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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung mit einer Abtriebswelle, einer mit einem Starter wirkverbundenen Brennkraftmaschine sowie einer elektrische Maschine, die mit der Abtriebswelle wirkverbunden und über eine Kupplung mit der Brennkraftmaschine wirkverbindbar ist, wobei die Abtriebswelle bis zu einer Mindestdrehzahl in einer Anfahrbetriebsart nur mittels der elektrischen Maschine angetrieben wird, wobei die elektrische Maschine in der Anfahrbetriebsart mit elektrischem Strom betrieben wird, der mittels des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Starters erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hybridantriebsvorrichtung.
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Die Hybridantriebsvorrichtung dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs beziehungsweise allgemein dem Antreiben einer beliebigen Einrichtung. Zu diesem Zweck weist die Hybridantriebsvorrichtung die Abtriebswelle auf, über welche sie der Einrichtung ein Drehmoment wenigstens zeitweise bereitstellt. Vorzugsweise ist die Abtriebswelle mit wenigstens einem Rad des Kraftfahrzeugs beziehungsweise einer Achse des Kraftfahrzeugs wirkverbunden, beispielsweise über ein Getriebe. Die Hybridantriebsvorrichtung weist zum Erzeugen des Drehmoments zwei unterschiedliche Antriebsaggregate auf, wobei eines der Antriebsaggregate als Brennkraftmaschine und das andere der Antriebsaggregate als elektrische Maschine vorliegt. In einer Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine ist die Kupplung vorgesehen, sodass diese Wirkverbindung wahlweise unterbrochen oder hergestellt ist. Die elektrische Maschine ist mit der Abtriebswelle wirkverbunden, vorzugsweise über ein Getriebe, insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, oder permanent und/oder starr wirkverbunden.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 103 93 594 T5 bekannt. Diese beschreibt ein Antriebssystem für ein Zweimotor-Hybridfahrzeug mit einem internen Verbrennungsmotor, einer Kupplung, einem Stufengetriebe, einer Antriebswelle, einem Bremssystem und Antriebsrädern.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung vorzuschlagen, welches gegenüber der vorstehend beschriebenen ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Hybridantriebsvorrichtung einen ersten Stromspeicher und einen zweiten Stromspeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in einer Normalbetriebsart mit dem ersten Stromspeicher und der Starter zum Starten der Brennkraftmaschine mit in dem zweiten Stromspeicher gespeichertem Strom betrieben wird, wobei in der Anfahrbetriebsart der Starter elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden und von dem zweiten Stromspeicher entkoppelt wird. Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Abtriebswelle bis zu einer Mindestdrehzahl in einer Anfahrbetriebsart nur mittels der elektrischen Maschine angetrieben wird, wobei die elektrische Maschine in der Anfahrbetriebsart mit elektrischem Strom betrieben wird, der mittels des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Starters erzeugt wird. Weist die Abtriebswelle eine Drehzahl auf, welche kleiner oder gleich der Mindestdrehzahl ist, so wird die Hybridantriebsvorrichtung in der Anfahrbetriebsart betrieben. In dieser wird die Abtriebswelle allein mittels der elektrischen Maschine angetrieben. Zu diesem Zweck ist bevorzugt die Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine geöffnet, sodass die Wirkverbindung zwischen diesen beiden Antriebsaggregaten unterbrochen ist. Das Anfahren im Sinne des Beschleunigens der Abtriebswelle bis zu der Mindestdrehzahl kann auf diese Weise ohne das Schlupfen eines Schaltelements beziehungsweise ohne das Schleifen einer Kupplung, beispielsweise der Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine, durchgeführt werden. Entsprechend ist die Anfahrbetriebsart gegenüber einer derartigen Vorgehensweise, bei welcher große Mengen kinetischer Energie in Wärme umgesetzt werden, deutlich effizienter.
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Eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere sinnvoll, wenn ein der elektrischen Maschine zugeordneter Energiespeicher, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, welcher also die zum Betreiben der elektrischen Maschine notwendige Energie bereitstellt, defekt ist und/oder einen Ladestand aufweist, welcher ein Betreiben der elektrischen Maschine nicht mehr oder zumindest nicht mehr zuverlässig zulässt. Ein Beschleunigen der Abtriebswelle aus einer Drehzahl heraus, welche kleiner ist als die Mindestdrehzahl, wäre in diesem Zustand nicht mehr möglich. Die Anfahrbetriebsart kann insoweit auch als Notanfahrbetriebsart bezeichnet werden.
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In der Anfahrbetriebsart beziehungsweise der Notanfahrbetriebsart wird insoweit - wie bereits erläutert - der Vorteil erzielt, dass das Anfahren beziehungsweise Beschleunigen der Abtriebswelle äußerst effizient ohne Schlupfen des Schaltelements beziehungsweise ohne Kupplungsschleifen vorgenommen werden kann. Es ist lediglich notwendig, dass sich die Brennkraftmaschine in Betrieb befindet, sodass sie den Starter antreiben kann. Der Starter wird insoweit in der Anfahrbetriebsart als Generator betrieben. Beispielsweise liegt er zu diesem Zweck als weitere elektrische Maschine vor. Insbesondere ist der Starter als Riemenstartergenerator (RSG) ausgeführt. Besonders bevorzugt ist also die Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine in der Anfahrbetriebsart vollständig geöffnet, sodass keinerlei Drehmoment von der Brennkraftmaschine auf die elektrische Maschine beziehungsweise die Abtriebswelle übertragen wird. Vielmehr wird das auf das Beschleunigen der Abtriebswelle gerichtete Drehmoment allein mithilfe der elektrischen Maschine erzeugt, welche zumindest in der Anfahrbetriebsart derart mit dem Starter elektrisch verbunden ist, dass der von diesem erzeugte elektrische Strom der elektrischen Maschine zum Antreiben der Antriebswelle zugeführt wird.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Hybridantriebsvorrichtung zumindest einen ersten Stromspeicher und zumindest einen zweiten Stromspeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in einer Normalbetriebsart mit dem ersten Stromspeicher betrieben und der Starter zum Starten der Brennkraftmaschine mit in dem zweiten Stromspeicher gespeichertem Strom betrieben wird. Zusammenfassend sind also auch mehrere Energiespeicher, zumindest jedoch der erste Stromspeicher und der zweite Stromspeicher, vorgesehen. Beispielsweise weisen die Stromspeicher dabei verschiedene Spannungen auf. Bevorzugt ist der erste Stromspeicher als Hochvoltbatterie und der zweite Stromspeicher als Niedervoltbatterie ausgestaltet. Die Hochvoltbatterie weist dabei eine höhere Spannung auf als die Niedervoltbatterie beziehungsweise wird bei einer solchen betrieben.
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In der Normalbetriebsart der Hybridantriebsvorrichtung, also insbesondere bei einer Drehzahl der Abtriebswelle, welche größer ist als die Mindestdrehzahl, wird die elektrische Maschine mit elektrischem Strom betrieben, welcher von dem ersten Stromspeicher oder zumindest über den ersten Stromspeicher bereitgestellt wird. Darunter kann auch verstanden werden, dass die elektrische Maschine zum Laden des ersten Stromspeichers als Generator betrieben wird, beispielsweise im Rahmen einer Rekuperation von über die Abtriebswelle bereitgestellter kinetischer Energie.
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Der zum Starten der Brennkraftmaschine verwendete Starter wird dagegen mithilfe des zweiten Stromspeichers beziehungsweise dem in diesem gespeicherten Strom betrieben. Das bedeutet insbesondere, dass normalerweise die elektrische Maschine und der Starter in verschiedenen Stromkreisen vorgesehen sind, nämlich einem Hochvoltstromkreis und einem Niedervoltstromkreis, wobei ersterer den ersten Stromspeicher und letzterer den zweiten Stromspeicher aufweist. In der Anfahrbetriebsart beziehungsweise der Notanfahrbetriebsart wird jedoch der Starter elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Starter von der Niedervoltbatterie beziehungsweise dem gesamten Niedervoltstromkreis entkoppelt wird, um eine Beschädigung der in diesem enthaltenen Komponenten zu vermeiden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei Erreichen der Mindestdrehzahl durch die Abtriebswelle die Normalbetriebsart durchgeführt wird, in welchem die Kupplung zumindest zeitweise geschlossen ist. Gemäß den vorstehenden Ausführungen wird in der Anfahrbetriebsart die Brennkraftmaschine betrieben, um den Starter anzutreiben und insoweit als Generator zu betreiben. Entsprechend wird von der Brennkraftmaschine ein entsprechendes Drehmoment zur Verfügung gestellt. Ab Erreichen oder Überschreiten der Mindestdrehzahl durch die Drehzahl der Abtriebswelle kann daher dieses Drehmoment verwendet werden, um die Abtriebswelle unmittelbar, also nicht über die Kombination aus Starter und elektrischer Maschine, anzutreiben. Zu diesem Zweck wird die Kupplung in der Normalbetriebsart zumindest zeitweise, insbesondere permanent, geschlossen. Darunter ist besonders bevorzugt ein vollständiges Schließen zu verstehen, in welchem kein Schlupfen beziehungsweise Schleifen der Kupplung und mithin Wirkungsgradverluste auftreten.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Brennkraftmaschine, insbesondere über die Kupplung, an eine Eingangswelle eines Getriebes und die elektrische Maschine an eine Ausgangswelle des Getriebes gekoppelt wird. In der Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine liegt mithin, beispielsweise in Reihe zu der Kupplung, das Getriebe vor. Die Brennkraftmaschine ist dabei an die Eingangswelle des Getriebes gekoppelt, entweder permanent oder alternativ lediglich zeitweise über die Kupplung. Die Kopplung ist also insbesondere unmittelbar oder mittelbar über die Kupplung vorgesehen. Die elektrische Maschine ist an die Ausgangswelle des Getriebes angeschlossen, vorzugsweise permanent. Dies kann auch über das Getriebe selbst, also lediglich mittelbar, vorgesehen sein. Zwischen dem Getriebe und der elektrischen Maschine ist in diesem Fall keine weitere Kupplung vorgesehen. Mithilfe des Getriebes kann eine Drehzahlumsetzung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine vorgesehen werden. Besonders bevorzugt ermöglicht das Getriebe eine Drehzahlumsetzung zwischen Brennkraftmaschine, elektrischer Maschine und Abtriebswelle. Insoweit kann das Getriebe beispielsweise als Planetengetriebeeinrichtung mit wenigstens einem Planetengetriebe ausgeführt sein.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Koppelgang aus mehreren Gängen des Getriebes ausgewählt und an dem Getriebe eingestellt wird. Der Koppelgang ist der momentan eingelegte Gang des Getriebes, welches zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Das Getriebe ist ein Mehrganggetriebe, sodass insoweit der Koppelgang aus den mehreren Gängen ausgewählt wird, insbesondere entsprechend der momentanen Drehzahlen von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine. Alternativ oder zusätzlich kann der Koppelgang auch anhand des angeforderten Drehmoments an der Abtriebswelle ausgewählt werden.
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Bevorzugt wird die Kupplung in das Getriebe integriert. Dies ist insbesondere bei der Ausgestaltung des Getriebes als Planetengetriebe möglich. In diesem Fall kann beispielsweise die Brennkraftmaschine, insbesondere über die Kupplung, mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes und die elektrische Maschine mit einem Hohlrad des Planetengetriebes wirkverbunden sein. Die Abtriebswelle ist in diesem Fall vorzugsweise an einen Planetenträger angeschlossen, an welchem wenigstens ein Planetenrad drehbar gelagert ist, das sowohl mit dem Sonnenrad als auch dem Hohlrad des Planetengetriebes kämmt. Insbesondere wenn das Getriebe als Mehrganggetriebe beziehungsweise als Mehrgangplanetengetriebeeinrichtung ausgeführt ist, kann die Kupplung in das Getriebe integriert sein. Das bedeutet, dass mithilfe des Getriebes beziehungsweise der darin integrierten Kupplung die Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrische Maschine wahlweise hergestellt oder unterbrochen wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Getriebe als Doppelkupplungsgetriebe und/oder als Planetengetriebe ausgebildet wird. In ersterem Fall sind zwei parallele Getriebestränge vorgesehen, welche jeweils über eine Kupplung verfügen. Die Getriebestränge sind vorzugsweise jeweils über eine dieser Kupplung wahlweise mit der Brennkraftmaschine verbunden oder von dieser getrennt. Ausgangsseitig sind die Getriebestränge bevorzugt beide mit der elektrischen Maschine sowie mit der Abtriebswelle wirkverbunden. Alternativ kann das Getriebe als Planetengetriebe beziehungsweise Planetengetriebeanordnung mit wenigstens einem Planetengetriebe ausgebildet sein. Selbstverständlich kann auch das Doppelkupplungsgetriebe die Planetengetriebeanordnung umfassen beziehungsweise wenigstens ein Planetengetriebe aufweisen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der Normalbetriebsart der Starter und/oder die elektrische Maschine als Generator betrieben werden/wird. In der Normalbetriebsart ist die Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine beziehungsweise der Abtriebswelle mittels der Kupplung zumindest zeitweise hergestellt. Bei geschlossener Kupplung kann nun in der Normalbetriebsart die elektrische Maschine als Generator betrieben werden, weil sie unmittelbar von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die elektrische Maschine wird in diesem Fall dazu verwendet, den entsprechenden Energiespeicher, insbesondere die Hochvoltbatterie, aufzuladen. Zusätzlich oder alternativ kann der Starter, welcher vorzugsweise permanent mit der Brennkraftmaschine wirkverbunden ist, als Generator herangezogen werden. Beispielsweise dient dies dazu, die Niedervoltbatterie aufzuladen und/oder einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrischen Strom zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich oder alternativ kann durch das Betreiben des Starters als Generator auch die Hochvoltbatterie geladen werden.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass in der Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle und wenigstens einer Achse des Kraftfahrzeugs ein weiteres Getriebe angeordnet wird. Bereits vorstehend wurde darauf hingewiesen, dass die Hybridantriebsvorrichtung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein kann. Insoweit ist sie der wenigstens einen Achse des Kraftfahrzeugs oder zumindest einem Rad der Achse des Kraftfahrzeugs zugeordnet beziehungsweise steht mit dem entsprechenden Element in Wirkverbindung. In dieser Wirkverbindung soll nun das weitere Getriebe vorliegen, welches einer Drehzahlumsetzung zwischen der Abtriebswelle und der Achse des Kraftfahrzeugs dient. Vorzugsweise ist das weitere Getriebe schaltbar, sodass also aus mehreren Gängen ein Fahrgang ausgewählt und an dem weiteren Getriebe eingestellt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hybridantriebsvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die Hybridantriebsvorrichtung weist eine Antriebswelle, eine mit einem Starter wirkverbundene Brennkraftmaschine sowie eine elektrische Maschine, die mit der Abtriebswelle wirkverbunden und über eine Kupplung mit der Brennkraftmaschine wirkverbindbar ist, auf. Dabei ist die Hybridantriebsvorrichtung dazu ausgebildet, die Abtriebswelle bis zu einer Mindestdrehzahl in einer Anfahrbetriebsart nur mittels der elektrischen Maschine anzutreiben, wobei die elektrische Maschine in einer Anfahrbetriebsart mit elektrischem Strom betrieben wird, der mittels des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Starters erzeugt wird. Es ist vorgesehen, dass die Hybridantriebsvorrichtung einen ersten Stromspeicher und einen zweiten Stromspeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine in einer Normalbetriebsart mit dem ersten Stromspeicher und der Starter zum Starten der Brennkraftmaschine mit in dem zweiten Stromspeicher gespeichertem Strom betrieben wird, wobei in der Anfahrbetriebsart der Starter elektrisch mit der elektrischen Maschine (3) verbunden und von dem zweiten Stromspeicher entkoppelt wird.
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Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Hybridantriebsvorrichtung wurde bereits hingewiesen. Wie bereits erläutert kann in der Wirkverbindung zwischen der elektrischen Maschine und der Abtriebswelle ein Getriebe vorgesehen sein. Die Hybridantriebsvorrichtung sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Darstellung einer Hybridantriebsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Antriebsaggregaten.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Hybridantriebsvorrichtung 1 mit einem ersten Antriebsaggregat 2 und einem zweiten Antriebsaggregat 3. Das erste Antriebsaggregat 2 ist dabei als Brennkraftmaschine ausgestaltet, während das zweite Antriebsaggregat 3 als elektrische Maschine mit einem Stator 4 und einem Rotor 5 ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 2 und die elektrische Maschine 3 sind über eine Wirkverbindung 6, welcher eine Kupplung 7 vorliegt, miteinander wirkverbunden. Diese Wirkverbindung 6 ist mittels der Kupplung 7 wahlweise entweder hergestellt oder unterbrochen. In der Wirkverbindung 6 kann zudem weiterhin ein Getriebe 8 vorliegen, welches hier lediglich schematisch dargestellt ist.
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Die Hybridantriebsvorrichtung 1 erzeugt mithilfe der Antriebsaggregate 2 und 3 ein Drehmoment und stellt dieses an einer Abtriebswelle 9 bereit. Die Abtriebswelle 9 kann dabei entweder unmittelbar oder über das Getriebe 8 mit der elektrischen Maschine 3 wirkverbunden sein. Insgesamt bedeutet dies, dass die Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Abtriebswelle 9 mittels der Kupplung 7 entweder hergestellt (Kupplung 7 geschlossen) oder unterbrochen (Kupplung 7 geöffnet) ist. Vorzugsweise liegt die Wirkverbindung zwischen der elektrischen Maschine 3 und der Abtriebswelle 9 dagegen permanent vor.
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In der Wirkverbindung 6 zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der elektrischen Maschine 3 kann zusätzlich eine Dämpfungseinrichtung 10, beispielsweise in Form eines Zweimassenschwungrads oder dergleichen, vorgesehen sein. Die Dämpfungseinrichtung 10 liegt dabei beispielsweise in der Wirkverbindung 6 zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Kupplung 7 vor. Alternativ kann sie selbstverständlich auch zwischen der Kupplung 7 und der elektrischen Maschine 3 beziehungsweise dem Getriebe 8 vorgesehen sein.
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Weiterhin ist der Brennkraftmaschine 2 ein Starter 11 zugeordnet, welcher vorzugsweise permanent mit der Brennkraftmaschine 2 wirkverbunden ist. Selbstverständlich kann alternativ jedoch auch eine hier nicht dargestellte Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Starter 11 vorliegen.
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Es ist nun vorgesehen, die Abtriebswelle 9 solange sie eine Drehzahl aufweist, welche kleiner oder gleich einer Mindestdrehzahl ist, ausschließlich mithilfe der elektrischen Maschine 3, nicht also mit der Brennkraftmaschine 2, anzutreiben. Zu diesem Zweck ist bei dem Vorliegen einer derartigen Drehzahl die Kupplung 7 zum Unterbrechen der Wirkverbindung 6 geöffnet. Solange die Drehzahl kleiner oder gleich der Mindestdrehzahl ist, liegt eine Anfahrbetriebsart vor, in welcher üblicherweise die Abtriebswelle 9 beschleunigt werden soll. Dies ist, wie erläutert, allein mithilfe der elektrischen Maschine 3 vorgesehen. Dabei soll die elektrische Maschine 3 in der Anfahrbetriebsbetriebsart mit elektrischem Strom betrieben werden, der mittels des von der Brennkraftmaschine 2 angetriebenen Starters 11 erzeugt wird. Dies ist insbesondere der Fall, falls ein Energiespeicher, welcher zum Betreiben der elektrischen Maschine 3 vorgesehen ist, leer ist oder zumindest einen Ladestand aufweist, welcher ein Betreiben der elektrischen Maschine 3 nicht oder nur mit Einschränkungen zulässt.
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Eine derartige Vorgehensweise hat den Vorteil, dass auch Kraftfahrzeuge mit lediglich einer angetriebenen Achse, welcher die Hybridantriebsvorrichtung 1 zugeordnet ist, ohne Kupplungsschupfen beziehungsweise Kupplungsschleifen, beispielsweise der Kupplung 7, beschleunigt werden können. Dies hat eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Hybridantriebsvorrichtung 1 in der Anfahrbetriebsart zur Folge. Sobald die Drehzahl der Abtriebswelle 9 die Mindestdrehzahl erreicht beziehungsweise überschritten hat, wird von der Anfahrbetriebsart auf eine Normalbetriebsart umgeschaltet. In dieser Normalbetriebsart ist die Kupplung 7 zumindest zeitweise, besonders bevorzugt, permanent geschlossen, sodass ein Antreiben der Abtriebswelle 9 zumindest teilweise mithilfe der Brennkraftmaschine 2 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridantriebsvorrichtung
- 2
- 1. Antriebsaggregat (Brennkraftmaschine)
- 3
- 2. Antriebsaggregat (elektrische Maschine)
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Wirkverbindung
- 7
- Kupplung
- 8
- Getriebe
- 9
- Abtriebswelle
- 10
- Dämpfungseinrichtung
- 11
- Starter
