DE202005019775U1 - Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit
– einer Hauptantriebseinrichtung (2), insbesondere einer Brennkraftmaschine, die mit ihrer Antriebswelle über eine Trennkupplung (4) mit einer Eingangswelle einer Getriebeeinheit (6) koppelbar ist,
– einer elektrischen Maschine (8a) über die ein Drehmoment auf die Antriebswelle der Hauptantriebseinrichtung (2) und/oder auf die Eingangswelle der Getriebeeinheit (6) einkoppelbar ist,
– einer Energiespeichereinrichtung (12; 12a, 12b) zur Versorgung der elektrischen Maschine (8a),
– und einer Steuereinrichtung (10) zur Steuerung zumindest der elektrischen Maschine (8a) und der Trennkupplung (4);
– wobei die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass im Falle einer ersten Art von Verzögerungsanforderung, bei der der Eingriff einer Betriebsbremse (20) nicht erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung ausschließlich durch die im generatorischen Betrieb arbeitende elektrische Maschine (8a) bereitgestellt wird, die Hauptantriebseinrichtung (2) über die Trennkupplung (4) von der Eingangswelle der Getriebeeinheit (6) getrennt wird und die angeforderte Bremsleistung bereitgestellt wird, indem die...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung die mit ihrer Antriebswelle über eine Trennkupplung mit der Eingangswelle einer Getriebeeinheit koppelbar ist, eine zumindest generatorisch betreibbare – insbesondere motorisch als auch generatorisch betreibbare – elektrische Maschine über welche ein (bremsendes oder antreibendes) Drehmoment auf den Antriebsstrang zwischen Hauptantriebseinrichtung und Getriebeeinheit einkoppelbar ist, eine Energiespeichereinrichtung zur Versorgung der elektrischen Maschine und zur Aufnahme der durch die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb erzeugten elektrischen Energie sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung zumindest der elektrischen Maschine.
  • Es sind bereits vielfach Fahrzeuge mit Hybridantriebseinheit bekannt, bei denen im Falle eines Beschleunigungsvorgangs (Anforderung eines Antriebsmoments) die elektrische Maschine motorisch betrieben wird und wobei durch das von ihr erzeugte Drehmoment zusätzlich oder alleine das geforderte Antriebsmoment bereitgestellt wird. In einem sogenannten Rekuperationsbetrieb wird während eines aktiven Bremsvorganges durch Betätigen der Betriebsbremse oder während eines passiven Bremsvorgangs mittels der Motorbremse (z.B. bei einer Bergabfahrt) über eine generatorisch betriebene elektrische Maschine Energie in eine Energiespeichereinrichtung gespeist (siehe auch Fahrbericht zum BMW X5: „Tausendsassa" aus der Fachzeitschrift Auto-Motor-und-Sport, Ausgabe 11/2004, Seite 62 ff.).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebseinheit anzugeben, die im Hinblick auf ihre Energieeffizienz weiter verbessert wurde.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einer vorzugsweise als Brennkraftmaschine ausgebildeten Haupteintriebseinrichtung, die mit ihrer Antriebswelle mit einer Eingangswelle einer Getriebeeinheit koppelbar ist, eine zumindest zeitweise über den Antriebsstrang antreibbare und zumindest generatorisch betreibbare elektrische Maschine, über die je nach Anforderung ein positives oder ein negatives Drehmoment in den Antriebsstrang einkoppelbar ist, eine Energiespeichereinrichtung (Batterie/Akkumulator und/oder Kondensatoreinheit), eine Steuereinrichtung und eine der elektrischen Maschine zugeordnete Übersetzungsstellereinheit (z.B. Getriebeeinheit).
  • Gemäß der Erfindung ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass im Falle einer ersten Art von Verzögerungsanforderung, bei der der Eingriff einer Betriebsbremse nicht erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung ausschließlich durch die im generatorischen Betrieb arbeitende elektrische Maschine bereitgestellt wird, die Hauptantriebseinrichtung von dem Antriebsstrang abgekoppelt wird und die angeforderte Bremsleistung bereitgestellt wird, indem die elektrische Maschine derart angesteuert wird, dass durch sie das Schleppverhalten der abgekoppelten Hauptantriebseinrichtung nachgebildet wird und/oder im Falle einer zweiten Art von Verzögerungsanforderung, bei der der Eingriff der Betriebsbremse erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung zumindest anteilig durch die Betriebsbremse bereitgestellt wird, die angeforderte Bremsleistung in Abhängigkeit vom Ladezustand eines die elektrische Maschine versorgenden Energiespeichers zumindest zeitweise zumindest teilweise durch die generatorisch betriebene elektrische Maschine bereitgestellt wird. Dabei wird gewährleistet, dass durch Ansteuerung der Übersetzungsstellereinheit die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb mit einer variablen Drehzahl – insbesondere mit einer Drehzahl für einen bestmöglichen Wirkungsgrad – betrieben wird.
  • Die Übersetzungsstellereinheit ist in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung durch die Getriebeeinheit des Antriebsstrangs gebildet, wobei in diesem Fall die elektrische Maschine entweder unmittelbar mit der Eingangswelle der Getriebeeinheit gekoppelt ist – vorzugsweise auf dieser angeordnet ist. Die Getriebeeinheit ist hierbei über die Steuereinrichtung derart ansteuerbar, dass im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine, eine Getriebeübersetzung einstellbar ist, bei der die elektrische Maschine im bestmöglichen Wirkungsgrad betreibbar ist. Alternativ kann die elektrische Maschine hierbei auch anstatt unmittelbar vor der Getriebeeinheit in diese integriert sein. Erfindungswesentlich ist lediglich, dass die elektrische Maschine aufgrund einer gezielt eingestellten Drehzahl anhand einer entsprechenden Getriebeeinstellung im bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Übersetzungsstellereinheit beispielsweise als separates (abgestuftes oder stufenloses) Übersetzungsgetriebe ausgebildet und dient der gesteuerten Übertragung der Drehbewegung aus dem Antriebsstrang (z.B. von der Kurbelwelle oder Getriebeeingangswelle) auf die Antriebswelle (Rotorwelle) der elektrischen Maschine.
  • Durch die erfindungsgemäße Einbindung einer ansteuerbaren Übersetzungsstellereinheit ist die elektrische Maschine unabhängig von der Antriebsdrehzahl aus dem Antriebsstrang (z.B. Kurbelwellendrehzahl) auf eine höhere oder niedrigere Drehzahl (Rotordrehzahl) einstellbar. Vorzugsweise ist ein Kennfeld der elektrischen Maschine hinterlegt oder eine Berechnungsvorschrift hierfür vorhanden, wodurch die entsprechende Getriebeübersetzung für jede Getriebe-Eingangsdrehzahl (z.B. Kurbelwellendrehzahl) zur Erreichung der Getriebe-Ausgangsdrehzahl und damit der Antriebsdrehzahl für die elektrische Maschine (Rotordrehzahl des Elektromotors) vorgegeben und mittels der Steuereinheit einstellbar ist. Die Steuereinheit kann als separates Steuergerät oder als Bestandteil der übergeordneten Steuereinrichtung, beispielsweise einer Motorsteuerung zur Koordinierung von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist die elektrische Maschine sowohl generatorisch als auch motorisch betreibbar.
  • Durch die Erfindung soll im Verzögerungsfall, also wenn negative Leistungen vom Antriebsstrang angefordert werden, die mittels Rekuperation erzeugte Bremsenergie bestmöglich (mit höchster Effizienz) in die elektrische Energiespeichereinrichtung zurückgespeist werden.
  • In einer Weiterbildung hierzu ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass im Falle der ersten Art von Verzögerungsanforderung die Hauptantriebseinrichtung in Abhängigkeit vom Ladezustand der die elektrische Maschine versorgenden Energiespeichervorrichtung von dem Antriebsstrang abgekoppelt beziehungsweise in den Antriebsstrang wieder eingekoppelt wird.
  • Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass zu keinem Zeitpunkt, gegebenenfalls mit Ausnahme bei Vorliegen einer detektierten Notbremsung (Erkennung der Notbremsung durch Überwachung von Betriebsparameter (schwellen) wie Bremsdruck, Bremsdruckgradient, Verzögerungsgradient,....), die sich aus der Leistung der Betriebsbremse und aus der Bremsleistung der elektrischen Maschine zusammengesetzte Gesamtbremsleistung die maximal mögliche Bremsleistung der Betriebsbremse übersteigt. Hierdurch wird für den Fahrzeugführer ein jederzeit gleiches reproduzierbares Bremsverhalten gewährleistet und im Falle einer Notbremsung die maximal mögliche Bremsleistung bereitgestellt.
  • Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass bei einer Verzögerung ohne Bremseingriff die Verzögerungsleistung, die durch die Brennkraftmaschine alleine bereitgestellt werden kann, nicht überschritten werden sollte. Im Rekuperationsbetrieb ohne Bremseingriff (durch die Betriebsbremse) wird die Brennkraftmaschine über die Kupplung abgekoppelt (insbesondere außer Betrieb gesetzt) und die Schleppleistung solange durch die elektrische Maschine dargestellt, wie die Energiespeichereinrichtung noch aufnahmefähig ist. Durch die Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und Schließen der Kupplung kann dieselbe Schleppleistung jederzeit auch (wieder) über die Brennkraftmaschine alleine oder anteilig durch Brennkraftmaschine und elektrische Maschine bereitgestellt werden. Im Rekuperationsbetrieb mit Bremseingriff (durch die Betriebsbremse) wird bei einer über das Bremspedal angeforderten Schleppleistung, die höher ist als die Schleppleistung die durch die Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann, die Bremsleistung (zumindest anteilig die Bremsleistung, die nicht durch die Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann) durch die Betriebsbremse erzeugt. Mittels der elektrischen Maschine kann ein Teil der Bremsenergie statt in Reibung in elektrische Energie umgesetzt werden. Um sicherzustellen, dass die geforderte Bremsleistung immer dargestellt werden kann, muss der zusätzlich zum Schleppanteil der Brennkraftmaschine und der Generatorleistung der elektrischen Maschine benötigte Bremsleistungsanteil jederzeit von einer Betriebsbremse (elektromechanische Bremse) angefordert und bereitgestellt werden können. Um eine optimale Rückspeisung der Bremsenergie (Rekuperation) in die elektrische Energiespeichereinrichtung zu gewährleisten, wird durch eine Übersetzungsverstellung (mittels einer steuerbaren Übersetzungsstellereinheit) die Drehzahl der elektrischen Maschine derart angehoben, dass diese möglichst häufig mit einen bestmöglichen Wirkungsgrad arbeitet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Hybridantriebseinheit gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform. Die Hybridantriebseinheit umfasst eine als Brennkraftmaschine ausgebildete Hauptantriebseinheit 2, die über zumindest eine Trennkupplung 4 mit einer auf die Antriebsräder R eines Kraftfahrzeugs wirkenden Getriebeeinheit 6 koppelbar ist. Gemäß der Erfindung ist ferner eine elektrische Maschine 8a nebst separater Übersetzungsstellereinheit vorhanden, wobei die elektrische Maschine 8a über die beispielsweise als stufenloses Getriebe 8b ausgebildete Übersetzungsstellereinheit in den Antriebsstrang einkoppelbar ist. Über eine Steuereinheit 10 wird die zusätzliche Übersetzungsstellereinheit derart angesteuert, dass diese im Rekuperationsbetrieb mit veränderbarer Drehzahl betreibbar ist – insbesondere stets im bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben wird – und so eine maximale Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht wird. Die erzeugte elektrische Energie wird insbesondere zur bedarfsweisen Ladung einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 12 verwendet. Mit Vorteil umfasst die Energiespeichereinrichtung 12 eine herkömmliche Batterie 12a (Säure-Blei-Batterie) und eine Kondensatorspeichereinheit 12b (insbesondere sogenannte Supercaps – auch Doppelschicht- oder Hochleistungskondensatoren genannt).
  • Die Steuereinrichtung 10 kann als separates Steuergerät zur alleinigen Ansteuerung der die elektrische Maschine 8a und die zusätzliche Getriebeeinheit 8b umfassenden Elektromaschineneneinheit 8 ausgebildet sein. Denkbar ist auch die Integration der Funktionen zur Ansteuerung der Elektromaschineneinheit 8 in ein übergeordnetes Steuergerät, über welches zugleich auch andere Komponenten der Antriebseinheit, wie die Brennkraftmaschine 2, die zumindest eine Trennkupplung 4, ggf. die Getriebeeinheit 6 sowie ein zwischen Elektromaschineneinheit 8 und Energiespeichereinrichtung 12 angeordneter Umsetzer 14 gesteuert werden. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung 10 derart ausgebildet, dass sie eine erste und/oder eine zweite Art von Verzögerungsanforderung erkennt und in Abhängigkeit von der erkannten Art der Verzögerungsanforderung dieser zugeordnete Steuermaßnahmen veranlasst.
  • Eine erste Art von Verzögerungsanforderung liegt dann vor, wenn der Eingriff der durch den Fahrer oder ein Fahrerassistenzsystem betätigbaren Betriebsbremse 20 nicht erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung ausschließlich durch die im generatorischen Betrieb arbeitende elektrische Maschine 8a bereitgestellt werden kann. Bei Erkennung dieser Art von Verzögerungsanforderung wird die Hauptantriebseinrichtung 2 vom Antriebsstrang abgekoppelt (durch Öffnen der Trennkupplung 4) und die angeforderte Bremsleistung bzw. das angeforderte Bremsmoment ausschließlich durch die generatorisch betriebene elektrische Maschine 8a bereitgestellt, indem diese bzw. die ihr zugeordnete zusätzliche Getriebeeinheit 8b durch die Steuereinrichtung 10 derart angesteuert wird, dass das Schleppverhalten der abgekoppelten Hauptantriebseinrichtung nachgebildet wird. Eine zweite Art von Verzögerung liegt dann vor, wenn aufgrund der vorliegenden Anforderung der Eingriff der durch den Fahrer oder ein Fahrerassistenzsystem betätigbaren Betriebsbremse 20 erforderlich ist, da die angeforderte Bremsleistung bzw. das angefordert Bremsmoment nicht alleine durch die generatorisch betriebene elektrische Maschine 8a bereitgestellt werden kann. Bei Erkennung dieser Art von Verzögerungsanforderung wird das geforderte Bremsmoment zumindest zeitweise anteilig durch die Betriebsbremse 20 und anteilig durch die elektrische Maschine 8a erzeugt. Dabei wird der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 12 überwacht und in Abhängigkeit hiervon die generatorisch betriebene elektrische Maschine 8a zur Erzeugung eines Bremsmoments über die zusätzliche Getriebeeinheit 8b in den Antriebsstrang eingekoppelt oder aus diesem ausgekoppelt bzw. über die zusätzliche Getriebeeinheit 8b mit einer entsprechenden Drehzahl eingekoppelt. Unabhängig von der Art der Verzögerungsanforderung ist die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 8a durch die steuerbare Übersetzungsstellereinheitimmer im bestmöglichen Wirkungsgrad betreibbar.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben der ersten, zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Elektromaschineneinheit 8 angeordneten Trennkupplung 4 eine weitere Trennkupplung vorhanden. Die weitere Trennkupplung ist dabei zwischen der Elektromaschineneinheit 8 und der Getriebeeinheit 6 angeordnet und ermöglicht insbesondere im Hinblick auf eine komfortoptimierte Steuerung weitere Möglichkeiten.
  • 2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der auf eine separate Übersetzungsstellereinheit (also ein zusätzliches, der elektrischen Maschine 8a zugeordnetes Getriebe 8b) verzichtet wird. Die Übersetzungsstellereinheit wird hierbei durch die Getriebeeinheit 6 des Antriebsstranges gebildet. In dieser Ausführungsform ist die elektrische Maschine 8a unmittelbar vor der Getriebeeinheit 6 (beispielsweise auf der Getriebeeingangswelle selbst) angeordnet oder in die Getriebeeinheit 6 selbst integriert. Die Funktionsweise entspricht der zuvor beschriebenen Funktionsweise mit zusätzlichem Getriebe für die elektrische Maschine 8a. Im abgekoppelten Zustand der Hauptantriebseinrichtung 2 wird die Getriebeeinheit 6 derart angesteuert, dass die im generatorischen Betrieb arbeitende elektrische Maschine 8a (aufgrund der Getriebeübersetzung der Getriebeeinheit 6 und der dadurch eingestellten Drehzahl der elektrischen Maschine 8a) stets möglichst nahe am optimalen Wirkungsgrad (also stets mit größtmöglichem Wirkungsgrad) arbeitet.

Claims (6)

  1. Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit – einer Hauptantriebseinrichtung (2), insbesondere einer Brennkraftmaschine, die mit ihrer Antriebswelle über eine Trennkupplung (4) mit einer Eingangswelle einer Getriebeeinheit (6) koppelbar ist, – einer elektrischen Maschine (8a) über die ein Drehmoment auf die Antriebswelle der Hauptantriebseinrichtung (2) und/oder auf die Eingangswelle der Getriebeeinheit (6) einkoppelbar ist, – einer Energiespeichereinrichtung (12; 12a, 12b) zur Versorgung der elektrischen Maschine (8a), – und einer Steuereinrichtung (10) zur Steuerung zumindest der elektrischen Maschine (8a) und der Trennkupplung (4); – wobei die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass im Falle einer ersten Art von Verzögerungsanforderung, bei der der Eingriff einer Betriebsbremse (20) nicht erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung ausschließlich durch die im generatorischen Betrieb arbeitende elektrische Maschine (8a) bereitgestellt wird, die Hauptantriebseinrichtung (2) über die Trennkupplung (4) von der Eingangswelle der Getriebeeinheit (6) getrennt wird und die angeforderte Bremsleistung bereitgestellt wird, indem die elektrische Maschine (8a) derart angesteuert wird, dass durch sie das Schleppverhalten der abgekoppelten Hauptantriebseinrichtung (2) nachgebildet wird – und/oder im Falle einer zweiten Art von Verzögerungsanforderung, bei der der Eingriff der Betriebsbremse (20) erforderlich ist und die angeforderte Bremsleistung zumindest anteilig durch die Betriebsbremse (20) bereitgestellt wird, die angeforderte Bremsleistung in Abhängigkeit vom Ladezustand der die elektrische Maschine (8a) versorgenden Energiespeichereinrichtung (12; 12a, 12b) zumindest zeitweise zumindest teilweise durch die generatorisch betriebene elektrische Maschine (8a) bereitgestellt wird, – und wobei die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass durch Ansteuerung einer Übersetzungsstellereinheit die elektrische Maschine (8a) im generatorischen Betrieb mit einer Drehzahl für einen bestmöglichen Wirkungsgrad betreibbar ist.
  2. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstellereinheit durch die Getriebeeinheit (6) gebildet ist.
  3. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstellereinheit durch eine separate unmittelbar mit der elektrischen Maschine (8a) gekoppelte Getriebeeinrichtung (8b), insbesondere eine in die elektrische Maschine (8a) integrierte Getriebeeinrichtung (8b), gebildet ist.
  4. Hybridantriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass im Falle der ersten Art von Verzögerungsanforderung die Hauptantriebseinrichtung (2) in Abhängigkeit vom Ladezustand der die elektrische Maschine (8a) versorgenden Energiespeichervorrichtung (12; 12a, 12b) von dem Antriebsstrang abgekoppelt beziehungsweise in den Antriebsstrang wieder eingekoppelt wird.
  5. Hybridantriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass im Falle der zweiten Art von Verzögerung die bereitgestellte Bremsleistung zu keinem Zeitpunkt die Maximalbremsleistung der Betriebsbremse (20) übersteigt.
  6. Hybridantriebseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass im Falle der zweiten Art von Verzögerung die bereitgestellte Bremsleistung zu keinem Zeitpunkt, mit Ausnahme im Falle einer detektierten Notbremsung, sich aus Maximalbremsleistung der Betriebsbremse (20) und zusätzlicher, vom Ladezustand der Energiespeichereinrichtung (12; 12a, 12b) abhängiger Bremsleistung der elektrischen Maschine (8a) zusammensetzt.
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