DE102007055829A1

DE102007055829A1 - Hybridantrieb eines Fahrzeugs und Verfahren zu dessen Betrieb

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Publication number: DE102007055829A1
Application number: DE102007055829A
Authority: DE
Inventors: Christian Mittelberger; Stefan Blattner; Kai BORNTRÄGER; Johannes Dr. Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs und ein Verfahren zu dessen Betrieb, mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang (2, 2', 2'', 2''', 2''''), der als Triebstrangkomponenten einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') mit wenigstens einer elektrischen Maschine (27, 28, 28'), wenigstens ein Schaltelement (4, 29), mittels dessen eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') und dem Verbrennungsmotor (3) herstellbar ist, ein Getriebe (7, 7') und einen Abtrieb (26) umfasst. Zur Gewährleistung einer hohen Antriebsdynamik beim Start des Verbrennungsmotors (3) aus einem elektromotorischen Fahrbetrieb unter Berücksichtigung flexibel konzipierbarer Triebstrangkonzepte sind in dem Parallelhybrid-Antriebsstrang (2, 2', 2'', 2''', 2'''') die Ausbildung und Anordnung der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') und des wenigstens einen Schaltelementes (4, 29) derart aufeinander abgestimmt und wirken die Triebstrangkomponenten derart zusammen, dass bei beliebigen Getriebebauarten während einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors (3) durchführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs und ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beziehungsweise des Patentanspruchs 9.
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 und 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 und bei geringem Kosten- und Konstruktionsaufwand in Fahrzeuge implementiert werden können. Es werden grundsätzlich zwei Hybrid-Topologien, der Serienhybrid und der Parallelhybrid unterschieden. Solche Anordnungen sind bereits bekannt und werden ständig weiterentwickelt.
Beim seriellen Hybrid sind die Antriebsmaschinen 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 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 und Geräuschentwicklung in einem günstigen Bereich liegen, eingestellt wird. Ungünstig wirkt sich beim seriellen Hybrid 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, und 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 Antriebes der angetriebenen Achsen kommen grundsätzlich alle Formen von Fahrzeuggetrieben in Betracht.
Parallelhybridantriebe sind in der Regel als Ein-Kupplungsanordnung (1K) oder Zwei-Kupplungsanordnung (2K) ausgebildet. Bei beiden Anordnungen weisen eine elektrische Maschine mit integrierter Startergenerator-Funktion (1K-ISG bzw. 2K-ISG-Anordnungen) auf.
In einer ersten Bauweise ist, wie beispielsweise in der US 2005 022 1947 A1 dargestellt, der Verbrennungsmotor über eine erste Kupplung mit einer Elektromaschine und über eine separate zweite Kupplung mit einem Schaltgetriebe koppelbar. Es ist auch möglich, wie beispielsweise in der DE 10 2004 043 589 A1 gezeigt, dass zwischen der zweiten Kupplung und dem Getriebe eine zweite elektrische Maschine angeordnet ist.
Eine zweite Bauweise zeigt beispielsweise die DE 10 2005 051 382 A1 . Bei dieser vergleichsweise einfachen und besonders kompakt bauenden Anordnung ist lediglich eine Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine vorgesehen. Eine zweite separate Kupplung entfällt. Die Kupplung kann als eine reibschlüssige oder im einfachsten Fall als eine besonders kostengünstige und bauraumsparende formschlüssige Trennkupplung ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann bei einer Parallelhybrid-Anordnung die Funktion einer optionalen zweiten Kupplung zwischen einer Elektromaschine und einem Abtrieb, wenn dies bei dem jeweiligen Antriebskonzept vorgesehen bzw. erforderlich ist, von beispielsweise bei Automatgetrieben ohnehin vorhandenen getriebeinternen Schaltkupplungen und/oder Schaltbremsen oder einer vorgeschalteten Wandlerüberbrückungskupplung übernommen werden.
Anstelle einer direkten Anordnung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe bzw. einer direkten kraftschlüssigen Verbindung über eine Kupplung kann die Antriebswirkung der Elektromaschine auch über ein Planetengetriebe eingekoppelt werden. Dadurch kann die Elektromaschine als elekt rodynamisches Anfahrelement (EDA) wirken, wodurch wiederum eine herkömmliche Anfahrkupplung entfallen kann. Ein derartiges Hybrid-System mit einem EDA ist beispielsweise in Verbindung mit dem automatisierten AS Tronic-Getriebe aus dem Produktionsprogramm der Anmelderin bekannt und besonders für Nutzfahrzeuge im städtischen Verteilerverkehr mit häufigen Anfahr-, Brems- und Rangiervorgängen geeignet.
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 seien die folgenden Beispiele genannt.
Die DE 10 2004 043 589 A1 beinhaltet eine 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 möglicht 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 2006/111434 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem eine Elektromaschine und ein Verbrennungsmotor gemeinsam ein angefordertes Solldrehmoment erzeugen, wobei zur Minimierung einer jeweiligen Drehmomentreserve des Verbrennungsmotors eine momentane Drehmomentreserve der Elektromaschine berücksichtigt wird.
Aus der WO 2007/020130 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. 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 die 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 von einer Kostenfunktion für den Energieverbrauch oder den Schadstoffausstoß geregelt wird.
In der EP 1 008 484 B1 ( DE 699 32 487 T2 ) ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung des Ladezustandes eines 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, welcher keine unmittelbar folgende Bergabfahrt folgt, ein ausreichender Ladezustand des Speichers eingeregelt wird.
Die DE 10 2005 049 458 A1 schlägt 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.
Bei einem Parallelhybrid-Antrieb kann abhängig von einer jeweiligen Betriebsstrategie relativ häufig die Antriebsform des Fahrzeuges zwischen verbrennungsmotorischem Antrieb, elektromotorischem Antrieb und gemischtem Antrieb wechseln. Dabei tritt häufig der Betriebsfall auf, dass der Verbrennungsmotor aus rein elektromotorischer Fahrt gestartet wird. Grundsätzlich soll ein derartiger Motorstart sowohl während eines Übersetzungswechsels des Getriebes als auch außerhalb von Getriebeschaltvorgängen möglich sein, wobei ein solcher Motorstart während eines Gangwechsels vorzugsweise dann geschieht, wenn ohnehin gerade eine Schaltung vorgesehen ist. Als eine Methode zum Starten des Verbrennungsmotors ohne nennenswerte Vortriebsminderung ist ein so genannter Schleppstart bekannt, welcher insbesondere einer eher sportlichen Fahrweise entgegen kommt. Dabei werden durchweg gewisse Komforteinbußen durch wahrnehmbare Stoßbelastungen im Antriebsstrang hingenommen.
In der DE 199 45 473 A1 ist ein solcher Motorstart bzw. Schleppstart bei einem Hybridfahrzeug mit einem Zahnräderwechselgetriebe beschrieben. Eine Elektromaschine ist dazu zwischen einer verbrennungsmotorseitigen reibschlüssigen Anfahrkupplung sowie dem Getriebe angeordnet und über eine weitere, getriebeseitige Kupplungseinrichtung, die jeweils eine Kupplung auf einer Eingangswelle und einer Abtriebswelle umfasst, an den Triebstrang anbindbar. Eine Lastschaltfähigkeit des Wechselgetriebes wird dadurch erreicht, dass bei der Durchführung einer Schaltung die Kupplung auf der Abtriebswelle zumindest teilweise geschlossen und damit die Elektromaschine über ein Zahnradpaar einer 1. Gangstufe mit einem Abtrieb verbunden wird, während die Anfahrkupplung für den Schaltvorgang ausrückt. Weiterhin ist eine Schleppstartmöglichkeit vorgesehen. Bei dem Schleppstart treibt zunächst die Elektromaschine über die eingelegte 1. Gangstufe die Abtriebswelle und entsprechend die Antriebsräder des Fahrzeuges an. Während der elektrischen Fahrt wird zum Starten des Verbrennungsmotors die Anfahrkupplung geschlossen und damit der Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine und dem Abtrieb verbunden. In der Folge wird durch das Antriebsmoment der Elektromaschine einerseits und das von den Antriebsrädern über die 1. Gangstufe übertragene Drehmoment andererseits der Schleppwiderstand des Verbrennungsmotors überwunden und dieser gestartet bzw. angeschleppt.
Schwerpunkt dieser Druckschrift DE 199 45 473 A1 ist die Konzeption eines Zahnräderwechselgetriebes und die möglichst bauraumsparende Integrierung einer Elektromaschine darin zur Erzielung weitgehend zugkraftunterbrechungsfreier Schaltvorgänge. Dementsprechend bezieht sich der beschriebene Schleppstart auch nur auf diese Anordnung, also auf ein Zahnräderwechselgetriebe und eine Elektromaschine, wobei letztere zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet sowie über eine reibschlüssige Anfahrkupplung mit dem Verbrennungsmotor verbindbar ist. Eine Übertragbarkeit auf andere Hybridsysteme ist nicht ohne weiteres möglich. Der Schleppstart ist zudem an die 1. Gangstufe, also an eine hohe Übersetzung gekoppelt, wodurch relativ große Komforteinbußen entstehen können oder ein solcher unmöglich ist.
Weiterhin ist 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. Der Fachmann findet darin jedoch keine Hinweise auf einen Startablauf des Verbrennungsmotors aus elektrischer Fahrt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen flexibel konzipierbaren Fahrzeughybridantrieb und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, mit denen eine hohe Antriebsdynamik beim Start eines Verbrennungsmotors aus einem elektromotorischen Fahrbetrieb erreichbar ist bzw. aufrechterhalten werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in einem Parallelhybrid-Antriebsstrang eines Fahrzeugs verschiedene Anordnungen elektrischer Antriebsaggregate und Schaltkupplungen realisierbar sind, bei denen aus einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors durchführbar und damit eine hohe Antriebsdynamik erzielbar ist, wobei hinsichtlich des Schleppstarts keine Einschränkungen bezüglich bestimmter Getriebebauarten und Getriebeübersetzungen bei der Konzeption des Hybridantriebes gegeben sind.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 geht die Erfindung daher aus von einem Hybridantrieb eines Fahrzeugs, mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang, der als Triebstrangkomponenten einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Antriebseinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Maschine, wenigstens ein Schaltelement, mittels dem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Antriebseinrichtung und dem Verbrennungsmotor herstellbar ist, ein Getriebe und einen Abtrieb umfasst.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass in dem Parallelhybrid-Antriebsstrang die Ausbildung und Anordnung der elektrischen Antriebseinrichtung sowie des wenigstens einen Schaltelementes derart aufeinander abgestimmt sind und die Triebstrangkomponenten derart zusammen wirken, dass bei beliebigen Getriebebauarten während einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors durchführbar ist.
Die Erfindung schlägt die Anwendung des Schleppstarts für hybride Antriebsstränge in verschiedenen Anordnungsvarianten vor. Dadurch wird ein zugkrafterhaltender schneller Motorstart bei flexiblen Hybridkonzepten ermöglicht. Zudem kann durch die Starterfunktion der elektrischen Maschine ein zusätzlicher elektromotorischer Starter entfallen. Für den Schleppstart sind grundsätzlich keine übersetzungsrelevanten Getriebeaktionen erforderlich. Insbesondere ist der Schleppstart generell nicht an eine bestimmte Getriebeübersetzung gekoppelt. Weiterhin kann der Schleppstart über getriebeexterne oder getriebeinterne Schaltelemente ausgeführt werden, sofern diese dazu ausreichend robust ausgelegt sind. Die verschiedenen Anordnungsvarianten sind somit vorteilhaft für einen Schleppstart mit beliebigen Getriebearten geeignet.
Beim einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Antriebseinrichtung zwei an einer Antriebsachse des Fahrzeuges angeordnete elektrische Maschinen auf, wobei jeweils eine elektrische Maschine einem Antriebsrad des Fahrzeuges zugeordnet ist und wenigstens eine der elektrischen Maschinen zur Durchführung eines Schleppstarts des Verbrennungsmotors mit einem separaten Schaltelement oder mit einem oder mehreren getriebeinternen Schaltelementen zusammenwirkt.
Ein separates Schaltelement kann als eine Trenn- oder Anfahrkupplung, beispielsweise eine Reibkupplung, ausgebildet sein, die einerseits mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und andererseits mit dem elektrischen Antrieb wirkverbindbar ist.
Bei einem Getriebe, dass getriebeinterne Schaltkupplungen und/oder Schaltbremsen aufweist, beispielsweise einem Lastschaltgetriebe, können ein oder mehrere derartige interne Schaltelemente zur Herstellung der Verbindung mit dem Verbrennungsmotor beim Schleppstart genutzt werden bzw. entsprechend modifiziert sein. In diesem Fall kann auf eine zusätzliche, also eine externe Kupplung verzichtet werden, was sich kostengünstig sowie gewichts- und bauraumsparend auswirkt. Für den Fall, dass dem Getriebe ein hydrodynamischer Drehmomentwandler mit einer Wandlerüberbrückungskupplung antriebstechnisch vorgeschaltet ist, wird die Überbrückungskupplung während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors geschlossen. Grundsätzlich ist auch eine alternative Nutzung der Wandlerüberbrückungskupplung als Schaltelement möglich.
Bei einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Antriebseinrichtung eine elektrische Maschine auf, die einem Differenzialgetriebe einer Antriebsachse des Fahrzeuges zugeordnet ist, wobei die elektrische Maschine zur Durchführung eines Schleppstarts des Verbrennungsmotors mit einem separaten Schaltelement oder mit einer oder mehreren getriebeinternen Schaltelementen zusammenwirkt. Ebenso wie bei der ersten Anordnungsvariante wird auch hier für den Schleppstart während der Fahrt der Kraftfluss von den Antriebsrädern hinein in den Antriebsstrang bis zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors genutzt, wobei die elektrische Maschine auch unterstützend motorisch wirksam sein kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die elektrische Antriebseinrichtung einer Vorderachse oder einer Hinterachse des Fahrzeuges zugeordnet sein. Auch Fahrzeuge mit elektrischen Antriebseinrichtungen an einer Vorderachse und einer Hinterachse sind durch die Erfindung mit erfasst. Der Schleppstart ist somit vorteilhaft sowohl bei Hybrid-Frontantrieben, bei Hybrid-Heckantrieben also auch bei Hybrid-Allradantrieben anwendbar.
Es kann schließlich auch kann vorgesehen sein, dass die elektrische Antriebseinrichtung als eine elektrische Maschine ausgebildet ist, die zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet ist, und dass das wenigstens eine Schaltelement als eine Trenn- oder Anfahrkupplung ausgebildet ist, die zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angeordnet ist. Diese Anordnungsvariante der elektrischen Maschine ist besonders vorteilhaft, wenn keine geeignete getriebeinterne Schaltkupplung zur Verfügung steht oder ohnehin eine Anfahr- oder Trennkupplung vorgesehen ist.
Die genannten Anordnungsvarianten stehen beispielhaft für schleppstartfähige Hybridantriebsstränge. Die Erfindung umfasst auch weitere Kombinationen von Antriebsaggregaten und Schaltelementen, die einen zugkrafterhaltenden Schleppstart ohne Getriebeaktion ermöglichen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebes gelöst.
Gemäß den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs geht die Erfindung daher aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs, mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang umfassend einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Antriebseinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Maschine, wenigstens ein Schaltelement, mittels dem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Antriebseinrichtung und dem Verbrennungsmotor herstellbar ist, ein Getriebe und einen Abtrieb. Zudem ist vorgesehen, dass während einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, wobei die elektrische Antriebseinrichtung einerseits über das wenigstens eine Schaltelement mit dem Verbrennungsmotor und anderseits mit dem Abtrieb verbunden ist, und bei dem zum Starten des Verbrennungsmotors ein Antriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung an ein Schleppmoment des Verbrennungsmotors angepasst wird.
Dadurch, dass die Verbindung der elektrischen Antriebseinrichtung mit dem Abtrieb beim Starten des Verbrennungsmotors bestehen bleibt, wird der Vortrieb des Fahrzeuges nicht oder kaum gemindert, wodurch der Hybridantrieb auch bei häufigem Wechsel der Antriebsart stets eine hohe Fahrdynamik aufweist. Als Startbedingung für den Schleppstart wird eine Mindestdrehzahl der elektrischen Maschine vorausgesetzt bzw. eingestellt, wodurch eine Startfähigkeit des Verbrennungsmotors sichergestellt ist. Ein Schließen des Schaltelementes bei elektrischer Fahrt führt anschließend dazu, dass über den Abtrieb und die elektrische Maschine ein Drehmoment auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen wird, das ein entegegengerichtetes Schleppmoment des Verbrennungsmotors überwindet. Dabei kann vorteilhaft das an der Schaltkupplung entstehende Startmoment durch eine entsprechende Anpassung, also etwa eine Anhebung, des Antriebsdrehmomentes der elektrischen Antriebseinrichtung kompensiert werden, so dass eine mit dem Schleppstart verbundene Stoßbelastung im Antriebstrang vergleichsweise gering gehalten wird.
Um die Dynamik des Schleppstarts mit möglichst geringen Komforteinbußen zu verbinden, beziehungsweise um einen möglichst hohen Fahrkomfort des Hybridfahrzeuges zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, mittels einer Hybrid-Betriebsstrategie den Schleppstart als Startmethode zum Starten des Verbrennungsmotors bei einer vergleichsweise niedrigen Übersetzung des Getriebes zu priorisieren. Dies bedeutet, dass der Schleppstart vorzugsweise dann ausgeführt wird, wenn ein Getriebegang eingelegt ist, der größer als ein Anfahrgang ist. Ein Schleppstart im 1. Gang oder Rückwärtsgang wird also nach Möglichkeit vermieden.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Hybridsystems eines Fahrzeuges mit einer ersten schleppstartgeeigneten Anordnung einer elektrischen Antriebseinrichtung, mit einer elektrischen Maschine zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe,
2 eine schematische Darstellung eines Hybridsystems eines Fahrzeuges mit einer zweiten schleppstartgeeigneten Anordnung einer elektrischen Antriebseinrichtung, mit einer elektrischen Maschine zwischen einem Getriebe und einem Hinterachsdifferenzial,
3 eine schematische Darstellung eines Hybridsystems eines Fahrzeuges mit einer dritten schleppstartgeeigneten Anordnung einer elektrischen Antriebseinrichtung, mit zwei elektrischen Maschinen an einer Hinterachse,
4 eine schematische Darstellung eines Hybridsystems eines Fahrzeuges mit einer vierten schleppstartgeeigneten Anordnung einer elektrischen Antriebseinrichtung, mit einer elektrischen Maschine zwischen einem Getriebe und einem Vorderachsdifferenzial, und
5 eine schematische Darstellung eines Hybridsystems eines Fahrzeuges mit einer fünften schleppstartgeeigneten Anordnung einer elektrischen Antriebseinrichtung, mit zwei elektrischen Maschinen an einer Vorderachse.
Demnach ist in 1 ein Schema eines Hybridsystems 1 eines Fahrzeuges mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang 2 dargestellt, wie er beispielsweise für ein Nutzfahrzeug (Lastkraftwagen, Bus, Sonderfahrzeug) vorgesehen sein kann. Der Antriebsstrang 2 weist einen Verbrennungsmotor 3, beispielsweise einen Dieselmotor mit einer Kurbelwelle 24 auf, die über ein als Trenn- oder Anfahrkupplung ausgebildetes Schaltelement 4 mit einer eine elektrische Maschine 27 aufweisenden elektrischen Antriebseinrichtung 5 verbindbar ist. Die elektrische Maschine 27 ist über einen Getriebeeingang 6 mit einem Getriebe 7, beispielsweise einem automatisierten Schaltgetriebe, koppelbar. Dem Getriebe 7 kann ein nicht näher erläuterter Nebenabtrieb (PTO: Power Take- Off) 8 nachgeordnet sein. Über einen Abtrieb 26 und ein Differenzialgetriebe 9 kann ein jeweils anliegendes Abtriebsdrehmoment des Hybridantriebes 1 an eine Antriebsachse 10 und über diese an die Antriebsräder 11 weitergeleitet werden.
Die Elektromaschine 27 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 27 mit einem elektrischen Energiespeicher 14, beispielsweise einer 340 V-Hochvolt-Batterie (auch Supercaps sind möglich), verbunden. Im motorischen Betrieb wird die Elektromaschine 27 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 27 aufgeladen. Weiterhin fungiert die Elektromaschine 27 als integrierter Startergenerator 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 Dieselregelung (EDC) des beispielhaft als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors 3 vorhanden. Die einzelnen genannten Steuergeräte können auch, wenigstens zum Teil, in einem einzigen Steuergerät zusammengefasst sein.
Weiterhin ist eine integrierte Steuerungseinrichtung 21 vorhanden, in der ein Getriebesteuergerät (TCU: Transmission Control Unit), ein Hybridsteuergerät (HCU: Hybrid Control Unit) sowie verschiedene Betriebsfunktionen zusammengefasst sind. Der Steuerungseinrichtung 21 ist eine Steuerungseinheit 25 zur Ansteuerung des Schaltelementes 4 zugeordnet, die auch in die Steuerungseinrichtung 21 integriert sein kann. Die Steuerungseinheit 25 ist derart ausgebildet, dass sie mit der Steuerungseinrichtung 21, die auch den Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung 5 regelt, zusammenwirkt.
Eine jeweilige Antriebsenergieverteilung und Funktionssteuerung der einzelnen Komponenten des Hybridantriebs ist über eine zentrale Strategie-Einheit 22 vorgebbar, die, vorteilhaft über einen Datenbus (z. B. CAN) 23, mit der Steuerungseinrichtung 21 und der Steuereinheit 25 sowie den weiteren relevanten Steuergeräten 13, 17, 18, 19 verbunden ist.
Ein erfindungsgemäßer Schleppstart bei dem Hybridsystem 1 geht aus von einem elektrischen Fahrbetrieb, bei dem das Fahrzeug von der elektrischen Maschine 27, das Getriebe 7 mit einer eingelegten Gangstufe, vorzugsweise einer Gangstufe oberhalb einer 1. Gangstufe, und den Abtrieb 26 angetrieben wird. Zum Starten des Verbrennungsmotors 3 wird die Schaltkupplung 4 geschlossen und damit die elektrische Maschine 27 mit der Kurbelwelle 24 kraftschlüssig verbunden. Gleichzeitig bleibt die elektrische Maschine 27 mit dem Abtrieb 26 verbunden. Die Kurbelwelle 24 wird in der Folge mit einem Drehmoment beaufschlagt, welches aus einem Antriebsmoment der elektrischen Maschine 27 und einem weiteren Antriebsmoment resultiert, welches von den Antriebsrädern 11 über das Getriebe 7 und die Schaltkupplung 4 zur Kurbelwelle 24 geleitet wird. Überschreitet das Kupplungsmoment an der Kupplung 4 den inneren Schleppwiderstand des Verbrennungsmotors 3 und liegt eine genügend hohe Startdrehzahl vor, so läuft der Verbrennungsmotor 3 in Zusammenwirkung mit einer entsprechenden Kraftstoffeinspritzung, Motor- und Ventiltriebssteuerung an. Da während des Startvorgangs der Verbrennungsmo tor 3 mit dem Abtrieb 26 verbunden ist, wird der Schleppstart im Fahrbetrieb zwar vom Fahrer deutlich wahrgenommen, erfolgt aber wunschgemäß sehr schnell und dynamisch.
Die 2 zeigt ein Schema eines Hybridsystems 1' eines Fahrzeuges mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang 2', bei dem eine elektrische Antriebseinrichtung 5' angeordnet ist. Bei dieser elektrischen Antriebseinrichtung 5' ist die elektrische Maschine 27 einem Getriebe 7' nachgeordnet. Das Getriebe 7' ist beispielsweise als ein Lastschaltautomat mit einem vorgeschaltetem hydrodynamischen Drehmomentwandler 30 mit Wandlerüberbrückungskupplung ausgebildet. Anstelle einer separaten Trenn- und Anfahrkupplung ist für den Schleppstart ein getriebeinternes Schaltelement 29, beispielsweise eine Reibkupplung, vorgesehen, das von der Steuerungseinheit 25 steuerbar ist. Bei einem Schleppstart mit dem Hybridsystem 1' wird das getriebeinterne Schaltelement 29 und die gegebenenfalls vorhandene Wandlerüberbrückungskupplung geschlossen, so dass von der elektrischen Antriebseinrichtung 5' und dem Abtrieb 26 über das Getriebe 7', das getriebeinterne Schaltelement 29 und die geschlossene Wandlerüberbrückungskupplung ein Start-Drehmoment an den Verbrennungsmotor 3 weitergeleitet wird.
Die 3 zeigt ein Schema eines Hybridsystems 1'' eines Fahrzeuges mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang 2'', bei dem eine achsseitige elektrische Antriebseinrichtung 5'' vorgesehen ist. Diese Antriebseinrichtung 5'' weist zwei elektrische Maschinen 28 und 28' auf, die der Antriebsachse 10 bzw. den Antriebsrädern 11 zugeordnet sind. Ein Schleppstart erfolgt analog zum Hybridsystem 1'.
Bei den in 4 und 5 gezeigten Hybridsystemen 1''' und 1'''' sind die Antriebachsen gegenüber den Hybridsystemen der 1 bis 3 vertauscht, also ist ein Frontantrieb anstelle eines Heckantriebs vorgesehen. In 4 ist demnach ein Antriebsstrang 2''' mit einer elektrischen Antriebseinrich tung 5''' gezeigt, wobei die elektrische Maschine 27 einem Differenzial 9' einer vorderen Antriebsachse 10' mit den Antriebsrädern 11' zugeordnet ist. 5 zeigt schließlich einen Antriebsstrang 2'''' analog zum Hybridsystem 1'' der 3 mit einer achsseitigen elektrischen Antriebseinrichtung 5'''', wobei die elektrischen Maschinen 28, 28' jedoch an der vorderen Antriebsachse 10' angeordnet sind. Ein Schleppstart mit diesen Hybridsystemen 1''' und 1'''' erfolgt analog zu einem Schleppstart gemäß den in 2 und 3 beschriebenen Hybridsystemen 1' und 1''.

1, 1', 1'', 1''', 1'''': Hybridsystem
2, 2', 2'', 2''', 2'''': Antriebsstrang
3: Verbrennungsmotor
4: Schaltelement
5, 5', 5'', 5''', 5'''': Elektrische Antriebseinrichtung
6: Getriebeeingang
7, 7': Getriebe
8: Nebenabtrieb
9, 9': Differenzial
10, 10': Antriebsachse
11, 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: Schaltelement-Steuereinheit
26: Abtrieb
27: Elektrische Maschine
28, 28': Elektrische Maschine
29: Getriebeinternes Schaltelement
30: Hydrodynamischer Drehmomentwandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 20050221947 A1 [0007]
- DE 102004043589 A1 [0007, 0012]
- DE 102005051382 A1 [0008]
- WO 2006/111434 A1 [0013]
- WO 2007/020130 A1 [0014]
- DE 102005044828 A1 [0014]
- DE 102005044268 A1 [0015]
- EP 1008484 B1 [0016]
- DE 69932487 T2 [0016]
- DE 102005049458 A1 [0017]
- DE 19945473 A1 [0019, 0020]
- US 7174980 B2 [0021]

Claims

Hybridantrieb eines Fahrzeugs, mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang (2, 2', 2'', 2''', 2''''), der als Triebstrangkomponenten einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') mit wenigstens einer elektrischen Maschine (27, 28, 28'), wenigstens ein Schaltelement (4, 29), mittels dem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') und dem Verbrennungsmotor (3) herstellbar ist, ein Getriebe (7, 7') und einen Abtrieb (26) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Parallelhybrid-Antriebsstrang (2, 2', 2'', 2''', 2'''') die Ausbildung und Anordnung der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') und des wenigstens einen Schaltelementes (4, 29) derart aufeinander abgestimmt sind und die Triebstrangkomponenten derart zusammenwirken, dass bei beliebigen Getriebebauarten während einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors (3) durchführbar ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schaltelement (4) als eine separate Trenn- oder Anfahrkupplung ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schaltelement (29) als eine getriebeinterne Schaltkupplung oder Schaltbremse ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (5'', 5'''') zwei an einer Antriebsachse (10, 10') des Fahrzeuges angeordnete elektrische Maschinen (28, 28') aufweist, wobei jeweils eine elektrische Maschine (28, 28') einem Antriebsrad (11, 11') des Fahrzeuges zugeordnet ist, und dass wenigs tens eine der elektrischen Maschinen (28, 28') zur Durchführung eines Schleppstarts des Verbrennungsmotors (3) mit einem separaten Schaltelement (4) oder mit einem oder mehreren getriebeinternen Schaltelementen (29) zusammenwirkt.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (5', 5''') eine elektrische Maschine (27) aufweist, die einem Differenzial (9, 9') einer Antriebsachse (10, 10') des Fahrzeuges zugeordnet ist, und dass die elektrische Maschine (27) zur Durchführung eines Schleppstarts des Verbrennungsmotors (3) mit einem separaten Schaltelement (4) oder mit einer oder mehreren getriebeinternen Schaltelementen (29) zusammenwirkt.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (5''', 5'''') einer Vorderachse (10') des Fahrzeuges zugeordnet ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (5, 5', 5'') einer Hinterachse (10) des Fahrzeuges zugeordnet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinrichtung (5) als eine elektrische Maschine (27) ausgebildet ist, die zwischen dem Verbrennungsmotor (3) und dem Getriebe (7) angeordnet ist, und dass das wenigstens eine Schaltelement (4) als eine Trenn- oder Anfahrkupplung ausgebildet ist, die zwischen dem Verbrennungsmotor (3) und der elektrischen Maschine (27) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs, mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang (2, 2', 2'', 2''', 2'''') umfassend einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') mit wenigstens einer elektrischen Maschine (27, 28, 28'), wenigstens ein Schaltelement (4, 29), mittels dem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') und dem Verbrennungsmotor (3) herstellbar ist, ein Getriebe (7, 7') und einen Abtrieb (26), dadurch gekennzeichnet, dass während einer elektromotorischen Fahrt ein zugkrafterhaltender Schleppstart des Verbrennungsmotors (3) durchgeführt wird, wobei die elektrische Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') einerseits über das wenigstens eine Schaltelement (4, 29) mit dem Verbrennungsmotor (3) und anderseits mit dem Abtrieb (26) verbunden ist, und bei dem zum Starten des Verbrennungsmotors (3) ein Antriebsdrehmoment der elektrischen Antriebseinrichtung (5, 5', 5'', 5''', 5'''') an ein Schleppmoment des Verbrennungsmotors (3) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Hybrid-Betriebsstrategie ein Schleppstart als eine Startmethode zum Starten des Verbrennungsmotors (3) priorisiert durchgeführt wird, wenn eine vergleichsweise niedrige Übersetzung des Getriebes (7, 7') eingelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schleppstart des Verbrennungsmotors (3) durchgeführt wird, wenn ein Getriebegang eingelegt ist, der größer als ein Anfahrgang ist.