Verfahren zum Anfahren eines hybridelektrischen Fahrzeugs und Antriebsstrang für ein hybridelektrisches Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines hybridelektrischen Fahrzeugs, einen Antriebsstrang für ein hybridelektrisches Fahrzeug, sowie eine Steuervorrichtung und ein hybridelektrisches Fahrzeug.

Bei bekannten Hybridfahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine und zwei elektrischen Maschinen ist häufig eine der elektrischen Maschinen primär als Startergenerator vorgesehen und die zweite elektrische Maschine primär als Traktionsmaschine. Der Startergenerator kann beispielsweise mit dem Verbrennungsmotor durch einen Riementrieb permanent verbunden sein. Bei einem häufig als „P0+P2-Hybrid“ bezeichneten System ist der Verbrennungsmotor über eine Kupplung CO mit der Traktionsmaschine verbunden. Die Traktionsmaschine ihrerseits ist mittels einer weiteren Kupplung C1 mit einem Getriebe verbindbar.

Da der Verbrennungsmotor (ICE, internal combustion engine) erst oberhalb einer gewissen Drehzahl N_ICE_min seiner Kurbelwelle wirkungsvoll Antriebsmoment in den Antriebsstrang einleiten kann, wird das Fahrzeug bei herkömmlichen Hybridantrieben bei einem Anfahrvorgang zunächst allein durch die Traktionsmaschine auf eine Mindestgeschwindigkeit (VS_min) beschleunigt. Wobei VS_min dadurch charakterisiert ist, dass bei dieser Geschwindigkeit die Getriebeeingangsdrehzahl (diese ist zugleich auch die Drehzahl der Abtriebsseite der Kupplung C1 mindestens den Wert von N_ICE_min hat. Erst nach Erreichen oder Überschreiten von VS_min kann der Verbrennungsmotor samt Startergenerator (SG) mittels der Kupplung CO an den Antriebsstrang gekoppelt werden und einen Beitrag durch Verbrennung zur Traktion des Fahrzeugs liefern. Dies bedeutet, dass unterhalb von der Mindestgeschwindigkeit VS_min nur die Traktionsmaschine für die Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung steht, während der Verbrennungsmotor und der Startergenerator SG erst oberhalb von VS_min zur Traktion beitragen. Um ausreichend Antriebsdrehmoment bzw. Antriebsleistung während des Anfahrvorganges zur Verfügung zu haben, muss die Traktionsmaschine entsprechend leistungsstark bemessen bzw. dimensioniert sein.

Beim Schließen der Kupplung CO nach Überschreiten der Mindestgeschwindigkeit VS_min ist darüber hinaus eine Synchronisation der Drehzahlen von Verbrennungsmotor mit Kurbelwelle und der Drehzahl der Traktionswelle notwendig. Dies kann, insbesondere während der üblicherweise hohen Dynamik während des Anfahrvorganges des Fahrzeuges, einerseits zu Leistungsverlusten z.B. an der Kupplung führen und stellt andererseits hohe Anforderungen an die Stabilität des Bordnetzes im Fahrzeug.

Diese Probleme gelten auch für andere Konfigurationen des Hybridantriebsstranges (beispielsweise P1 +P2, P0+P3, P1 +P3, P0+P4 und P1 +P4) mit einer Ausführung einer Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Antriebstrang, die keine kraftschlüssige Verbindung darstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die genannten Probleme beim Starten und Anfahren eines hybridelektrischen Fahrzeuges zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Anfahren eines hybridelektrischen Fahrzeuges gemäß Anspruch 1 sowie durch die Gegenstände der weiteren unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren betrifft ein hybridelektrisches Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle und einer ersten elektrischen Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist.

Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist über eine erste Kupplung lösbar mit einer Traktionswelle des Fahrzeuges verbunden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zum Anfahren des Fahrzeuges der Verbrennungsmotor zunächst ausgeschaltet und die erste lösbare Kupplung geschlossen, wodurch die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehfest mit der Traktionswelle verbunden ist. Erfindungsgemäß stellt zum Anfahren des Fahrzeuges die erste elektrische Maschine ein Drehmoment (TQ_SG) bereit, welches die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Rotation versetzt und über die geschlossene erste Kupplung auf die Traktionswelle des Fahrzeuges übertragen wird. Dabei wird vorzugsweise durch die erste elektrische Maschine (d.h. durch den Startergenerator SG) ein Drehmoment (TQ_SG) bereitgestellt, das höher ist als ein Verlustdrehmoment (TQ_ICE_LOSS), welches erforderlich ist, um die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (ICE) in Rotation zu versetzen. Das resultierende Drehmoment des Startergenerators (TQ_SG_RES) dient der Traktion. Dieses ergibt wie folgt: TQ_SG_RES = TQ_SG - TQ_ICE_LOSS.

Die Traktionswelle ihrerseits ist beispielsweise über ein Getriebe und ggf. weitere Kupplungen an den Abtrieb des Fahrzeuges gekoppelt. Da die Kurbelwelle über die Traktionswelle somit an den Abrieb gekoppelt ist, erfolgt die Beschleunigung der Kurbelwelle gekoppelt an die Beschleunigung des Fahrzeuges. Insbesondere kann bei gleichbleibender Übersetzung die Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle proportional sein zu der Beschleunigung des Fahrzeuges. Dies gilt insbesondere für den Beginn des Anfahrvorganges, solange die Traktionswelle über eine gleichbleibende Übersetzung an den Abtrieb gekoppelt ist. Anfahren bedeutet in dieser Anmeldung ein Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stillstand.

Die erste elektrische Maschine ist beispielsweise ein Startergenerator und ist vorzugsweise permanent mit dem Verbrennungsmotor verbunden, beispielsweise über einen Riementrieb. Der Riementrieb erlaubt so eine Übertragung einer Drehbewegung einer Rotorwelle des Startergenerators auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder umgekehrt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anfahren wird demnach der Verbrennungsmotor von Anfang an bei der Beschleunigung des Fahrzeuges mitgeschleppt. Da die Kupplung CO bereits von Beginn an geschlossen ist, ist beim Starten des Verbrennungsmotors keine gesonderte Synchronisation zwischen der Kurbelwelle und der Traktionswelle nötig. Dadurch können einerseits Reibungsverluste aufgrund einer Synchronisation und/oder Strom- und Lastspitzen, die zu Spannungsschwankungen im Bordnetz führen können, erfolgreich vermieden werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung sind daher geringere Anforderungen an die Stabilität des Bordnetzes als bei den herkömmlichen Hybridantrieben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird zum Anfahren des hybridelektrischen Fahrzeuges ein zusätzliches Drehmoment durch mindestens eine zweite elektrische Maschine (Traktionsmaschine) bereitgestellt, welches gemeinsam mit dem resultierenden Drehmoment des Startergenerators zur Traktion des Fahrzeuges beiträgt und an den Abtrieb gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme steht insgesamt ein höheres Traktionsdrehmoment, nämlich die Summe aus dem Drehmoment der zweiten elektrischen Maschine und dem resultierenden Drehmoment des Startergenerators für den Abtrieb zur Verfügung. Es muss also weder die zweite elektrische Maschine noch der Startergenerator alleine das Fahrzeug aus dem Stillstand beschleunigen, sondern beide elektrischen Maschinen, nämlich Startergenerator und Traktionsmaschine tragen beide gleichzeitig Drehmoment zur Traktion des Fahrzeuges bei. Das resultierende Drehmoment für die Traktion des Fahrzeuges ist somit die Summe des resultierenden Drehmomentes von der ersten elektrischen Maschine und des von der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellten (resultierenden) Drehmoments. Durch die vorliegende Erfindung kann somit die zweite elektrische (Traktions-)Maschine weniger leistungsstark dimensioniert werden als in herkömmlichen Hybridantrieben gemäß dem Stand der Technik. Dies kann zu geringeren Hardwarekosten führen.

Die Traktionswelle ist vorzugsweise drehfest mit dem Rotor einer zweiten elektrischen Maschine verbunden und bildet dessen Rotorwelle. Vorzugsweise ist die Traktionswelle ihrerseits mittels einer zweiten lösbaren Kupplung (C1 ) mit einer Abtriebswelle des Fahrzeuges lösbar verbunden. Die Abtriebswelle führt beispielsweise als Getriebeeingangswelle zu einem Getriebe. Von dort wird der Abtrieb an die Räder des Fahrzeuges weitergeleitet.

Die hier beschriebene Variante entspricht einer P0+P2 Architektur. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch für andere Hybridarchitekturen, wie beispielsweise eine P0+P3 oder P0+P4 Architekturen anwendbar, wobei sich eine oder mehrere zweite elektrische Traktionsmaschinen beispielsweise nach dem Getriebe (P3) oder an den Rädern (P4) befinden können.

Da keine gesonderte Synchronisation zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Traktionswelle nötig ist, kann die Kupplung CO vorteilhaft als günstige, formschlüssige Kupplung bzw. Klauenkupplung ausgeführt sein. Vorzugsweise kann auch die Kupplung C1 als eine formschlüssige Kupplung, eine sogenannte Klauenkupplung ausgebildet sein. Klauenkupplungen haben gegenüber Reibkupplungen den Vorteil, dass sie weniger aufwändig und kostengünstiger sind. Allerdings kann mittels einer Klauenkupplung keine Synchronisation der miteinander verbundenen Wellen erfolgen. Die Synchronisation der Drehzahlen zum Einkuppeln muss auf andere Weise sichergestellt werden, beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung der Traktionsmaschine und des Verbrennungsmotors mit Kurbelwelle.

Erfindungsgemäß befindet sich die erste Kupplung CO während des Anfahrvorgangs bei abgestellter Verbrennungskraftmaschine im eingekuppelten, also geschlossenen Zustand. D.h. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist zu diesem Zeitpunkt drehfest mit der Traktionswelle verbunden.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anfahren eines hybridelektrischen Fahrzeuges wird nach der ersten Beschleunigung aus dem Stillstand des Fahrzeuges bei Überschreiten einer Geschwindigkeitsschwelle (v_VM_min) des Fahrzeugs der Verbrennungsmotor gestartet. Da der Verbrennugsmotor von Anfang an mitgeschleppt wurde, ist keine weitere Synchronosation mehr nötig. Der Startvorgang ist vollzogen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert VS_min erreicht oder überschreitet und die Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung eingeleitet werden. Nach erfolgtem Startvorgang des Verbrennungsmotors kann dieser ebenfalls einen Beitrag zur Traktion durch Verbrennung leisten. Dadurch, dass keine Drehzahlanpassung des Verbrennungsmotors durch den Startergenerator an die Drehzahl der Traktionswelle (bzw. Getriebeeingangsdrehzahl) erfolgen muss und kein Einkuppelvorgang nötig ist, wird der Anfahrvorgang insgesamt beschleunigt.

Die Erfindung ermöglicht so einen Anfahrvorgang während sich die Verbrennungskraftmaschine im unbefeuerten Betrieb befindet und sich die Kupplung CO im eingekuppelten Zustand befindet.

Zusätzliche Vorteile der Erfindung sind dabei eine Beschleunigung des Anfahrvorgangs auch in Situationen wie einem „Durchreißstart" und darüber hinaus Notlaufeigenschaften bei einem Ausfall der Kupplung CO.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch einen Antriebsstrang für ein hybridelektrisches Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle und einer ersten elektrischen Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist über eine erste Kupplung lösbar mit einer Traktionswelle des Fahrzeuges verbindbar. Die Traktionswelle ist wiederum mit einem Abtrieb des Fahrzeuges koppelbar. Die erste elektrische Maschine kann beispielsweise ein Startergenerator sein, welcher mit dem Verbrennungsmotor permanent, insbesondere durch einen Riementrieb verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Traktionswelle drehfest mit einem Rotor einer zweiten elektrischen Maschine verbunden, wobei die Traktionswelle mittels einer zweiten Kupplung mit einer Abtriebswelle des Fahrzeuges lösbar verbindbar ist.

Die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung können vorteilhaft als formschlüssige Kupplung (Klauenkupplung) ausgebildet sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verbrennungsmotor gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise langsam hochgedreht. Da die Kurbelwelle über die Traktionswelle an den Abrieb gekoppelt ist, erfolgt die Beschleunigung der Kurbelwelle gekoppelt an die Beschleunigung des Fahrzeuges. Insbesondere kann die Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle proportional sein zu der Beschleunigung des Fahrzeuges. Dies gilt insbesondere für den Beginn des Anfahrvorganges, solange die Traktionswelle über eine gleichbleibende Übersetzung an den Abtrieb gekoppelt ist. Dafür sind Verbrennungsmotoren in herkömmlichen Hybridantrieben häufig nicht ausgelegt und es könnte daher zu Schwingungsresonanzen kommen. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor daher für ein langsames Hochdrehen eingerichtet. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass er über ein entsprechendes Massenschwungrad aufweist, welches für ein langsames Hochdrehen ausgelegt ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Antriebsstrang eines hybridelektrischen Fahrzeuges mit einer Prozessoreinrichtung, welche eingerichtet ist, die Komponenten des Antriebsstranges entsprechend einer Ausführungsvariante des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein hybridelektrisches Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang und einer entsprechenden erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.

Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Computerprogramm(produkt) und ein computerlesbares Medium auf dem das Comupterprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programmes durch eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung bewirken, dass die Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren in einer Ausführungsvariante ausführt.

Alle oben Beschriebenen Merkmale der Erfindung können untereinander kombiniert werden und sowohl in dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch in dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang zum Einsatz kommen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in der Zeichnung schematisch und beispielhaft dargestellten Ausführungsform näher erläutert werden.

Es zeigt schematisch:

Figur 1 : Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Antriebsstrangs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt einen P0+P2 Antriebsstrang für ein hybridelektrischen Fahrzeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 11 und einer Kurbelwelle 12. Der Verbrennungsmotor ist mit einer ersten elektrischen Maschine 13 über einen Riementrieb19 permanent verbunden. Über eine erste Kupplung 15, die als Klauenkupplung ausgeführt ist, ist die Kurbelwelle 12 mit der Traktionswelle 17 lösbar drehfest verbunden. Die Traktionswelle 17 ist ihrerseits drehfest mit einem Rotor 18 einer zweiten elektrischen Maschine 14 verbunden. Über eine zweite Kupplung 16 (C1 ), welche ebenfalls als Klauenkupplung ausgeführt sein kann, ist die Traktionswelle 17 lösbar mit einer Abtriebswelle 30 verbindbar. Die Abtriebswelle ist beispielsweise eine Eingangswelle für ein Getriebe 31 .

Zum Anfahren, d.h. Beschleunigen des Fahrzeuges aus dem Stillstand ist die Kupplung 15 geschlossen. Die beiden elektrischen Maschinen 13 und 14 erzeugen Drehmoment und tragen zur Traktion bei. Dabei wird der unbefeuerte Verbrennungsmotor 11 zunächst mitgeschleppt. Bei Erreichen einer Mindestgeschwindigkeit kann die Verbrennung gestartet werden und der Verbrennungsmotor kann ebenfalls Drehmoment beisteuern. Bezugszeichenliste

10 Fahrzeug

11 Verbrennungsmotor VM

12 Kurbelwelle (Ausgangswelle des Verbrennungsmotors)

13 Erste Elektrische Maschine (Startergenerator) SG

14 Zweite Elektrische Maschine (Traktionsmaschine) TM

15 Kupplung CO

16 Kupplung C1

17 Traktionswelle

18 Rotor der TM

19 Riementrieb

30 Abtriebswelle/Getriebeeingangswelle

31 Getriebe

32 Abtrieb

33 Massenschwungrad

34 Steuereinrichtung