs in einem ersten Kopplungszustand betrieben wird, in dem die Kopplungseinrichtung die elektrische Maschine direkt oder über wenigstens eine Komponente eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Rad des Kraftfahrzeugs koppelt, wobei durch die elektrische Maschine das Rad angetrieben oder eine Verteilung eines Antriebsmoments eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs zwischen diesem und einem weiteren Rad angepasst wird, und
- - in einem zweiten der Betriebsmodi die Kopplungseinrichtung in einem zweiten Kopplungszustand betrieben wird, in dem die Kopplungseinrichtung die elektrische Maschine von dem Rad oder der Komponente des Antriebsstrangs entkoppelt, wobei ein Rotor der elektrischen Maschine durch einen Betrieb der elektrischen Maschine als Generator abgebremst wird und die dadurch erzeugte elektrische Energie zum Starten des Verbrennungsmotors genutzt wird, wobei in dem zweiten Betriebsmodus vor dem Abbremsen der elektrischen Maschine die Drehzahl der elektrischen Maschine durch einen Betrieb der elektrischen Maschine als Elektromotor erhöht wird, während die Kopplungseinrichtung im zweiten Kopplungszustand betrieben wird.
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Die elektrische Maschine wird in unterschiedlichen Betriebsmodi somit für unterschiedliche Zwecke genutzt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass zum Speichern der zum Starten des Verbrennungsmotors benötigten Energie keine zusätzlichen Bauteile, wie etwa eine separate Schwungradanordnung, nötig sind, sondern die Pufferung dieser Energie durch die ohnehin vorhandene und zum Antrieb des Kraftfahrzeugs nutzbare elektrische Maschine erfolgen kann.
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Die erfasste Fahrzeuginformation kann beispielsweise die Betriebsspannung beziehungsweise den Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers, durch den ein Startermotor zum Starten des Verbrennungsmotors und/oder die elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs speisbar sind, und/oder eine Außentemperatur und/oder eine Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder eine Fahrtgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder weitere den Fahrbetrieb betreffende Zustandsgrößen beschreiben. Die Fahrzeug-information kann eine momentane Fahrsituation des Kraftfahrzeugs beschreiben, in deren Abhängigkeit einer der Betriebsmodi gewählt wird. Für die einzelnen Betriebsmodi kann jeweils vorgegeben sein, in welchem Kopplungszustand die Kopplungseinrichtung betrieben wird und ob die elektrische Maschine als Motor oder Generator genutzt wird. Ergänzend können die einzelnen Betriebsmodi auch Parameter anderer Fahrzeugeinrichtungen, beispielsweise des Verbtrennungsmotors, vorgeben.
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Unter dem Antriebsstrang werden alle Bauteile verstanden, die zur Kraftübertragung einer Antriebsmaschine, insbesondere des Verbrennungsmotors, auf die Räder dienen. Insbesondere kann der Antriebsstrang die Antriebswelle, sowie gegebenenfalls eine Kardanwelle, ein Differential und die damit verbundenen Radachsen umfassen.
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Im ersten Betriebsmodus ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung im ersten Kopplungszustand betrieben wird, wobei die elektrische Maschine direkt oder über wenigstens eine Komponente eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs mit wenigstens einem Rad des Kraftfahrzeugs koppelt. Das bedeutet, dass ein Moment der elektrischen Maschine ausschließlich mechanisch, das heißt, ohne dass dabei eine weitere Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt, auf wenigstens einen Rad des Kraftfahrzeugs übertragen wird.
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Wenn sich das Kraftfahrzeug im ersten Betriebsmodus befindet, kann die elektrische Maschine in einer ersten Variante zum Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden. In einer zweiten Variante kann die elektrische Maschine zur Verteilung des Antriebsmoments des Verbrennungsmotors zwischen zwei Rädern dienen. Dabei wird insbesondere beim sogenannten Torque Vectoring eine Verteilung des Moments zwischen den beiden Abtriebswellen eines Differentials, insbesondere durch die elektrische Maschine, vorgenommen.
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Im zweiten Betriebsmodus dient die elektrische Maschine, insbesondere der Rotor der elektrischen Maschine, als Energiespeicher. Die gespeicherte Energie liegt in Form von Rotationsenergie vor, die bei dem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Energie wird sodann zum Starten des Verbrennungsmotors genutzt. Hierfür ist denkbar, dass zum Starten des Verbrennungsmotors zusätzlich elektrische Energie aus einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs genutzt wird.
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Der Betrieb des Kraftfahrzeugs im zweiten Betriebsmodus kann insbesondere dann angezeigt sein, wenn das Kraftfahrzeug vorangehend in einem Betriebsmodus betrieben wird, in dem die elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs betrieben wird und der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Energiegrenzwert unterschreitet. Dies kann beispielsweise dadurch detektiert werden, dass die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Spannung einen vorgegebenen Spannungsgrenzwertes unterschreitet, wobei der Spannungsgrenzwert gegebenenfalls auch von der Außentemperatur abhängen kann. In diesem Fall kann ein automatischer Wechsel auf einen Antrieb durch den Verbrennungsmotor erfolgen, wobei die Energie zum Starten des Verbrennungsmotors zumindest teilweise durch die verbleibende Rotationsenergie der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Der zweite Betriebsmodus ist jedoch auch nutzbar, wenn ein Fahrer manuell einen Wechsel auf einen Verbrennungsantrieb anfordert oder wenn ein Kaltstart des Verbrennungsmotors erfolgen soll.
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Es kann ein weiterer Betriebsmodus implementiert sein, bei dem sich die Kopplungseinrichtung des Kraftfahrzeugs im ersten Kopplungszustand befindet, wobei elektrische Energie durch einen Betrieb der elektrischen Maschine als Generator erzeugt wird, mit der beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher aufgeladen wird. Diese sogenannte Rekuperation ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, da dadurch die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann und mithin weiterhin nutzbar ist.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass in dem zweiten Betriebsmodus vor dem Abbremsen der elektrischen Maschine die Drehzahl der elektrischen Maschine durch einen Betrieb der elektrischen Maschine als Elektromotor erhöht wird, während die Kopplungseinrichtung im zweiten Kopplungszustand betrieben wird. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die im Rotor der elektrischen Maschine gespeicherte Energie nicht dazu ausreicht, den Verbrennungsmotor zu starten. Die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine kann erfasst und mit einem Drehzahlgrenzwert verglichen werden. Der Drehzahlgrenzwert kann die kleinstmögliche Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine sein, bei der ein Starten des Verbrennungsmotors durch den Betrieb der elektrischen Maschine als Generator möglich ist. Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann zweckmäßig solange erhöht werden, bis der Drehzahlgrenzwert erreicht ist.
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Als Weiterbildung hiervon kann der Drehzahlgrenzwert unter Berücksichtigung der von einem elektrischen Energiespeicher bereitstellbaren momentanen Leistung abgesenkt werden. Die Summe aus der von dem elektrischen Energiespeicher bereitstellbaren Leistung und der durch den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine erzeugbaren Leistung entspricht dann zweckmäßigerweise der Leistung, die nötig ist, um den Verbrennungsmotor zu starten.
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Zur Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine kann Energie genutzt werden, die von dem Energiespeicher bereitgestellt wird. Die momentane Leistung, die typischerweise benötigt wird, um die Drehzahl der elektrischen Maschine zu erhöhen ist im Vergleich zu der momentanen Leistung gering, die zum Starten des Verbrennungsmotors benötigt wird. Die Drehzahl kann mit relativ geringer Leistung über einen längeren Zeitraum, z. B. über einige Sekunden oder einige zehn Sekunden, erhöht werden. Während des Generatorbetriebs kann hingegen ein sehr schnelles Abbremsen des Rotors erfolgen, um kurzfristig eine hohe Leistung zum Starten des Verbrennungsmotors bereitzustellen. Aus diesem Grund kann die Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine insbesondere auch noch dann erfolgen, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers nicht mehr dazu ausreicht, den Verbrennungsmotor direkt zu starten.
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Die Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine kann optional auch durch Energie eines weiteren Energiespeichers, beispielsweise eines Niedervolt-Energiespeichers, oder eines Kondensators, insbesondere eines Superkondensators, erfolgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zum Starten des Verbrennungsmotors in dem zweiten Betriebsmodus die Betriebsspannung einer weiteren elektrischen Maschine durch den Betrieb der elektrischen Maschine als Generator erhöht werden, wobei der Verbrennungsmotor durch die weitere elektrische Maschine gestartet wird.
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Die weitere elektrische Maschine kann als Riemenstartergenerator ausgebildet sein. Oft reicht, wie bereits erwähnt, die momentane Leistung, die von der Starterbatterie bereitgestellt wird, nicht aus, um den Verbrennungsmotor über den Riemenstartergenerator zu starten. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass die Erhöhung der Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine in dem zweiten Betriebsmodus durch die Starterbatterie erfolgt, da die hierzu benötigte Leistung im Vergleich zur zum Starten des Verbrennungsmotors benötigten Leistungen gering ist.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Auswahl des Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer ermittelten, einen Zustand des elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs betreffenden Zustandsinformation erfolgen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der zweite Betriebsmodus ausgewählt wird, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, dessen gespeicherte Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt wird, niedrig ist. Dies kann beispielsweise nach einer längeren Fahrt oder bei niedrigen Au-ßentemperaturen der Fall sein. Zudem ist denkbar, dass der zweite Betriebsmodus auch dann ausgewählt wird, wenn eine Störung beim Antrieb des Kraftfahrzeugs durch die elektrische Maschine auftritt. Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, wenn ein Fahrer jederzeit zwischen einem elektrischen und einem verbrennungsmotorischen Antriebsmodus des Kraftfahrzeugs wechseln kann, wodurch wiederum der Betrieb des Kraftfahrzeugs im zweiten Betriebsmodus angezeigt sein kann.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass in einem dritten der Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs die Kopplungseinrichtung in dem zweiten Kopplungszustand betrieben wird während die elektrische Maschine durch Betreiben als Generator abgebremst wird, wobei die dadurch erzeugte elektrische Energie für einen von der weiteren elektrischen Maschine unterschiedlichen Verbraucher des Kraftfahrzeugs genutzt wird. Dabei kann die Drehzahl der elektrischen Maschine vor dem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator erhöht werden. Dazu kann die Drehzahl der elektrischen Maschine mit einem weiteren, gegebenenfalls vom weiteren Verbraucher abhängigen, Drehzahlgrenzwert verglichen werden und gegebenenfalls so lange erhöht werden, bis der weitere Drehzahlgrenzwert erreicht ist. Der weitere Verbraucher kann z. B. ein Zigarettenanzünder oder ein Beleuchtungsmittel des Kraftfahrzeugs oder ein Kompressor einer Klimaanlage sein.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Kopplungszustand die Kopplungseinrichtung die elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor oder mit einer Welle, die über ein Getriebe mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, oder mit einer Antriebswelle eines Differentials oder einer Abtriebswelle des Differentials koppelt.
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In dem Kraftfahrzeug kann ein Getriebe vorgesehen sein, das die Drehzahl einer mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Antriebswelle auf die Drehzahl einer Abtriebswelle, insbesondere einer Kardanwelle, übersetzt. Zudem ist denkbar, dass der Verbrennungsmotor vom Getriebe durch eine Trennkupplung abkoppelbar ist. Die Kopplungseinrichtung kann im ersten Kopplungszustand die elektrische Maschine an die Antriebswelle des Verbrennungsmotors oder an die Abtriebswelle koppeln. Die Kopplung kann antriebs- oder abtriebsseitig der Trennkupplung oder einer Fahrkopplung erfolgen.
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Alternativ kann die elektrische Maschine in dem ersten Kopplungszustand an eine Abtriebswelle des Differentials gekoppelt sein, wobei die elektrische Maschine zur Verteilung der Momente auf die dem Differential zugeordneten Räder, insbesondere zur Durchführung des bereits erläuterten Torque Vectoring, dienen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Kopplungszustand die elektrische Maschine direkt oder über ein weiteres Getriebe mit der Komponente des Antriebsstrangs oder dem Rad gekoppelt ist, wobei das weitere Getriebe die Drehzahl der elektrischen Maschine auf die Drehzahl der Komponente des Antriebsstrangs oder des Rads übersetzt, wobei die Drehzahl der elektrischen Maschine größer ist als die Drehzahl der Komponente des Antriebsstrangs oder des Rads.
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Dadurch wird es ermöglicht, dass die elektrische Maschine mit einer im Vergleich zur Komponente des Antriebsstrangs höheren Drehzahl betrieben werden kann. Dadurch kann bei gleicher Drehzahl der Komponente des Antriebsstrangs beziehungsweise des Rads eine größere Energiemenge in der elektrischen Maschine gespeichert werden.
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Zudem kann die von der elektrischen Maschine bei gleicher Drehzahl als Rotationsenergie gespeicherte Energie weiterhin dadurch erhöht werden, dass die elektrische Maschine als Außenläufer ausgebildet wird, da der Rotor eines Außenläufers eine höhere Trägheit im Vergleich zum Rotor eines Innenläufers aufweist.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine und eine Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Kraftfahrzeugs gemäß dem oben erläuterten Verfahren zu steuern. Sämtliche Merkmale des Verfahrens können auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen werden. Das Kraftfahrzeug kann Sensoren aufweisen, die dazu eingerichtet sind, die den Fahrbetrieb betreffende Fahrzeuginformation zu erfassen. Die Steuerungseinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, die Steuerung der Kopplungseinrichtung und der elektrischen Maschine durchzuführen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:
- 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
- 3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend vier Räder 2. Zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 können ein Verbrennungsmotor 3 sowie eine elektrische Maschine 4 genutzt werden. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ferner einen Antriebsstrang 6, der jene Bauteile umfasst, die an der Übertragung eines Moments des Verbrennungsmotors 3 beziehungsweise der elektrischen Maschine 4 auf die Räder 2 beteiligt sind. Der Antriebsstrang 6 umfasst eine Trennkupplung 13, über die der Verbrennungsmotor 3 mit einem Getriebe 14 gekoppelt werden kann. Das Getriebe 14 dient dabei der Übersetzung der Drehzahl einer Antriebswelle des Verbrennungsmotors 3 auf die Drehzahl einer als Kardanwelle ausgebildeten Komponente 7 des Antriebsstrangs 6. Die Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 ist mit einem Differential 10 gekoppelt, wobei das Differential 10 mit zwei Abtriebswellen 9, die mit jeweils einem Rad 2 verbunden sind, gekoppelt ist.
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Einer der zentralen Vorteile von Hybridfahrzeugen, wie auch bei dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigten Kraftfahrzeug 1, ist die Möglichkeit, zwischen dem verbrennungsmotorischen und dem elektrischen Antrieb wechseln zu können. Insbesondere bei einem Nachlassen des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers 17, durch den Energie insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 speicherbar ist, ist es zweckmäßig, von dem elektrischen zu dem verbrennungsmotorischen Antrieb zu wechseln. Dazu ist es jedoch nötig, den Verbrennungsmotor 3 zu starten, was durch eine beispielsweise als Riemenstartergenerator ausgebildete weitere elektrische Maschine 12 erfolgt, die z. B. durch den elektrischen Energiespeicher 17 oder eine nicht gezeigte Starterbatterie bestromt wird. Oft tritt jedoch dabei das Problem auf, dass derartige Starterbatterien, insbesondere bei einer fortgeschrittenen Betriebsdauer, bezüglich ihrer Leistung nachlassen. Dieses Problem wird bei kalten Außentemperaturen weiter verstärkt. Letztendlich ist es denkbar, dass deshalb der sogenannte Kaltstart des Verbrennungsmotors 3 durch die als Riemenstartergenerator ausgebildete weitere elektrische Maschine 12 nicht mehr möglich ist.
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Um dieses Problem zu lösen, wird in einem entsprechenden Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs die zum Starten des Verbrennungsmotors 3 benötigte Energie vor dem Starten in einem Rotor der elektrischen Maschine 4 als Rotationsenergie zwischengespeichert. In anderen Betriebsmodi wird die elektrische Maschine 4 hingegen für andere Zwecke, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1, genutzt.
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Die Betriebsmodi werden jeweils in Abhängigkeit einer durch geeignete Sensoren (nicht dargestellt) erfassbaren Fahrzeuginformation ausgewählt, die den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 betrifft. Die Fahrzeuginformation betrifft insbesondere den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 17 und/oder die Außentemperatur der Kraftfahrzeugs 1 und/oder die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 und/oder eine Fehlfunktion einer zum elektrischen Antrieb benötigten Komponente des Kraftfahrzeugs 1 und/oder weitere relevante Größen. Beispiele für die Betriebsmodi werden später mit Bezug auf 3 diskutiert werden.
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Um die elektrische Maschine 4 einerseits zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, andererseits jedoch als temporären Energiespeicher nutzen zu können, umfasst das Kraftfahrzeug 1 eine Kopplungseinrichtung 5, die in einem ersten Kopplungszustand die elektrische Maschine 4 mit der als Kardanwelle ausgebildeten Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 koppelt. Dabei können die Räder 2 des Kraftfahrzeugs 1 in diesem Kopplungszustand durch die elektrische Maschine 4 angetrieben werden, ohne dass dabei eine weitere Energieumwandlung der dafür aufgebrachten mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt. Im zweiten Kopplungszustand 5 ist die elektrische Maschine 4 von der Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 entkoppelt und kann somit als Energiespeicher dienen.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist in 2 dargestellt. Der Einfachheit halber sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 4 im zweiten Ausführungsbeispiel über die Kopplungseinrichtung 5 nicht mit der Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 sondern mit einer Abtriebswelle 9 eines Differentials 10 koppelbar. Der Zweck des Differentials 10 ist es, die beiden Räder 2 bei Kurvenfahrten mit unterschiedlichen Drehzahl anzutreiben, wobei die Räder 2 jeweils über eine Abtriebswelle 9 mit dem Differential 10 verbunden sind. Um Antriebsmomente auf die mit dem Differential 10 verbundenen Räder 2 frei verteilen zu können, ist eine der beiden Antriebswellen 9 über die Kopplungseinrichtung 5 mit der elektrischen Maschine 4 verbindbar, über die eine entsprechende Momentverteilung erfolgen kann. Mithin ist die elektrische Maschine 4 hier, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, nicht zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehen.
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Ein in 3 dargestelltes Flussdiagramm zeigt die Schritte eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb des in 1 dargestellten Kraftfahrzeugs 1. Das Prinzip des Ausführungsbeispiels kann aber entsprechend auf das zweite in 2 gezeigte Kraftfahrzeug übertragen werden.
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In Schritt S1 des Verfahrens wird eine den Fahrbetrieb betreffende Fahrzeuginformation erfasst. Relevante zu erfassende Fahrzeuginformationen wurden bereits mit Bezug auf 1 diskutiert. In Schritt S2 wird in Abhängigkeit der Fahrzeuginformation einer von mehreren Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs 1 ausgewählt. Aus Übersichtlichkeitsgründen beschränkt sich die folgende Diskussion auf vier verschiedene Betriebsmodi, wobei jedoch weitere Betriebsmodi denkbar sind. Die Fahrzeuginformation wird von einer Steuerungseinrichtung 8 des Kraftfahrzeugs 1 ausgewertet, die mit den die Fahrzeuginformation erfassenden Sensoren verbunden ist. In einem ersten Betriebsmodus wird das Kraftfahrzeug 1 von der elektrischen Maschine 4 angetrieben. In einem zweiten Betriebsmodus wird der Verbrennungsmotor 3 durch Zwischenspeichern von Energie in der elektrischen Maschine 4 gestartet. In einem dritten Betriebmodus wird Energie in der elektrischen Maschine 4 zwischengespeichert und anschließend von einem weiteren Verbraucher genutzt. In einem vierten Betriebsmodus wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs durch die elektrische Maschine 4 rekuperiert.
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Der erste der Betriebsmodi wird ausgewählt, wenn der elektrische Energiespeicher 7 einen zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 ausreichenden Ladezustand aufweist und wenn das Fahrzeug 1 beschleunigt werden soll. In diesem Fall wird die Kopplungseinrichtung in Schritt S3 in den ersten Kopplungszustand gebracht beziehungsweise in dem ersten Kopplungszustand gelassen. Zu diesem Zweck ist die Steuerungseinrichtung 8 dazu eingerichtet, einen elektromechanischen Aktor (nicht dargestellt) anzusteuern, der die Kopplungseinrichtung 5 vom ersten in den zweiten Kopplungszustand bringen kann und umgekehrt. Im Schritt S4 wird das Kraftfahrzeug 1 von der elektrischen Maschine 4 angetrieben.
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Der zweite der Betriebsmodi wird ausgewählt, wenn ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 3, insbesondere aufgrund eines niedrigen Ladezustands des elektrischen Energiespeichers 17, erfolgen soll. Die Kopplungseinrichtung wird dazu zunächst im Schritt S5 in den zweiten Kopplungszustand gebracht oder in diesem gelassen.
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Der Kaltstart des Verbrennungsmotors 3 soll in diesem Betriebsmodus durch in dem Rotor der elektrischen Maschine 4 gespeicherte kinetische Energie erfolgen. Dazu wird im Schritt S6 zunächst die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4 durch einen weiteren, mit der Steuerungseinrichtung 8 verbundenen Sensor (nicht dargestellt) erfasst. Im Schritt S7 vergleicht die Steuerungseinrichtung 8 die erfasste Drehzahl mit einem vorgegebenen Drehzahlgrenzwert. Der Drehzahlgrenzwert ist die kleinstmögliche Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4, bei der die in der elektrischen Maschine 4 gespeicherte kinetische Energie ausreicht, um den Verbrennungsmotor 3 zu starten.
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Beträgt die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 mindestens den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert, dann wird im Schritt S8 die elektrische Maschine 4 als Generator betrieben, wodurch der Rotor der elektrischen Maschine 4 abgebremst und die dadurch erzeugte elektrische Energiemenge zum Antrieb der als Riemenstartergenerator ausgebildeten weiteren elektrischen Maschine 12 genutzt wird, wodurch der Verbrennungsmotor 3 gestartet wird.
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Ist die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 hingegen kleiner als der vorgegebene Drehzahlgrenzwert, so wird vor dem Schritt S8 der Schritt S9 ausgeführt, in dem die elektrische Maschine 4 zunächst als Elektromotor betrieben und dadurch die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4 erhöht wird. Die dazu benötigte Energie wird von dem elektrischen Energiespeicher 17 bereitgestellt. Hat die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4 den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert erreicht, dann folgt Schritt S8.
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In Schritt S10 wird das Kraftfahrzeug 1 von dem Verbrennungsmotor 3 angetrieben. Wie bereits erläutert ist zu diesem Zweck der Verbrennungsmotor 3 durch die Trennkupplung 13 und das Getriebe 14 mit der als Kardanwelle ausgebildeten Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 gekoppelt.
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Durch den zweiten Betriebsmodus wird das oben geschilderte Problem bezüglich des Startens des Verbrennungsmotors 3 gelöst. So wird zum Start nicht mehr eine vergleichsweise hohe momentane Leistung einer Starterbatterie benötigt, sondern es wird stattdessen von dem elektrischen Energiespeicher 17 eine im Vergleich dazu geringe momentane Leistung zum Antrieben des Rotors der elektrischen Maschine 4 abverlangt. Dies ist in der Regel selbst bei niedrigen Ladezuständen des elektrischen Energiespeichers 17 beziehungsweise tiefen Temperaturen ohne weiteres möglich.
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In Schritt S2 ist es zudem möglich, dass ein dritter Betriebsmodus für das Kraftfahrzeug 1 ausgewählt wird. Dies ist dann der Fall, wenn ein weiter Verbraucher des Kraftfahrzeugs 1, wie beispielsweise ein Beleuchtungsmittel oder einen Kompressor einer Klimaanlage Energie benötigt, die zuvor in dem Rotor der elektrischen Maschine 4 zwischengespeichert werden soll. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Energiespeicher 17 oder ein weiterer Energiespeicher (nicht dargestellt), der zur Energieversorgung des weiteren Verbrauchers genutzt wird, einen niedrigen Ladezustand aufweist.
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Die in dem dritten der Betriebsmodi ausgeführten Schritte S11-S15 entsprechen im Wesentlichen den Schritten S5-S9 im zweiten Betriebsmodus: Die Kopplungseinrichtung wird in Schritt S11 in den zweiten Kopplungszustand gebracht oder in diesem gelassen. Im Schritt S12 wird die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4 erfasst. Im Schritt S13 vergleicht die Steuerungseinrichtung 8 die erfasste Drehzahl mit einem vorgegebenen, von dem weiteren Verbraucher abhängigen Drehzahlgrenzwert. Dabei ist dieser Drehzahlgrenzwert die kleinstmögliche Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4, bei der die in der elektrischen Maschine 4 gespeicherte kinetische Energie ausreicht, um die von dem weiteren Verbraucher benötigte Energiemenge bereitzustellen. Beträgt die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 mindestens den vorgegebenen, von dem weiteren Verbraucher abhängigen Drehzahlgrenzwert, dann wird in Schritt S14 die elektrische Maschine 4 als Generator betrieben und die dadurch erzeugte elektrische Energie zum Betrieb des weiteren Verbrauchers genutzt. Ist die Drehzahl hingegen kleiner als der vorgegebenen, von dem weiteren Verbraucher abhängigen Drehzahlgrenzwert, dann erfolgt vor dem Schritt S14 zunächst der Schritt S15, in dem analog zum Schritt S9 des zweiten Betriebsmodus die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 4 erhöht wird.
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Schließlich ist es in Schritt S2 möglich, dass ein vierter der Betriebsmodi ausgewählt wird. Der vierte der Betriebsmodi kann auch als Rekuperationsmodus bezeichnet werden und ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das Kraftfahrzeug 1 abgebremst werden soll. Dazu wird die Kopplungseinrichtung 5 in Schritt S16 in den ersten Kopplungszustand gebracht oder in diesem gelassen. Im Schritt S17 wird die elektrische Maschine 4 als Generator betrieben, wodurch die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 in elektrische Energie umgewandelt wird, durch die der elektrische Energiespeicher 17 aufgeladen oder für weitere geeignete Zwecke genutzt werden kann.
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Nach Abarbeitung der Schritte S4, S10, S14 beziehungsweise S17 kann das Verfahren unmittelbar oder nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls ab Schritt S1 wiederholt werden. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Wahl des jeweils benötigten Betriebsmodus.
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Um in der elektrischen Maschine 4 eine möglichst hohe kinetische Energiemenge speichern zu können und dadurch die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steigern ist die elektrische Maschine 4 über ein weiteres Getriebe 16 mit der Komponente 7 des Antriebsstrangs 6 verbunden, wobei die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 größer ist als die Drehzahl der Komponente 7 des Antriebsstrangs 6. Die beschriebene Kopplung der elektronischen Maschine 4 an die Komponente 7 beziehungsweise die Abtriebswelle 9 sind rein beispielhaft. Bedarfsgerecht wären auch andere Punkte zur Ankopplung an den Antriebsstrang 6 wählbar. Z. B. wäre eine Kopplung an das Differential oder an beliebige Wellen des Antriebsstrangs 6 möglich.
