WO2015128078A1 - Verfahren zum betreiben eines antriebsstrangs für ein kraftfahrzeug, antriebsstrang und kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2015128078A1
WO2015128078A1 PCT/EP2015/000416 EP2015000416W WO2015128078A1 WO 2015128078 A1 WO2015128078 A1 WO 2015128078A1 EP 2015000416 W EP2015000416 W EP 2015000416W WO 2015128078 A1 WO2015128078 A1 WO 2015128078A1
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internal combustion
combustion engine
electric machine
drive train
coupling
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PCT/EP2015/000416
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Benjamin Oszfolk
Martin Gohlke
Claus-Oliver Schmalzing
Peter Riegger
Martin Schweizer
Ingo Lehmann
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a drive train for a motor vehicle according to claim 1, a drive train for a motor vehicle according to claim 5, and a motor vehicle according to claim 10.
  • Such a drive train has an internal combustion engine and an electric machine, wherein the internal combustion engine and the electric
  • Internal combustion engine has in operation rotational irregularities, in particular
  • Torque fluctuations for example, changing gas and mass forces, in particular in engine designed as a reciprocating engine.
  • electrical machines and internal combustion engines are in so-called
  • German Patent Application DE 195 32 128 A1 discloses a method for operating a drive train in which rotational nonuniformities of the internal combustion engine are determined, wherein an electric machine is driven in phase opposition to the torque curve of the internal combustion engine in order to dampen rotational irregularities at a transmission input.
  • an electric machine is driven in phase opposition to the torque curve of the internal combustion engine in order to dampen rotational irregularities at a transmission input.
  • the anti-phase driving of the electric machine leads to an aggravation of the problems described above.
  • the opposite-phase control with respect to the coupling between the internal combustion engine and the electric machine acts as an additional increase in the coupled rotational mass, so that the coupling components are additionally loaded.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a drive train, which does not have the disadvantages mentioned. Accordingly, the invention has the object to provide a drive train and a motor vehicle in which these disadvantages do not occur.
  • the object is achieved by providing a method for operating a drive train of a motor vehicle having the features of claim 1.
  • a resulting rotational non-uniformity that is, ultimately effective in the connection between the internal combustion engine and the electric machine sum of all possible causes for the rotational non-uniformity or torque fluctuation.
  • the rotational irregularities of the internal combustion engine are dependent on their speed and the torque output. Therefore, preferably the electrical
  • Machine also controlled in dependence of the speed and the torque of the internal combustion engine to relieve the coupling between the two machines.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the electric machine is driven in phase with a torque curve of the internal combustion engine.
  • the torque curve of the internal combustion engine is detected and in phase with the control of the electric machine - preferably with reduced
  • the electric machine is not exclusive to that of the
  • Torque is introduced into the drive train, or to convert existing in the drive train and / or generated by the internal combustion engine mechanical energy into electrical energy, wherein the electric machine is operated as a generator and in this respect initiates a braking torque in the drive train.
  • the electric machine is operatively connected to it
  • Frequency inverter driven in phase with the torque curve of the internal combustion engine. This is preferably carried out by a control device which is set up for this purpose and operatively connected to the frequency converter.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the rotational irregularities of the internal combustion engine by the frequency converter of the
  • This embodiment has the advantage that it is at the same time economical, efficient and very accurate. There is no need for separate parts, in particular no separate sensors, since the rotational irregularities are determined by the electrical machine itself or the converter technology already provided for its control. This is capable of the rotational irregularities of the internal combustion engine very accurately. Namely, these generate non-uniformities in the relative movement between a rotor and a stator of the electric machine, which in turn lead to nonuniformities in the electromagnetic fields acting in the electric machine. Such fluctuations of the electromagnetic fields are in the
  • Frequency converter readily detectable, so that ultimately the rotational irregularities of the internal combustion engine can be detected easily there.
  • an FPGA module field programmable gate array - programmable in the field, logical gate arrangement
  • an embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the rotational irregularities of the internal combustion engine are determined by at least one sensor. It is possible that a speed sensor is used. Alternatively or additionally, it is possible to use a torque sensor which directly detects a torque output by the internal combustion engine. The sensor is preferably arranged on a crankshaft of the internal combustion engine.
  • Internal combustion engine depending on at least one operating parameter thereof are determined from a map.
  • a map In particular, by test bench tests, it is possible to determine typical rotational irregularities of the internal combustion engine as a function of operating parameters and store them in a map, which then at all
  • Operating parameters for example, a speed and / or a throttle position and preferably an instantaneous crankshaft angle of the internal combustion engine can be used.
  • Other operating parameters such as an injected fuel amount, an injection timing, an in-cylinder pressure, an exhaust gas recirculation rate, and / or
  • Concentrations of various substances in the exhaust gas can be used to characterize the Operating state of the internal combustion engine and thus used to identify stored in a map rotational irregularities.
  • a rotational irregularity detected by the frequency converter or a sensor is used, this is a feedback control because the actual rotational irregularity leads to an immediate feedback to the latter itself. If, on the other hand, a rotational irregularity read out of a characteristic field is used to control the electric machine, this is a - non-feedback - control.
  • a regulation is advantageous because it is very accurate. But it is slower than a controller. Although a controller is less accurate than a controller, it has the advantage of being very fast. This makes it particularly suitable for
  • An adaptive control is also possible, in which the map-based control of the electrical machine is preceded by a measurement in advance
  • Rotationsuniformities is modified. It is also possible for the electric machine to be predicted based on a temporally preceding rotational nonuniformity
  • a control and a control can also be used. For example, it is possible to extract certain information for controlling the electric machine-for example a drive angle-from a characteristic map, while other drive information-for example a drive amplitude-is derived from a measurement.
  • a control with feedforward control is possible in which the control of the electric machine is initially preset based on a map and subsequently readjusted with respect to smaller deviations of the actual value to the preset value.
  • the electrical machine in phase with the torque curve of the internal combustion engine speed-dependent is driven only in at least one speed range in which a resonance of the connection between the internal combustion engine and the electric machine is given.
  • the coupling between the internal combustion engine and the electric machine can be considered as a vibratory system. This is particularly true when a torsionally flexible coupling between the engine and the electric machine is provided.
  • Torsions can be omitted. Accordingly, the electric machine is preferably used in speed ranges in which no resonances of the connection are given between the engine and the electric machine, not to relieve the connection and in particular not driven in phase.
  • Torsions crispmomente results.
  • the method is therefore preferably used only in the range of resonances.
  • the speed-dependent control of the electric machine only in at least one
  • Speed range in which a resonance occurs is particularly preferably carried out in a so-called misfiring of the internal combustion engine.
  • This is an operating state in which at least one cylinder fails in an internal combustion engine designed as a reciprocating engine or is switched off by targeted cylinder deactivation. This results in larger imbalances and thus larger rotational irregularities than in an operating state of the internal combustion engine in which all the cylinders are fired.
  • the electrical machine and in particular the frequency converter can be used as part of the
  • Method can also be used as a sensor device, with the help of a
  • the drive train has an internal combustion engine and an electric machine, wherein the internal combustion engine and the electric machine are coupled together.
  • a control device is provided, which is set up to carry out a method according to one of the previously described
  • the drive train is preferably designed as a hybridized drive train, wherein the internal combustion engine and the electric machine are coupled in particular in series or in parallel. In this case, preferably a so-called PI or P2 topology is realized.
  • the control device is preferably designed as an engine control unit of
  • Circuits so the hardware side, is set up to carry out the method.
  • a computer program product is loaded into the controller having instructions on which the method is performed when the computer program product is executed on the controller.
  • the control device is preferably operatively connected to the frequency converter of the electric machine for detecting rotational nonuniformity of the internal combustion engine. It is - as described above - readily possible to determine the rotational irregularities of the internal combustion engine using the frequency converter. This represents a particularly accurate and at the same time efficient way of determining the rotational irregularities.
  • control device has an FPGA module (Field Programmable Gate Array) for the parallel evaluation of the rotational irregularities of the internal combustion engine in real time and for generating a drive signal for the electric machine also in real time.
  • FPGA module Field Programmable Gate Array
  • control device is preferably provided with at least one sensor for
  • the sensor is preferably designed as a speed sensor and / or as a torque sensor.
  • the control device is operatively connected to a sensing device for at least one operating parameter of the internal combustion engine, wherein the control device at the same time has access to a map, depending on the at least one operating parameter rotational nonuniformity of the internal combustion engine is read out.
  • a map is implemented in the control device.
  • control device is preferably operatively connected to the electric machine for driving them, particularly preferably via the frequency converter.
  • An embodiment of the drive train is preferred, which is characterized in that the electric machine and the internal combustion engine are directly coupled to each other.
  • an armature or rotor of the electric machine is particularly preferably arranged in a rotationally fixed manner directly on a crankshaft or on an output shaft connected to the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine and the electric machine are preferably connected to one another via a clutch, in particular via a shiftable clutch.
  • a clutch in particular via a shiftable clutch.
  • the components which connect the electric machine with the internal combustion engine are relieved, regardless of whether an immediate coupling or a coupling via a - preferably switchable - is given coupling.
  • the drive train which is characterized in that the internal combustion engine and the electric machine are rotationally rigidly interconnected. It is possible on the one hand that these are coupled directly without coupling, as explained above. But it is also possible that one
  • Coupling is provided, which is designed torsionally rigid.
  • the connecting components are relieved in the context of the process.
  • the electric machine and the internal combustion engine are connected to each other in a rotationally soft manner.
  • a torsionally flexible, in particular rotationally soft coupling preferably a switchable coupling, is arranged between the two machines. This coupling is relieved in the process.
  • the drive train which is characterized by a transmission.
  • This is preferably coupled to the electric machine.
  • the transmission is connected either directly or via a - preferably switchable - coupling with the electric machine.
  • the transmission is preferred as
  • Change gear in particular as a manual transmission, as an automatic transmission or CVT (Continuously Variable Transmission - continuously variable transmission) formed.
  • CVT Continuous Variable Transmission - continuously variable transmission
  • Triggering the same but are the detectable at the transmission torsional alternating moments even with in-phase control of the electric machine due to the damping by the large rotational mass at most in the range of conventionally expected values in a classic powertrain, in which the transmission without electric machine with the
  • the gearbox is therefore loaded at most in the usual and known from the prior art frame. This is readily acceptable, in particular with regard to the massive relief of the connecting parts between the internal combustion engine and the electric machine, which is achieved by the method.
  • an embodiment of the drive train is preferred in which this is designed as a serially hybridized drive train in which the internal combustion engine, the electric machine and the transmission are connected in series. This makes it possible to realize a multiplicity of operating states in the manner of a full hybrid, so that considerable fuel savings can be achieved.
  • the electric machine is arranged between the internal combustion engine and the transmission. This is particularly advantageous with regard to the operating states achievable with the hybridized powertrain and the associated reduced fuel consumption.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. Alternatively, it is also possible that the internal combustion engine is designed as a rotary piston engine or as a turbine. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is the drive
  • the internal combustion engine in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. Also, use of the internal combustion engine to drive one of Defense serving vehicle, such as a tank, is possible.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, used for stationary power supply in emergency operation, continuous load operation or peak load operation, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator.
  • the internal combustion engine in the industrial sector or in the construction sector, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator, is possible.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas.
  • the internal combustion engine when designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
  • a motor vehicle having the features of claim 10 is created.
  • This has a drive train according to one of the embodiments described above. This realizes in connection with the motor vehicle, the advantages that have already been explained in connection with the method and the drive train.
  • a motor vehicle which is designed as a rail vehicle. Especially in the field of rail vehicles occur - due to the larger used
  • the motor vehicle as a road vehicle, in particular as
  • Passenger car as a commercial vehicle, as a heavy truck or in another suitable manner, as an off-road vehicle, for example as a dump truck, in particular for the mine operation, or is designed in another suitable manner.
  • the motor vehicle is designed as a watercraft, in particular as a ship or as a submarine.
  • the description of the method on the one hand and the drive train or the motor vehicle on the other hand are to be understood complementary to each other.
  • features of the powertrain that have been explicitly or implicitly described in connection with the method are preferably individually or in combination with each other features of an embodiment of the powertrain.
  • method steps that have been explicitly or implicitly described in the context of the powertrain preferably individually or in combination with each other steps of a preferred embodiment of the method.
  • the drive train is preferably characterized by at least one feature that results from a method step of the method.
  • the method is preferably characterized by at least one method step, which results from at least one feature of the drive train.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of the drive train
  • Fig. 2 is a schematic, diagrammatic representation of the drive train at
  • Fig. 3 shows an embodiment of the method according to the invention as a flow chart
  • Fig. 4 is a schematic, diagrammatic representation of the forces acting in the drive train during actuation according to the inventive method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a drive train 1 for a motor vehicle 3, which has an internal combustion engine 5 and an electric machine 7.
  • the internal combustion engine 5 and the electric machine 7 are coupled together.
  • a transmission 9 is also provided, which is coupled directly to the electric machine 7 here.
  • the internal combustion engine 5 and the electric machine 7 are via a torsionally elastic
  • the drive train 1 is designed here as a parallel hybridized drive train, the internal combustion engine 5, the electric machine 7 and the transmission 9 are connected in series.
  • the electric machine 7 is arranged here between the internal combustion engine 5 and the transmission 9.
  • a first sensor 13 is shown by the rotational irregularities of the internal combustion engine 5 can be detected.
  • Rotationsuniformities of the internal combustion engine 5 is used.
  • the sensor 13 is preferably designed as a speed and / or as a torque sensor, wherein it is in the
  • Driveline 1 between the engine 5 and the clutch 11 may be arranged.
  • the first sensor 13 is connected to the crankshaft of the internal combustion engine 5 or to an output shaft connected to the crankshaft.
  • a second sensor 15 is arranged between the electric machine 7 and the transmission 9, with which it adjoins an input of the transmission 9
  • the second sensor 15 is preferably designed as a speed and / or torque sensor.
  • the drive train 1 has a control device 17, which is configured to
  • the control device 17 preferably has a frequency converter for controlling the electric machine 7, which at the same time together with this for detecting the rotational irregularities of
  • the control device 17 furthermore preferably has an FPGA module (Field Programmable Gate Array) for evaluating the rotational irregularities and for generating a drive signal for the electrical machine in real time.
  • FPGA module Field Programmable Gate Array
  • control device 17 is also operatively connected to the second sensor 15, if it is provided.
  • Fig. 2 shows in a schematic and diagrammatic representation of the forces acting in the implementation of this conventional method moments.
  • the torque MVM output by the internal combustion engine 5 is plotted against the time t.
  • the dotted curve 21 shows the torque MEM of the electric machine 7 induced by antiphase driving.
  • a comparison of the two curves 19, 21 shows that preferably the torque fluctuation of the electric machine 7 with reduced amplitude is induced in comparison to the torque fluctuation of the internal combustion engine 5.
  • step S1 rotational nonuniformity of the internal combustion engine 5, preferably by means of the frequency converter of the electric machine 7, is determined in a first step S1.
  • step S2 based on the determined rotational nonuniformity, a control signal in phase with the torque fluctuations of the internal combustion engine 5 for driving the electric machine 7 is generated, which in a third step S3 with the drive signal in phase with the torque fluctuations
  • Internal combustion engine 5 is controlled.
  • Fig. 4 shows a schematic and diagrammatic representation of the acting moments when driving the electric machine according to the method of Figure 3.
  • the representation is analogous to the representation of Figure 2, insofar identical and functionally identical elements are provided with the same symbols and reference numerals, so In this regard, reference is made to the preceding description. It becomes immediately clear that by the in-phase control of the electric machine 7 here in the first sensor 13 detectable Torsions grillmoment P 2 in comparison to that without controlling the
  • Gear 9 act, detectable, as is the case with an anti-phase control of the electric machine 7, nevertheless they are due to the strong damping effect
  • Rotary mass of the electric machine 7 still below or at most in a region in which they would be if the internal combustion engine 5 would be directly coupled to the transmission 9, that is in the order of magnitude of the arrow indicated by the arrow Pi
  • the torsional moment of change represented by the double arrow P 2 is the torque which can be detected at the first sensor 13 when the electric machine 7 is driven in phase.
  • a Torsions grillmoment other hand, is detected at the second sensor 15, which is in the order of the illustrated Torsions grillmoments ⁇ ⁇ by the double arrow.
  • the transmission 9 is at least not significantly more loaded by this method than is already the case in a conventional drive train 1 the case is.
  • the transmission 9 is typically designed so that there is no disadvantage associated therewith.

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Abstract

Es wird Verfahren zum Betreiben eines Antriebstrangs (1) für ein Kraftfahrzeug (3), der eine Brennkraftmaschine (5) und eine elektrische Maschine (7) aufweist, wobei die Brennkraftmaschine (5) und die elektrische Maschine (7) miteinander verbunden sind, wobei Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine (5) ermittelt werden, vorgeschlagen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine (7) so angesteuert wird, dass die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine (5) und der elektrischen Maschine (7) im Betrieb des Antriebsstrangs (1) entlastet wird.

Description

BESCHREIBUNG Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, Antriebsstrang und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 5, und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10.
Verfahren zum Betreiben von Antriebssträngen, Antriebsstränge und Kraftfahrzeuge der hier angesprochenen Art sind bekannt. Ein solcher Antriebsstrang weist eine Brennkraftmaschine sowie eine elektrische Maschine auf, wobei die Brennkraftmaschine und die elektrische
Maschine miteinander - drehmomentübertragend - verbunden oder gekoppelt sind. Die
Brennkraftmaschine weist im Betrieb Drehungleichförmigkeiten, insbesondere
Drehmomentschwankungen auf. Typische Ursachen hierfür sind beispielsweise wechselnde Gas- und Massenkräfte insbesondere in als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschinen. Zunehmend werden elektrische Maschinen und Brennkraftmaschinen in sogenannten
hybridisierten Antriebssträngen seriell oder parallel miteinander gekoppelt. Dabei zeigt sich, dass elektrische Maschinen ein großes Massenträgheitsmoment bezüglich ihrer Drehachse besitzen, das nicht ohne weiteres in den Antriebsstrang integriert werden kann. Die große Drehmasse einer elektrischen Maschine führt in Verbindung mit den Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine zu einer erheblichen Belastung der Kopplung zwischen den beiden Maschinen. Sind diese unmittelbar - ohne eine Kupplung - und daher drehstarr, oder über eine vergleichsweise drehstarren Kupplung miteinander gekoppelt, ist die Größe und Leistung der elektrischen Maschine durch das ankoppelbare Trägheitsmoment limitiert, da sonst die
Verbindungsbauteile überlastet werden. Jede Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine führt nämlich unmittelbar zu einer Be- oder Entschleunigung der großen Drehmasse der elektrischen Maschine, wodurch nach dem newtonschen Reaktionsprinzip beziehungsweise dem dritten newtonschen Axiom erhebliche Kräfte beziehungsweise Torsionswechselmomente in die koppelnden Bauteile eingeleitet werden. Die gleiche Überlegung führt bei einer Kopplung der beiden Maschinen durch eine drehweiche Kupplung zu der Erkenntnis, dass diese sehr stark belastet wird. Daher müssen sehr große drehweiche Kupplungen eingesetzt werden, die jedoch bei vielen Anwendungen schon aufgrund von Bauraumbeschränkungen nicht in Frage kommen. Steht umgekehrt grundsätzlich genügend Bauraum zur Verfügung, ist es gleichwohl nachteilig, diesen für die drehweiche Kupplung vorhalten zu müssen und nicht anderweitig einsetzen zu können. Hinzu kommt, dass große, drehweiche Kupplungen teuer sind. Außerdem treten in einer großen, drehweichen Kupplung vergleichsweise hohe Verluste auf, da Drehmomentspitzen durch Verformung des dämpfenden Elements in Wärme umgewandelt werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 32 128 AI geht ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs hervor, bei dem Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine ermittelt werden, wobei eine elektrische Maschine gegenphasig zum Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine angesteuert wird, um Drehungleichförmigkeiten an einem Getriebeeingang zu dämpfen. Während dieses Ziel erreicht wird, führt die gegenphasige Ansteuerung der elektrischen Maschine jedoch zu einer Verschärfung der zuvor beschriebenen Probleme.
Insbesondere wirkt die gegenphasige Ansteuerung bezüglich der Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine wie eine zusätzliche Vergrößerung der angekoppelten Drehmasse, sodass die koppelnden Bauteile zusätzlich belastet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchen diese Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dadurch, dass die elektrische Maschine so angesteuert wird, dass die - drehmomentübertragende - Verbindung oder Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine im Betrieb des Antriebsstrangs entlastet wird, wirkt die Ansteuerung wie eine Reduzierung der an die
Brennkraftmaschine angekoppelten Drehmasse der elektrischen Maschine. Die
Verbindungsbauteile werden also entlastet. Hierdurch ist es bei einer unmittelbaren Kopplung zwischen den beiden Maschinen möglich, eine größere oder leistungsstärkere elektrische
Maschine zu verwenden, als dies bisher bekannt ist, weil deren Drehmasse durch die
Ansteuerung effektiv - aus Sicht der Verbindungsbauteile - reduziert wird. Anders formuliert ergibt sich durch die Ansteuerung für das newtonsche Reaktionsgesetz eine abhängig von der aktiven Ansteuerung reduzierte Drehmasse, sodass die tatsächlich eingekoppelte Drehmasse ohne Gefahr der Bauteilüberlastung erhöht werden kann. Gleiches gilt bei Kopplung der
Maschinen mithilfe einer drehstarren Kupplung. Wird eine drehweiche Kupplung verwendet, zeigt sich, dass diese auf der Grundlage der zuvor angestellten Überlegungen entsprechend weniger stark belastet wird. Sie kann daher kleiner ausfallen, sodass es entweder auch bei geringerem zur Verfügung stehendem Bauraum möglich ist, eine solche Kupplung einzusetzen, oder Bauraum eingespart wird, der ansonsten für die Kupplung verwendet werden müsste.
Zugleich treten in einer kleineren Kupplung geringere Verluste auf. Selbstverständlich ist es auch möglich, an einem im Rahmen des Verfahrens betriebenen, konventionellen Antriebsstrang nichts zu verändern, wodurch sich dann schlicht die Lebensdauer der verwendeten Komponenten aufgrund der Entlastungseffekte erhöht.
Unter einer Drehungleichformigkeit der Brennkraftmaschine wird hier vorzugsweise eine resultierende Drehungleichformigkeit verstanden, das heißt die letztlich in der Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine wirksame Summe aller möglichen Ursachen für die Drehungleichformigkeit beziehungsweise Drehmomentschwankung.
Typischerweise sind die Drehungleichformigkeiten der Brennkraftmaschine abhängig von deren Drehzahl und dem abgegebenen Drehmoment. Daher wird vorzugsweise die elektrische
Maschine auch in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drehmoments der Brennkraftmaschine zur Entlastung der Kopplung zwischen den beiden Maschinen angesteuert.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Maschine gleichphasig zu einem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Der Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine wird dabei erfasst und phasengleich zur Ansteuerung der elektrischen Maschine - vorzugsweise mit reduziertem
Drehmoment - verwendet. Wirkt also eine momentane Drehmomentschwankung der
Brennkraftmaschine beschleunigend auf eine diese mit der elektrischen Maschine koppelnde Welle, wird die elektrische Maschine gleichzeitig mit einem - vorzugsweise geringeren - Drehmoment angesteuert, welches ebenfalls eine Beschleunigung der Welle bewirkt.
Entsprechendes gilt für eine Drehungleichformigkeit der Brennkraftmaschine, welche tendenziell eine bremsende Wirkung auf die Kopplungswelle hat, wobei auch in diesem Fall die elektrische Maschine gleichsinnig, also ebenfalls mit - vorzugsweise reduziertem - bremsenden
Drehmoment angesteuert wird. Während die Drehungleichformigkeit der Brennkraftmaschine als solche tendenziell geeignet ist, eine Verspannung in der Verbindung mit der elektrischen Maschine herbeizuführen, und eine aus dem Stand der Technik bekannte, gegenphasige
Ansteuerung der elektrischen Maschine noch zu einer Vergrößerung dieser Verspannung führt, bewirkt die gleichphasige Ansteuerung eine Verringerung der Verspannung und damit eine Entlastung der Verbindung sowie eine Reduzierung des in dieser wirkenden
Torsionswechselmoments.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine nicht ausschließlich mit dem zu der
Drehmomentschwankung der Brennkraftmaschine gleichphasigen, vorzugsweise jedoch reduzierten, Drehmoment angesteuert. Vielmehr wird - wie allgemein in hybridisierten
Antriebssträngen üblich - die elektrische Maschine genutzt, um entweder die
Brennkraftmaschine zu unterstützen, indem ein zu deren Drehmoment gleichsinniges
Drehmoment in den Antriebsstrang eingeleitet wird, oder um in dem Antriebsstrang vorhandene und/oder von der Brennkraftmaschine erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die elektrische Maschine als Generator betrieben wird und insoweit ein bremsendes Drehmoment in den Antriebsstrang einleitet. Die Ansteuerung der elektrischen
Maschine zur Entlastung der Verbindung wird bevorzugt diesem Drehmoment überlagert. Dabei zeigt sich, dass die beiden Drehmomentverläufe typischerweise zeitlich und auch bezüglich ihrer Beträge voneinander separiert werden können, weil das sehr viel größere, zur Unterstützung der Brennkraftmaschine oder zur Erzeugung elektrischer Energie aufgebrachte Drehmoment auf einer größeren Zeitskala fluktuiert als das kleinere Drehmoment, welches vorgesehen ist, um die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine auszugleichen.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine über einen mit ihr wirkverbundenen
Frequenzumrichter gleichphasig zu dem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine angesteuert. Dies wird bevorzugt durch eine Steuerungseinrichtung durchgeführt, welche hierzu eingerichtet und mit dem Frequenzumrichter wirkverbunden ist.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine durch den Frequenzumrichter der
elektrischen Maschine ermittelt werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sie zugleich ökonomisch, effizient und sehr genau ist. Es bedarf nämlich keiner separaten Teile, insbesondere keiner separaten Sensoren, da die die Drehungleichförmigkeiten von der elektrischen Maschine selbst beziehungsweise der zu ihrer Ansteuerung ohnehin vorgesehenen Umrichtertechnik ermittelt werden. Diese ist in der Lage, die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine sehr genau zu erfassen. Diese erzeugen nämlich Ungleichförmigkeiten in der Relativbewegung zwischen einem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine, die ihrerseits wiederum zu Ungleichförmigkeiten in den in der elektrischen Maschine wirkenden elektromagnetischen Feldern führen. Solche Schwankungen der elektromagnetischen Felder sind in dem
Frequenzumrichter ohne weiteres erfassbar, sodass letztlich die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine dort problemlos detektiert werden können. Zur gleichphasigen Ansteuerung der elektrischen Maschine mit dem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Auswertung der Ungleichförmigkeiten und zur gleichphasigen Erzeugung eines
Ansteuersignais für die elektrische Maschine, wird vorzugsweise ein FPGA-Baustein (Field Programmable Gate Array - im Anwendungsfeld programmierbare, logische Gatter- Anordnung) verwendet. Mit diesem ist eine sehr schnelle und genaue, parallele Auswertung möglich, sodass die elektrische Maschine ohne weiteres in Echtzeit gleichphasig zu dem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine angesteuert werden kann. Alternativ oder zusätzlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine durch wenigstens einen Sensor ermittelt werden. Dabei ist es möglich, dass ein Drehzahlsensor verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Drehmomentsensor verwendet wird, der unmittelbar ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Drehmoment erfasst. Der Sensor ist vorzugsweise an einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Drehungleichförmigkeiten der
Brennkraftmaschine abhängig von wenigstens einem Betriebsparameter derselben aus einem Kennfeld ermittelt werden. Insbesondere durch Prüfstandsversuche ist es möglich, typische Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Betriebsparametern zu ermitteln und diese in einem Kennfeld zu hinterlegen, welches dann bei allen
Brennkraftmaschinen einer Serie verwendet werden kann. Im Betrieb der Brennkraftmaschine genügt es dann, den wenigstens einen Betriebsparameter zu ermitteln und die hiervon
abhängigen Drehungleichförmigkeiten aus dem Kennfeld auszulesen. Als solcher
Betriebsparameter können beispielsweise eine Drehzahl und/oder eine Drosselklappenstellung sowie bevorzugt ein momentaner Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine verwendet werden. Auch andere Betriebsparameter, wie beispielsweise eine eingespritzte Brennstoffmenge, ein Einspritzzeitpunkt, ein Zylinderinnendruck, eine Abgasrückfuhrrate, und/oder
Konzentrationen verschiedener Stoffe im Abgas können zur Charakterisierung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine und somit zur Identifizierung von in einem Kennfeld hinterlegten Drehungleichförmigkeiten herangezogen werden.
Wird auf eine von dem Frequenzumrichter oder einem Sensor erfasste Drehungleichförmigkeit zurückgegriffen, handelt es sich hier um eine - rückgekoppelte - Regelung, da die tatsächlich vorliegende Drehungleichförmigkeit zu einer unmittelbaren Rückkopplung auf diese selbst führt. Wird dagegen eine aus einem Kennfeld ausgelesene Drehungleichförmigkeit zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herangezogen, handelt es sich hierbei um eine - nicht-rückgekoppelte - Steuerung. Eine Regelung ist vorteilhaft, weil sie sehr genau ist. Dafür ist sie allerdings langsamer als eine Steuerung. Eine Steuerung ist zwar weniger genau als eine Regelung, dafür hat sie jedoch den Vorteil, sehr schnell zu sein. Dadurch ist sie besonders geeignet zur
Anwendung im hohen Drehzahlbereich des Antriebsstrangs.
Es ist auch eine adaptive Steuerung möglich, bei der die an sich kennfeldbasierte Ansteuerung der elektrischen Maschine durch eine Messung zeitlich vorausgehender
Drehungleichförmigkeiten modifiziert wird. Auch ist es möglich, die elektrische Maschine anhand einer aus zeitlich vorausgehenden Drehungleichförmigkeiten vorhergesagten
Drehungleichförmigkeit anzusteuern. Auch dies ist eine Form einer nicht-rückgekoppelten Steuerung.
Auch Mischformen zwischen einer Regelung und einer Steuerung können Anwendung finden. Beispielsweise ist es möglich, bestimmte Informationen zur Ansteuerung der elektrischen Maschine - beispielsweise einen Ansteuerungswinkel - aus einem Kennfeld zu entnehmen, während andere Ansteuerungsinformationen - beispielsweise eine Ansteuerungsamplitude - aus einer Messung abgeleitet werden. Insbesondere ist eine Regelung mit Vorsteuerung möglich, bei dem die Ansteuerung der elektrischen Maschine zunächst kennfeldbasiert voreingestellt und anschließend bezüglich kleinerer Abweichungen des tatsächlichen Werts zu dem voreingestellten Wert nachgeregelt wird. Schließlich ist es möglich, in einem niedrigen Drehzahlbereich - beispielsweise in einem Leerlauf - mit einer Regelung zu arbeiten, während bei höheren
Drehzahlen, bei denen die Regelung zeitlich gegebenenfalls zu aufwendig wäre, zu einer
Steuerung übergegangen wird.
Es wird auch eine Ausfuhrungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Maschine gleichphasig zu dem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine drehzahlabhängig nur in wenigstens einem Drehzahlbereich angesteuert wird, in dem eine Resonanz der Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine gegeben ist. Es zeigt sich, dass die Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine als schwingungsfähiges System betrachtet werden kann. Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn eine drehelastische Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Allerdings ist es grundsätzlich möglich, auch eine noch so starre, reale Welle als elastische Kopplung zu beschreiben und damit ein zumindest prinzipiell schwingungsfähiges System zu erhalten. In dem schwingungsfähigen System treten Resonanzen auf. Dabei zeigt sich, dass in Drehzahlbereichen, in denen Resonanzen auftreten, die an der Kopplung angreifenden Torsionswechselmomente eine zulässige Grenzbelastung der koppelnden Bauteile, insbesondere einer drehelastischen Kupplung, deutlich übersteigen. Dabei ist es möglich, dass in anderen Drehzahlbereichen, in denen kein Resonanzfall vorliegt, die Torsionswechselmomente unter, teilweise deutlich unter dem Grenzwert bleiben. In einem solchen Fall ist es ohne entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine erforderlich, eine drehelastische Kupplung einzusetzen, deren zulässige Grenzbelastung oberhalb einer höchsten, im Resonanzfall auftretenden Torsionswechselbelastung liegt. Hierdurch wird die Kupplung nicht nur sehr groß und teuer, sondern ist auch für einen weiten Drehzahlbereich, in dem keine Resonanz auftritt, weitaus überdimensioniert. Wird die elektrische Maschine aber in den
Drehzahlbereichen, in denen Resonanzen auftreten, in der zuvor beschriebenen Weise angesteuert, führt dies zu einer sehr effizienten Dämpfung der Resonanzen, die insbesondere auf das Niveau der in den übrigen Drehzahlbereichen herrschenden Torsionswechselmomente reduziert werden können.
Dadurch ist es möglich, eine drehelastische Kupplung einzusetzen, deren Grenzbelastung auf im Mittel anfallende Torsionswechselmomente ausgelegt ist. Diese ist somit nicht mehr
überdimensioniert, sondern genau an die mittleren Torsionswechselmomente angepasst und kann sehr viel leichter ausgebildet sein. Auch ohne die Verwendung einer drehelastischen Kopplung bewirkt eine Ansteuerung der elektrischen Maschine im Rahmen des Verfahrens im
Resonanzfall, dass jedenfalls Spitzenbelastungen der Verbindung deutlich reduziert werden. Darüber hinaus zeigt sich, dass eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine nur in Drehzahlbereichen, in denen Resonanzen auftreten, sehr ökonomisch ist, weil die
Durchführung des Verfahrens in anderen Bereichen, in denen keine erhöhten
Torsionswechselmomente auftreten, unterbleiben kann. Entsprechend wird bevorzugt die elektrische Maschine in Drehzahlbereichen, in denen keine Resonanzen der Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine gegeben sind, nicht zur Entlastung der Verbindung und insbesondere nicht gleichphasig angesteuert.
Durch den Einsatz dieser Ausführungsform des Verfahrens wird also die Belastung der
Verbindung oder Kopplung zwischen der elektrischen Maschine und der Brennkraftmaschine drehzahlselektiv verringert, sodass sich eine drehzahlabhängige Dämpfung der
Torsionswechselmomente ergibt. Das Verfahren wird daher bevorzugt nur im Bereich der Resonanzen angewendet. Die drehzahlabhängige Ansteuerung der elektrischen Maschine nur in wenigstens einem
Drehzahlbereich, in dem eine Resonanz auftritt, wird besonders bevorzugt in einem sogenannten Aussetzerbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt. Hierbei handelt es sich um einen Betriebszustand, bei dem bei einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine wenigstens ein Zylinder ausfällt oder durch gezielte Zylinderabschaltung abgeschaltet wird. Hierdurch entstehen größere Unwuchten und somit größere Drehungleichförmigkeiten als in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in der alle Zylinder befeuert werden. Die elektrische Maschine und insbesondere der Frequenzumrichter können im Rahmen des
Verfahrens zugleich als Sensoreinrichtung verwendet werden, mit deren Hilfe ein
Aussetzerbetrieb erkennbar ist. Vorzugsweise ist so sogar feststellbar, welcher oder welche Zylinder ausgefallen sind oder nicht befeuert werden. Dies ist ohne weiteres aufgrund charakteristischer Ungleichförmigkeiten beim Aussetzen bestimmter Zylinder möglich.
Zusätzlich werden Unwuchten im Aussetzerbetrieb vorzugsweise durch Änderung der
Zündreihenfolge der noch befeuerten Zylinder der Brennkraftmaschine gedämpft. Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit den
Merkmalen des Anspruchs 5 geschaffen wird. Der Antriebsstrang weist eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine auf, wobei die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine miteinander gekoppelt sind. Es ist außerdem eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen
Ausführungsformen. Dadurch verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt wurden. Der Antriebsstrang ist vorzugsweise als hybridisierter Antriebsstrang ausgebildet, wobei die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine insbesondere seriell oder parallel miteinander gekoppelt sind. Dabei wird bevorzugt eine sogenannte PI - oder P2-Topologie verwirklicht. Die Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet als Motorsteuergerät der
Brennkraftmaschine (Engine Control Unit - ECU). Alternativ ist es möglich, dass eine separate Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine vorgesehen ist, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Es ist möglich, dass die Steuerungseinrichtung durch entsprechende Gestaltung ihrer
Schaltkreise, also hardwareseitig, zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Alternativ ist es möglich, dass ein Computerprogrammprodukt in die Steuerungseinrichtung geladen ist, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Steuerungseinrichtung ausgeführt wird.
Die Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise mit dem Frequenzumrichter der elektrischen Maschine zur Erfassung einer Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Dabei ist es - wie zuvor beschrieben - ohne weiteres möglich, die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine mithilfe des Frequenzumrichters zu ermitteln. Dies stellt eine besonders genaue und zugleich effiziente Art der Ermittlung der Drehungleichförmigkeiten dar.
Vorzugsweise weist die Steuerungseinrichtung einen FPGA-Baustein (Field Programmable Gate Array) zur parallelen Auswertung der Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine in Echtzeit sowie zur Erzeugung eines Ansteuerungssignals für die elektrische Maschine ebenfalls in Echtzeit auf. Auf diese Weise ist auch bei hohen Drehzahlen eine sehr schnelle und genaue Ansteuerung der elektrischen Maschine gleichphasig zu den Drehmomentschwankungen der Brennkraftmaschine möglich.
Alternativ ist die Steuerungseinrichtung vorzugsweise mit wenigstens einem Sensor zur
Erfassung einer Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Der Sensor ist bevorzugt als Drehzahlsensor und/oder als Drehmomentsensor ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Steuerungseinrichtung mit einer Sensiereinrichtung für wenigstens einen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung zugleich Zugriff auf ein Kennfeld hat, aus dem abhängig von dem wenigstens einen Betriebsparameter eine Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine auslesbar ist. Bevorzugt ist ein solches Kennfeld in die Steuerungseinrichtung implementiert.
Schließlich ist die Steuerungseinrichtung vorzugsweise mit der elektrischen Maschine zu deren Ansteuerung wirkverbunden, besonders bevorzugt über den Frequenzumrichter.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Antriebsstrangs bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine unmittelbar miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt ist dabei ein Anker oder Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar auf einer Kurbelwelle oder auf einer mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Abtriebswelle drehfest angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr einfache und
kostengünstige Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und der Brennkraftmaschine gegeben ist. Alternativ sind die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine vorzugsweise über eine Kupplung, insbesondere über eine schaltbare Kupplung, miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindung zwischen der elektrischen Maschine und der Brennkraftmaschine bedarfsgerecht bezüglich ihrer Drehelastizität durch Wahl der Kupplung eingestellt werden kann. Ist eine schaltbare Kupplung vorgesehen, kann eine größere Zahl von Betriebszuständen des hybridisierten Antriebsstrangs durch Schalten der Kupplung verwirklicht werden.
Im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben eines Antriebsstrangs werden die Bauteile, welche die elektrische Maschine mit der Brennkraftmaschine verbinden, unabhängig davon entlastet, ob eine unmittelbare Kopplung oder eine Kopplung über eine - vorzugsweise schaltbare - Kupplung gegeben ist.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Antriebsstrangs bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine drehstarr miteinander verbunden sind. Dabei ist es zum einen möglich, dass diese ohne Kupplung unmittelbar miteinander gekoppelt sind, wie es zuvor erläutert wurde. Es ist aber auch möglich, dass eine
Kupplung vorgesehen ist, die drehstarr ausgebildet ist. In beiden Fällen werden die verbindenden Bauteile im Rahmen des Verfahrens entlastet. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine drehweich miteinander verbunden sind. Hierzu ist vorzugsweise eine drehelastische, insbesondere drehweiche Kupplung, vorzugsweise eine schaltbare Kupplung, zwischen den beiden Maschinen angeordnet. Diese Kupplung wird im Rahmen des Verfahrens entlastet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine kleinere Kupplung zu verwenden, weil diese nicht mehr dieselben Beanspruchungen und insbesondere Torsionswechselmomente abfangen muss, die ohne
Anwendung des Verfahrens von der Kupplung aufgenommen werden müssten.
Dadurch, dass es möglich ist, eine kleinere Kupplung einzusetzen, wird nicht zuletzt auch die Länge des Antriebsstrangs insgesamt reduziert, sodass dieser eine insgesamt kürzere Bauweise aufweisen kann. Dies fuhrt bei einem Kraftfahrzeug, welches den Antriebsstrang aufweist, letztlich zu einer Verkleinerung oder zu mehr anderweitig nutzbarem Raum.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Antriebsstrangs bevorzugt, das sich durch ein Getriebe auszeichnet. Dieses ist vorzugsweise mit der elektrischen Maschine gekoppelt. Besonders bevorzugt ist das Getriebe entweder unmittelbar oder über eine - vorzugsweise schaltbare - Kupplung mit der elektrischen Maschine verbunden. Das Getriebe ist bevorzugt als
Wechselgetriebe, insbesondere als manuelles Schaltgetriebe, als Automatikgetriebe oder als CVT-Getriebe (Continously Variable Transmission - stufenloses Getriebe) ausgebildet. Mithilfe des Getriebes ist es möglich, den Antriebsstrang in einem größeren Geschwindigkeitsbereich oder Drehzahlbereich einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs einzusetzen, als dies ohne
Getriebe möglich ist.
Es zeigt sich, dass das Getriebe in einem Antriebsstrang, der keine elektrische Maschine, sondern nur eine auf das Getriebe wirkende Brennkraftmaschine aufweist, unmittelbar durch dessen Drehungleichförmigkeiten belastet wird. Dabei sind herkömmliche Getriebe
normalerweise ohne weiteres in der Lage, diese Drehungleichförmigkeiten abzufangen.
Gemäß dem Stand der Technik ist vorgesehen, eine elektrische Maschine in den Antriebsstrang einzukoppeln und gegenphasig zu den Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine anzusteuern, um das Getriebe zu entlasten. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird nun die elektrische Maschine gleichphasig zu der Brennkraftmaschine angesteuert, welches die
Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine entlastet. Dies könnte gemäß einer ersten Überlegung dazu führen, dass das Getriebe zusätzlich belastet wird, weil sich die Drehmomentschwankungen der Brennkraftmaschine und die induzierten Drehmomentschwankungen der elektrischen Maschine addieren und in Summe auf das Getriebe wirken. Dies erweist sich allerdings bei genauerer Betrachtung als nicht richtig: Vielmehr wirkt die elektrische Maschine bereits allein aufgrund ihrer großen Drehmasse dämpfend, sodass schon ohne jegliche Ansteuerung der elektrischen Maschine Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine nur in deutlich verringertem Maß auf das Getriebe wirken. Wird die elektrische Maschine nun gleichphasig zu der Brennkraftmaschine angesteuert, erhöht sich zwar die Belastung des Getriebes im Vergleich zu einer gänzlich fehlenden Ansteuerung der elektrischen Maschine und selbstverständlich auch im Vergleich zu einer gegenphasigen
Ansteuerung derselben, jedoch liegen die am Getriebe feststellbaren Torsions Wechselmomente auch bei gleichphasiger Ansteuerung der elektrischen Maschine aufgrund der Dämpfung durch die große Drehmasse höchstens im Bereich der konventionell zu erwartenden Werte in einem klassischen Antriebsstrang, in dem das Getriebe ohne elektrische Maschine mit der
Brennkraftmaschine verbunden ist. Typischerweise liegen die Torsionswechselmomente unter solchen Werten. Das Getriebe wird daher höchstens im ohnehin üblichen und aus dem Stand der Technik bekannten Rahmen belastet. Dies ist ohne weiteres hinnehmbar, insbesondere in Hinblick auf die massive Entlastung der Verbindungsteile zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine, welche durch das Verfahren erreicht wird. Besonders wird ein Ausführungsbeispiel des Antriebsstrangs bevorzugt, bei welchem dieser als seriell hybridisierter Antriebsstrang ausgebildet ist, in dem die Brennkraftmaschine, die elektrische Maschine und das Getriebe in Reihe miteinander verbunden sind. Hierdurch lässt sich eine Vielzahl von Betriebszuständen nach Art eines Vollhybrids realisieren, sodass erhebliche Brennstoffeinsparungen erreicht werden können. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft in Hinblick auf die mit dem hybridisierten Antriebsstrang erreichbaren Betriebszustände und dem damit verbundenen, reduzierten Brennstoffverbrauch.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass die Brennkraftmaschine als Kreiskolbenmotor oder als Turbine ausgebildet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb
insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine
Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der
Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Dieses weist einen Antriebsstrang nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Hierdurch verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und dem Antriebsstrang erläutert wurden.
Besonders wird ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das als Schienenfahrzeug ausgebildet ist. Gerade im Bereich von Schienenfahrzeugen treten - aufgrund der größeren verwendeten
Brennkraftmaschinen - erhebliche Torsionswechselmomente im Bereich der Kopplung zwischen einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine auf, sodass sich hier die Vorteile des Verfahrens in besonderer Weise verwirklichen.
Alternativ ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug als Straßenfahrzeug, insbesondere als
Personenkraftwagen, als Nutzfahrzeug, als Schwertransporter oder in anderer geeigneter Weise, als Geländefahrzeug, beispielsweise als Muldenkipper, insbesondere für den Minenbetrieb, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass das Kraftfahrzeug als Wasserfahrzeug, insbesondere als Schiff oder als Unterseeboot, ausgebildet ist. Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Antriebsstrangs beziehungsweise des Kraftfahrzeugs andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Antriebsstrangs, die in Zusammenhang mit dem Verfahren explizit oder implizit beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines Ausführungsbeispiels des Antriebsstrangs. Umgekehrt sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Antriebsstrang beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens.
Weiterhin ist der Antriebsstrang vorzugsweise gekennzeichnet durch wenigstens ein Merkmal, das sich aus einem Verfahrensschritt des Verfahrens ergibt. Umgekehrt ist das Verfahren vorzugsweise gekennzeichnet durch wenigstens einen Verfahrensschritt, der sich aus wenigstens einem Merkmal des Antriebsstrangs ergibt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Antriebsstrangs;
Fig. 2 eine schematische, diagrammatische Darstellung der an dem Antriebsstrang bei
Ansteuerung nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik wirkenden Momente;
Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm, und
Fig. 4 eine schematische, diagrammatische Darstellung der bei Ansteuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Antriebsstrang wirkenden Momente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Antriebsstrangs 1 für ein Kraftfahrzeug 3, der eine Brennkraftmaschine 5 und eine elektrische Maschine 7 aufweist. Die Brennkraftmaschine 5 und die elektrische Maschine 7 sind miteinander gekoppelt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem ein Getriebe 9 vorgesehen, welches hier unmittelbar mit der elektrischen Maschine 7 gekoppelt ist. Die Brennkraftmaschine 5 und die elektrische Maschine 7 sind über eine drehelastische
Kupplung 11 miteinander verbunden. Insgesamt ist der Antriebsstrang 1 hier als parallel hybridisierter Antriebsstrang ausgebildet, wobei die Brennkraftmaschine 5, die elektrische Maschine 7 und das Getriebe 9 in Reihe miteinander verbunden sind. Dabei ist die elektrische Maschine 7 hier zwischen der Brennkraftmaschine 5 und dem Getriebe 9 angeordnet. Schematisch ist ein erster Sensor 13 dargestellt, durch den Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine 5 erfassbar sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
Antriebsstrangs 1 wird die elektrische Maschine 7 in Verbindung mit einem zu ihrer
Ansteuerung vorgesehenen Frequenzumrichter selbst als Sensor 13 zur Erfassung der
Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine 5 verwendet. Alternativ ist der Sensor 13 bevorzugt als Drehzahl- und/oder als Drehmomentsensor ausgebildet, wobei er in dem
Antriebsstrang 1 zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der Kupplung 11 angeordnet sein kann. Bevorzugt ist der erste Sensor 13 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 5 oder mit einer mit der Kurbelwelle verbundenen Abtriebswelle verbunden.
Optional ist ein zweiter Sensor 15 zwischen der elektrischen Maschine 7 und dem Getriebe 9 angeordnet, mit dem an einem Eingang des Getriebes 9 anliegende
Drehmomentungleichförmigkeiten erfassbar sind. Der zweite Sensor 15 ist bevorzugt als Drehzahl- und/oder Drehmomentsensor ausgebildet.
Der Antriebsstrang 1 weist eine Steuerungseinrichtung 17 auf, die eingerichtet ist, um
Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine 5 zu ermitteln und die elektrische Maschine 7 so anzusteuern, dass die Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7 im Betrieb des Antriebsstrangs 1 entlastet wird. Die Steuerungseinrichtung 17 weist vorzugsweise einen Frequenzumrichter zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 auf, der zugleich gemeinsam mit dieser zur Erfassung der Drehungleichförmigkeiten der
Brennkraftmaschine 5 und somit als erster Sensor 13 verwendet wird. Die Steuerungseinrichtung 17 weist weiterhin bevorzugt einen FPGA-Baustein (Field Programmable Gate Array) zur Auswertung der Drehungleichförmigkeiten sowie zur Erzeugung eines Ansteuerungssignals für die elektrische Maschine in Echtzeit auf.
Es ist möglich, dass die Steuerungseinrichtung 17 zusätzlich auch mit dem zweiten Sensor 15 wirkverbunden ist, falls dieser vorgesehen ist.
Es ist offensichtlich, dass Drehungleichförmigkeiten, insbesondere Drehmomentschwankungen der Brennkraftmaschine 5 deren Kopplung mit der elektrischen Maschine 7 und insbesondere hier die Kupplung 11 stark belasten, insbesondere weil die elektrische Maschine 7 ein großes Massenträgheitsmoment bezüglich ihrer Drehachse aufweist. Wird die elektrische Maschine 7 nicht zur Dämpfung der Drehungleichformigkeiten der Brennkraftmaschine 5 angesteuert, wirken diese auch auf das Getriebe 9 und sind insoweit - wenn beide Sensoren 13, 15 vorgesehen sind - nicht nur durch den ersten Sensor 13, sondern auch durch den zweiten Sensor 15 - möglicherweise in durch die Drehmasse der elektrischen Maschine 7 gedämpfter Form - erfassbar.
Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren bekannt, bei welchem die elektrische Maschine 7 gegenphasig zu den Drehmomentschwankungen der Brennkraftmaschine 5 angesteuert wird.
Fig. 2 zeigt in schematischer und diagrammatischer Darstellung die bei Durchführung dieses konventionellen Verfahrens wirkenden Momente. Dabei ist gemäß einer durchgezogenen Kurve 19 hier das von der Brennkraftmaschine 5 abgegebene Drehmoment MVM gegen die Zeit t aufgetragen. Dieses zeigt in der vereinfachten Darstellung gemäß Figur 2 periodische, nämlich sinusförmige, Schwankungen. Als punktierte Kurve 21 ist das durch gegenphasige Ansteuerung induzierte Drehmoment MEM der elektrischen Maschine 7 dargestellt. Dabei zeigt ein Vergleich der beiden Kurven 19, 21, dass vorzugsweise die Drehmomentschwankung der elektrischen Maschine 7 mit reduzierter Amplitude im Vergleich zu der Drehmomentschwankung der Brennkraftmaschine 5 induziert wird.
Durch einen ersten Doppelpfeil P] ist das Torsionswechselmoment dargestellt, welches von dem ersten Sensor 13 in Figur 1 erfassbar ist, wenn die elektrische Maschine 7 nicht, nämlich weder gegenphasig noch gleichphasig, abhängig von den Drehmomentschwankungen der
Brennkraftmaschine 5 angesteuert wird. Dieses Torsionswechselmoment ist dann auch in dem Sensor 15 registrierbar und belastet das Getriebe 9. Dieses ist allerdings typischerweise so ausgelegt, dass es dieses Torsionswechselmoment ohne weiteres abfangen kann.
Gleichwohl ist nach dem bekannten Stand der Technik vorgesehen, dass die elektrische
Maschine 7 zur Verringerung der Belastung des Getriebes 9 zur Erzeugung eines gegenphasigen Drehmomentverlaufs gemäß der Kurve 21 angesteuert wird. Hierdurch wird die durch den
Sensor 15 erfassbare Torsionswechselbelastung des Getriebes 9 im Vergleich zu der Darstellung gemäß dem Doppelpfeil Pj deutlich reduziert, gegebenenfalls sogar vollständig beseitigt. In dem Sensor 15 ist dann also nur noch eine geringe oder sogar gar keine Drehungleichförmigkeit mehr erfassbar. Das Getriebe 9 ist entlastet. Es zeigt sich aber, dass aufgrund der gegenphasigen Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 in dem ersten Sensor 13 eine deutlich höhere Torsionswechselbelastung feststellbar ist, wobei das hier messbare Torsionswechselmoment in Figur 2 durch einen Doppelpfeil P2 dargestellt ist. Es wird so unmittelbar deutlich, dass durch die gegenphasige Ansteuerung der elektrischen
Maschine 7 die Belastung der Verbindung zwischen dieser und der Brennkraftmaschine 5 deutlich erhöht wird, wobei insbesondere die Kupplung 11 stärker belastet wird. Diese muss nämlich im Vergleich zu dem ohne Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 wirksamen Torsionswechselmoment ? i nun das größere Torsionswechselmoment P2 abfangen.
Um nun die Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7 und insbesondere die Kupplung 11 zu entlasten, ist das hier vorgeschlagene Verfahren vorgesehen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform dieses Verfahrens nach Art eines Flussdiagramms. Dabei wird in einem ersten Schritt Sl eine Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine 5, vorzugsweise mithilfe des Frequenzumrichters der elektrischen Maschine 7, ermittelt. In einem Schritt S2 wird anhand der ermittelten Drehungleichförmigkeit ein zu den Drehmomentschwankungen der Brennkraftmaschine 5 gleichphasiges Ansteuerungssignal zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 erzeugt, wobei diese in einem dritten Schritt S3 mit dem Ansteuerungssignal gleichphasig zu den Drehmomentschwankungen der
Brennkraftmaschine 5 angesteuert wird.
Es zeigt sich noch, dass das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in
vorteilhafter Weise nur in Drehzahlbereichen durchgeführt wird, in denen eine Resonanz der Kopplung zwischen der Brerinkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7 gegeben ist. Insbesondere durch die drehelastische Kupplung 11 stellt diese Kopplung nämlich ein schwingungsfähiges System dar, welches drehzahlabhängig Resonanzen zeigt. Durch die drehzahlselektive, gleichphasige Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 ist es möglich, diese Resonanzen zu dämpfen, wodurch die Kupplung 11 nicht mehr ausgelegt werden muss, um auch die Torsionswechselmomente in den Resonanzspitzen abzufangen, sondern vielmehr nur noch auf im Mittel anfallende Torsionswechselmomente. Sie kann daher deutlich kleiner und leichter ausgebildet sein. Alternativ ist es selbstverständlich vorzugsweise möglich, dass das Verfahren fortwährend im Betrieb des Antriebsstrangs 1 durchgeführt wird. Die elektrische Maschine 7 wird dann permanent gleichphasig zu den Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine 5 angesteuert. Fig. 4 zeigt eine schematische und diagrammatische Darstellung der wirkenden Momente bei Ansteuerung der elektrischen Maschine gemäß dem Verfahren nach Figur 3. Die Darstellung ist dabei analog zu der Darstellung gemäß Figur 2, insoweit sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit gleichen Symbolen und Bezugszeichen versehen, sodass diesbezüglich auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Es wird unmittelbar klar, dass durch die gleichphasige Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 hier das in dem ersten Sensor 13 detektierbare Torsionswechselmoment P2 im Vergleich zu dem ohne Ansteuerung der
elektrischen Maschine 7 wirkenden Torsionswechselmoment P] deutlich reduziert ist. Dadurch wird die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7 entlastet. Insbesondere wird die Kupplung 11 entlastet.
An dem zweiten Sensor 15 sind nun zwar größere Torsionswechselmomente, die auf das
Getriebe 9 wirken, detektierbar, als dies bei einer gegenphasigen Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 der Fall ist, gleichwohl liegen diese aufgrund der stark dämpfend wirkenden
Drehmasse der elektrischen Maschine 7 noch unterhalb oder höchstens in einem Bereich, in welchem sie auch lägen, wenn die Brennkraftmaschine 5 unmittelbar mit dem Getriebe 9 gekoppelt wäre, also in der Größenordnung der durch den Pfeil Pi dargestellten
Torsionswechselmomente. Wichtig ist demnach folgende Erkenntnis: Das durch den Doppelpfeil P2 dargestellte Torsionswechselmoment ist das bei gleichphasig angesteuerter elektrischer Maschine 7 an dem ersten Sensor 13 detektierbare Torsions Wechselmoment. An dem zweiten Sensor 15 ist dagegen ein Torsionswechselmoment detektierbar, welches in der Größenordnung des durch den Doppelpfeil ¥\ dargestellten Torsionswechselmoments liegt.
Während also die Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7, insbesondere die Kupplung 11 , im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens deutlich entlastet wird, wird das Getriebe 9 durch dieses Verfahren zumindest nicht wesentlich mehr belastet, als dies ohnehin bei einem konventionellen Antriebsstrang 1 der Fall ist. Zur Aufnahme solcher Belastungen ist das Getriebe 9 jedoch typischerweise ausgelegt, sodass hiermit kein Nachteil verbunden ist. Demgegenüber ist die Entlastung der Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine 5 und der elektrischen Maschine 7, insbesondere die Entlastung der
Kupplung 11, von entscheidendem Vorteil.
Insgesamt zeigt sich nämlich, dass es hierdurch im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens möglich ist, eine größere oder leistungsstärkere elektrische Maschine 7 in den Antriebsstrang 1 zu integrieren, und/oder die Kupplung 11 kleiner und leichter auszubilden, wodurch es weiter möglich ist, den Antriebsstrang 1 insgesamt kürzer auszubilden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebstrangs (1) für ein Kraftfahrzeug (3), der eine Brennkraftmaschine (5) und eine elektrische Maschine (7) aufweist, wobei die
Brennkraftmaschine (5) und die elektrische Maschine (7) miteinander verbunden sind, wobei Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine (5) ermittelt werden, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (7) so angesteuert wird, dass die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine (5) und der elektrischen Maschine (7) im Betrieb des Antriebsstrangs ( 1 ) entlastet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (7) gleichphasig zu einem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine (5) angesteuert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine (5) durch einen Frequenzumrichter der elektrischen Maschine (7), durch wenigstens einen Sensor (13) und/oder abhängig von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (5) aus einem Kennfeld ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (7) drehzahlabhängig nur in wenigstens einem Drehzahlbereich gleichphasig zu dem Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine (5) angesteuert wird, in dem eine Resonanz der Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine (5) und der elektrischen Maschine (7) gegeben ist.
5. Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug (3), mit einer Brennkraftmaschine (5) und einer elektrischen Maschine (7), wobei die Brennkraftmaschine (5) und die elektrische Maschine (7) miteinander verbunden sind, und mit einer Steuerungseinrichtung (17), die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkraftmaschine (5) und die elektrische Maschine (7) unmittelbar miteinander oder über eine - vorzugsweise schaltbare - Kupplung miteinander verbunden sind.
7. Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (5) und die elektrische Maschine (7) drehstarr oder drehweich miteinander verbunden sind.
8. Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch ein Getriebe (9), wobei das Getriebe bevorzugt - vorzugsweise unmittelbar oder über eine Kupplung - mit der elektrischen Maschine (7) verbunden ist.
9. Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) als parallel hybridisierter Antriebsstrang (1) ausgebildet ist, in dem die Brennkraftmaschine (5), die elektrische Maschine (7) und das Getriebe (9) in Reihe miteinander verbunden sind, wobei bevorzugt die elektrische Maschine (7) zwischen der Brennkraftmaschine (5) und dem Getriebe (9) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug (3), mit einem Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
11. Kraftfahrzeug (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (3) als Schienenfahrzeug ausgebildet ist.
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