Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit seriellem Hybridantrieb. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges mit seriellem Hybridantrieb.

Es sind Kraftfahrzeuge mit einem so genannten seriellen Hybridantrieb bekannt. Bei diesen Kraftfahrzeugen wird im Normalbetrieb eine erste Elektromaschine generatorisch von einem Verbrennungsmotor angetrieben und liefert dabei elektrische Energie an einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie. Gespeist von dem elektrischen Energiespeicher treibt eine zweite Elektromaschine das Kraftfahrzeug über mindestens ein angetriebenes Rad an. Ebenso kann die zweite Elektromaschine als Generator im Bremsbetrieb oder im Schubbetrieb elektrische Energie an den Energiespeicher liefern.

Aus der Offenlegungsschrift DE 41 33 014 Al ist ein Kraftfahrzeug mit seriellem Hybridantrieb bekannt, bei dem aufgrund einer erhöhten Leistungsanforderung des Fahrers die Drehzahl des Verbrennungsmotors durch eine vergrößerte Drosselklappenöffnung erhöht wird. Zudem wird vorgeschlagen, zur Erhöhung der Verbrennungsmotordrehzahl die generatorisch betriebene erste Elektromaschine von der zweiten motorisch

betriebenen Elektromaschine elektrisch ganz oder teilweise zu entkoppeln.

Eine Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors über die Treibstoffzufuhr ist, insbesondere bei Fahrzyklen mit häufigen und schnellen Drehzahländerungen, beispielsweise im Stadtverkehr, nachteilig. Für den dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors sind für schnelle Drehzahlerhöhungen hohe Einspritzmengen auch bei niedrigen Drehzahlen erforderlich, die trotz relativ geringer Dynamik zu hohen Schadstoffkonzentrationen im Abgas und einem hohem Verbrauch führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, bei denen eine hohe Fahrleistung und/oder ein geringer Verbrauch erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass er einen Verbrennungsmotor, dessen Abtriebswelle drehfest mit einer ersten Elektromaschine verbunden ist, eine zweite Elektromaschine, die mit einem angetriebenen Rad mechanisch verbunden ist, einen elektrischen Energiespeicher, dem von der ersten und zweiten Elektromaschine elektrische Energie zugeführt werden kann und der der ersten und zweiten Elektromaschine elektrische Energie zuführen kann, wobei der elektrische Energiespeicher über einen Zwischenkreis mit einem ersten Umrichter, der mit der ersten Elektromaschine elektrisch verbunden ist, und einem zweiten Umrichter, der mit der zweiten Elektromaschine elektrisch verbunden ist,

elektrisch verbunden ist, und eine Steuereinheit zur Leistungsverteilung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der ersten Elektromaschine umfasst, wobei der erste Umrichter über eine Steuerleitung mit einem Drehzahlregler verbunden ist.

Vorteilhaft kann hierdurch die erste Elektromaschine hochdynamisch drehzahlgeregelt betrieben werden, was eine schnelle Einstellung der Drehzahl ohne Mithilfe des Verbrennungsmotors ermöglicht. Durch die Drehzahlregelung der ersten Elektromaschine ist auch eine sichere Drehzahlbegrenzung des Verbrennungsmotors im Schleppbetrieb möglich.

Wird bei einem Antriebsstrang an Stelle eines Wechselrichters ein nicht rückspeisefähiger Gleichrichter verwendet, so kann der Verbrennungsmotor nicht durch die erste Elektromaschine gestartet werden. Deshalb ist es, wie bei einem konventionellen Antrieb, erforderlich, den Verbrennungsmotor auch im Leerlauf zu betreiben, wenn keine Energie angefordert wird. Ein Start-Stopp-Betrieb kann also nicht durchgeführt werden .

Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Start-Stopp-Betrieb vorteilhaft auf einfache Weise ohne Strukturumschaltung in der Regelung allein durch die Vorgabe einer geeigneten Drehzahlführungsgröße der ersten Elektromaschine durchgeführt werden .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges mit einem Verbrennungsmotor, dessen Abtriebswelle drehfest mit einer ersten Elektromaschine verbunden ist, einer zweiten Elektromaschine, die mit einem angetriebenen Rad mechanisch verbunden ist, einem elektrischen Energiespeicher, dem von der ersten und zweiten

Elektromaschine elektrische Energie zugeführt werden kann und der der ersten und zweiten Elektromaschine elektrische Energie zuführen kann, und einer Steuereinheit zur Leistungsverteilung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der ersten Elektromaschine, werden die Drehzahl der ersten Elektromaschine und die Leistung des Verbrennungsmotors geregelt .

Die Leistungs- bzw. Drehmomentvorgabe des Verbrennungsmotors erfolgt direkt über die Treibstoffmenge unter Vermeidung transienter (überfetteter) Zustände, ohne hohe Abgas- und Verbrauchswerte beim Hochlauf. Sie bestimmt auch das stationäre Leistungsmanagement und damit die Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers. Der vorteilhafte stationäre Betrieb des Verbrennungsmotors am Bestpunkt bzw. auf der Bestlinie kann direkt durch Vorgabe der Drehzahl mittels der ersten Elektromaschine und der zugehörigen Einspritzmenge, die entweder kennliniengesteuert oder zur Erhöhung der Genauigkeit auch über eine überlagerte Leistungs- oder Drehmomentregelung erfolgt, vorgegeben werden. Im Zweipunktbetrieb wird der Verbrennungsmotor entweder im Bestpunkt mit höchstem Wirkungsgrad oder im Stillstand betrieben, wohingegen beim bedarfsgerechten Betrieb neben einem guten Wirkungsgrad auch eine geringe Belastung des Energiespeichers erreicht wird.

Ein Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt bevorzugt auf Basis einer Optimierung der Gesamtverluste von Energiespeicher und Verbrennungsmotor/erster Elektromaschine unter Berücksichtigung des im Mittel gewünschten Ladungszustands des Energiespeichers.

Im Rekuperationsbetrieb, bei dem die kinetische und/oder potentielle Energie des Fahrzeuges in das elektrische System

rückgespeist wird, kann der Verbrennungsmotor ohne Einspritzung im Schleppbetrieb durch die Drehzahlregelung der ersten Elektromaschine auf die aufzunehmende Leistung bevorzugt so eingestellt werden, dass die Belastung des elektrischen Energiespeichers mit Ladestrom gezielt innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.

In einer Weiterbildung wird der Drehzahlregelung der ersten Elektromaschine eine Spannungsbegrenzungsregelung bzw. eine Ladestrombegrenzungsregelung vorgeschaltet. Hierdurch können die Grenzwerte des elektrischen Energiespeichers mit ausreichender Schnelligkeit eingehalten werden und die mechanische Reibbremse kann geschont werden, da sie erst dann zum Einsatz kommt, wenn ein Leistungsgleichgewicht dauerhaft nicht mehr aufrecht zu erhalten ist.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges,

Fig. 2 ein Diagramm zur Leistungsverteilung im Zweipunktbetrieb des Verbrennungsmotors,

Fig. 3 ein Diagramm zur Leistungsverteilung im bedarfsgerechten Betrieb des Verbrennungsmotors, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelung der mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Elektromaschine.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Hierbei ist der Verbrennungsmotor VM über eine Abtriebswelle Wl drehfest mit

einer ersten Elektromaschine PSM, vorzugsweise eine permanenterregte Synchronmaschine, verbunden. Eine zweite Elektromaschine ASM, vorzugsweise eine Asynchronmaschine, ist über eine Welle W2 zumindest indirekt mit einem nicht dargestellten angetriebenen Rad verbunden. Vorzugsweise ist die zweite Elektromaschine ASM über die Welle W2 mit einer Eingangswelle eines nicht schaltbaren Untersetzungsgetriebes verbunden. Es ist jedoch auch möglich, die zweite Elektromaschine ASM mechanisch mit einer Getriebeeingangswelle oder Getriebeausgangswelle oder direkt mit einer angetriebenen Achse oder einem Rad zu verbinden. Hierbei ist es auch möglich, einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang mit mehreren zweiten Elektromaschinen ASM auszuführen.

Die erste Elektromaschine PSM ist über einen ersten Umrichter GE und die zweite Elektromaschine ASM über einen zweiten Umrichter FE elektrisch mit einem Zwischenkreis ZK verbunden. Ein elektrischer Energiespeicher BAT ist bei einer Ausführung als Batterie vorzugsweise direkt mit dem Zwischenkreis ZK elektrisch verbunden. Tritt eine ladungsabhängige Schwankung der Speicherspannung auf, wie beispielsweise bei einer Ausführung des elektrischen Energiespeichers BAT als Supercap, so kann der elektrische Energiespeicher BAT auch über einen DC-Steller mit dem Zwischenkreis ZK verbunden werden. Die Umrichter GE, FE sind vorzugsweise als Pulsumrichter ausgeführt.

Im Normalbetrieb liefert die erste Elektromaschine PSM, angetrieben durch den Verbrennungsmotor VM, elektrische Energie an die Batterie BAT. Die Batterie BAT wiederum liefert elektrische Energie an die zweite Elektromaschine ASM, die das Fahrzeug antreibt. Ebenso kann die zweite Elektromaschine ASM als Generator im Bremsbetrieb oder im Schubbetrieb elektrische Energie an die Batterie BAT

liefern. Der Umrichter FE der zweiten Elektromaschine ASM wird von einem Regler FER, dem das vom Fahrer, beispielsweise mittels des Fahr- und Bremspedals, geforderte Sollantriebsmoment M _Aso n zugeführt wird, gesteuert.

Eine übergeordnete Steuereinheit PCU steuert die Leistungsaufteilung zwischen der Batterie P _Bat und der ersten Elektromaschine Pcensoii ■ Vorteilhaft wird eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand günstige, d.h. verlustminimierende Aufteilung eingestellt, wobei ein von einem Batteriemanagementsystem BMS ermittelter aktueller Ladungszustand SOC der Batterie BAT in einem geforderten Bereich gehalten wird. Zusätzlich wird die Einhaltung der zulässigen Werte für die Batteriespannung U _Bat und den Batteriestrom I _Bat berücksichtigt .

Eine Berechnung der Verbrennungsmotorleistung P _Genso ii erfolgt in Abhängigkeit von dem durch den Fahrer geforderten Antriebsmoment M _Aso n bzw. einer daraus resultierenden Antriebsleistung P _An , einer von dem Batteriemanagementsystem BMS ermittelten aktuellen Belastbarkeit der Batterie BAT, die unter anderem vom Ladungszustand SOC abhängig ist, und einer gemessenen Fahrgeschwindigkeit v des Fahrzeuges. Zu dieser Leistung P _Ge nsoii werden entsprechend einem Verbrennungsmotorkennfeld K eine günstige, möglichst optimale Drehzahl n _So ii des Verbrennungsmotors VM und ein erforderliches Verbrennungsmotormoment M _So ii ermittelt. Die günstige Drehzahl n _So ii kann optimal bezüglich des Verbrauchs und/oder optimal bezüglich der Abgasemission gewählt werden. Insbesondere kann, wenn beispielsweise der Ladungszustand SOC der Batterie BAT es erfordert, der Verbrennungsmotor VM auch während des Fahrbetriebs abgeschaltet werden (Start-Stopp- Betrieb) . Die Treibstoffzufuhr (Einspritzung) zum

Verbrennungsmotor VM erfolgt entsprechend dem geforderten Drehmoment M _So ii über die Motorsteuereinheit MCU.

Erfindungsgemäß wird die günstige Drehzahl n _So ii über einen ersten Drehzahlregler GER der ersten Elektromaschine PSM und die Leistung PGensoii über eine Einspritzvorrichtung am Verbrennungsmotor VM eingestellt. Die Batterieleistung P _Bat stellt sich dann entsprechend der Differenz von Antriebsleistung P _Rn , die sich aus dem Produkt einer Zwischenkreis- spannung U _Z κ und eines Stroms I _An an der zweiten Elektromaschine ASM ergibt, und der Leistung der ersten Elektromaschine PSM frei ein.

Wird beispielsweise eine Drehzahlerhöhung gewünscht, so wird diese vom ersten Drehzahlregler GER durch einen an der ersten Elektromaschine PSM anliegenden Strom I _Gen eingestellt und die Verbrennungsmotorleistung Pcensoii durch Einspritzung der entsprechenden Treibstoffmenge geregelt.

Das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges ist ohne Schutz- und Begrenzungsfunktionen dargestellt. Eine erfindungsgemäße überlagerte Begrenzungsregelung zur Einhaltung der Grenzwerte der Batterie BAT bei der Regelung der ersten Elektromaschine PSM zeigt Figur 4.

Figur 2 und 3 legen verschiedene Funktionsweisen der Leistungsverteilung der Steuereinheit PCU dar.

Bei der in Figur 2 dargestellten Leistungsaufteilung wird der Verbrennungsmotor VM im Zweipunktbetrieb betrieben. In dieser Betriebsart arbeitet der Verbrennungsmotor VM nur im Bestpunkt oder im Stillstand. Dargestellt ist die erforderliche Leistung der ersten Elektromaschine P _Ge n _so ii in

Abhängigkeit von der vom Fahrer geforderten Leistung P _An sowie die resultierende Leistung der Batterie P _ßat - Ist die geforderte Leistung P _An kleiner als eine definierte Mindestleistung, so wird nur aus der Batterie Leistung P _Bat entnommen und die Verbrennungsmotorleistung P _Ge nsoii ist Null, wobei der Verbrennungsmotor VM still steht. Oberhalb der Mindestleistung wird der Verbrennungsmotor VM gestartet und im Bestpunkt betrieben, wobei die anfallende überschüssige Leistung zur Batterieladung genutzt wird. Oberhalb der Bestpunkleistung liefern beide Quellen gemeinsam die Antriebsenergie für die Räder. Bei sehr hoher Leistungsanforderung P _An oder bei einem niedrigen Belastbarkeitszustand der Batterie BAT ist auch eine Maximalleistung des Verbrennungsmotors VM vorgesehen.

Bei der in Figur 3 dargestellten Leistungsaufteilung befindet sich der Verbrennungsmotor VM in einem bedarfsgerechten Betrieb. In dieser Betriebsart wird der Verbrennungsmotor VM auf der Bestlinie mit variierender Leistung P _Ge n _so ii und Drehzahl n eingesetzt. Auch hier wird der Verbrennungsmotor VM erst oberhalb einer Mindestleistung gestartet. Der Verbrennungsmotor VM liefert dann genau die jeweils im Fahrzeug erforderliche Leistung P _An , wodurch eine zusätzliche Ladung oder Entladung der Batterie BAT bei kleiner Antriebsleistung P _An vermieden wird. In dieser Betriebsart wird die Batterie BAT im Mittel geringer geladen, aber auch geringer beansprucht. Erst oberhalb der Bestpunkleistung liefern wieder beide Quellen gemeinsam die Energie für den Antrieb. Die Batterie wird in diesem Fall nur im Rekuperationsbetrieb geladen .

Durch einen kontinuierlichen übergang zwischen beiden Betriebsarten und durch eine geeignete Wahl der Mindest-

leistung kann der Ladungszustand SOC der Batterie BAT im Mittel auf einem gewünschten Wert gehalten werden.

Ein Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von einer Verlustminimierungs- funktion. So kann es sinnvoll sein, bei Entlade- und Ladeverlusten der Batterie BAT, die größer sind als die Verluste des Verbrennungsmotors VM im bedarfsgerechten Betrieb, vom Zweipunktbetrieb in den bedarfsgerechten Betrieb zu wechseln.

Eine Einhaltung der Grenzwerte der Batterie BAT ist grundsätzlich allein durch die Funktion der Steuereinheit PCU sicherstellbar. Erfindungsgemäß ist eine besonders schnelle überlagerte Begrenzungsregelung bei der Regelung der ersten Elektromaschine PSM gemäß Figur 4 vorgesehen. Damit können die Grenzwerte des elektrischen Energiespeichers mit ausreichender Schnelligkeit eingehalten werden und die mechanische Reibbremse kann geschont werden.

Der Schutz vor überspannung beim Laden der Batterie BAT sollte am schnellsten wirken. Dazu wird ein Spannungsistwert U _ßat i _st/ der der Zwischenkreisspannung U _zκ entspricht, im ersten Drehzahlregler GER gemessen und in einer der Drehzahlregelung der ersten Elektromaschine PSM vorgeschalteten Spannungsbegrenzungsregelung SBR mit einem aktuellen zulässigen Maximalwert der Gleichspannung U _Ba tmax (aus dem Batteriemanagementsystem BMS) verglichen. Zusätzlich ist auch ein Ladestrombegrenzungsregler LBR vorgesehen, der bei zu großem Ladestrom I _ßat i _st eingreift, auch wenn die Spannung noch nicht zu hoch ist. Die Werte des aktuellen Ladestroms Iß _at i _st sowie eines maximal zulässigen Ladestroms Ißatmax werden dem Ladestrombegrenzungsregler LBR von dem Batteriemanagementsystem BMS übermittelt. Beim Auftreten von Batterie-

überspannung gibt der Spannungsbegrenzungsregler SBR sofort eine um n _Zus erhöhte Drehzahl der ersten Elektromaschine PSM vor. Eine um n _Zus erhöhte Drehzahl wird ebenfalls bei einem Batterieüberstrom durch den Ladestrombegrenzungsregler LBR vorgegeben. Durch die dadurch veranlasste Beschleunigung des Verbrennungsmotors VM und der ersten Elektromaschine PSM wird dem Zwischenkreis ZK sehr schnell Energie entzogen und übergangsweise in den rotierenden Massen gespeichert, so dass diese Energieentnahme aus dem Zwischenkreis ZK der überspannung bzw. dem überstrom entgegenwirkt.

Vom Ausgang des Spannungsbegrenzungsreglers SBR wird gleichzeitig ein Signal D _ICE abgeleitet, mit dem, wegen entsprechender Signallaufzeiten über den CAN-Bus leicht verzögert, eine gegebenenfalls noch wirkende Einspritzung des Verbrennungsmotors VM beendet und zusätzlich eine Bremsklappe und/oder eine Konstantdrossel drehzahlabhängig eingeschaltet wird. In dem so aktivierten Schleppbetrieb nimmt der Verbrennungsmotor VM drehzahlabhängig Bremsleistung auf und dissipiert die anfallende Energie. Dadurch wird der überspannung bzw. dem überstrom am Zwischenkreis ZK weiter entgegengewirkt .

Wird die aufzunehmende Leistung für den Verbrennungsmotor VM zu groß, so erreicht die erste Elektromaschine PSM eine maximal zulässige Schleppdrehzahl n _IC Em _a χ- Die beschriebene Spannungsbegrenzungsregelung SBR über die Drehzahlvorgabe ist somit nicht mehr ausreichend und es wird ein Bremswiderstand zugeschaltet, der die überschüssige Energie in Wärme umwandelt. Die Leistungsvorgabe des Bremswiderstands erfolgt, abgeleitet vom Spannungsbegrenzungsregler SBR, über eine Steuerung eines entsprechenden Stromes Ißr _e ms-

Ist auch diese zusätzliche Leistung nicht mehr ausreichend, so wird vom Spannungsbegrenzungsregler SBR ein Abregelungs- signal D _Antr abgeleitet und an die das Fahrzeug antreibende zweite Elektromaschine ASM abgegeben. Hierdurch wird die elektrisch erzeugbare Bremsleistung begrenzt. Die Differenz zur gewünschten Bremsleistung muss nun über konventionelle Reibbremsen erzeugt werden.

Das vorgenannte Vorgehen bei einer überspannung gilt analog bei Vorliegen eines überstroms .

Die günstige Drehzahl n _So ii _/ gegebenenfalls erhöht um eine Drehzahl n _Zus bzw. begrenzt auf die maximal zulässige Schleppdrehzahl n _IC Emax, wird mit einer aktuellen Drehzahl n _ist verglichen. Hieraus ermittelt der erste Drehzahlregler GER einen drehmomentbildenden an der ersten Elektromaschine PSM anliegenden Strom I _Gθπ - Im motorischen Betrieb wird dieser auf einen maximalen Wert i _Genmax begrenzt. Im generatorischen Betrieb hingegen wird er auf einen minimalen Wert iG _e nmin begrenzt .