DE69617870T2

DE69617870T2 - Antriebssystem für Hybridfahrzeug, wobei die Vorrichtung zum Mischen der Leistungsabgabe von Verbrennungs- und Elektromotor und das Getriebe nebeneinander angeordnet sind

Info

Publication number: DE69617870T2
Application number: DE69617870T
Authority: DE
Inventors: Seitoku Kubo; Kunio Morisawa; Yutaka Taga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: EP0769404B1; JPH09109705A; DE69617870D1; JP3047792B2; US5895333A; EP0769404A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein sogenanntes Hybridantriebssystem für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs und im Besonderen auf Verbesserungen bei einem Hybridantriebssystem in der Art mit einem Zusammenfügemechanismus zum mechanischen Zusammenfügen der Ausgangsleistungen eines Elektromotors und einer Brennkraftmaschine und zum Übertragen der Resultanten dieser Ausgangsleistungen zu einem Getriebe.

Diskussion des Standes der Technik

Als eine Vorrichtung für den Antrieb eines Fahrzeugs, wie z. B. eines Kraftfahrzeugs, wurde ein Hybridantriebssystem vorgeschlagen, das für eine Reduktion der Abgase ausgelegt ist und das (a) einen durch elektrische Energie betriebenen Elektromotor, (b) eine durch Verbrennung eines Brennstoffs betriebene Brennkraftmaschine und (c) einen Zusammenfügemechanismus aufweist, der hydraulisch betätigte Kupplungen umfaßt und funktionell mit einem Getriebe in Verbindung steht, zum mechanischen Zusammenfügen einer Ausgangsleistung des Elektromotors und einer Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine und zum Übertragen einer Resultanten dieser Ausgangsleistungen zum Getriebe. Ein Beispiel eines derartigen Hybridantriebssystem ist im US-Patent Nr. 5,258,651 offenbart, bei dem als Zusammenfügemechanismus ein Planetengetriebemechanismus Verwendung findet und bei dem der Elektromotor radial außerhalb des Zusammenfügemechanismus angeordnet ist. Bei diesem Hybridantriebssystem sind der Zusammenfügemechanismus, der Elektromotor und die Brennkraftmaschine als eine Einheit innerhalb eines einzigen Gehäuses koaxial zueinander angeordnet; das Getriebe ist über eine Kette mit der Ausgangswelle des Zusammenfügemechanismus verbunden und nicht axial angrenzend an die Einheit angeordnet.
Das vorstehend genannte Getriebe enthält im Allgemeinen hydraulisch betätigte Kupplungen und Bremsen für Schaltaktionen und bedarf einer Schmierung seiner Komponenten. Ebenso enthält der Zusammenfügemechanismus hydraulisch betätigte Kupplungen, die zwischen seinen Komponenten und zwischen den Komponenten und der Brennkraftmaschine angeordnet sind, und bedarf einer Schmierung seiner Komponenten. Im Hybridantriebssystem, bei dem das Getriebe und der Zusammenfügemechanismus nicht aneinander angrenzend angeordnet sind, ist die Hydraulikanordnung für das Arbeitsfluid für die Kupplungen und Bremsen wie auch die Schmierungsanordnung für gewöhnlich unerwünscht kompliziert und leidet unter einer komplizierten Leitungsverlegung und Ausbildung der Ölkanäle.
Das Dokument WO 94/10001 offenbart ein Hybridantriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Hybridantriebssystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches so konzipiert ist, dass sich die Leitungsverlegung des hydraulischen Systems und des Schmierungssystems vereinfacht.
Diese Aufgabe wird durch das Hybridantriebssystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Im vorliegenden Hybridantriebssystem der vorliegenden Erfindung, welches wie vorstehend beschrieben konzipiert ist, sind der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe aneinander angrenzend angeordnet, wodurch sich die Leitungssysteme zum Versorgen der hydraulisch betätigten Kupplungseinrichtung mit einem unter Druck stehenden Arbeitsfluid und zum Schmieren des Zusammenfügemechanismus und des Getriebes vereinfachen.
Die Brennkraftmaschine, der Elektromotor, der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe sind vorzugsweise in der Reihenfolge der Beschreibung koaxial zueinander angeordnet, so dass der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe axial nebeneinander liegen. Diesbezüglich wird darauf hingewiesen, dass die Brennkraftmaschine und der Elektromotor kein unter Druck stehendes Arbeitsfluid und Schmieröl benötigen, wohingegen der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe unter Druck stehendes Arbeistfluid und Schmieröl benötigen.
Der Zusammenfügemechanismus kann eine durch die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung funktionell mit der Brennkraftmaschine, dem Elektromotor und dem Getriebe in Verbindung stehende Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen aufweisen. Die Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen kann aus einem Planetengetriebesatz mit einem durch die hydraulisch betätigte Kupplungeinrichtung mit der Brennkraftmaschine in Verbindung stehenden Hohlrad, einem mit dem Elektromotor in Verbindung stehenden Sonnenrad und einem mit dem Getriebe in Verbindung stehenden Träger bestehen. Alternativ dazu kann die Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen aus einem Kegelrad-Differentialgetriebemechanismus bestehen. Die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung kann eine zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor angeordnete hydraulisch betätigte Kupplung, wie z. B. eine Einscheiben- oder Mehrscheiben-Reibungskupplung, aufweisen. Die Kupplungseinrichtung kann ferner eine weitere hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung aufweisen, welche zwischen zwei ausgewählten Elementen der Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen angeordnet ist. Wenn die Getriebevorrichtung der Bauart mit den Bauelementen ein Planetengetriebesatz ist, kann das Antriebssytem so ausgelegt sein, dass ein Hohlrad des Planetengetriebes durch eine erste hydraulisch betätigte Kupplung mit der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, und dass ein Sonnenrad und ein Träger des Planetengetriebesatzes mit dem Elektromotor bzw. der Eingangswelle des Getriebes in Verbindung stehen, wobei zwischen dem Sonnenrad und dem Träger eine zweite hydraulisch betätigte Kupplung angeordnet sein kann.
Das Getriebe kann aus einem Zahnrad-Getriebe mit einer Vielzahl von Übersetzungs- oder Drehzahlverhältnissen bestehen. Das Zahnrad-Getriebe kann beispielsweise aus einem Parallel-2-Achsen-Getriebe bestehen, welches eine Eingangswelle, eine parallel zur Eingangswelle angeordnete Ausgangswelle und eine Vielzahl von Zahnradsätzen aufweist, die jeweils aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern, die auf der Eingangs- bzw. Ausgangswelle vorgesehen sind, bestehen.
Das Zahnrad-Getriebe kann hydraulisch betätigte Kupplungen oder Aktuatoren zum automatischen Schalten oder manuell betätigte Kupplungen zum manuellen Schalten des Zahnrad-Getriebes aufweisen. Das Getriebe kann jedoch auch ein stufenlos verstellbares Getriebe, wie z. B. ein Toroid-Getriebe, sein, dessen Übersetzungsverhältnis sich durch einen hydraulischen Aktuator stufenlos verstellen läßt.
Das vorliegende Hybridantriebssystem kann ferner einen zwischen der Brennkraftmaschine und dem Zusammenfügemechanismus angeordneten Dämpfer aufweisen. Der Dämpfer kann eine Feder, ein Gummielement oder ein beliebig anderes elastisches Element zum Absorbieren einer Schwankung in der Drehbewegung der Brennkraftmaschine aufweisen. Wenn die Brennkraftmaschine, der Elektromotor, der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe in der Reihenfolge der Beschreibung koaxial zueinander angeordnet sind, kann der Dämpfer zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor angeordnet sein. In diesem Fall kann der Elektromotor eine hohle Ausgangswelle aufweisen, durch welche eine Welle zum Verbinden des Dämpfers mit dem Zusammenfügemechanismus verläuft.
Das Gehäuse kann eine zweite Trennwand aufweisen, die den zweiten Abschnitt in zwei miteinander kommunizierende Räume unterteilt. Ölkanäle zum Versorgen der hydraulischen Kupplungeinrichtung des Zusammenfügemechanismus können in der ersten und zweiten Trennwand vorgesehen oder durch die erste und zweite Trennwand wenigstens teilweise vorgegeben sein.
Das Hybridantriebssystem kann ferner einen Elektrogenerator zum Erzeugen der für den Betrieb des Elektromotors verwendeten elektrischen Energie aufweisen. Auch kann der Elektromotor als der Elektrogenerator fungieren. Das Antriebssystem kann nämlich einen Elektromotor/Generator verwenden, welcher in Abhängigkeit von dem gewählten Betriebsmodus des Antriebssystems entweder als Elektromotor oder als Elektrogenerator betrieben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Vorstehende und optionale Gegenstände, Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutsamkeit dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung gegenwärtiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung eines gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung konzipiertes Hybridantriebssystems zeigt;
Fig. 2A und 2B schematische Ansichten sind, die zwei Beispiele für ein im Hybridantriebssystem von Fig. 1 verwendetes Automatikgetriebe zeigen;
Fig. 3 ein Ablaufschema ist, das eine Routine zur Wahl der Betriebsmodi des Hybridantriebssystems von Fig. 1 veranschaulicht;
Fig. 4 eine schematische Ansicht ist, die ein Hybridantriebssystem gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Hybridantriebsssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Zunächst wird auf die schematische Ansicht von Fig. 1 Bezug genommen; das darin gezeigte Hybridantriebssystem ist gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit frontseitiger Antriebsmaschine und Heckantrieb konzipiert. Das Hybridantriebssystem weist eine Antriebsmaschine in Gestalt einer durch Verbrennung eines Brennstoffs betriebenen Brennkraftmaschine 10 mit innerer Verbrennung, einen Dämpfer 12 der Feder-Bauart zum Verhindern einer Schwankung in der Drehbewegung der Brennkraftmaschine 10, einen durch elektrische Energie betriebenen Elektromotor in Gestalt eines Elektromotors/Generators 14, ein Automatikgetriebe 16 und einen Zusammenfügemechanismus 18 auf, welcher ausgelegt ist, um eine Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 10 und eine Ausgangsleistung des Elektromotors 14 mechanisch zusammenzufügen oder zu verbinden und eine Resultante dieser Ausgangsleistungen zum Automatikgetriebe 16 zu übertragen. Die Brennkraftmaschine 10, der Feder-Dämpfer 12, der Elektromotor/Generator 14, der Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 sind in der Reihenfolge der Beschreibung in einem Gehäuse 20 koaxial zueinander angeordnet. Der Zusammenfügemechanismus 18 ist eine Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen in Gestalt eines Planetengetriebes.
Das Gehäuse 20 des Hybridantriebssystems weist drei Trennwände 20a, 20b, 20c uaf und ist durch diese Trennwände in vier Räume 22, 24, 26 und 28 unterteilt. Der erste Raum 22 steht zur Umgebung hin offen und nimmt die Brennkraftmaschine 10 und den Feder-Dämpfer 12 auf. Der zweite Raum 24 ist durch Öldichtungen, die an den Drehachsen des Antriebssystems vorgesehen sind, fluiddicht abgedichtet und somit vor dem Eintritt von Wasser und Schmiermittel geschützt. Im zweiten Raum 24 ist der Elektromotor/Generator 14 untergebracht. Im dritten und vierten Raum 26, 28, die miteinander kommunizieren, sind der Zusammenfügemechanismus 18 bzw. das Automatikgetriebe 16 aufgenommen. Diese miteinander kommunizierenden Räume 26, 28 sind durch Öldichtungen fluiddicht abgedichtet und werden mit einem Schmiermittel zum Schmieren des Zusammenfügemechanismus 18 und des Automatikgetriebes 16 versorgt. Der zweite und dritte Raum 24, 26 sind fluiddicht voneinander getrennt. Es wird darauf hingewiesen, dass die schematische Ansicht von Fig. 1 nur die obere Hälfte des Hybridantriebssystems zeigt, da der Feder-Dämpfer 12, der Elektromotor/Generator 14, der Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 in Bezug auf die Drehachse des Hybridantriebssystems jeweils im wesentlichen symmetrisch sind.
Die Brennkraftmaschine 10 hat eine Ausgangswelle in Gestalt einer Kurbelwelle 30, welche durch den Feder- Dämpfer 12 mit einer Welle 32 des Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 in Verbindung steht. Die Welle 32 steht durch eine erste hydraulisch betätigte Kupplung 34 mit einem Hohlrad 18r des Zusammenfügemechanismus 18 in Verbindung. Diese erste Kupplung 34 ist eine Reibungskupplungsvorrichtung mit durch einen hydraulischen Aktuator axial verschobenen Reibscheiben oder Reibplatten. Das Planetengetriebe des Zusammenfügemechanismus 18 ist von der Bauart mit einem Kleinrad und hat ein mit einer Ausgangswelle 36 des Elektromotors/Generators 14 in Verbindung stehendes Sonnenrad 18s und einen mit einer Eingangswelle 38 des Automatikgetriebes 16 in Verbindung stehenden Träger 18c. Die Ausgangswelle 36 des Elektromotors/Generators 14 ist ein hohles Bauteil, durch welches die Welle 32 des Zusammenfügemechanismus 18 verläuft. Zwischen dem Sonnenrad 18s und dem Träger 18c ist eine zweite hydraulisch betätigte Kupplung 40 angeordnet, welche ebenfalls eine mit einem hydraulischen Auktuator versehene Reibungskupplungsvorrichtung ist. Diese zweite Kupplung 40 ist zwischen der Trennwand 20b und dem Zusammenfügemechanismus 18 angeordnet und wird durch Ölkanäle, die in der Trennwand 20b vorgesehen sind, mit einem Arbeitsfluid versorgt. Andererseits ist die erste Kupplung 34 zwischen der Trennwand 20c und dem Zusammenfügemechanismus 18 angeordnet und wird durch Ölkanäle, die in der Trennwand 20c vorgesehen sind, mit Arbeitsfluid versorgt. Das Arbeitsfluid wird durch eine Ölpumpe 42, die durch einen Elektromotor angetrieben wird, unter Druck gesetzt und zugeführt. Das hydraulische System zum Betätigen der ersten und zweiten Kupplung 34, 40 weist somit die in den Trennwänden 20b, 20c vorgesehenen Ölkanäle auf.
Das Automatikgetriebe 16 kann ein Getriebe 16a in der Bauart mit zwei parallelen Achsen- sein, wie es in Fig. 2A gezeigt ist, oder ein Getriebe 16b in der Bauart eines Planetengetriebes, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Im Parallel-2-Achsen-Getriebe 16a von Fig. 2A ist eine Ausgangswelle 44 parallel zu einer Eingangswelle 38 angeordnet, und vier Zahnradsätze, die jeweils aus zwei Zahnrädern bestehen, sind auf der Eingangs- und Ausgangswelle 38, 40 in der Weise vorgesehen, dass die beiden Zahnräder jedes Satzes auf der Eingangs- bzw. Ausgangswelle 38, 44 montiert sind und ineinander eingreifen. Das Getriebe 16a weist zwei hydraulisch betätigte Kupplungen C1, C2 auf, die jeweils eine Reibungskupplungsvorrichtung mit durch einen hydraulischen Aktuator axial bewegten Reibscheiben ist. Das Getriebe 16a weist des weiteren zwei hydraulisch betätigten Kupplungen C3, C4 auf, die jeweils eine durch einen hydraulischen Aktuator axial bewegte Schiebehülse zum Kuppeln zweier Zahnräder aufweisen. Mit den selektiv betätigten und gelösten Kupplungen C1 bis C4 wird das Getriebe 16a in eine Stellung aus einer Neutralstellung zum Trennen der Ausgangswelle 40 von der Eingangswelle 38 und vier Vorwärtsantriebsstellungen für die Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs geschaltet. Das Getriebe 16a kann ein Leerlaufrad aufweisen, um eine Rückwärtsantriebsstellung für die Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs bereitzustellen.
Im Getriebe 16b in der Bauart eines Planetengetriebes von Fig. 2B sind die Eingangs- und Ausgangswelle 38, 44 koaxial zueinander angeordnet. Das Getriebe 16b weist drei Planetengetriebe der Bauart mit einem Kleinrad, hydraulisch betätige Kupplungen C0, C1, C2 in der Bauart einer Reibungskupplung mit Reibscheiben, hydraulisch betätigte Bremsen B0, B1, B2, B3 und Freilaufkupplungen F0, F1, F2 auf. Mit den selektiv betätigten und gelösten Kupplungen C0 bis C2 und Bremsen B0 bis B3 wird das Getriebe 16b in eine Stellung aus einer Neutralstellung, vier Vorwärtsantriebsstellungen und einer Rückwärtsantriebsstellung geschaltet.
Das Arbeistfluid wird durch Ölkanäle, die in der Trennwand 20c, in anderen Teilen des Gehäuses 20 und in der Eingangs- und Ausgangswelle 38, 44 vorgesehen sind, von der Ölpumpe 42 zu den hydraulischen Aktuatoren für die vorstehend genannten hydraulisch betätigten Kupplungen und Bremsen des Automatikgetriebes 16 geführt. Die Ausgangswelle 44 steht in Verbindung mit einer Gelenkwelle des Fahrzeugs, welche wiederum über ein Achsgetriebe mit dem rechten und linken Hinterrad für den Antrieb des Fahrzeugs in Verbindung steht. Es wird darauf hingewiesen, dass in Fig. 2A nur die obere Hälfte der Ausgangswelle 44 und in Fig. 2B nur die oberen Hälften der Eingangs- und Ausgangswelle 38, 44 gezeigt sind, da diese Wellen 38, 44 in Bezug auf die Drehachse jeweils im wesentlichen symmetrisch sind.
Die Brennkraftmaschine 10 und der Elektromotor/Generator 14 werden durch eine Steuerung 46 gesteuert. Die Steuerung 46 ist im Besonderen dafür ausgelegt, den Öffnungswinkel einer Drosselklappe, die Brennstoffeinspritzmenge und den Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine 10 zu steuern und den Elektromotor/Generator 14 selektiv in Zustand aus einem ANTRIEB-Zustand, einen LA- DEN-Zustand und einen KEINE-LAST-Zustand zu schalten. Im ANTRIEB-Zustand wird der Elektromotor/Generator 14 durch elektrische Energie, die von einer elektrischen Energiespeichervorrichtung beispielsweise in Gestalt einer Batterie geliefert wird, als ein Elektromotor betrieben, um ein zum Automatikgetriebe 16 zu übertragendes Drehmoment bereitzustellen. Im LADEN-Zustand wird der Elektromotor/Generator 14 durch ein regeneratives Bremsen (ein elektrisches Bremsmoment des Elektromotors/Generators 14 per se) als ein Elektrogenerator betrieben, um die elektrische Energiespeichervorrichtung zu laden. Im KEINE- LAST-Zustand ist die Ausgangswelle 36 des Elektromotors/Generators 14 frei drehbar. Die Steuerung 46 ist weiter dafür ausgelegt, magnetbetätigte Ventile zum Steuern der hydraulisch betätigten Kupplungen 34, 40 des Planetengetriebe/Zusammenfügemechanismus 18 anzusteuern, um eine Leistungsübertragung zwischen der Brennkraftmaschine 10 und dem Hohlrad 18r bzw. eine Leistungsübertragung zwischen dem Sonnenrad 18s und dem Träger 18c selektiv zu ermöglichen und zu verhindern. Die Steuerung 46 ist ferner dafür ausgelegt, magnetbetätigte Ventile zum Steuern der hydraulisch betätigten Kupplungen und Bremsen des Automatikgetriebes 16 anzusteuern, um das Getriebe 16 in die gewünschte Stellung zu schalten.
Die Steuerung 46 verwendet einen Mikrocomputer mit einer zentralen Prozessoreinheit (CPU), einem Arbeitsspeicher (RAM) und einem Festwertspeicher (ROM). Der Mikrokomputer führt Datenverarbeitungsoperationen gemäß im ROM gespeicherten Steuerprogrammen durch, welche ein Programm zum Ausführen einer im Ablaufschema von Fig. 3 dargestellten Betriebsmoduswahl-Subroutine in der Weise umfassen, dass das Hybridantriebssystem, wie es in TABELLE 1 angegeben ist, in einen von sechs Betriebsmodi ausgewählten Betriebsmodus geschaltet wird. Die Steuerung 46 nimmt verschiedene Signale, wie z. B die Ausgangssignale verschiedener Erfassungsvorrichtungen, auf. Diese von der Steuerung 46 aufgenommenen Signale beinhalten ein Signal, das ein Drehmoment TE der Brennkraftmaschine 10 anzeigt, ein Signal, das ein Drehmoment TM des Elektromotors 14 anzeigt, ein Signal, das eine Drehzahl NE der Brennkraftmaschine 10 anzeigt, ein Signal, das eine Drehzahl NM des Elektromotors 14 anzeigt, ein Signal, das eine Ausgangsdrehzahl No des Automatikgetriebes 16 anzeigt (welche sich zum Berechnen der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs verwenden läßt), ein Signal, das den Betätigungsgrad θAC eines Gaspedals des Fahrzeugs anzeigt, ein Signal, das die in der elektrischen Energiespeichervorrichtung gespeicherte elektrische Energiemenge SOC anzeigt, ein Signal, das einen Betrieb bzw. eine Betätigung eins Bremssystems des Fahrzeugs anzeigt, und ein Signal, das eine momentan gewählte Stellung PSH eines Schalthebels des Fahrzeugs anzeigt. Das Brennkraftmaschinenmomemt TE lässt sich aus der Drösselklappenöffnung oder der Brennstoffeinspritzmenge in die Brennkraftmaschine 10 ermitteln. Das Elektromotormoment TM läßt sich aus der Stromstärke des Elektromotors/Generators 14 im ANTRIEB-Zustand ermitteln, während sich die Energiemenge SOC aus der Stromstärke oder der Ladeeffizienz der Elektromotors/Generators 14 im LADEN-Zustand ermitteln läßt. TABELLE 1
Bezugnehmend auf das Ablaufschema von Fig. 3 erfolgt nun die Beschreibung der Betriebsmoduswahl-Subroutine. Diese Subroutine wird mit dem Schritt S1 eingeleitet, um zu bestimmen, ob das Kraftfahrzeug momentan eine regenerative Bremsung oder eine Brennkraftmaschinenbremsung erfährt. Diese Bestimmung kann in Abhängigkeit davon erfolgen, ob das Bremssystem in Betrieb ist, oder ob die momentan gewählte Stellung PSH des Schalthebels eine LOW- Stellung "L" oder SECOND-Stellung "2" und gleichzeitig der Betätigungsgrad θAC des Gaspedals Null ist, oder alternativ dazu, ob der Betätigungsgrad θAC des Gaspedals Null ist. Wird im Schritt S1 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S2 fort, um einen MODUS 6 zu wählen. In diesem MODUS 6 ist die erste hydraulisch betätigte Kupplung 34 gelöst oder AUS-geschaltet und die zweite hydraulisch betätigte Kupplung 40 betätigt oder EIN-geschaltet, während der Elektromotor/Generator 14 in den LADEN-Zustand geschaltet ist und die Brennkraftmaschine 10 ausgeschaltet bleibt, wie es in TABELLE 1 angegeben ist, wodurch das Fahrzeug, wie im Fall einer Brennkraftmaschinebremsung, eine regenerative Bremsung erfährt und in der elektrischen Energiespeichervorrichtung elektrische Energie entsprechend der durch die regenerative Bremsung erzeugten Bremskraft gespeichert wird. Im MODUS 6, in dem die zweite Kupplung 40 betätigt und die erste Kupplung 34 gelöst ist, dreht sich der Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 als eine Einheit, wobei er von der Brennkraftmaschine 10 getrennt ist, wodurch sich eine regenerative Bremsung mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad unter einem geringen Leistungsverlust erzielen läßt. Die Steuerung 46 kann dafür ausgelegt sein, dass sie den MODUS 6 verhindert, wenn die in der Speichervorrichtung gespeicherte elektrische Energiemenge SOC über einer vorgebenen Schwelle liegt.
Wird im Schritt S1 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, geht das Steuerprogramm zum Schritt S3, um zu bestimmen, ob ein Ingangsetzen bzw. Starten des Fahrzeugs durch die Brennkraftmaschine 10 erforderlich ist oder nicht. Diese Bestimmung kann in Abhängigkeit davon erfolgen, ob die Brennkraftmaschine 10 in Betrieb und der Betätigungsgrad θAC des Gaspedals nicht Null ist, während die Fahrzeuggeschwindigkeit (Ausgangswellendrehzahl No) Null ist. Wird im Schritt S3 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, geht das Steuerprogramm zum Schritt S4, um einen MODUS 5 zu wählen. Wie es in TABELLE 1 angegeben ist, sind in diesem MODUS 5 die erste und zweite Kupplung 34, 40 betätigt bzw. gelöst, während die Brennkraftmaschine 10 in Betrieb ist und das Drehmoment des Elektromotors/Generators 14 gesteuert wird, wodurch das Fahrzeug startet. Im Besonderen erfüllen ein Übersetzungsverhältnis p des Zusammenfügemechanismus 18, das definiert ist durch das Verhältnis der Zähnezahl des Sonnenrads 18s zur Zähnezahl des Hohlrads 18r, das Drehmoment TE der Brennkraftmaschine 10, das Ausgangsmoment TO des Zusammenfügemechanismus 18 und das Drehmoment TM des Elektromotors/Generators 14 die folgende Beziehung:
TE : TO : TM = 1 : (1 + ρ) : ρ
Wenn das Übersetzungsverhältnis ρ etwa 0,5 ist, beträgt das Drehmoment TM des Elektromotors/Generators 14 etwa die Hälfte des Drehmonents TE der Brennkraftsmaschine 10, und es wird ein Drehmoment gleich dem Brennkraftmaschinenmoment TE multipliziert mit etwa 1,5 vom Träger 18c erzeugt. Befindet sich der Elektromotor/Generator 14 im KEINE-LAST-Zustand, in dem keine Zuführung eines elektrischen Stroms erfolgt, dreht sich die Ausgangswelle 36 in die entgegengesetzte Richtung und es wird keine Ausgangsleistung am Träger 18c erzeugt, wodurch das Fahrzeug sich im Stillstand befindet. In diesem Fall fungiert der Zusammenfügemechanismus 18 als eine Fahrzeugstartkupplung und eine Drehmomentverstärkungsvorrichtung, die ermöglicht, dass das Fahrzeug unter einer allmählichen Zunahme des Elektromotormoments TM (der Elektromotorstromstärke) durch ein Ausgangsmoment gleich dem Brennkraftmaschinenmoment TE multipliziert mit (1 + ρ) ruckfrei anfährt.
Wird im Schritt S3 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S5 fort, um zu bestimmen, ob eine Ausgangsleistung Pd, die für den Antrieb des Fahrzeugs momentan erforderlich ist, gleich oder kleiner ist als ein erster Schwellenwert P1. Die momentan erforderliche Ausgangsleistung Pd ist eine Ausgangsleistung, die notwendig ist, um das Fahrzeug gegen den auf das Fahrzeug einwirkenden Fahrwiderstand anzutreiben, und läßt sich auf der Basis des Betätigungsgrads θAC des Gaspedals oder der Änderungsrate dieses Werts θAC und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs (der Ausgangsdrehzahl No) und der momentan gewählten Stellung des Automatikgetriebes 16 gemäß einer vorgegebenen Beziehung, welche durch ein in der Steuerung 46 gespeichertes Datenkennfeld oder eine in der Steuerung 46 gespeicherte Gleichung dargestellt ist, berechnen. Wird im Schritt S5 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S6 fort, um zu bestimmen, ob die in der elektrischen Energiespeichervorrichtung gespeicherte elektrische Energiemenge SOC gleich oder größer ist als eine vorgegebene untere Grenze A. Wird im Schritt S6 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S7 fort, um einen MODUS 1 zu wählen. Wird im Schritt S6 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S8 fort, um einen MODUS 3 zu wählen. Die untere Grenze A ist eine in der Speichervorrichtung gespeicherte minimal erforderliche elektrische Energiemenge, die benötigt wird, um den Elektromotor/Generator 14 als Elektromotor für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb zu nehmen. Diese untere Grenze A wird in Abhängigkeit des Entlade- und Ladewirkungsgrads der elektrischen Energiespeichervorrichtung bestimmt. Die untere Grenze A liegt beispielsweise bei etwa 70% der vollen Kapazität der Speichervorrichtung.
Wie es in TABELLE 1 angegeben ist, sind im MODUS 1 die erste und zweite Kupplung 34, 40 gelöst bzw. betätigt, und der Elektromotor/Generator 14 ist in Betrieb, um die erforderliche Ausgangsleistung Pd bereitzustellen, während die Brennkraftmaschine 10 außer Betrieb ist. In diesem Modus ist nur der Elektromotor 14 als die Antriebskraftquelle für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb. Wie im MODUS 6 läßt sich der Elektromotor 14 bei dem in einer geeigneten Getriebestellung befindlichen Automatikgetriebe 16 mit einem hohen Wirkungsgrad unter einem reduzierten Leistungsverbrauch antreiben. Im MODUS 3 sind die erste und zweite Kupplung 34, 40 betätigt, und die Brennkraftmaschine 10 ist im Betrieb, während sich der Elektromotor/Generator 14 im LADEN-Zustand bei einer regenerativen Bremsung befindet, wie es TABELLE 1 angegeben ist, so dass das Fahrzeug durch die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 10 angetrieben wird und der Elektrogenerator 14 in Betrieb ist, um die elektrische Energiespeichervorrichtung zu laden. In diesem Fall wird die Brennkraftmaschine 10 so betrieben, dass sie eine Ausgangsleistung bereitstellt, die größer ist als die erforderliche Ausgangsleistung Pd, während der Elektrogenerator 14 durch die Überschußleistung betrieben wird, welche gleich der Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 10 abzüglich der erforderlichen Ausgangsleistung Pd ist. D.h. der an den Generator 14 angelegte elektrische Strom wird durch die Steuerung 46 so gesteuert, dass die Energieverbrauchsmenge durch den Elektrogenerator 14 der Überschußleistung entspricht.
Wird im Schritt S5 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, d.h., dass die momentan erforderliche Ausgangsleistung Pd über dem ersten Schwellenwert P1 liegt, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S9 fort, um zu bestimmen, ob die momentan erforderliche Ausgangsleistung Pd größer ist als der erste Schwellenwert P1 und kleiner als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert P2. Wird im Schritt S9 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S10 fort, um zu bestimmen, ob die in der Speichervorrichtung gespeicherte Energiemenge SOC gleich oder größer ist als die untere Grenze. Wird im Schritt S10 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S11 fort, um einen MODUS 2 zu wählen. Wird im Schritt S10 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S8 fort, um den MODUS 3 zu wählen. Im MODUS 2 sind die erste und zweite Kupplung 34, 40 betätigt, und es ist nur die Brennkraftmaschine 10 als die Antriebskraftquelle in Betrieb, um die erforderliche Ausgangsleistung Pd bereitzustellen, wobei sich der Elektromotor/Generator 14 im KEINE-LAST-Zustand befindet, so dass das Fahrzeug nur durch die Brennkraftmaschine 10 angetrieben wird.
Wird im Schritt S9 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, d.h., dass die momentan erforderliche Ausgangsleistung Pd gleich oder größer ist als der zweite Schwellenwert P2, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S12 fort, um zu bestimmen, ob die elektrische Energiemenge SOC gleich oder größer ist als die untere Grenze A. Wird im Schritt S12 eine positive Entscheidung (JA) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S13 fort, um einen MODUS 4 zu wählen. Wird im Schritt S12 eine negative Entscheidung (NEIN) erhalten, fährt das Steuerprogramm mit dem Schritt S11 mit, um den MODUS 2 zu wählen. Im MODUS 4 sind die erste und zweite Kupplung 34, 40 betätigt, und die Brennkraftmaschine 10 und der Elektromotor 14 sind beide als die Antriebskraftquellen für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb.
Wie vorstehend diskutiert wurde, wird, wenn die elektrische Energiemenge SOC gleich oder größer ist als die untere Grenze A, in Abhängigkeit von der auf das Fahrzeug wirkenden Last aus dem MODUS 1, MODUS 2 und MODUS 4 ein MODUS gewählt. Die Steuerung 46 wählt nämlich während eines Zustands einer relativ geringen Last, d.h. während die momentan erforderlichen Ausgangsleistung Pd gleich oder kleiner ist als der ersten Schwellenwert P1, im Schritt S7 den MODUS 1, um nur den Elektromotor 14 als die Antriebskraftquelle für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb zu nehmen. Die Steuerung 46 wählt während eines Zustands einer mittleren Last, d.h. während die erforderliche Ausgangsleistung Pd größer ist als der erste Schwellenwert P1 und kleiner als der zweite Schwellenwert P2, im Schritt S11 den MODUS 2, um nur die Brennkraftmaschine 10 als die Antriebskraftquelle für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb zu nehmen, und wählt während eines Zustands einer relativ hohen Last, d.h. während die erforderliche Ausgangsleistung Pd gleich oder größer ist als der zweite Schwellenwert P2, im Schritt S13 den MODUS 4, um sowohl die Brennkraftmaschine 10 als auch den Elektromotor 14 als die Antriebskraftquellen für den Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb zu nehmen. Der erste und zweite Schwellenwert P1, P2 werden auf der Basis der Brennstoffverbrauchsrate (Brennstoffverbrauchsmenge pro Einheitsleistung) und der Abgasemissionsrate (Abgasmenge pro Einheitsleistung) der Brennkraftmaschine 10 und der Energieumwandlungsgrads des Elektromotors/Generators 14 so vorgegeben, dass die Brennstoffverbrauchsmenge durch die Brennkraftmaschine 10 und die Abgaseimissionsmenge aus der Brennkraftmaschine minimal werden.
Im vorliegenden Hybridantriebssystem, das die vorliegende Erfindung verkörpert, sind die Brennkraftmaschine 10, der Feder-Dämfer 12, der Elektromotor/Generator 14, der Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 in der Reihenfolge der Beschreibung im Gehäuse 20 in der Weise koaxial zueinander angeordnet, das der Zusammenfügemechanismus 18 an das Automatikgetriebe 16 angrenzt. Der Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 benötigen das Schmieröl und das Arbeitsöl, wohingegen die Brenkraffmaschine 10, der Feder-Dämpfer 12 und der Elektromotor/Generator 14 kein Schmieröl und Arbeitsöl erfordern. Die Brennkraftmaschine 10, der Feder-Dämpfer 12 und der Elektromotor/Generator 14 sind auf einer Seite der Trennwand 20b des Gehäuses 20 angeordnet, während der Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 auf der anderen Seite der Trennwand 20b liegen. Diese Anordnung vereinfacht die Leitungsverlegung zum Versorgen der hydraulisch betätigten Kupplungen und Bremsen, die im Zusammenfügemechanismus 18 und Automatikgetriebe 16 enthalten sind, mit dem Arbeitsöl, und vereinfacht ferner die Leitungsverlegung und die Abdichtung zum Versorgen des Zusammenfügemechanismus 18 und des Automatikgetriebes 16 mit dem Schmieröl.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Elektromotor/Generator 14 und der Feder-Dämpfer 12 (welcher ein Schwungrad aufweist) relativ große Außendurchmesser aufweisen und an Stelle eines Drehmomentwandlers mit einem relativ großen Außendurchmsser, welcher in einem herkömmlichen Antriebssystem zur Verwendung kommt, in dem die Ausgangsleistung einer Brennkraftmaschine über den Drehmomentwandler zu einem Automatikgetriebe übertragen wird, geeignet in einem an die Brennkraftmaschine 10 angrenzenden Raum untergebracht werden können. Die Anordnung des Elektromotors/Generators 14 und des Feder-Dämpfers 12 neben der Brennkraftmaschine 10 ist auch aus dem Grund der Vereinfachung des Leitungssystems von Vorteil, welches für den Zusammenfügemechanismus 18 und das Automatikgetriebe 16 erforderlich ist, da sich diese Komponenten 18, 16 nebeneinander anordnen lassen.
Der Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 und die Kupplungen 34, 40 sind an Stelle eines Overdrive-Mechanismus in dem herkömmlichen Antriebssystem eingerichtet. Das vorliegende Hybridantriebssystem kann somit eine beträchtlich große Anzahl an Komponenten des herkömmlichen Antriebssystems, wie z. B. eine Getriebevorrichtung, und eine Steueranordnung und eine Aufnahme oder ein Gehäuse für die Getriebevorrichtung, nutzen.
Wenngleich die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung vorstehend im Detail unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung auch anders ausgeführen läßt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die erste und zweite hydraulische betätigte Kupplung 34, 40 an entgegengesetzten Seiten des Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 angeordnet. Jedoch können diese beiden Kupplungen an derselben Seite des Zusammenfügemechanismus 18 angeordnet werden, wie es in Fig. 4 und 5 gezeigt ist. In der Ausführungsform von Fig. 5 ist die zweite hydraulisch betätigte Kupplung 48 zwischen dem Sonnenrad 18s und dem Hohlrad 18r des Planetengetriebe- Zusammenfügemechanismus 18 angeordnet. In den Ausführungsformen von Fig. 4 und 5 sind die Ölkanäle für die erste Kupplung 34 in der Trennwand 20c vorgesehen, während die Ölkanäle für die zweite Kupplung 40, 48 in der Trennwand 20b vorgesehen sind.
Wenngleich die erste Ausführungsform sechs Betriebsmodi aufweist, läßt sich die Zahl der Betriebsmodi geeignet festlegen. Der Planetengetriebe-Zusammenfügemechanismus 18 kann zusätzlich zu den beiden hydraulisch betätigten Kupplungen 34, 40 eine hydraulisch betätigte Bremse zum Feststellen des Hohlrads 18r relativ zum Gehäuse 20 enthalten.

Claims

1. Hybridantriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem durch elektrische Energie betriebenen Elektromotor (14), einer durch Verbrennung eines Brennstoffs betriebenen Brennkraftmaschine (10), einem Getriebe (16) und einem Zusammenfügemechanismus (18), der eine hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung (34, 40, 48) aufweist und der eine Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine und eine Ausgangsleistung des Elektromotors mechanisch zusammenfügt und die Resultante der Ausgangsleistungen der Brennkraftmaschine und des Elektromotors zum Getriebe überträgt, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (20) mit einer ersten Trennwand (20b), welche das Gehäuse in einen ersten Abschnitt (22, 24) und einen zweiten Abschnitt (26, 28) unterteilt, die fluiddicht voneinander getrennt sind, wobei die Brennkraftmaschine (10) und der Elektromotor (14) im ersten Abschnitt und der Zusammenfügemechanismus (18) und das Getriebe (16) im zweiten Abschnitt nebeneinanderliegend untergebracht sind.

2. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (10), der Elektromotor (14), der Zusammenfügemechanismus (18) und das Getriebe (16) in dieser Reihenfolge koaxial angeordnet sind, so daß der Zusammenfügemechanismus und das Getriebe axial nebeneinander liegen.

3. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zusammenfügemechanismus (18) eine über die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung (34, 40, 48) funktionell mit der Brennkraftmaschine (10), dem Elektromotor (14) und dem Getriebe (16) verbundene Getriebevorrichtung (18s, 18r, 18c) der Bauart mit drei Bauelementen aufweist.

4. Hybridantriebssystem nach Anspruch 3, wobei die Getriebevorrichtung der Bauart mit drei Bauelementen aus einem Planetengetriebe mit einem über die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung (34, 40, 48) mit der Brennkraftmaschine (10) verbundenen Hohlrad (18r), einem mit dem Elektromotor (14) verbundenen Sonnenrad (18s) und einem mit dem Getriebe (16) verbundenen Träger (18c) besteht.

5. Hybridantriebssystem nach Anspruch 4, wobei die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung (34, 40, 48) eine erste hydraulisch betätigte Kupplung (34), die zwischen der Brennkraftmaschine (10) und dem Hohlrad (18r) angeordnet ist, und eine zweite hydraulisch betätigte Kupplung (40, 48) aufweist, die zwischen zwei aus dem Hohlrad (18r), dem Sonnenrad (18s) und dem Träger (18c) gewählten Bauelementen angeordnet ist.

6. Hybridantriebssystem nach Anspruch 5, wobei die beiden Bauelemente aus dem Sonnenrad (18s) und dem Träger (18c) bestehen.

7. Hybridantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Getriebe (16) aus einem Zahnrad-Getriebe mit einer Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen besteht.

8. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, wobei das Zahnrad-Getriebe (16) aus einem Parallel-2-Achsen-Getriebe (16a) mit einer Eingangswelle (38), einer parallel zur Eingangswelle angeordneten Ausgangswelle (44) und einer Vielzahl von Zahnradsätzen besteht, die jeweils aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern bestehen, die auf der Eingangs- bzw. Ausgangswelle vorgesehen sind.

9. Hybridantriebssystem nach Anspruch 7, wobei das Zahnrad-Getriebe (16) aus einem Getriebe (16b) in der Bauart eines Planetengetriebes besteht.

10. Hybridantriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Zahnrad-Getriebe (16) hydraulisch betätigte Aktuatoren (C, B, F) zum automatischen Schalten des Zahnrad-Getriebes beinhaltet.

11. Hybridantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem zwischen der Brennkraftmaschine (10) und dem Zusammenfügemechanismus (18) angeordneten Dämpfer (12).

12. Hybridantriebssystem nach Anspruch 11, wobei die Brennkraftmaschine (10), der Dämpfer (12), der Elektromotor (14), der Zusammenfügemechanismus (18) und das Getriebe (16) in dieser Reihenfolge koaxial angeordnet sind, der Elektromotor (14) eine hohle Ausgangswelle (36) aufweist, und der Dämpfer über eine Welle (32), die sich durch die hohle Ausgangswelle hindurch erstreckt, mit dem Zusammenfügemechanismus (18) verbunden ist.

13. Hybridantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Gehäuse (20) eine zweite Trennwand (20c) aufweist, die den zweiten Abschnitte in zwei miteinander in Verbindung stehende Räume (26, 28) unterteilt.

14. Hybridantriebssystem nach Anspruch 13, mit einem Hydrauliksystem, das die hydraulisch betätigte Kupplungseinrichtung (38, 40, 48) betätigt und eine Einrichtung zum Definieren von in der ersten und zweiten Trennwand (20b, 20c) vorgesehenen Ölkanälen aufweist.

15. Hybridantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Generator (14), der die für den Betrieb des Elektromotor (14) verwendete elektrische Energie erzeugt.

16. Hybridantriebssystem nach Anspruch 15, wobei der Elektromotor auch als der Generator fungiert.