DE102019120123A1 - Verfahren zur Steuerung eines hybridischen Antriebsstrangs und Antriebsstrang - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hybridischen Antriebsstrangs (1) eines Kraftfahrzeugs und einen Antriebsstrang (1) zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Antriebseinheit (2) aus einer Brennkraftmaschine (3) und einer ersten Elektromaschine (4), einem einstufigen Getriebe (10) mit einer zweiten Elektromaschine (13) sowie einer zwischen der Antriebseinheit (2) und dem Getriebe (10) angeordneten Trennkupplung (7). Um insbesondere bei einer Beschleunigungsanforderung mehr Drehmoment bereitstellen zu können, wird bei einer Beschleunigungsanforderung des Kraftfahrzeugs die Trennkupplung (7) in einem Schlupfbetrieb betrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hybridischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs und einen Antriebsstrang zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Antriebseinheit aus einer Brennkraftmaschine und einer ersten Elektromaschine, einem einstufigen Getriebe mit einer zweiten Elektromaschine sowie einer zwischen der Antriebseinheit und dem Getriebe angeordneten Trennkupplung.
  • In den nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen Nr. 10 2018 130 775.6 und Nr. 10 2018 126 881.5 der Anmelderin sind gattungsgemäße Hybridantriebsstränge und Verfahren zu deren Steuerungen beschrieben, welche eine Antriebseinheit aus einer Brennkraftmaschine und einer ersten Elektromaschine sowie eine mittels einer Trennkupplung mit dieser verbindbaren zweiten Elektromaschine enthalten. Die Trennkupplung wird dabei während eines Beschleunigungsvorgangs unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine vollständig geschlossen (10 2018 130 775.6) beziehungsweise ein Anfahrvorgang wird rein elektrisch mittels der beiden Elektromaschinen durchgeführt (10 2018 126 881.5).
  • Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines gattungsgemäßen Antriebsstrangs und eines Verfahrens zu dessen Steuerung. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, während einer Beschleunigungsanforderung ein höheres Drehmoment beziehungsweise eine höhere Leistung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
  • Das vorgeschlagene Verfahren dient der Steuerung eines hybridischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Der hybridische Antriebsstrang enthält eine Antriebseinheit aus einer Brennkraftmaschine und einer ersten Elektromaschine. Die Brennkraftmaschine und/oder die erste Elektromaschine können separat oder hybridisch ein Antriebsmoment liefern. Die erste Elektromaschine kann die Brennkraftmaschine starten. Die erste Elektromaschine kann generatorisch von der Brennkraftmaschine abgetriebenen Strom insbesondere zur Ladung eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise eines Akkumulators und/oder Leistungskondensators liefern.
  • Der Antriebseinheit ist ein einstufiges Getriebe nachgeschaltet, wobei diesem beispielsweise vor einem Differential zum Antrieb von zwei oder vier Antriebsrädern eine zweite Elektromaschine zugeordnet, beispielsweise auf einem Zahnrad des Getriebes angeordnet oder dem Getriebe nachgeschaltet ist. Die zweite Elektromaschine kann ein Kraftfahrzeug mit dem vorgeschlagenen Antriebsstrang rein elektromotorisch oder in Verbindung mit der Antriebseinheit antreiben. Zwischen dem Getriebe und der Antriebseinheit ist eine Trennkupplung vorgesehen, so dass das Kraftfahrzeug bei offener Trennkupplung, beispielsweise einer nass oder trocken betriebenen automatisiert betätigten Reibungskupplung ausschließlich mittels der zweiten Elektromaschine angetrieben werden kann, die Brennkraftmaschine mittels der ersten Elektromaschine gestartet und der elektrische Energiespeicher mittels der von der Brennkraftmaschine angetriebenen ersten Elektromaschine geladen und/oder mittels der zweiten Elektromaschine rekuperiert werden kann. Weitere Betriebsarten des Antriebsstrangs können entsprechend vorgesehen sein.
  • Die Trennkupplung kann als Anfahrkupplung vorgesehen sein, so dass bei geschlossener oder sich schließender Trennkupplung mittels der Antriebseinheit und gegebenenfalls zusätzlich mit der zweiten Elektromaschine angefahren werden kann.
  • Die Übersetzung wie Festübersetzung des einstufigen Getriebes kann derart ausgelegt sein, dass kleine Drehzahlen der Antriebsräder beziehungsweise Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs in bevorzugter Weise durch die zweite Elektromaschine und größere Drehzahlen alternativ oder zusätzlich durch die Antriebseinheit abgedeckt werden. Beispielsweise kann die Übersetzung des Getriebes derart ausgelegt sein, dass eine Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine bei schlupffrei betätigter Trennkupplung beispielsweise einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 30 km/h und 70 km/h, bevorzugt zwischen 45 km/h und 55 km/h entspricht.
  • Um bei einer Beschleunigungsanforderung des Kraftfahrzeugs beispielsweise durch den Fahrer oder einer Steuereinrichtung eines autonom fahrenden Kraftfahrzeugs eine gegebenenfalls erwünschte hohe Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu erzielen, wird mit dem Antriebsmoment der Brennkraftmaschine und der beiden Elektromaschinen beschleunigt. Um zudem ein vergrößertes Drehmoment beziehungsweise eine größere Leistung der Brennkraftmaschine bei höheren Drehzahlen zu erzielen, wird die Trennkupplung bei einer entsprechenden Beschleunigungsanforderung in einem Schlupfbetrieb betrieben. Gemäß üblichen Motorkennfeldern steht bei Brennkraftmaschinen in einem vorgegebenen Drehzahlbereich bei höheren Drehzahlen als beispielsweise der Leerlaufdrehzahl ein größeres Drehmoment beziehungsweise eine größere Leistung zur Verfügung, so dass in einem Schlupfbetrieb der Trennkupplung eine höhere Differenzdrehzahl zwischen den Antriebsrädern und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine im Rahmen der Übertragungsmöglichkeit der Trennkupplung zugelassen werden kann. Eine Drehmoment- beziehungsweise Leistungsentfaltung der ersten Elektromaschine kann in diesem Drehzahlbereich dagegen als im Wesentlichen konstant angenommen werden. In besonderen Betriebsarten, beispielsweise bei schlecht geladenem elektrischen Energiespeicher kann die erste Elektromaschine während eines Beschleunigungsvorgangs mit einem verminderten oder ohne Drehmomentbeitrag betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann in entsprechenden Betriebsarten die zweite Elektromaschine stromlos betrieben werden.
  • Beispielsweise kann während eines Beschleunigungsvorgangs der Schlupfbetrieb bei Erreichen einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine gestartet werden. Je nach Betriebsart kann dabei die Trennkupplung vor Einleitung des Schlupfbetriebs beispielsweise bei stillstehender Brennkraftmaschine vollständig geöffnet oder die Trennkupplung vollständig geschlossen sein.
  • Der Schlupfbetrieb kann bis zu einer vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden. Beispielsweise kann der Schlupfbetrieb abgeschaltet werden, wenn ein Drehmomentmaximum der Brennkraftmaschine oder eine vorgegebene Leistungsabgabe erreicht ist.
  • Beispielsweise kann der Schlupfbetrieb der Trennkupplung abhängig von einem Energieeintrag in die Trennkupplung gesteuert werden. Hierbei wird ein Schlupf, also eine Differenzdrehzahl zwischen dem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und dem Rotor der ersten Elektromaschine drehfest verbundenen Eingangsteil der Trennkupplung und dem mit einer Getriebeeingangswelle des Getriebes drehfest verbundenen Ausgangsteil der Trennkupplung derart begrenzt, dass ein dauerhaft oder kurzfristig während des Schlupfbetriebs über die Trennkupplung übertragbares Kupplungsmoment für die Trennkupplung unschädlich ist. Das unschädlich übertragbare Kupplungsmoment kann dabei anhand der in die Trennkupplung eingetragenen Reibenergie, einer anhand eines Kupplungstemperatursensors oder eines Kupplungstemperaturmodells der Trennkupplung und/oder dergleichen bestimmt werden. Hierbei kann aufgrund des ermittelten Energieeintrags in die Trennkupplung der Schlupfbetrieb insgesamt ein- oder ausgeschaltet werden oder eine Schlupfdrehzahl abhängig von einem Energieeintrag in die Trennkupplung gesteuert werden. Hierbei kann bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Energieeintrags in die Trennkupplung die Trennkupplung unter Hinnahme einer verminderten Beschleunigung vollständig geschlossen werden. Alternativ kann bei nicht vollständig abgerufenem Drehmoment der Elektromaschinen zumindest eine der Elektromaschinen - soweit abhängig vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers möglich - mit einem höher möglichen Drehmoment betrieben werden.
  • Eine Beschleunigungsanforderung kann beispielsweise vom Fahrer mittels eines Kick-Down-Signals des Fahrpedals erfolgen. Hierbei kann ein entsprechender Sensor des Fahrpedals die Beschleunigung, den Pedalwinkel und/oder einen Anschlag des Pedals erfassen, woraus eine Schwelle beispielsweise in Form eines Schwellwerts ermittelt wird. Der Schlupfbetrieb wird dabei abhängig von dieser betätigt beziehungsweise eingeleitet. Alternativ kann die Schwelle in einer Steuereinheit zum autonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs mit dem hybridischen Antriebsstrang bestimmt und ausgegeben werden. Die Schwelle kann einstellbar, beispielsweise kalibrierbar, adaptierbar und/oder dergleichen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schwelle abhängig von einer vom Fahrer gewünschten und vorgebbaren Betriebsart, beispielsweise sportlich oder ökonomisch einstellbar vorgesehen sein.
  • Wird eine Korrektur der Beschleunigungsanforderung vorgenommen, indem beispielsweise die Schwelle unterschritten wird, wird die Trennkupplung vollständig geschlossen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit aus einer Brennkraftmaschine und einer ersten Elektromaschine, einem einstufigen Getriebe mit einer zweiten Elektromaschine sowie einer zwischen der Antriebseinheit und dem Getriebe angeordneten Trennkupplung zur Durchführung des vorher beschriebenen Verfahrens gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines hybridischen Antriebsstrangs,
    • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung des Antriebsstrangs der 1 und
    • 3 ein Diagramm einer Drehmoment- und Leistungsentfaltung des Antriebsstrangs der 1 abhängig von der Drehzahl
  • Die 1 zeigt den hybridischen Antriebsstrang 1 für ein Kraftfahrzeug in schematischer Darstellung. Die Antriebseinheit 2 ist aus der Brennkraftmaschine 3 und der ersten Elektromaschine 4 gebildet. Die Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 3 und der Rotor 6 der ersten Elektromaschine 4 sind drehfest mit dem Eingangsteil 8 der automatisiert betätigten Trennkupplung 7 verbunden. Das Ausgangsteil 9 der Trennkupplung 7 ist drehfest mit der Getriebeeingangswelle 11 des einstufig mit fester Übersetzung ausgebildeten Getriebes 10 verbunden. Die Getriebeausgangswelle 12 des Getriebes 10 ist drehfest mit dem Rotor 14 der zweiten Elektromaschine 13 verbunden. Die Getriebeausgangswelle 12 ist mit den Antriebsrädern, von denen nur das einzelne Antriebsrad 15 gezeigt ist, mittels eines nicht näher gezeigten Differentials drehschlüssig verbunden.
  • Ist die Trennkupplung 7 vollständig, das heißt ohne Schlupf geschlossen, entspricht die Drehzahl der Kurbelwelle 5 der Drehzahl der Getriebeeingangswelle 11 und überträgt ein Drehmoment beziehungsweise eine Leistung abhängig von der Übersetzung des Getriebes 10 und des Differentials auf die Antriebsräder 15. Ist die Drehzahl der Antriebsräder 15 und damit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs mit dem Antriebsstrang entsprechend gering, entfaltet Brennkraftmaschine 3 bedingt durch ihr Funktionsprinzip bei kleinen Drehzahlen nur ein geringes Drehmoment und eine geringe Leistung. Um die Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 insbesondere während einer Beschleunigungsanforderung zu steigern, wird die Trennkupplung 7 im Schlupfbetrieb betrieben, so dass bei vorgegebener Drehzahl der Antriebsräder 15 die Drehzahl der Kurbelwelle 5 angehoben und aufgrund der Motorkennlinie die Brennkraftmaschine 3 ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistung über die schlupfende Trennkupplung 7 auf die Getriebeeingangswelle 11 und über das Getriebe 10 auf die Getriebeausgangswelle 12 und die Antriebsräder 15 übertragen kann, die die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs erhöhen. Dabei wird laufend durch Erfassung beispielsweise der Kupplungstemperatur und/oder der aus der Differenzdrehzahl zwischen Eingangsteil 8 und Ausgangsteil 9 der Trennkupplung 7 in die Trennkupplung 7 eingetragene Energie ermittelt und gegebenenfalls der Schlupfbetrieb vor einer Schädigung der Trennkupplung 7 abgebrochen.
  • Die 2 zeigt das Ablaufdiagramm 100 zum Betrieb des Antriebsstrangs 1 der 1 zur Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine 3 während einer Beschleunigungsanforderung. In Block 101 wird die in dem Ablaufdiagramm beschriebene Routine, die beispielsweise in einem Steuergerät, beispielsweise dem Kupplungssteuergerät der Trennkupplung 7 gespeichert sein kann, aufgerufen und in Block 102 initialisiert. In der Verzweigung 103 wird abgefragt, ob ein Befehl zum Schließen der Trennkupplung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird auf die Verzweigung 103 zurückgeführt. Liegt ein Befehl zum Schließen der Trennkupplung 7 vor, wird in Verzweigung 104 abgefragt, ob eine Beschleunigungsanforderung vorliegt, indem beispielsweise eine Schwelle für einen Kick-Down des Fahrpedals durch den Fahrer überschritten ist. Ist diese Schwelle nicht überschritten, liegt keine Beschleunigungsanfrage vor, wird zur Verzweigung 103 rückgeführt.
  • Wird eine Beschleunigungsanfrage erkannt, wird von der Verzweigung 104 auf den Block 105 übergeleitet, in dem eine vorgegebene Schlupfdrehzahl an der Trennkupplung eingeregelt wird. Eine Vorgabe des Schlupfs, das heißt der Größe der Schlupfdrehzahldifferenz zwischen der Kurbelwelle 5 und der Getriebeeingangswelle 11 erfolgt dabei abhängig von einer statischen oder dynamischen Energieaufnahmefähigkeit der Trennkupplung 7 und wird durch diese bestimmt und begrenzt. Die statische Energieaufnahmefähigkeit ergibt sich aus der entsprechenden Auslegung der Trennkupplung 7 beispielsweise mit einer Reibfläche, Reibbelagstärke und Typ der Trennkupplung - nass oder trocken. Die dynamische Energieaufnahmefähigkeit ergibt sich aus dem Vorbetrieb der Trennkupplung, von Umweltbedingungen und dergleichen.
  • In der Verzweigung 106 wird abgefragt, ob der maximale Energieeintrag in die Trennkupplung erreicht ist oder ob die Schwelle der Beschleunigungsanfrage unterschritten ist. Ist keine der beiden Bedingungen erfüllt, wird zur Verzweigung 106 rückgeführt, das heißt, der Schlupfzustand bleibt erhalten. Ist eine der beiden Bedingungen erfüllt, wird in Block 107 der Schlupfbetrieb beendet, die Trennkupplung 7 vollständig geschlossen und auf Verzweigung 103 rückgeführt.
  • Die 3 zeigt unter Bezug auf die 1 das Diagramm 200 der Leistung P beziehungsweise des Drehmoments M der Brennkraftmaschine 3 der 1 über die Drehzahl n der Kurbelwelle 5.
  • Die Kurve 201 zeigt den Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine 3 ohne schlupfende Trennkupplung 7, die Kurve 202 den Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine 3 mit der Trennkupplung 7 im Schlupfbetrieb. Die Kurve 204 zeigt den Leistungsverlauf der Brennkraftmaschine 3 ohne schlupfende Trennkupplung 7 und die Kurve 203 den Leistungsverlauf der Brennkraftmaschine 3 mit der Trennkupplung im Schlupfbetrieb. In dem Drehzahlbereich Δn der Brennkraftmaschine 3 stellt sich bei schlupfender Trennkupplung 7 jeweils eine höhere Leistung beziehungsweise ein höheres Drehmoment aufgrund der gesteigerten Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 ein, so dass ein in dem Drehzahlbereich Δn geschalteter Schlupfbetrieb bei kleineren Drehzahlen, beispielsweise zwischen der Leerlaufdrehzahl n1 und einer vorgegebenen Drehzahl n2 eine Beschleunigungssteigerung bei einer Beschleunigungsanforderung ergibt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Antriebseinheit
    3
    Brennkraftmaschine
    4
    Elektromaschine
    5
    Kurbelwelle
    6
    Rotor
    7
    Trennkupplung
    8
    Eingangsteil
    9
    Ausgangsteil
    10
    Getriebe
    11
    Getriebeeingangswelle
    12
    Getriebeausgangswelle
    13
    Elektromaschine
    14
    Rotor
    15
    Antriebsrad
    100
    Ablaufdiagramm
    101
    Block
    102
    Block
    103
    Verzweigung
    104
    Verzweigung
    105
    Block
    106
    Verzweigung
    107
    Block
    200
    Diagramm
    201
    Kurve
    202
    Kurve
    203
    Kurve
    204
    Kurve
    M
    Drehmoment
    n
    Drehzahl
    n1
    Leerlaufdrehzahl
    n2
    Drehzahl
    P
    Leistung
    Δn
    Drehzahlbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018130775 [0002]
    • DE 102018126881 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung eines hybridischen Antriebsstrangs (1) eines Kraftfahrzeugs mit einer Antriebseinheit (2) aus einer Brennkraftmaschine (3) und einer ersten Elektromaschine (4), einem einstufigen Getriebe (10) mit einer zweiten Elektromaschine (13) sowie einer zwischen der Antriebseinheit (2) und dem Getriebe (10) angeordneten Trennkupplung (7), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Beschleunigungsanforderung des Kraftfahrzeugs die Trennkupplung (7) in einem Schlupfbetrieb betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupfbetrieb bei Erreichen einer Leerlaufdrehzahl (n1) der Brennkraftmaschine (3) gestartet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupfbetrieb bis zu einer vorgegebenen Drehzahl (n2) der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupfbetrieb abhängig von einem Energieeintrag in die Trennkupplung (7) gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlupfdrehzahl abhängig von einem Energieeintrag in die Trennkupplung (7) gesteuert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Energieeintrags in die Trennkupplung (7) die Trennkupplung (7) vollständig geschlossen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupfbetrieb abhängig von einer Schwelle einer Betätigung eines Fahrpedals betätigt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle einstellbar ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Unterschreiten der Schwelle die Trennkupplung (7) vollständig geschlossen wird.
  10. Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit (2) aus einer Brennkraftmaschine (3) und einer ersten Elektromaschine (4), einem einstufigen Getriebe (10) mit einer zweiten Elektromaschine (13) sowie einer zwischen der Antriebseinheit (2) und dem Getriebe (10) angeordneten Trennkupplung (7) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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