Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs eine Hybridantriebsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug.

Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge, bei denen eine elektrische Maschine zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet ist, sind bekannt. Beispielsweise sind dies Hybridantriebe bei denen die elektrische Maschine direkt an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist (Mild-Hybrid) oder zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine eine Kupplung vorhanden ist (parallel Hybrid- Antrieb). Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für den Betrieb eines Hybridantriebsstranges anzugeben.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen.

Der Erfindung liegen folgende Kenntnisse zugrunde. In einem Kraftfahrzeug mit einem Mild- Hybrid- Antriebsstrang, ist üblicherweise, die elektrische Maschine zwischen dem

Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet, wobei die elektrische Maschine über eine Kupplung vom Verbrennungsmotor entkoppelt werden kann. Ein solcher Hybrid- Antrieb ist jedoch nicht für einen Impulsstart des Verbrennungsmotors ausgelegt.

Für einen solchen Hybrid- Antrieb eines Kraftfahrzeugs ist der elektrische Anfahrvorgang als gebrücktes Anfahren möglich: Die elektrische Maschine beschleunigt das Kraftfahrzeug, beginnend mit einer Drehzahl null der elektrischen Maschine, wobei alle für den Kraftfluß notwendigen Kupplungen im Getriebe geschlossen sind. Eine andere Möglichkeit ist das Anfahren über ein getriebeinternes Anfahrelement: Die elektrische Maschine am

Getriebeeingang dreht mit einer bestimmten Drehzahl, ein getriebeinternes Anfahrelement (beispielsweise eine Kupplung) befindet sich im Schlupf. Am Ende des Anfahrvorgangs ist diese Kupplung dann vollständig geschlossen.

Bei einem Antriebsstrang wie in Fig. 1 gezeigt, erfolgt der Start des Verbrennungsmotors VM über das Massenträgheitsmoment der rotierenden elektrischen Maschine EM und einer Schwungscheibe S. Bei Anforderung eines Starts des Verbrennungsmotors VM, wenn beispielsweise eine Leistungsgrenze der elektrischen Maschine EM erreicht ist oder die verfügbare Kapazität der Batterie (SOC) gering ist, erfolgt zuerst eine Drehzahlanhebung der elektrischen Maschine EM, wobei die Getriebeeingangskupplung GEK vom Getriebe G im Schlupf ist und das für den Vortrieb erforderliche Drehmoment an den Abtrieb A überträgt. Ist die Drehzahl an der elektrischen Maschine EM dann ausreichend groß, wird die Kupplung K zum Verbrennungsmotor VM geschlossen. Die Synchrondrehzahl für den Verbrennungsmotor VM liegt dabei oberhalb der Drehzahl der Getriebeeingangskupplung GEK. Anschließend wird der Schlupf in der Getriebeeingangskupplung GEK abgebaut. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Hybridantriebsvorrichtung einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und ein Impulsstartmodul umfasst. Das Impulsstartmodul umfasst zwei Kupplungen und eine Schwungmasse. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Öffnen der ersten Kupplung des Impulsstartmoduls, Feststellen einer Zustartanforderung für den Verbrennungsmotor, Schließen der ersten Kupplung bei offener oder geschlossener zweiten Kupplung zum Start des Verbrennungsmotors. Die

Zustartanforderung kann über eine Steuereinheit der Hybridantriebsvorrichtung oder des Fahrzeugs erfolgen. Die Schwungmasse umfasst ein Drehungleichheitsreduzierungs-Element oder ein Schwungrad.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Fokus auf den Abläufen beim Übergang vom elektrischen Fahren in das hybridische Fahren und vice versa.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Start des Verbrennungsmotors über eine wechselseitige Betätigung der ersten und zweiten Kupplung des Impulsstartmoduls erfolgt. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen die zweite Kupplung geöffnet, während die erste Kupplung zeitgleich geschlossen wird. Mit anderen Worten, das Schließen bzw. Öffnen der ersten und zweiten Kupplung verläuft parallel oder simultan.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Start des Verbrennungsmotors als Initialstart ausgeführt wird. Initialstart umfasst den Start des Verbrennungsmotors bei stehendem Fahrzeug. Ein Initialstart des Verbrennungsmotors kann nach einer

Zustartanforderung eintreten, wonach eine Batterie des Fahrzeugs elektrische Energie für elektrische Verbraucher, bspw. Klimaanlage, Sitzheizung etc., zur Verfügung stellen muss und der Ladezustand der Batterie unterhalb eine Minimalgrenze sinken würde.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Impulsstartmodul den

Verbrennungsmotor beim elektrischen Anfahren startet und die Schwungmasse des

Impulsstartmoduls mittels der geschlossenen zweiten Kupplung mit der elektrischen

Maschine gekoppelt wird. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst diese Schwungmasse das Drehungleichheitsreduzierungs-Element des Verbrennungsmotors. Das Drehungleichheitsreduzierungs-Element ist insbesondere beim elektrischen Fahren mit der elektrischen Maschine verbunden, wobei die zweite Kupplung geschlossen ist.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Impulsstartmodul den

Verbrennungsmotor beim Motor- Aus-Segeln startet.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Impulsstartmodul den

Verbrennungsmotor während eines elektrischen Fahrens startet. In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass eine Drehzahl der Schwungmasse so gewählt ist, dass beim Zustart des Verbrennungsmotors dessen Drehzahl, nach Aufschalten der Schwungmasse, oberhalb einer Leerlaufdrehzahl liegt.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine nach Öffnen der zweiten Kupplung, vor dem Zuschalten des Verbrennungsmotors, mindestens einen Gang höher geschaltet wird.

Mit anderen Worten es wird eine Schaltstrategie für die elektrische Maschine, insbesondere im elektrischen Fahren, so ausgewählt, dass die Schwungmas sendrehzahl so zu liegen kommt, dass der Verbrennungsmotor beim Zustart unmittelbar nach Aufschalten der Schwungmasse eine Drehzahl oberhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors aufweist. In manchen Ausführungsbeispielen liegt die Drehzahl deutlich oberhalb der Leerlaufdrehzahl des

Verbrennungsmotors. In manchen Ausführungsbeispielen ist die Drehzahl des

Verbrennungsmotors nach Aufschalten der Schwungmasse nahe an einer Zieldrehzahl für den sich anschließenden hybridischen Betrieb. Die elektrische Maschine wird dabei nach dem Öffnen der Kupplung mindestens einen Gang höher geschaltet, bevor der Verbrennungsmotor in den Kraftfluss genommen wird.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass eine Drehzahl der elektrischen Maschine vor dem Zustart des Verbrennungsmotors so gewählt ist, dass die Drehzahl des

Verbrennungsmotors, nach Aufschalten der Schwungmasse, zwischen einer Eigenfrequenz- Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Leerlaufdrehzahl liegt, wobei in mindestens einem Teilabschnitt des Auf schaltens der Schwungmasse die zweite Kupplung wieder geschlossen oder geschlossen gehalten wird. Die elektrische Maschine unterstützt den Hochlauf des Verbrennungsmotors durch seine Trägheit und/oder momentenseitig.

Des Weiteren wird eine erfindungsgemäße Hybridantriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs angegeben. Die Hybridantriebsvorrichtung umfasst einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine, und ein Impulsstartmodul, welches zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angeordnet ist und eine erste Kupplung und eine zweite Kupplung umfasst. Zum Start des Verbrennungsmotors ist die erste Kupplung geschlossen bei offener oder geschlossenen zweiten Kupplung des Impulsstartmoduls.

In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Impulsstartmodul ein

Drehungleichheitsreduzierungs-Element umfasst.

Des Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, insbesondere

Personenkraftfahrzeug, zum Anwenden des Verfahrens angegeben, wobei das Kraftfahrzeug eine Hybridantriebsvorrichtung aufweist, die einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine umfasst.

Andere Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es werden nun spezielle Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen begrenzt ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist, und decken den Schutzumfang der Erfindung für einen Fachmann vollständig ab. Die Terminologie, die in der ausführlichen Beschreibung der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen verwendet wird, soll für die Erfindung nicht einschränkend sein. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Zeichen auf gleiche Elemente.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im Folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen: Figur 2: ein Hybrid- Antriebsstrang;

Figur 3: eine erste Variante eines elektrischen Anfahrens anhand von Drehzahl und

Kupplungsstatus;

Figur 4: eine zweite Variante eines elektrischen Anfahrens anhand von Drehzahl und

Kupplungsstatus;

Figur 5: ein Motor- Aus-Segeln anhand von Drehzahl und Kupplungsstatus;

Figur 6: einen Zustart des Verbrennungsmotors aus einem elektrischen Fahren anhand von Drehzahl und Kupplungsstatus;

Figur 7A: eine erste Variante eines Initialstarts des Verbrennungsmotors bei stehendem Fahrzeug anhand von Drehzahl und Drehmoment;

Figur 7B: eine zweite Variante eines Initialstarts des Verbrennungsmotors anhand von

Drehzahl und Drehmoment; Figur 7C: eine dritte Variante eines Initialstarts des Verbrennungsmotors anhand von Drehzahl und Drehmoment;

In Figur 2 ist schematisch ein Hybrid- Antriebsstrang gezeigt. Die Hybridantriebsvorrichtung HA umfasst einen Verbrennungsmotor VM, eine elektrische Maschine EM, und ein

Impulsstartmodul IM, welches zwischen dem Verbrennungsmotor VM und der elektrischen Maschine EM angeordnet ist und eine erste Kupplung KS und eine zweite Kupplung K0 umfasst. Zwischen den Kupplungen KS und K0 ist ein Drehungleichheitsreduzierungs- Element DU angeordnet. Anstatt des Drehungleichheitsreduzierungs-Element DU wird in machen Ausführungsformen ein Schwungrad verwendet. Der Start des Verbrennungsmotors VM erfolgt über eine wechselseitige Betätigung der ersten KS und zweiten K0 Kupplung des Impulsstartmoduls IM.

Die folgend beschriebenen Figuren betreffen jeweils eine Betriebsstrategie für das Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung HA eines Fahrzeugs mit P2-Mild-Hybrid- Antriebsstrang, wie in Fig. 2 gezeigt. Die erste Kupplung KS trennt das

Drehungleichheitsreduzierungs-Element DU (Zweimassenschwungrad,

Torsionsschwingungsdämpfer, Drehzahladaptiver Tilger, ...), im Folgenden auch DU-Element genannt, vom Verbrennungsmotor VM.

Die untere Achse in jeder Figur gibt die Veränderung der Kupplung bzw. die Drehzahlen über die Zeit an. Die Übergänge von einem Zustand in den anderen oder von einer Drehzahl auf eine andere sind im Millisekunden (ms) Bereich. Die Zustände in denen das Fahrzeug elektrisch oder hybridisch (also mit Zuschaltung des Verbrennungsmotors) dargestellt ist, umfassen einen Sekundenbereich. Die mit LL angegebene Drehzahl entspricht einer

Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors und ist zwischen 600 - 900 Umdrehung/Minute.

Figur 3 zeigt eine erste Variante eines elektrischen Anfahrens anhand von Drehzahl und Kupplungsstatus, auch elektrisches Kriechen genannt. In dieser ersten Variante steht das Fahrzeug zu Beginn, die Drehzahl von VM und EM ist null. Im oder kurz vor dem Anfahren wird die elektrische Maschine EM auf eine bestimmte Drehzahl gebracht. Die zweite

Kupplung K0 ist dabei geschlossen, sodass auch das DU-Element mitbeschleunigt wird.

Durch das Moment der elektrische Maschine EM wird das Fahrzeug beschleunigt. Das Anfahrelement befindet sich hier im Getriebe iAE. Wird mit keinem Fahrpedal und mit konstanter Geschwindigkeit gekrochen, dreht die elektrische Maschine EM erhöht, sodass jederzeit ein Impulsstart des Verbrennungsmotors möglich ist. Die iAE befindet sich im Schlupf. Bei dieser Variante des Zustarts wird, bei Startanforderung, zuerst die erste Kupplung KS geschlossen. Der Verbrennungsmotor VM wird dabei gestartet und auf eine sich einstellende Synchrondrehzahl beschleunigt, welche oberhalb der Drehzahl an der iAE liegt. Es findet somit kein Anlagewechsel an der iAE statt, welcher deutlich am Abtrieb spürbar wäre.

Anschließend wird der Schlupf in der iAE abgebaut und der Verbrennungsmotor VM übernimmt den Vortrieb.

Dieser Zustart kann solange umgesetzt werden, wie die sich bei Schließen der ersten

Kupplung KS einstellende Drehzahl am Verbrennungsmotor VM oberhalb der Drehzahl an dem Getriebe iAE liegt. Die Drehzahl an dem Getriebe iAE wird als direkt proportional zur Geschwindigkeit betrachtet (in einem festen Gang).

Figur 4: eine zweite Variante eines elektrischen Anfahrens anhand von Drehzahl und

Kupplungsstatus. Für den Fall, dass im Kriechen die Grenzdrehzahl für die erste Startvariante, in Fig. 3, überschritten wird, erfolgt der Zustart analog zu Fig. 4. Im Zustart wird hier zuerst die Schwungmasse des DU-Elements entkoppelt, durch Öffnen der zweiten Kupplung K0. Die elektrische Maschine EM kann die komplette verfügbare Leistung zum Vortrieb des Fahrzeugs bereitstellen. Anschließend wird der Verbrennungsmotor VM durch Schließen der ersten Kupplung KS gestartet. Der noch fehlende Drehzahlbereich bis zur Anschlussdrehzahl führt der Verbrennungsmotor VM durch Verbrennung von Kraftstoff aus. Bei Erreichen der Getriebeeingangsdrehzahl beginnt eine Drehzahlregelung den Verbrennungsmotor VM auf die Zieldrehzahl zu regeln und die zweite Kupplung K0 kann geschlossen werden. Im Anschluss übernimmt der Verbrennungsmotor VM den Vortrieb und die elektrische Maschine EM reduziert ihr Moment.

Figur 5 zeigt ein Motor- Aus-Segeln anhand von Drehzahl und Kupplungsstatus. Motor-Aus- Segeln bedeutet, dass der Verbrennungsmotor VM vom Antriebsstrang getrennt ist und die erste Kupplung KS geöffnet ist. Vom Fahrer wird kein Fahrpedal betätigt und die elektrische Maschine EM stellt somit kein positives Moment. Das Fahrzeug kann somit mehr oder weniger frei rollen. Alle getriebeinternen Kupplungen sind geschlossen, die Gänge werden entsprechend der Geschwindigkeit nachgeführt. Die zweite Kupplung K0 ist geschlossen. Die Schwungmasse des DU-Elements DU hat somit immer die gleiche Drehzahl wie der

Getriebeeingang.

Das freie Rollen ist durch die Abnahme der Drehzahl von nJ dargestellt. Bei Startanforderung wird die zweite Kupplung K0 schnell geöffnet. Die Schwungmasse kann frei rotieren. Durch Schließen der ersten Kupplung KS wird der Verbrennungsmotor VM gestartet und auf eine Synchrondrehzahl geschleppt. Anschließend baut der Verbrennungsmotor VM Drehzahl auf durch Verbrennung von Kraftstoff. Bei Erreichen der Getriebeeingangsdrehzahl beginnt eine Drehzahlregelung den Verbrennungsmotor VM auf die Zieldrehzahl zu regeln und die zweite Kupplung K0 kann geschlossen werden. Im Anschluss übernimmt der Verbrennungsmotor VM den Vortrieb und die elektrische Maschine EM reduziert ihr Moment. Der Zustart aus der Motor- Aus-Rekuperation verläuft identisch. Mit dem Unterschied, dass die Geschwindigkeit in der Rekuperation aufgrund des negativen Moments an der

elektrischen Maschine EM stärker abnimmt.

Figur 6 zeigt einen Zustart des Verbrennungsmotors aus einem elektrischen Fahren anhand von Drehzahl und Kupplungsstatus. Der Zustart aus dem elektrischen Fahren läuft wie der Zustart aus dem Motor-Aus-Segeln ab (vgl. Fig. 5). Während des Zustarts kann die elektrische Maschine EM die komplette Leistung für den Vortrieb des Fahrzeugs zur Verfügung stellen. Eine erste Fahrzeugreaktion kann somit dargestellt werden.

Während des elektrischen Fahrens ist die zweite Kupplung K0 geschlossen, die

Schwungmasse DU dreht somit mit Getriebeeingangsdrehzahl. Durch eine angepasste Getriebeschaltstrategie kann diese Drehzahl immer in einem für den Impulsstart geeigneten Drehzahlband gehalten werden.

Aufgrund einiger Randbedingungen (tiefe Außentemperatur, niedriger Ladezustand Batterie, etc.) kann es vorkommen, dass zu Fahrtbeginn im Stand ein Start des Verbrennungsmotors initiiert wird. Da auf eine zusätzliche Startvorrichtung verzichtet wird, erfolgt auch hier ein Impulsstart des Verbrennungsmotors. Dazu sind drei Startvarianten denkbar, die in den

Figuren 7A - 7C gezeigt werden. Die Bezeichnungen der Kurven sind:

niAE: Drehzahl der getriebeinternen Anfahrkupplung iAE,

nVM: Drehzahl des Verbrennungsmotors VM,

nJ: Drehzahl der Schwungmasse J,

nEM: Drehzahl der elektrischen Maschine EM,

MEM: Moment der elektrischen Maschine EM und

KS, K0 bzw. iAE: Status der entsprechenden Kupplung.

Figur 7A zeigt eine erste Variante eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors anhand von Drehzahl und Drehmoment. Die erste Kupplung KS und die zweite Kupplung K0 sind zu Beginn geschlossen. Der Verbrennungsmotor VM wird über das Moment der elektrischen Maschine gestartet. Figur 7B zeigt eine zweite Variante eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors anhand von Drehzahl und Drehmoment. Die Schwungmasse DU wird durch das Moment der elektrischen Maschine auf eine bestimmte Startdrehzahl gebracht. Anschließend wird der

Verbrennungsmotor VM durch Schließen der ersten Kupplung KS gestartet. Es wirkt hier die Trägheit von DU-Element und elektrischer Maschine auf die Kurbelwelle, um den

Verbrennungsmotor VM zu starten.

Figur 7C zeigt eine dritte Variante eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors anhand von Drehzahl und Drehmoment und kann als eine Kombination aus der ersten und zweiten Variante (Fig. 7A, 7B) gesehen werden: die elektrische Maschine und die Schwungmasse DU drehen zu Beginn hoch. Sobald eine bestimmte Drehzahl erreicht ist, wird die erste Kupplung KS geschlossen. Unter Wirkung von Moment der elektrischen Maschine EM und der Trägheit von Schwungmasse und elektrischer Maschine EM, wird der Verbrennungsmotor VM gestartet.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mitanderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.