DE102020117952A1 - Parallele Drehmomentübertragung bei Fahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Begrenzen eines von einem Verbrennungsmotor an ein Getriebe übertragenen Drehmoments, wobei das Drehmoment des Verbrennungsmotors gemessen oder anhand einer Kennlinie ermittelt wird, wobei bei einem Überschreiten eines Grenzwerts durch das Drehmoment des Verbrennungsmotors mindestens eine erste elektrische Maschine im Generatorbetrieb zum Begrenzen des vom Verbrennungsmotor an das Getriebe übertragenen Drehmoments betrieben wird. Des Weiteren ist ein Fahrzeug offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen eines von einem Verbrennungsmotor an ein Getriebe übertragenen Drehmoments sowie ein Fahrzeug zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
  • Die von einem Verbrennungsmotor bereitgestellte Antriebsleistung bzw. Drehmoment wird üblicherweise durch ein Getriebe an eine oder mehrere Achsen des Fahrzeugs übertragen, um das Fahrzeug zu bewegen. Üblicherweise ist das Getriebe auf das Fahrzeug und den Verbrennungsmotor abgestimmt und weist ein maximales Übertragungsdrehmoment auf. Der Einsatz eines leistungsfähigeren Verbrennungsmotors erfordert somit den Einsatz eines Getriebes mit einem höheren maximalen Übertragungsdrehmoment. Hierdurch steigen die Bauteilvielfalt und die Herstellungskosten des Fahrzeugs, da unterschiedliche Getriebe für unterschiedliche Motorisierungsvarianten konstruiert und bereitgestellt werden müssen.
  • Es sind Verfahren bekannt, welche das Drehmoment des Verbrennungsmotors durch eine Drehzahlsteuerung des Verbrennungsmotors drosseln und somit eine Überlastung des Getriebes vermeiden. Problematisch an einer derartigen, motorseitigen Begrenzung des Drehmoments ist jedoch die Verringerung der Effizienz des Verbrennungsmotors, da der Verbrennungsmotor nicht mehr in einem optimalen Drehzahlband betrieben wird. Des Weiteren wird durch die Begrenzung des Drehmoments des Verbrennungsmotors auch die Leistung des Verbrennungsmotors begrenzt und die Fahrdynamik des Fahrzeugs beeinträchtigt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Fahrzeug bereitzustellen, welche eine mechanische Überlastung eines Fahrzeuggetriebes, ohne eine Einschränkung der Motorleistung, verhindern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Begrenzen eines von einem Verbrennungsmotor an ein Getriebe übertragenen Drehmoments. Dabei wird in einem Schritt das Drehmoment des Verbrennungsmotors gemessen oder anhand einer Kennlinie ermittelt. Bei einem Überschreiten eines Grenzwerts durch das Drehmoment des Verbrennungsmotors wird mindestens eine erste elektrische Maschine im Generatorbetrieb zum Begrenzen des vom Verbrennungsmotor an das Getriebe übertragenen Drehmoments betrieben.
  • Durch das Verfahren kann ein überschüssiges Drehmoment des Verbrennungsmotors in die erste elektrische Maschine gespeist werden, um die mechanische Leistung in elektrische Leistung zu wandeln. Die elektrische Leistung kann anschließend beispielsweise von einer zweiten elektrischen Maschine ebenfalls in Antriebsleistung transferiert werden, welche direkt an einer Fahrzeugachse oder mindestens einem Fahrzeugrad anliegt. Durch diese Maßnahme kann ein überschüssiges Drehmoment, welches das Getriebe überlasten würde, um das Getriebe herum geleitet werden.
  • Durch das Vermeiden der Überlastung des Getriebes kann eine Schutzfunktion bereitgestellt werden, welche das Getriebe schützt, jedoch eine Drosselung der Leistung des Verbrennungsmotors vermeidet. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor effizient betrieben und eine maximale Fahrdynamik des Fahrzeugs ermöglicht werden.
  • Insbesondere kann durch das Verfahren ein für ein Getriebe überdimensionierter Verbrennungsmotor eingesetzt werden, ohne dass eine Lebensdauer des Getriebes herabgesetzt wird. Dabei kann die erste elektrische Maschine als ein Elektromotor ausgestaltet sein, welcher in einem Antriebsbetrieb oder in einen Generatorbetrieb betreibbar ist.
  • Beispielsweise kann die erste elektrische Maschine auf eine Übertragungswelle zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet sein oder mit der Übertragungswelle verbindbar sein.
  • Die Umschaltung der ersten elektrischen Maschine von dem Antriebsbetrieb in den Generatorbetrieb erfolgt in einer möglichen Ausgestaltung durch ein Steuergerät. Das Steuergerät ist ebenfalls mit einem Sensor verbindbar bzw. verbunden, um in verbundenem Zustand das Drehmoment des Verbrennungsmotors zu messen. Alternativ oder zusätzlich weist das Steuergerät eine hinterlegte Kennlinie auf, um beispielsweise das Drehmoment des Verbrennungsmotors basierend auf einer gemessenen Drehzahl zu ermitteln.
  • Das Verfahren wird vorzugsweise bei Hybridfahrzeugen eingesetzt, welche mindestens eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor aufweisen.
  • Das Getriebe ist in möglicher Ausgestaltung hierbei als ein Automatikgetriebe, ein teilautomatisch betätigbares Getriebe oder als ein manuell betätigbares Getriebe ausgestaltet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine generierte Leistung zum direkten oder indirekten Antreiben mindestens einer zweiten elektrischen Maschine verwendet. Durch diese Maßnahme kann die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Leistung zum Antreiben der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine genutzt werden. Das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment kann somit nahezu vollständig für eine Antriebsleistung eines Fahrzeugs verwendet werden, so dass eine optimale Fahrzeugdynamik trotz eines unterdimensionierten Getriebes ermöglicht wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine generierte Leistung durch eine Batterie, einen Kondensator und/oder durch einen elektromechanischen Wandler zwischengespeichert und zum indirekten Antreiben der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine verwendet. Somit ist eine Zwischenspeicherung der von der ersten elektrischen Maschine generierten elektrischen Leistung möglich.
  • Der Generatorbetrieb der ersten elektrischen Maschine in einer weiteren möglichen Ausgestaltung in Form einer Rekuperation umgesetzt. Vorzugsweise ist ein Grad der Rekuperation und damit ein Maß des überschüssigen Drehmoments des Verbrennungsmotors durch die erste elektrische Maschine einstellbar bzw. wird ein Grad der Rekuperation und damit ein Maß des überschüssigen Drehmoments des Verbrennungsmotors durch die erste elektrische Maschine eingestellt. Die Begrenzung des überschüssigen Drehmoments durch die erste elektrische Maschine kann somit variabel erfolgen.
  • Durch die Zwischenspeicherung der von der ersten elektrischen Maschine erzeugten Leistung können Lastspitzen bei der Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine verlustarm gedämpft werden. Somit kann trotz drehmomentbegrenzendem Getriebe fast das volle Motormoment bzw. das Drehmoment des Verbrennungsmotors in Antriebsleistung des Fahrzeugs umgesetzt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine generierte Leistung parallel zu einer bestehenden Batterie zum Betreiben der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine genutzt werden.
  • Das Getriebe des Fahrzeugs wird besonders optimal vor einer Überlastung durch das Drehmoment des Verbrennungsmotors geschützt, wenn der Grenzwert des Drehmoments, bei welchem die mindestens eine erste elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird, durch eine mechanische Belastbarkeit des Getriebes definiert wird. Dabei kann der Grenzwert des Drehmoments einen zusätzlichen Toleranzbereich aufweisen, um den Schutz des Getriebes zu verbessern.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform wird das von dem Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment in einen zweiten für das Getriebe zulässigen Drehmomentanteil und in einen ersten überschüssigen Drehmomentanteil aufgeteilt, wobei der erste Drehmomentanteil durch die mindestens eine erste elektrische Maschine in elektrische Leistung gewandelt wird. Der erste Drehmomentanteil kann somit mechanisch um das Getriebe umgeleitet und anschließend zum Laden einer Batterie oder zum Bereitstellen des überschüssigen Drehmomentanteils als Antriebsleistung des Fahrzeugs genutzt werden. Die Begrenzung des an das Getriebe geleiteten Drehmoments kann somit besonders effizient ausgestaltet sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug ist zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
  • Das Fahrzeug weist einen Verbrennungsmotor und ein Getriebe auf. Das Getriebe ist zum Antreiben von mindestens einer Achse mit dem Verbrennungsmotor koppelbar, wobei bei mit dem Verbrennungsmotor gekoppeltem Getriebe ein vom Verbrennungsmotor bereitgestelltes Drehmoment über mindestens eine erste elektrische Maschine an das Getriebe übertragbar ist. Die mindestens eine erste elektrische Maschine ist dazu ausgelegt, in einem Generatorbetrieb oder in einem Antriebsbetrieb zu operieren. Die mindestens eine erste elektrische Maschine ist dazu eingerichtet, das an das Getriebe übertragene Drehmoment des Verbrennungsmotors durch einen Generatorbetrieb zu begrenzen.
  • Eine Höhe eines Drehmoments, welches von der ersten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung genutzt wird, ist in möglicher Ausgestaltung variabel durch ein Steuergerät einstellbar.
  • Durch eine derartige Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine kann eine Schutzfunktion des Getriebes realisiert werden, welche den Einsatz eines „zu schwach“ ausgelegten Getriebes im Vergleich zum verwendeten Verbrennungsmotor erlaubt. Durch die Begrenzung des Drehmoments des Verbrennungsmotors wird eine Lebensdauer des Getriebes nicht herabgesetzt.
  • Gleichzeitig kann der Verbrennungsmotor seine vollständige Leistung und sein maximales Drehmoment entfalten, um eine optionale Fahrzeugdynamik bereitzustellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Fahrzeug mindestens eine zweite elektrische Maschine auf, wobei die mindestens eine zweite elektrische Maschine dazu ausgelegt ist, eine von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine generierte Leistung zu empfangen und in Antriebsleistung zu wandeln. Durch diese Maßnahme kann ein überschüssiges Drehmoment von der ersten elektrischen Maschine aufgenommen und in Form von elektrischer Energie an die zweite elektrische Maschine übertragen werden, um das nahezu vollständige Drehmoment des Verbrennungsmotors auf die Räder des Fahrzeugs zu übertragen.
  • Die mindestens eine erste elektrische Maschine kann dabei das überschüssige Drehmoment des Verbrennungsmotors im Rahmen eines Rekuperationsbetriebs „verbrauchen“ und eine mechanische Überlastung des Getriebes vermeiden.
  • Das von dem Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment kann besonders optimal auf unterschiedliche Räder des Fahrzeugs verteilt werden, wenn der Verbrennungsmotor über das Getriebe zum Antreiben einer ersten Achse und/oder einer zweiten Achse des Fahrzeugs und die mindestens eine zweite elektrische Maschine zum Antreiben der zweiten Achse des Fahrzeugs eingerichtet sind. Dabei kann der Antrieb der zweiten Achse durch die zweite elektrische Maschine unabhängig vom Verbrennungsmotor oder parallel zum Verbrennungsmotor in Form einer Kopplung durch eine Kartenwelle erfolgen. Beispielsweise ist die erste Achse des Fahrzeugs eine Vorderachse und die zweite Achse des Fahrzeugs eine Hinterachse.
  • Das Funktionsprinzip ist jedoch nicht auf den Einsatz von Fahrzeugen mit zwei Achsen beschränkt, sondern kann auf beliebige Fahrzeugarten ausgeweitet werden. Insbesondere kann bei Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen und dergleichen die von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Leistung auf mehrere zweite elektrische Maschinen verteilt und zum elektrischen Antreiben mehrere Achsen genutzt werden.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
    • 1 ein Fahrzeug gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zum Veranschaulichen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 1 zeigt ein Fahrzeug 1, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zum Begrenzen eines von einem Verbrennungsmotor 2 an ein Getriebe 4 übertragenen Drehmoments D auszuführen.
  • Das Fahrzeug 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 auf, welcher mit einem Getriebe 4 kraftleitend verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise als ein Ottomotor oder ein Dieselmotor ausgestaltet sein. Das Getriebe 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Automatikgetriebe ausgestaltet.
  • Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Getriebe 4 ist eine erste elektrische Maschine 6 angeordnet, welche dazu ausgelegt ist, ein Drehmoment D des Verbrennungsmotors 2 zu erhöhen oder zu verringern. Insbesondere kann die erste elektrische Maschine 6 durch ein Steuergerät 8 in einen Generatorbetrieb geschaltet werden, um einen ersten Drehmomentanteil D1 des Drehmoments D des Verbrennungsmotors 2 in elektrische Leistung zu wandeln.
  • Das Fahrzeug 1 weist eine zweite elektrische Maschine 10 auf. Die zweite elektrische Maschine 10 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel zum Antreiben einer zweiten Achse 14 des Fahrzeugs 1. Die zweite Achse 14 des Fahrzeugs 1 ist als eine Hinterachse ausgeführt. Eine erste Achse 12 des Fahrzeugs 1 stellt eine Vorderachse dar und ist beispielsweise nicht angetrieben.
  • Die zweite elektrische Maschine 10 kann die zweite Achse 14 unmittelbar antreiben. Das Getriebe 4 ist über eine Kardanwelle 16 ebenfalls mit der zweiten Achse 14 gekoppelt, sodass der Verbrennungsmotor 2 parallel zu der zweiten elektrischen Maschine 10 die zweite Achse 14 antreiben kann.
  • Die zweite elektrische Maschine 10 kann durch die elektrische Leistung, welche aus dem ersten Drehmomentanteil D1 von der ersten elektrischen Maschine 6 gewandelt wurde, angetrieben werden. Das Steuergerät 8 kann hierbei die Regelung und Steuerung der ersten elektrischen Maschine 6 und der zweiten elektrischen Maschine 10 übernehmen. Die zweite elektrische Maschine 10 ist hier ebenfalls als ein Elektromotor ausgestaltet, welcher in einem Generatorbetrieb oder in einem Antriebsbetrieb funktionieren kann.
  • Sobald das vom Verbrennungsmotor 2 bereitgestellte Drehmoment D zu groß für ein maximales Drehmoment des Getriebes 4 ist, zweigt die erste elektrische Maschine 6 einen variabel einstellbaren ersten Drehmomentanteil D1 von dem Drehmoment D des Verbrennungsmotors 2 ab. Das übrige Drehmoment bzw. ein zweiter Drehmomentanteil D2 wird an das Getriebe 4 geleitet und liegt unterhalb eines Grenzwerts des maximal zulässigen Drehmoments des Getriebes 4.
  • Der erste Drehmomentanteil D1 wird parallel zu der Kardanwelle 16 und der Übertragung des zweiten Drehmomentanteils D2 in Form von elektrischer Energie an die zweite elektrische Maschine 10 übertragen und dort in Antriebsleistung gewandelt. Somit wird das Getriebe 4 nicht überbelastet. Insbesondere wird trotz dem drehmomentbegrenzten Getriebe 4 fast das volle Drehmoment D des Verbrennungsmotors 2 in Antriebsleistung umgesetzt.
  • Das Drehmoment D des Verbrennungsmotors 2 entspricht dabei einem maximal möglichen und von einem Fahrer angefragten Drehmoment D, welches in zwei Drehmomentanteile D1, D2 aufgeteilt wird. Ein zweiter Drehmomentanteil D2 liegt unterhalb eines maximal vom Getriebe aufnehmbaren Drehmoments und wird an die Vorderachse 12 und/oder die Hinterachse 14 weitergegeben. Der erste Drehmomentanteil D1 entspricht einem überschüssigen Drehmoment, welches vom Getriebe nicht aufgenommen werden kann. Dieser erste Drehmomentanteil D1 wird dann direkt an die erste elektrische Maschine 6 geleitet, damit diese elektrische Leistung erzeugen kann, wobei diese erzeugte elektrische Leistung zum Antrieb der zweiten elektrischen Maschine 10 an der Hinterachse 14 verwendet wird.
  • Die von der ersten elektrischen Maschine 6 erzeugte elektrische Leistung wird direkt zur zweiten elektrischen Maschine 10 oder indirekt über eine Batterie 18 des Fahrzeugs 1 geleitet. Die zweite elektrische Maschine 10 kann hierbei auch von der Batterie 18 mit elektrischer Leistung versorgt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Verbrennungsmotor
    4
    Getriebe
    6
    erste elektrische Maschine
    8
    Steuergerät
    10
    zweite elektrische Maschine
    12
    erste Achse/Vorderachse
    14
    zweite Achse/Hinterachse
    16
    Kardanwelle
    18
    Batterie
    D
    Drehmoment des Verbrennungsmotors
    D1
    erster Drehmomentanteil
    D2
    zweiter Drehmomentanteil

Claims (8)

  1. Verfahren zum Begrenzen eines von einem Verbrennungsmotor (2) an ein Getriebe (4) übertragenen Drehmoments (D), wobei das Drehmoment (D) des Verbrennungsmotors (2) gemessen oder anhand einer Kennlinie ermittelt wird, wobei bei einem Überschreiten eines Grenzwerts durch das Drehmoment (D) des Verbrennungsmotors (2) mindestens eine erste elektrische Maschine (6) im Generatorbetrieb zum Begrenzen des vom Verbrennungsmotor (2) an das Getriebe (4) übertragenen Drehmoments (D) betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine (6) generierte Leistung zum direkten oder indirekten Antreiben mindestens einer zweiten elektrischen Maschine (10) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine (6) generierte Leistung durch eine Batterie (18), einen Kondensator und/oder durch einen elektromechanischen Wandler zwischengespeichert wird und zum indirekten Antreiben der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine (10) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Grenzwert des Drehmoments, bei welchem die mindestens eine erste elektrische Maschine (6) im Generatorbetrieb betrieben wird, durch eine mechanische Belastbarkeit des Getriebes (4) definiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das von dem Verbrennungsmotor (2) bereitgestellte Drehmoment (D) in einen zweiten für das Getriebe (4) zulässigen Drehmomentanteil (D2) und in einen ersten überschüssigen Drehmomentanteil (D1) aufgeteilt wird, wobei der erste Drehmomentanteil (D1) durch die mindestens eine erste elektrische Maschine (6) in elektrische Leistung gewandelt wird.
  6. Fahrzeug (1), welches zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist, aufweisend einen Verbrennungsmotor (2) und ein Getriebe (4), welches mit dem Verbrennungsmotor (2) koppelbar ist, zum Antreiben von mindestens einer Achse (12, 14), wobei ein vom Verbrennungsmotor (2) bereitgestelltes Drehmoment (D) über mindestens eine erste elektrische Maschine (6) an das Getriebe (4) übertragbar ist, und wobei die mindestens eine erste elektrische Maschine (6) dazu eingerichtet ist, das an das Getriebe (4) übertragene Drehmoment (D) des Verbrennungsmotors (2) durch einen Generatorbetrieb zu begrenzen.
  7. Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei das Fahrzeug (1) mindestens eine zweite elektrische Maschine (10) aufweist, wobei die mindestens eine zweite elektrische Maschine (10) dazu eingerichtet ist, eine von der mindestens einen ersten elektrischen Maschine (6) generierte Leistung zu empfangen und in Antriebsleistung zu wandeln.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Verbrennungsmotor (2) über das Getriebe (4) zum Antreiben einer ersten Achse (12) und/oder einer zweiten Achse (14) und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (10) zum Antreiben der zweiten Achse (14) des Fahrzeugs (1) eingerichtet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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