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DE102007055830A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeuges Download PDF

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Publication number
DE102007055830A1
DE102007055830A1 DE102007055830A DE102007055830A DE102007055830A1 DE 102007055830 A1 DE102007055830 A1 DE 102007055830A1 DE 102007055830 A DE102007055830 A DE 102007055830A DE 102007055830 A DE102007055830 A DE 102007055830A DE 102007055830 A1 DE102007055830 A1 DE 102007055830A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electric machine
combustion engine
internal combustion
drive
clutch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007055830A
Other languages
English (en)
Inventor
Stefan Wallner
Johannes Dr. Kaltenbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
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Priority to PCT/EP2008/066599 priority patent/WO2009077321A2/de
Priority to US12/808,641 priority patent/US20110093147A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes (1) eines Fahrzeugs, mit einem Antriebsstrang (2), im Wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Maschine (5), eine ansteuerbare Kupplung (4), über die der Verbrennungsmotor (3) mit der elektrischen maschine (5) kraftschlüssig verbindbar ist, und ein Lastschaltgetriebe (7). Um eine möglichst einfache und effiziente Ablaufsteuerung bei einem Start des Verbrennungsmotors (3) mittels der elektrischen Maschine (5) bei einem Schaltvorgang zu ermöglichen und dennoch einen hohen Betriebskomfort des Hybridantriebs zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass, ausgehend von einer elektromotorischen Fahrt bei offener Kupplung (4), zum Start des Verbrennungsmotors (3) mittels der elektrischen Maschine (5) während einer Lastschaltung eine Ansteuerung der elektrischen Maschine (5) zur Erzeugung eines reduzierten dynamischen Drehmomentverlaufs (26) am Eingang des Lastschaltgetriebes (7) durch eine Ansteuerung der Kupplung (4) mit einem auf den Verbrennungsmotor (3) wirksamen und vom Betrag her inversen dynamischen Drehmomentverlauf (29) substituiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6.
  • Hybridabtriebe gewinnen im Fahrzeugbau aufgrund ihres Potenzials zur Verringerung von Schadstoffemissionen und Energieverbrauch zunehmend an Bedeutung. Derartige Fahrzeuge weisen verschiedenartige Antriebsquellen auf, wobei insbesondere Kombinationen von Verbrennungs- und Elektromotoren von Vorteil sind, da sie einerseits die Reichweiten- und Leistungsvorteile von Brennkraftmaschinen sowie andererseits die flexiblen Einsatzmöglichkeiten der elektrischen Maschinen als alleinige oder Hilfsantriebsquelle oder als Startergenerator sowie Generator zur Stromerzeugung und Rekuperation nutzen können.
  • Vom Markt werden Hybrid-Antriebsstränge gefordert, die möglichst ohne zusätzlichen Bauraumbedarf, bei möglichst geringer Kompliziertheit sowie bei geringem Kosten- und Konstruktionsaufwand in Fahrzeuge implementiert werden können. Dabei werden grundsätzlich zwei Hybrid-Topologien, der Serienhybrid und der Parallelhybrid unterschieden. Solche Anordnungen sind bereits bekannt und werden ständig weiterentwickelt.
  • Beim Serienhybrid sind die Antriebsmaschinen antriebstechnisch hintereinander geschaltet. Dabei dient der Verbrennungsmotor, beispielsweise ein Dieselmotor, als Antrieb für einen Generator, der eine elektrische Maschine speist. Das Fahrzeug wird ausschließlich über den Elektromotor angetrieben. Der Verbrennungsmotor ist von den Antriebsrädern entkoppelt und kann daher ständig in einem einzigen Betriebspunkt, also bei einem bestimmten Drehmoment und bei konstanter Drehzahl betrieben werden. Dieses Antriebskonzept eignet sich beispielsweise für Busse im städtischen Kurzstreckenverkehr, wobei vorzugsweise ein Betriebspunkt, bei dem der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors möglichst hoch ist und gleichzeitig Schadstoffemissionen, Kraftstoffverbrauch sowie Geräuschentwicklung in einem günstigen Bereich liegen, eingestellt wird. Ungünstig wirkt sich beim Serienhybrid dagegen aus, dass der Wirkungsgrad des Antriebs aufgrund der mechanisch-elektrischen Mehrfachumwandlung eingeschränkt ist.
  • Demgegenüber bieten Parallelhybrid-Antriebstränge durch eine bezüglich des Kraftflusses parallele Anordnung der Triebstrangaggregate neben der Überlagerung der Antriebsmomente die Möglichkeit der Ansteuerung mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb oder rein elektromotorischem Antrieb. Grundsätzlich kann beim Parallelhybrid der Verbrennungsmotor durch jeweiliges Belasten bzw. Unterstützen mittels einer oder mehrerer elektrischer Maschinen weitgehend bei optimalem Drehmoment betrieben werden, so dass der maximale Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors effektiv genutzt werden kann. Durch die Unterstützung des Verbrennungsmotors verringert sich im Mittel der Kraftstoffverbrauch. Da bei kurzzeitigen erhöhten Leistungsanforderungen im sogenannten Boostbetrieb, beispielsweise bei Überholvorgängen, eine Summierung der Antriebsleistung möglich ist, kann der Verbrennungsmotor nahezu ohne Einbußen an Leistung und Fahrkomfort des Fahrzeuges vergleichsweise kleiner sowie gewichts- und bauraumsparender ausgelegt werden, was sich zusätzlich emissionsverringernd und kostengünstig auswirkt. Die elektrische Maschine kann zudem als integrierter Startergenerator (ISG) zum Start des Verbrennungsmotors über eine Kupplung fungieren. Weiterhin dient die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb zum Laden eines elektrischen Energiespeichers und kann zur Rekuperation eingesetzt werden. Als Getriebe zur Variation der Übersetzung des Antriebs der angetriebenen Achsen kommen grundsätzlich alle Formen von Fahrzeuggetrieben in Betracht.
  • Ziel zahlreicher Entwicklungen in der Hybridtechnik sind Betriebsstrategien, welche die vorhandenen Hybridkomponenten je nach Fahrsituation bei weitgehender Berücksichtigung von Fahrerwünschen und bei hohem Fahrkomfort möglichst effektiv und energiesparend einsetzen. Dazu ist im Folgenden eine Auswahl an Entwicklungen beschrieben.
  • Die DE 10 2004 043 589 A1 offenbart eine solche Betriebsstrategie in einem Parallelhybrid-Antriebsstrang, beispielsweise in Verbindung mit dem aus dem Produktionsprogramm der Anmelderin bekannten 6-gängigen Stufenautomaten 6HP26, bei der ein von einem eher sportlichen oder eher ökonomischen Fahrstil abhängiger Soll-Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers bestimmt wird. Die Antriebsleistung wird entsprechend einer momentanen Antriebsanforderung des Fahrers so auf die Hybridaggregate verteilt, dass dieser Soll-Ladezustand eingehalten wird. Eine besonders sportliche Fahrweise erfordert es, den Energiespeicher möglichst immer bei voller Kapazität zu halten, um die summierte Leistung der Antriebsaggregate beim Boosten zur Verfügung zu stellen. Eine eher ökonomische Fahrweise erfordert es dagegen, den Energiespeicher häufig zu leeren, um die ohnehin anfallende Rekuperationsenergie zum Auffüllen des Speichers effektiv zu nutzen.
  • Die WO 2006 111 434 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem eine Elektromaschine und ein Verbrennungsmotor gemeinsam ein angefordertes Sollmoment erzeugen, wobei zur Minimierung einer jeweiligen Drehmomentreserve des Verbrennungsmotors eine momentane Drehmomentreserve der Elektromaschine berücksichtigt wird.
  • Aus der WO 2007 020 130 A1 ist ein Verfahren zur Rekuperation bei einem Hybridfahrzeug bekannt, wobei der Anteil der elektrischen Maschine bei der Verzögerung mit einem vom Fahrer ausgeübten Bremsdruck koordiniert wird.
  • Aus der US 7 174 980 B2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebes bekannt, bei dem mit Hilfe einer elektrischen Maschine ein sprunghaftes Schleppmoment-Verhalten des Verbrennungsmotors verhindert und je nach Anforderung eine Schleppmoment-Kennlinie des gesamten Hybridantriebes beeinflusst wird.
  • Die DE 10 2005 044 828 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung eines optimalen Betriebspunktes eines Hybridantriebes, wobei ein vom Fahrer angefordertes Antriebsmoment einerseits und ein dynamisches Verhalten der vorhandenen Fahrzeugaggregate, z. B. ein sogenanntes Turboloch, andererseits berücksichtigt werden. Dazu wird ein Optimierungsalgorithmus vorgeschlagen, in den vorab bestimmte Kennfelder und aktuelle Randbedingungen, beispielsweise die momentane Fahrpedalstellung und Fahrzeuggeschwindigkeit, eingehen, die dann auf Variable wie die Drehmomentverteilung zwischen den Antriebsaggregaten und die Getriebeübersetzung angewandt werden.
  • Die DE 10 2005 044 268 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Hybridantriebes ein Ladezustand eines Energiespeichers bzw. ein Energiefluss (Abtriebsenergie/elektrische Energie) im Fahrzeug in Abhängigkeit einer Kostenfunktion für den Energieverbrauch oder den Schadstoffausstoß geregelt wird.
  • In der DE 699 32 487 T2 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung des Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers in einem Hybridfahrzeug beschrieben, wobei auch bei unzureichender Rekuperation in bestimmten Fahrsituationen, beispielsweise bei wiederholt kurz aufeinander folgenden Beschleunigungen und Verzögerungen oder bei einer Steigungsfahrt, der keine unmittelbar folgende Bergabfahrt folgt, ein ausreichender Ladezustand des Speichers eingeregelt wird.
  • Die DE 10 2005 049 458 A1 schlägt schließlich eine vorausschauende Strategie vor, bei der, mit Hilfe von digitalen Straßenkarten, Ortungseinrichtungen und in zeitlich-räumlichen Verkehrsmustern abgespeicherten streckenbezogenen Geschwindigkeitsverteilungen, im jeweiligen Streckenabschnitt über eine Zu- bzw. Abschaltung eines Hybridaggregates entschieden wird.
  • Eine besondere Bedeutung kommt bei einem Hybridfahrzeug dem einwandfreien Wechsel zwischen den Antriebsformen im Fahrbetrieb zu. Insbesondere die häufig vorkommenden Starts des Verbrennungsmotors aus rein elektromotorischer Fahrt, beispielsweise im innerstädtischen Verkehr oder im Kolonnenverkehr, sollen zuverlässig und komfortabel erfolgen. Dabei können eine Schaltstrategie und eine Hybrid-Betriebsstrategie derart korreliert sein, dass relativ häufig eine Schaltanforderung mit einer Motorstartanforderung zusammenfällt.
  • In einer gängigen Bauweise eines Parallelhybridantriebs ist, wie beispielsweise in der US 2005 022 1947 A1 dargestellt, der Verbrennungsmotor über eine erste Kupplung mit einer Elektromaschine verbindbar. Die Elektromaschine ist über eine zweite Kupplung mit einem Schaltgetriebe koppelbar. Der Verbrennungsmotor kann von der Elektromaschine während eines Übersetzungswechsels im Rahmen einer Start/Stopp-Funktion gestartet werden. Zunächst wird bei einem Stopp-Schritt der Verbrennungsmotor über eine Steuerung beim Auftreten vorgegebener Stopp-Bedingungen, beispielsweise beim Langsamerwerden an einer Ampel oder im Kolonnenverkehr, über eine verbrennungsmotorseitige Kupplung vom restlichen Antriebsstrang getrennt und abgeschaltet. Beim darauf folgenden Start-Schritt treibt zunächst die Elektromaschine bei einer eingerückten ersten Getriebeübersetzung das Fahrzeug an. Anschließend wird über die Antriebsstrangsteuerung beim Auftreten vorgegebener Betriebszustände das Übersetzungsverhältnis geändert (erhöht), während gleichzeitig die Elektromaschine über die getriebeseitige Kupplung vom Getriebe getrennt wird und die verbrennungsmotorseitige Kupplung eingerückt wird, so dass der Verbrennungsmotor über die Elektromaschine gestartet wird. Nach erfolgtem Start wird der Verbrennungsmotor über die getriebeseitige Kupplung mit dem Getriebe verbunden, so dass das der Verbrennungsmotor allein oder im Zusammenwirken mit der Elektromaschine das Fahrzeug antreibt.
  • Der Start des Verbrennungsmotors kann zwar während eines Übersetzungswechsels erfolgen, die Elektromaschine muss jedoch dabei über eine geeignete Kupplung vom Getriebe getrennt werden, wodurch eine als nachteilig zu beurteilende Zugkraftunterbrechung auftritt.
  • Einen besonders einfach aufgebauten Hybrid-Antriebsstrang zeigt die DE 10 2005 051 382 A1 . Bei dieser Anordnung ist lediglich eine reibschlüssige oder besonders kostengünstige und bauraumsparende formschlüssige Kupplung vorgesehen, über die ein Verbrennungsmotor mit einer Elektromaschine koppelbar ist. Auf eine zweite Kupplung zwischen der Elektromaschine und einem nachgeordneten Schaltgetriebe wird darin verzichtet. Die Elektromaschine kann somit unmittelbar ein positives (motorischer Betrieb) oder negatives (generatorischer Betrieb) Drehmoment auf eine Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes ausüben. Das Schaltgetriebe kann beispielsweise ein Lastschalt-Automatgetriebe sein, also ein zugkraftunterbrechungsfrei mit automatischen Übersetzungsänderungen über ansteuerbare Schaltelemente, üblicherweise Lamellenkupplungen oder Bandbremsen, schaltendes Getriebe. Zum Start des Verbrennungsmotors aus elektrischer Fahrt muss sich das Schaltgetriebe zunächst in einer Neutralstellung befinden bzw. in Neutral geschaltet werden. Anschließend wird die Kupplung in Schließrichtung angesteuert, so dass die Elektromaschine ein positives Drehmoment auf den Verbrennungsmotor in dessen vorgesehener Drehrichtung ausübt und dieser angelassen wird.
  • Auf die zweite Kupplung kann dabei zwar verzichtet werden, da durch die Neutralstellung der Verbrennungsmotor beim Startvorgang weitgehend von der Abtriebswelle des Getriebes entkoppelt ist. Das Einrücken einer vorgesehenen Anschlussübersetzung kann jedoch erst nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgen, wodurch sich der Schaltablauf insgesamt verzögern kann.
  • Weiterhin ist es bekannt, in einem Antriebsstrang mit einem Lastschaltgetriebe bei einer Hochschaltung im Zugbetrieb das Antriebsmoment eines mit dem Getriebe wirkverbundenen Antriebsaggregates zu reduzieren, um eine abtriebsseitige Momentüberhöhung zu vermeiden, die bei der Hochschaltung in Folge der Massenträgheit der rotierenden Getriebeteile gemäß der Bewegungsgleichung M = J × dw/dt, mit J = Trägheitsmoment und dw/dt = Winkelbeschleunigung, entstehen würde. Dazu ist ein entsprechender negativer Drehmomenteingriff am Antriebsaggregat, also eine kurzzeitige Reduzierung dessen Antriebsdrehmoments erforderlich.
  • Bei einem Hybridantrieb mit einem Lastschaltgetriebe in den beschriebenen Ein-Kupplungsanordnungen (1K-ISG) oder Zwei-Kupplungsanordnungen (2K-ISG) mit integrierter Startergenerator-Funktion der Elektromaschine, ist somit bei einer Zughochschaltung während einer elektromotorischen Fahrt das elektrische Antriebsdrehmoment an der Elektromaschine entsprechend zu verringern. Bei einem gleichzeitig vorgesehenen Motorstart mit der elektrischen Maschine während der Lastschaltung ergibt sich daraus das Problem, dass verschiedene in Wechselbeziehungen miteinander stehende Betriebsparameter, insbesondere eine Schlupfzeit der Schaltkupplungen während des Übersetzungswechsels, ein von der Elektromaschine während der Schaltung in das Getriebe eingeleitetes Drehmoment, ein von der Elektromaschine während der Schaltung über die Kupplung an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eingeleitetes Drehmoment sowie der zeitliche Ablauf von Gangwechsel und Motorstart koordiniert werden müssen, um einen möglichst komfortablen und verschleißarmen Hybridbetrieb sicherzustellen.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes mit einem Verbrennungsmotor, einer elektrischen Maschine und einem Lastschaltgetriebe anzugeben, die eine möglichst einfache und effiziente Ablaufsteuerung bei einem Start des Verbrennungsmotors über die elektrische Maschine bei einem Schaltvorgang ermöglichen und dennoch einen hohen Betriebskomfort des Hybridantriebs gewährleisten.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Hybridantrieb mit einem Lastschaltgetriebe bei einem Lastschaltvorgang, insbesondere einer Hochschaltung im Zugbetrieb, ein freiwerdendes dynamisches Drehmoment zur Verfügung steht, welches zum Start des Verbrennungsmotors nutzbar ist.
  • Demnach geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, mit einem Antriebsstrang, im wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine, eine ansteuerbare Kupplung, über die der Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine kraftschlüssig verbindbar ist, und ein Lastschaltgetriebe. Unter einem Lastschaltgetriebe wird ein automatisch, zumindest nahezu zugkraftunterbrechungsfrei schaltendes Getriebe verstanden.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass, ausgehend von einer elektromotorischen Fahrt bei offener Kupplung, zum Start des Verbrennungsmotors mittels der elektrischen Maschine während einer Lastschaltung eine Ansteuerung der elektrischen Maschine zur Erzeugung eines reduzierten dynamischen Drehmomentverlaufs am Eingang des Lastschaltge triebes durch eine Ansteuerung der Kupplung mit einem auf den Verbrennungsmotor wirksamen und vom Betrag her inversen dynamischen Drehmomentverlauf substituiert wird.
  • Durch diesen Steuerungsablauf wird vorteilhaft eine vereinfachte Einstellung und eine besonders effiziente Verwendung des elektrischen Antriebs bei der Getriebeschaltung und dem zeitgleichen Start des Verbrennungsmotors ermöglicht.
  • Die gestellte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
  • Demnach geht die Erfindung weiterhin aus von einer Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs, mit einem Antriebsstrang, im Wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine, eine ansteuerbare Kupplung, über die der Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine kraftschlüssig verbindbar ist, und ein Lastschaltgetriebe.
  • Zudem sind Steuerungsmittel vorgesehen, mittels der die Kupplung derart ansteuerbar ist, dass bei zumindest weitgehend konstantem Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine ein zur Durchführung einer Lastschaltung erforderlicher reduzierter dynamischer Momentverlauf des Lastschaltgetriebes erzeugbar und der Verbrennungsmotor über das dabei über die Kupplung übertragbare Drehmoment startbar ist.
  • Die Erfindung macht sich den Umstand zu nutze, dass bei einer Hochschaltung eines Lastschaltgetriebes im Zugbetrieb in der Regel das Antriebsdrehmoment des Antriebsaggregates reduziert wird, um eine unerwünschte abtriebsseitige Drehmomenterhöhung zu vermeiden. Bei einer elektromotorischen Fahrt eines Hybridfahrzeuges müsste dementsprechend das elektrische Antriebsmoment zu Beginn des Schaltablaufes verringert und am Ende des Schaltablaufs wieder erhöht werden, um einen einwandfreien Gangwechsel ohne zusätzliche Stoßbelastungen des Triebstrangs zu ermöglichen.
  • Wenn bei einer Hybridstrategie bzw. durch eine Fahreranforderung der Verbrennungsmotor während einer derartigen Lastschaltung im elektrischen Fahrbetrieb gestartet werden soll, kann, anstelle einer Reduzierung des elektromotorisch erzeugten Drehmoments entsprechend des erforderlichen negativen Momenteingriffs am Getriebe, das Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine konstant gehalten werden und dafür die Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine so in Schließrichtung betätigend angesteuert werden, dass dieser dynamische Drehmomentverlauf von der Kupplung aufgenommen und als Drehmoment an die Kurbelwelle übertragen wird. Dies bedeutet, dass der erforderliche betragsmäßig reduzierte Drehmomentverlauf am Getriebeeingang dadurch erzeugt wird, dass die Kupplung über eine Kupplungssteuerung mit einem entsprechenden Verlauf zumindest teilweise geschlossen bzw. eingerückt wird.
  • Da der dabei von der Elektromaschine und den rotierenden Bauteilen des Getriebes an die Kupplung übertragene dynamische Drehmomentverlauf dem an die Lastschaltung angepassten Drehmomentverlauf entspricht, erfolgt diese Kupplungsansteuerung sinnvoll synchron mit der Schaltsteuerung der Lastschaltung. Dadurch werden Probleme bei der Steuerung von Motorstart und Lastschaltung vermieden. Bevorzugt entspricht die Dauer des geschilderten Drehmomenteingriffs der so genannten Schlupfzeit der Schaltkupplungen bei der Lastschaltung, also demjenigen Zeitraum, in dem sich entweder eine oder beide der einschaltenden und ausschaltenden getriebeinternen Schaltkupplungen zur Schaltung der zusammenwirkenden Übersetzungsglieder im Schlupf befinden. Dadurch, dass die Motorstartzeit in diese Schlupfzeit fällt, ist der Abtrieb während des Motorsstarts weitgehend vom Verbrennungsmotor entkoppelt, so dass Stoßbelastungen im Antriebsstrang sicher vermieden werden, was den gewünschten Fahrkomfort sicherstellt bzw. erhöht.
  • Die Steuerung des Schaltablaufs selbst kann vorteilhaft unverändert von einer konventionellen Getriebesteuerung übernommen werden. Es ist lediglich eine mit den Hybrid-Steuerungen kommunizierende geeignete Kupplungssteuerung zu implementieren.
  • Im einfachsten Fall reicht im wesentlichen das quasi in der Massenträgheit des Antriebsstrangs gespeicherte dynamische Drehmoment der Zughochschaltung zum Motorstart aus, so dass das Drehmoment an der elektrischen Maschine konstant beibehalten werden kann und somit besonders einfach einzustellen ist.
  • Dann, wenn das dem reduzierten Drehmomentverlauf der Lastschaltung entsprechende und an die Kupplung abgegebene dynamische Drehmoment zum Start des Verbrennungsmotors nicht ausreicht, können zusätzlich zu der Substitution des Momentverlaufs weitere Steuerungsmaßnahmen zur Ansteuerung der Kupplung und/oder der elektrischen Maschine vorgesehen sein.
  • Da das zur Verfügung stehende dynamische Drehmoment von der Größe des Übersetzungssprunges bei der Lastschaltung abhängt, kann es vorteilhaft sein, anstelle der üblichen sequenziellen Schaltung eine oder mehrere Gangstufen bei der Lastschaltung zu überspringen, um den Verbrennungsmotor sicher zu starten. Beispielsweise kann eine Schaltung von der ersten Gangstufe in die dritte Gangstufe erfolgen. Das elektrische Antriebsdrehmoment kann dabei wiederum konstant eingestellt werden.
  • Als eine weitere Steuerungsmaßnahme zur Sicherstellung der Startbarkeit des Verbrennungsmotors kann vorgesehen sein, dass, zusätzlich zu der Substitution des Momentverlaufs, durch synchrones Ansteuern der elektrischen Maschine und der Kupplung ein Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine und ein von der Kupplung an den Verbrennungsmotor übertragenes Dreh moment während des zeitgleichen Starts des Verbrennungsmotors und der Lastschaltung um einen vorbestimmten gleichen Betrag erhöht werden.
  • Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebes zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 ein Drehmomentverlauf bei einer Lastschaltung ohne Motorstart, und
  • 3 ein Drehmomentverlauf bei einer Lastschaltung mit Motorstart.
  • Demnach ist in 1 ein Schema eines Fahrzeug-Hybridantriebes 1 mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang 2 dargestellt, wie er beispielsweise für ein Nutzfahrzeug (Lkw, Bus, Sonderfahrzeug) vorgesehen sein kann. Der Aufbau eines derartigen Antriebsstrangs 2 ist dem Fachmann an sich bekannt. Der Antriebsstrang 2 weist einen Verbrennungsmotor 3, beispielsweise einen Dieselmotor mit einer Kurbelwelle 24 auf, die über eine vorteilhaft als Reibkupplung ausgebildete Kupplung 4 mit einer elektrischen Maschine 5 verbindbar ist. Wesentlich für die Erfindung ist eine erfindungsgemäße Steuerung des Antriebstranges 2, insbesondere der Kupplung 4 und der elektrischen Maschine 5.
  • Der elektrischen Maschine 5 ist ein Lastschaltgetriebe 7 antriebstechnisch nachgeordnet. Die elektrische Maschine 5 ist in nicht näher dargestellter und erläuterter Weise über eine zweite Kupplung oder über getriebeinterne Schaltelemente mit dem Lastschaltgetriebe 7 zur Antriebsmomentübertragung verbindbar. In der 1 ist zur Vereinfachung als Verbindungselement zur Drehmomentübertragung zwischen der Elektromaschine 5 und dem Lastschaltgetriebe 7 lediglich eine Getriebeeingangswelle 6 angedeutet.
  • Dem Lastschaltgetriebe 7 kann ein nicht näher erläuterter Nebenabtrieb (PTO: Power Take-Off) 8 antriebstechnisch nachgeordnet sein, der von erstem 7 mittels einer gesonderten Ausgangswelle antreibbar ist. Über das Lastschaltgetriebe 7 und ein Differenzial 9 kann ein jeweils anliegendes Abtriebsmoment des Hybridantriebes 1 in herkömmlicher Weise an eine Antriebsachse 10 und über diese an die Antriebsräder 11 des Fahrzeugs weitergeleitet werden.
  • Die Elektromaschine 5 kann je nach Betriebssituation als elektrisches Antriebsaggregat oder als Generator betrieben werden. Dazu ist sie mit einem Umrichter 12 verbunden, der von einem Umrichter-Steuergerät 13 ansteuerbar ist. Über den Umrichter 12 ist die Elektromaschine 5 mit einem elektrischen Antriebsenergiespeicher 14, beispielsweise einer 340 V-Hochvolt-Batterie (auch Supercaps sind möglich), verbunden. Im motorischen Betrieb wird die Elektromaschine 5 vom Energiespeicher 14 gespeist. Im generatorischen Betrieb, also beim Antrieb durch den Verbrennungsmotor 3 und/oder im Rekuperationsbetrieb, wird der Energiespeicher 14 von der Elektromaschine 5 aufgeladen. Weiterhin fungiert die Elektromaschine 5 als integrierter Startergenerator (ISG) zum Starten des Verbrennungsmotors 3.
  • Der Hochvoltkreis des Energiespeichers 14 bzw. die daran angeschlossenen Steuergeräte sind über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler (DC/DC) 15 an ein Bordnetz (24 V oder 12 V) 16 angeschlossen. Der Energiespeicher 14 ist über ein Batteriemanagementsystem (BMS) 17 bezüglich seines Ladezustandes (SOC: State of Charge) überwachbar und regelbar. Der Gleichspannungswandler 15 ist von einem Gleichspannungswandler-Steuergerät 18 ansteuerbar. Zudem ist ein Steuergerät 19 für nicht näher erläuterte Bremsregelungsfunktionen, insbesondere ein Antiblockiersystem (ABS) bzw. ein elektronisches Bremssystem (EBS) sowie ein weiteres Steuergerät 20 für eine elektronische Dieseleinspritzregelung (EDC) des beispielhaft als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors 3 vorgesehen. Die einzelnen genannten Steu ergeräte können auch, wenigstens zum Teil, in einem einzigen Steuergerät zusammengefasst sein.
  • Weiterhin ist eine integrierte Steuerungseinrichtung 21 angeordnet, in der ein Getriebesteuergerät (TCU: Transmission Control Unit), ein Hybridsteuergerät (HCU: Hybrid Control Unit) sowie verschiedene Betriebsfunktionen zusammengefasst sind. Der Steuerungseinrichtung 21 sind Steuerungsmittel, insbesondere eine Steuerungseinheit 25, zur Ansteuerung zumindest eines Aktuators der Kupplung 4 zugeordnet, die auch in die Steuerungseinrichtung 21 integriert sein kann.
  • Eine jeweilige Antriebsenergieverteilung und Funktionssteuerung der einzelnen Komponenten des Hybridantriebs ist über eine zentrale Strategie-Einheit 22 steuerbar, die, vorteilhaft über einen Datenbus (z. B. CAN) 23, mit der Steuerungseinrichtung 21 und der Steuereinheit 25 sowie den relevanten Steuergeräten 13, 17, 18, 19 verbunden ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches mit dem geschilderten Hybridantrieb 1 durchführbar ist, beruht auf der Nutzung eines dynamischen Drehmomentes einer Lastschaltung zum Start des Verbrennungsmotors 3.
  • Zur weiteren Verdeutlichung ist in 2 ein konventioneller Antriebsdrehmomentverlauf MEM der elektrischen Maschine 5 bei einer Lastschaltung ohne Motorstart dargestellt. Bei der Lastschaltung in einem Zeitraum 27 bei elektromotorischer Fahrt wird die elektrische Maschine 5 mittels der Steuerungseinrichtung 21 mit einer Antriebsdrehmoment-Reduzierung 26 gesteuert, die einem vorgegebenen zu reduzierenden dynamischen Drehmomentverlauf am Lastschaltgetriebe 7 entspricht. Ein entsprechendes freiwerdendes Lastschaltmoment wird dadurch kompensiert, so dass am Getriebeausgang keine unerwünschten Drehmomentspitzen zu verzeichnen sind. Zum Vergleich ist ein stetiger bzw. konstanter Verlauf 28 des Antriebsdrehmomentes als ein Fahrerwunschdrehmoment angedeutet.
  • Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehmomentverlauf der elektrischen Maschine 5 und der Kupplung 4 bei einer Lastschaltung und einem gleichzeitigen Start des Verbrennungsmotors 3. Das Antriebsdrehmoment MEM der elektrischen Maschine 5 wird dabei erfindungsgemäß konstant gehalten. Weiterhin wird ein besonderer Drehmomentverlauf MK der Kupplung 4 durch ein Betätigen derselben in eine Schlupfstellung eingestellt. Im Zeitraum 27, also im wesentlichen zeitgleich mit der Lastschaltung, wird so ein zur Antriebsdrehmoment-Reduzierung 26 der 2 inverses Antriebsdrehmoment 29 an der Kupplung 4 bei einem Betätigen derselben in Schließrichtung abgegeben. In der Folge wird der Verbrennungsmotor 3 mit diesem Antriebsmoment 29 gestartet, während gleichzeitig bei konstant bleibendem elektrischem Antriebsdrehmoment MEM am Lastschaltgetriebe 7 in Summe mit dem inversen Antriebsdrehmoment 29 der für eine komfortable Schaltung erforderliche reduzierte dynamische Drehmomentverlauf erzeugt wird.
    • 1
    Hybridantrieb
    2
    Antriebsstrang
    3
    Verbrennungsmotor
    4
    Kupplung
    5
    Elektrische Maschine
    6
    Getriebeeingangswelle
    7
    Lastschaltgetriebe
    8
    Nebenabtrieb
    9
    Differenzial
    10
    Antriebsachse
    11
    Fahrzeugrad
    12
    Umrichter
    13
    Umrichter-Steuergerät
    14
    Elektrischer Antriebsenergiespeicher
    15
    Gleichspannungswandler
    16
    Bordnetz
    17
    Batteriemanagementsystem
    18
    Spannungswandler-Steuergerät
    19
    Elektronische Bremsregelung
    20
    Elektronische Dieselregelung
    21
    Steuerungseinrichtung
    22
    Betriebsstrategie-Einheit
    23
    Datenbus
    24
    Kurbelwelle
    25
    Kupplungs-Steuerungseinheit
    26
    Verlauf der Antriebsmoment-Reduzierung
    27
    Schaltzeitraum
    28
    Fahrerwunschdrehmoment
    29
    Verlauf des Kupplungsdrehmoments
    M
    Antriebsdrehmoment
    MEM
    Drehmomentenverlauf elektrische Maschine
    MK
    Drehmomentenverlauf Kupplung
    t
    Zeit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004043589 A1 [0007]
    • - WO 2006111434 A1 [0008]
    • - WO 2007020130 A1 [0009]
    • - US 7174980 B2 [0010]
    • - DE 102005044828 A1 [0011]
    • - DE 102005044268 A1 [0012]
    • - DE 69932487 T2 [0013]
    • - DE 102005049458 A1 [0014]
    • - US 20050221947 A1 [0016]
    • - DE 102005051382 A1 [0018]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs (1) eines Fahrzeugs, mit einem Antriebsstrang (2), im wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Maschine (5), eine ansteuerbare Kupplung (4), über die der Verbrennungsmotor (3) mit der elektrischen Maschine (5) kraftschlüssig verbindbar ist, und ein Lastschaltgetriebe (7), dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von einer elektromotorischen Fahrt bei offener Kupplung (4), zum Start des Verbrennungsmotors (3) mittels der elektrischen Maschine (5) während einer Lastschaltung eine Ansteuerung der elektrischen Maschine (5) zur Erzeugung eines reduzierten dynamischen Drehmomentverlaufs (26) am Eingang des Lastschaltgetriebes (7) durch eine Ansteuerung der Kupplung (4) mit einem auf den Verbrennungsmotor (3) wirksamen und vom Betrag her inversen dynamischen Drehmomentverlauf (29) substituiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des zeitgleichen Starts des Verbrennungsmotors (3) und der Durchführung der Lastschaltung ein konstantes Antriebsmoment (MEM) der elektrischen Maschine (5) beibehalten oder eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Substitution des Drehmomentverlaufs Steuerungsmaßnahmen zur Ansteuerung der Kupplung (4) und/oder der elektrischen Maschine (5) vorgesehen sind, wenn das dem reduzierten Drehmomentverlauf der Lastschaltung entsprechende, an die Kupplung (4) abgegebene dynamische Moment zum Start des Verbrennungsmotors (3) unzureichend ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch synchrones Ansteuern der elektrischen Maschine (5) und der Kupplung (4) ein Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine (5) und ein von der Kupplung (4) an den Verbrennungsmotor (3) übertragenes Drehmoment während des zeitgleichen Starts des Verbrennungsmotors (3) und der Lastschaltung um einen vorbestimmten gleichen Betrag erhöht werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Lastschaltung wenigstens eine Gangstufe übersprungen wird.
  6. Vorrichtung zum Betrieb eines Hybridantriebes (1) eines Fahrzeugs, mit einem Antriebsstrang (2), im wesentlichen umfassend einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Maschine (5), eine ansteuerbare Kupplung (4), über die der Verbrennungsmotor (3) mit der elektrischen Maschine (5) kraftschlüssig verbindbar ist, und ein Lastschaltgetriebe (7), dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungsmittel (25) vorgesehen sind, mittels der die Kupplung (4) derart ansteuerbar ist, dass bei zumindest weitgehend konstantem Antriebsdrehmoment (MEM) der elektrischen Maschine (5) ein zur Durchführung einer Lastschaltung erforderlicher reduzierter dynamischer Momentverlauf des Lastschaltgetriebes (7) erzeugbar und der Verbrennungsmotor (3) über das dabei über die Kupplung (4) übertragbare Drehmoment (MK) startbar ist.
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