Antriebseinheit und Verfahren zum Betrieb für ein Kraftfahrzeug mit reduziertem Kupplungsaufwand

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraft ^¬ fahrzeug, einen Hybridantrieb und ein Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs.

Als Hybridfahrzeuge werden Kraftfahrzeuge bezeichnet, zu deren Antrieb eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor eingesetzt werden.

Je nach Bauart kann in verschiedenen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs die Antriebsleistung entweder durch den

Elektromotor, den Verbrennungsmotor oder eine Kombination beider zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Eigenschaften von Elektromotor und Verbrennungsmotor genutzt und kombiniert werden, um die Leis ^¬ tungsfähigkeit der Fahrzeuge und den Fahrkomfort zu erhöhen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Der Elektromotor kann dabei auf unterschiedlichste Weise in den Antriebsstrang eingebaut werden. Bei der sog. „P2 Inline Architektur" ist die elektrische Maschine im Antriebsstrang zwischen der Verbrennungsmaschine und dem Getriebe angeordnet. D. h. ein Läufer der elektrischen Maschine ist mit der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors koppelbar. In dieser Ar ^¬ chitektur kann die elektrische Maschine für verschiedene Funktionen im Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden. So kann die elektrische Maschine als Startergenerator für den Verbrennungsmotor wirken und eine Rekuperation ermöglichen. Andererseits kann die elektrische Maschine auch ein direktes elektrisches Anfahren des Fahrzeugs ermöglichen. Ein Beispiel ist aus der DE 10 2014 220 862 AI bekannt.

Der Erfindung liegt das generelle Bestreben zu Grunde, den für den Antrieb nötigen Bauraum und die Kosten zu reduzieren.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine mit einem Läufer und ein schaltbares Getriebe. Das Getriebe weist mindestens einen Gang auf, in dem eine Getriebeeingangswelle und eine Abtriebswelle mit einem festen Drehzahlverhältnis zueinander gekoppelt sind. Das Getriebe umfasst ferner mindestens eine Leerlaufposition, in welcher die Getriebeeingangswelle und die Abtriebswelle von ^¬ einander entkoppelt sind. Die Antriebseinheit umfasst außerdem eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, die elektrische Maschine anzusteuern um eine Drehzahl des Läufers zu regeln. Erfindungsgemäß ist die Getriebeeingangswelle drehfest mit dem Läufer der elektrischen Maschine verbunden.

Die elektrische Maschine kann auch als Elektromotor bezeichnet werden und hat üblicherweise einen Stator und einen Rotor bzw. Läufer. Durch Betreiben des Elektromotors mit verschiedenen Ansteuerfrequenzen kann die Drehzahl des Läufers beeinflusst werden. Die elektrische Maschine kann beispielsweise einen Außenläufermaschine oder eine Innenläufermaschine sein.

Erfindungsgemäß ist der Läufer der elektrischen Maschine drehfest mit einer Welle verbunden, die gleichzeitig die Eingangswelle des Getriebes darstellt. Eine Rotation und Drehzahl des Läufers wird somit unmittelbar auf die Getrie- beeingangswelle übertragen. Durch die drehfeste Verbindung haben der Läufer der elektrischen Maschine und die Getriebeeingangswelle immer die gleiche Drehzahl. Die drehfeste Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle und dem Läufer besteht dauerhaft und ist zumindest während des Betriebes der An ^¬ triebseinheit nicht lösbar. Der Läufer der elektrischen Maschine kann beispielsweise mit der Getriebeeingangswelle einteilig ausgeführt sein. Es kann aber auch sein, dass bei der Montage mehrere Teile so zusammengefügt werden, dass eine drehfeste Verbindung zwischen Läufer und Getriebeeingangswelle herge ^¬ stellt wird, welche zur Reparatur- oder Wartungszwecken ggf. wieder lösbar sein kann. Insbesondere befindet sich aber kein lösbares Kupplungselement, welches ein gesteuertes Entkoppeln während des Betriebs ermöglichen könnte, zwischen der Ge- triebeeingangswelle und dem Läufer.

Die Abtriebswelle führt das Drehmoment und die Kraftübertragung beispielsweise über ein Differentialgetriebe weiter zu den Rädern des Fahrzeugs. Vorzugsweise und üblicherweise weist das Getriebe mehrere Gänge mit jeweils unterschiedlichem Dreh ^¬ zahlverhältnis zwischen Getriebeeingangswelle und Abtriebswelle auf. Beispielsweise hat das Getriebe fünf Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang. Die Getriebeeingangswelle und die Abtriebswelle sind dabei in der Regel jeweils über Zahnräder miteinander gekoppelt. Für jeden Gang kann z.B. ein bestimmter Zahnradsatz im Getriebe vorgesehen sein, mit welchem die Getriebeeingangswelle und die Abtriebswelle miteinander gekoppelt werden, und durch welche das Drehzahlverhältnis zwischen Getriebe ^¬ eingangswelle und Abtriebswelle für diesen Gang festgelegt ist.

Außerdem hat das Getriebe eine Leerlaufposition, in welcher keine Kopplung der Drehbewegung zwischen Getriebeeingangswelle und Abtriebswelle besteht . In diesem Zustand wird kein Drehmoment von der Getriebeeingangswelle auf den Abtrieb übertragen und Getriebeeingangswelle und Abtriebswelle können voneinander unabhängige Drehbewegungen ausführen.

Bei dem Getriebe handelt es sich vorzugsweise um ein manuell schaltbares Getriebe. Hierbei muss beim Wechseln zwischen zwei Gängen immer über die Leerlaufposition gegangen werden. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch mit einem automatischen Getriebe denkbar, wobei die entsprechende Schaltung über die Leer- laufposition bei der automatischen Steuerung berücksichtigt werden muss.

Die Steuereinheit ist z. B. verwirklicht durch ein zentrales Steuergerät des Kraftfahrzeugs und ist dazu eingerichtet, eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine zu steuern. Durch gezielte Ansteuerung der Drehzahl der elektrischen Maschine kann somit die elektrische Maschine die Synchronisation zwischen Abtrieb und Getriebeeingangswelle (die mit dem Läufer der elektrischen Maschine drehfest verbunden ist) übernehmen. In der erfindungsgemäßen Antriebseinheit können also die elektrische Maschine und die Steuereinheit gemeinsam Aufgaben übernehmen, die bei einem herkömmlichen Antriebsstrang von einer Kupplung übernommen werden. Üblicherweise dient eine Kupplung im Antriebsstrang einerseits der Unterbrechung und Kopplung der Kraft- und Drehmomentübertragung und andererseits der Synchronisation. Die Synchronisation erfolgt hier erfindungsgemäß durch gezielte An ^¬ Steuerung der elektrischen Maschine. Die Unterbrechung und Kopplung der Kraft- und Drehmomentübertragung wird bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit durch die Leerlaufposition des Getriebes übernommen. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ermöglicht somit einen Verzicht auf eine gesonderte Kupplung zwischen elektrischer Maschine und Getriebe. Zusätzlich kann die Synchronisation im Getriebe durch Synchronringe unterstützt werden. Das Getriebe weist daher vor ^¬ zugsweise einen oder mehrere Synchronringe auf.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Getriebe außerdem mindestens einen Drehzahlsensor auf, welcher zur Erfassung einer momentanen Drehzahl der Abtriebswelle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs eingerichtet ist. Ein mit der Abtriebswelle gekoppelter Bereich kann zum Beispiel ein Zahnradsatz für einen bestimmten Gang sein.

Vorzugsweise ist für jeden Gang ein Drehzahlsensor an den entsprechenden Zahnrädern vorgesehen. Der mindestens eine Drehzahlsensor sendet dann vorzugsweise ein Signal an die Steuereinheit, welches der momentanen Drehzahl der Abtriebswelle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Zahnrads für einen bestimmten Gang entspricht.

Die Steuereinheit wiederum sendet dann zum Synchronisieren ein Signal an die elektrische Maschine, um deren Drehzahl an die Drehzahl des Gangzahnrads oder der Abtriebswelle anzupassen. Dabei müssen die Drehzahlen der Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle nicht gleich sein. Vielmehr ist, je nach gewähltem Gang, ein festes Drehzahlverhältnis zwischen der Abtriebswelle und der Getriebeeingangswelle nötig. Entscheidend ist, dass die Zahnräder von Getriebeeingangswelle und Gang bzw. Abtriebswelle möglichst sanft ineinandergreifen können. Die gewünschte

Drehzahl der Getriebeeingangswelle wird somit durch den ge ^¬ wählten Gang sowie durch die momentane Drehzahl der Abtriebswelle vorgegeben und die elektrische Maschine entsprechend ange ^¬ steuert . Wenn nur ein Drehzahlsensor an der Abtriebswelle vorgesehen ist, kann die Steuereinheit anhand der Information über die Drehzahl der Abtriebswelle und der Information über den gewählten Gang die erforderliche Drehzahl der Getriebeeingangswelle bestimmen und die elektrische Maschine entsprechend ansteuern. Wenn für jeden Gang im Getriebe ein eigener Drehzahlsensor vorgesehen ist, kann die Steuereinheit aus einer Information über den gewählten Gang das Signal des entsprechenden Sensors auswählen und in Ab- hängigkeit davon die elektrische Maschine ansteuern. Ent ^¬ sprechende Parameter bzw. Drehzahlverhältnisse für jeden Gang können in der Steuereinheit gespeichert sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kommt die erfin- dungsgemäße Antriebseinheit in einem Hybridantrieb für ein

Kraftfahrzeug zum Einsatz . Dieser Hybridantrieb weist zusätzlich zur elektrischen Maschine einen Verbrennungsmotor auf. Die elektrische Maschine ist hierbei in einem Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. Eine Ausgangswelle des Verbrennungsmotors ist über ein lösbares Kupplungselement mit dem Läufer der elektrischen Maschine drehfest verbindbar. Das Kupplungselement kann eine Reibkupplung sein oder auch ein formschlüssiges Kupplungselement, wie etwa eine Klauenkupplung. In diesem Fall kann die Synchronisation zwischen der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors und dem Läufer der elektrischen Maschine ebenfalls durch Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgen. Vorzugsweise wird dafür die Drehzahl der Ausgangswelle mit einem Drehzahlsensor erfasst. Bei geschlossener Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine kann die elektrische Maschine auch als Startergenerator für den Verbrennungsmotor fungieren. Die Kupplung kann vorzugsweise ebenfalls durch die Steuereinheit angesteuert werden. Bei niedrigerer Drehzahl und geöffneter Kupplungseinrichtung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine kann die Synchronisation im Getriebe, wie oben beschrieben, allein durch Ansteuerung der elektrischen Maschine und evtl. vorhandener Synchronringe im Getriebe erfolgen. Bei höheren Drehzahlen kann die Synchronisation in dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang durch Ansteuerung von Elektromotor und Verbrennungsmotor erfolgen. In diesem Fall wird die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine geschlossen. Vorzugsweise ist dann die Steuereinheit, welche die Drehzahl der elektrischen Maschine steuert, auch eingerichtet, die Drehzahl des Ver ^¬ brennungsmotors zu steuern.

Der erfindungsgemäße Hybridantrieb kommt vorzugsweise in einem Hybridfahrzeug, insbesondere einem Hybridauto zum Einsatz, welches der Hybridantrieb antreibt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Maschine mittels der Steuereinheit angesteuert, um eine Drehzahl des Läufers zu regeln, so dass die Drehzahlen der mit dem Läufer drehfest gekoppelten Getriebeeingangswelle und der Abtriebs ^¬ welle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs im Wesentlichen synchronisiert werden.

In einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb erfolgt vor ^¬ zugsweise als weiterer Schritt das Schalten einer drehfesten Verbindung zwischen der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors und dem Läufer der elektrischen Maschine durch ein lösbares

Kupplungselement. Das Kupplungselement kann vorteilhaft durch dieselbe Steuereinheit geschaltet werden. Falls es sich um ein formschlüssiges Kupplungselement handelt, wird die Synchro ^¬ nisation mittels der elektrischen Maschine ausgeführt. Zur Synchronisation im Getriebe kommt bei höheren Drehzahlen zusätzlich zur elektrischen Maschine der Verbrennungsmotor zum Einsatz. Dafür wird einerseits die Kupplungseinrichtung ge- steuert um eine Drehmoment- und Kraftübertragung von der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors auf den Läufer zu er ^¬ möglichen. Dann wird der Verbrennungsmotor mittels der Steuereinheit angesteuert, um eine Drehzahl des Läufers zu erreichen, so dass die Drehzahlen der mit dem Läufer drehfest gekoppelten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs im Wesentlichen synchro ^¬ nisiert werden.

Ein Gangwechsel mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit oder einem erfindungsgemäßen Hybridantrieb umfasst unter anderem die folgenden Schritte: Schalten das Getriebes von einem ersten Gang in eine Leerlaufposition . Erfassen einer momentanen Drehzahl der Abtriebswelle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs mittels eines Drehzahlsensors im Getriebe.

Synchronisieren der Drehzahlen der Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs mit Hilfe der elektrischen Maschine und/oder der Verbrennungsmaschine. Anschließend Schalten des Getriebes von der Leerlaufposition in einen zweiten Gang.

Die Bezeichnungen„erster Gang" und„zweiter Gang" sollen hierbei allgemein verstanden werden als Bezeichnung für zwei unterschiedliche Gänge mit jeweils unterschiedlichem Drehzahlverhältnis zwischen Getriebeeingangswelle und Abtriebswelle. Die Begriffe „erster Gang" und „zweiter Gang" können somit in dieser Anmeldung auch den dritten, vierten oder jeden weiteren Gang des Fahrzeugs bezeichnen - auch den Rückwärtsgang. Sie sind nicht einschränkend auf die im allgemeinen Sprachgebrauch als erster und zweiter Gang bezeichneten Gänge eines Fahrzeugs zu verstehen. Der letzte Schritt des Verfahrens, das Schalten des Getriebes von einer Leerlaufposition in einen zweiten Gang, bezieht sich darauf, dass der Antriebsstrang im Getriebe wieder geschlossen wird. Die Auswahl des zweiten Gangs erfolgt vorzugsweise bereits vor der Synchronisation, beispielsweise mit einem Gangwahlelement .

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft mit einem manuell schaltbaren Getriebe. Grundsätzlich ist auch die Umsetzung des Verfahrens in einem automatischen Getriebe denkbar.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Hybridantriebstrangs mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit;

Figur 2 den Ablauf eines Gangwechsels gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Hybridantriebsstrang 20 hat einen Verbrennungsmotor 18, an dessen Ausgangswelle 19 ein lösbares Kupplungselement 21 an ^¬ geordnet ist. Auf der anderen Seite der Kupplung 21 ist eine Welle 23 angeordnet, welche drehfest mit dem Läufer 12 einer elektrischen Maschine 11 verbunden ist. Die Kupplung 21 kann vorzugsweise durch eine Steuereinheit 13 geschaltet werden. Der Läufer 12 der elektrischen Maschine ist gleichzeitig drehfest verbunden mit einer Getriebeeingangswelle 15 eines schaltbaren Getriebes 14. Das Getriebe 14 weist mindestens eine Leer ^¬ laufposition auf, sowie mindestens einen Gang mit einem festen Drehzahlverhältnis von Getriebeeingangswelle und Abtriebswelle 16. Im Getriebe ist ein Drehzahlsensor 17 angeordnet, welcher eine momentane Drehzahl der Abtriebswelle 16 oder eines mit der Abtriebswelle 16 gekoppelten Bereichs erfasst. Die Abtriebswelle 16 führt zu einem Differentialgetriebe 22, von dort führt der Abtrieb zu den Rädern des Fahrzeuges (nicht gezeigt) . Figur 2 zeigt schematisch den Ablauf eines Gangwechsels gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. In Schritt SO beginnt das Verfahren. Das Fahrzeug fährt in einem bestimmten Gang. Zur Vorbereitung eines Gangwechsels wird zunächst das Drehmoment vom Antriebsstrang 20 genommen (Schritt Sl) . Dies erfolgt bei- spielsweise indem der Fahrer vom Gaspedal geht und indem „E-gas" vom Elektromotor genommen wird, so dass der Verbrennungsmotor zusammen mit dem drehfest gekoppelten Elektromotor kein positives oder negatives Antriebs- Drehmoment auf die Welle liefert. Der Verbrennungsmotor 18 kann auch durch Öffnen der Kupplung 21 vom Antriebsstrang 20 getrennt werden. Sobald die Getriebeeingangswelle 15 drehmomentfrei ist, kann das Getriebe 14 durch den Fahrer mit Hilfe eines Gangwahlelements in eine Leerlaufposition gebracht werden (Schritt S2). Der Antriebsstrang 20 wird somit durch den Fahrer im Getriebe 14 geöffnet. Anschließend wird in Schritt S3 ein zweiter Gang durch ein

Gangwahlelement, z.B. einen Schalthebel vorgewählt. Über eine Gangwahlerkennung wird die Information über den gewählten Gang an die Steuereinheit 13 übermittelt. In Schritt S4 wird dann eine momentane Drehzahl der Abtriebswelle 16 oder eines mit der Abtriebswelle gekoppelten Bereichs erfasst. Wenn die Drehzahl der Abtriebswelle 15 erfasst wird, kann die Steuereinheit 13 anhand der Information über den gewählten Gang eine„Soll-Drehzahl" für die Getriebeeingangswelle 15 bestimmen. Falls im Getriebe 14 für jeden Gang ein gesonderter Drehzahlsensor 17 vorhanden ist, kann die Steuereinheit 13 anhand der Information über den gewählten Gang den jeweils relevanten Drehzahlsensor 17 ermitteln, dessen Signal verarbeitet werden soll. Der relevante Drehzahlsensor 17 erfasst dann bei- spielsweise die Drehzahl eines mit der Abtriebswelle 16 ge ^¬ koppelten Gangzahnrades. In diesem Fall ermittelt die Steu ^¬ ereinheit 13 daraus die „Soll-Drehzahl" der Getriebeeingangswelle 15.

Die „Soll-Drehzahl" der Getriebeeingangswelle 15 bemisst sich beispielsweise daran, dass ein sich mit der Getriebeeingangswelle 15 drehender Zahnkranz möglichst sanft mit dem gewählten Gangzahnrad in Eingriff kommen kann. Für jeden Gang gibt es ein bestimmtes „Soll-Drehzahlverhältnis" zwischen

Getriebeeingangswelle 15 und Abtriebswelle 16, welches z.B. in der Steuereinheit 13 gespeichert ist.

Im nächsten Schritt S5 werden die Abtriebswelle 16 und die Getriebeeingangswelle 15 entsprechend synchronisiert. Dafür wird die elektrische Maschine 11 von der Steuereinheit 13 so angesteuert, dass der Läufer sich mit der gewünschten

„Soll-Drehzahl" dreht. Bei höheren Drehzahlen wird zusätzlich zur elektrischen Maschine 11 auch der Verbrennungsmotor 18 entsprechend angesteuert und die Kupplung 21 geschlossen.

In Schritt S6 schließlich wird der Antriebsstrang im Getriebe mit dem vorgewählten Gang wieder geschlossen. Der Gangwechsel ist abgeschlossen . Die Schritte S2 und S3 werden bei einem manuellen Getriebe von einem Fahrer mittels eines Gangwahlelements vorgenommen.

Grundsätzlich können die Schritte S2 und S3 auch zusammengefasst werden, solange sichergestellt ist, dass zwar der folgende Gang bereits vorgewählt wird, im Getriebe aber der Antriebsstrang geöffnet bleibt, bis die Synchronisation erfolgt ist.

Andernfalls können die Schritte S3 und S4 auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, indem zunächst eine Drehzahl der Abtriebswelle 16 erfasst wird und dann vor der Synchro ^¬ nisation der nächste Gang ausgewählt wird.

Bezugs zeichenliste

10 Antriebseinheit

11 elektrische Maschine 12 Läufer

13 Steuereinheit

14 Getriebe

15 Getriebeeingangswelle

16 Abtriebswelle

17 Drehzahlsensor

18 Verbrennungsmaschine

19 Ausgangswelle

20 Hybridantrieb

21 Kupplung

22 Differentialgetriebe

23 Welle