-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Hybridantriebssystem für ein Kraftfahrzeug, welches
wenigstens ein Steuersystem, wenigstens eine Drehzahlerfassungsvorrichtung,
wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens einen Verbrennungsmotor
aufweist, und bei dem wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens
ein Verbrennungsmotor zumindest zeitweise in einem festen Drehzahlverhältnis miteinander
gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum
Betreiben zumindest einer elektrischen Maschine und zumindest einem
Verbrennungsmotor, bei dem zumindest eine der elektrischen Maschinen
und zumindest einer der Verbrennungsmotoren derart ausgebildet und
eingerichtet sind, dass diese zumindest zeitweise in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander
betrieben werden.
-
Vor
dem Hintergrund steigender Rohölpreise sowie
dem sich abzeichnenden Wandel des Erdklimas wird die Forderung nach
möglichst
verbrauchsarmen und treibstoffeffizienten Kraftfahrzeugen zunehmend
größer.
-
Ein
vielversprechender Ansatz für
derartige verbrauchsarme und treibstoffeffiziente Kraftfahrzeuge
liegt in der Verwendung von Hybridantriebssystemen. Bei Hybridantriebssystemen
wird zusätzlich zum
normalen Verbrennungsmotor eine weiterer Motor verwendet, der eine
unterschiedliche Energieform nutzt, um das Kraftfahrzeug anzutreiben.
In der Praxis haben sich hierzu Elektromotoren durchgesetzt.
-
Durch
die Verwendung zusätzlicher
Motoren ist es einerseits möglich,
den Verbrennungsmotor weitgehend dauerhaft in einem besonders energieeffizienten
Betriebsmodus zu betreiben. Die vom Verbrennungsmotor gelieferte
Antriebsenergie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht zum Antrieb
des Kraftfahrzeugs genutzt wird, kann in einem Energiespeicher,
wie beispielsweise einem Akkumulator, zwischengespeichert werden.
Zu einem späteren Zeitpunkt
kann die so zwischengespeicherte Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs
genutzt werden. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
bei einer Verzögerung
des Kraftfahrzeugs die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in
elektrische Energie umzuwandeln und im Akkumulator zwischenzuspeichern.
Die Bremsenergie geht dadurch nicht verloren.
-
Auf
Grund dieser (und weiterer) Effekte sind Kraftfahrzeuge mit Hybridantriebssystemen
besonders kraftstoffeffizient, insbesondere wenn das Kraftfahrzeug
im Stop-and-Go-Verkehr oder im Stadtverkehr betrieben wird.
-
Auf
Grund der noch relativ jungen Technologie gibt es nach wie vor eine
große
Anzahl bislang ungelöster
Teilprobleme, die eine rasche Verbreitung von Hybridantriebssystemen
bislang verhindern.
-
Ein
großes
Problem stellen nach wie vor die Kosten für Hybridantriebssysteme dar.
Da zusätzlich zum
Verbrennungsmotor ein Elektromotor vorgesehen werden muss, steigen
die Kosten dementsprechend an. Zusätzliche Kosten entstehen dadurch, dass
sowohl Verbrennungsmotor, als auch Elektromotor mit zusätzlichen
Sensoren und zusätzlichen Steuereinrichtungen
versehen werden müssen,
die darüber
hinaus eine ausreichende Genauigkeit aufweisen müssen.
-
Die
im Stand der Technik bekannten Hybridantriebssysteme weisen entsprechende
Nachteile auf.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Es
wird daher vorgeschlagen, ein Hybridantriebssystem für ein Kraftfahrzeug,
welches wenigstens ein Steuersystem, wenigstens eine Drehzahlerfassungsvorrichtung,
wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens einen Verbrennungsmotor aufweist,
wobei wenigstens eine elektrische Maschine und wenigstens ein Verbrennungsmotor
zumindest zeitweise in einem festen Drehzahlverhältnis miteinander gekoppelt
sind, derart auszubilden, dass das Steuersystem zumindest zeitweise
die Daten einer ersten Drehzahlerfassungsvorrichtung zur zumindest
teilweisen Steuerung zumindest einer elektrischen Maschine und zumindest
eines Verbrennungsmotors heranzieht. Die zumindest zeitweise gleichzeitig
erfolgende Erfassung der Drehzahl der zumindest einen elektrischen
Maschine und der Drehzahl des zumindest einen Verbrennungsmotors mittels
einer ersten Drehzahlerfassungsvorrichtung und deren Verwendung
zur zumindest teilweisen Steuerung sowohl zumindest eines Elektromotors, als
auch zumindest eines Verbrennungsmotors erfolgt insbesondere zu
solchen Zeitpunkten (bzw. Zeitabschnitten), in denen die wenigstens
eine elektrische Maschine und der wenigstens eine Verbrennungsmotor
in einem festen Drehzahlverhältnis
miteinander gekoppelt sind. Zu Zeitpunkten, in denen die elektrische
Maschine und der Verbrennungsmotor miteinander gekoppelt sind, ist
die Verwendung und ggf. auch das Vorsehen einer ersten (gemeinsamen)
Drehzahlerfassungsvorrichtung oftmals vollständig ausreichend, und es kann
gegebenenfalls auf eine zusätzliche
Drehzahlerfassungsvorrichtung bzw. auf die Verwendung der von dieser
gewonnenen Daten vollständig
verzichtet werden. Hierbei ist daraufhin zu weisen, dass eine (genauere)
Kenntnis über
die Drehzahl von elektrischer Maschine und/oder Verbrennungsmotor üblicherweise
insbesondere dann erforderlich ist, wenn sich das Fahrzeug in einem
aktiven Fahrbetrieb, wie beispielsweise in einem Beschleunigungsvorgang, einem
Fahrvorgang oder einem Rekuperationsbetrieb befindet. In derartigen
Betriebszuständen
des Kraftfahrzeugs liegt aber oftmals ohnehin eine Kopplung von
elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor vor. In den sonstigen
Betriebszuständen,
in denen gegebenenfalls keine Kopplung zwischen elektrischer Maschine und
Verbrennungsmotor in festem Drehzahlverhältnis zueinander vorliegt,
kann von der einzelnen (gemeinsamen) Drehzahlerfassungsvorrichtung
zwar nicht die (jeweilige) Drehzahl für beide Maschinen (also elektrische
Maschine und Verbrennungsmotor) erfasst werden, die Drehzahl kann
aber – sofern
dies erforderlich sein sollte – beispielsweise über andere Parameter
grob abgeschätzt
werden (beispielsweise über
die elektrische Leistung einer elektrischen Maschine oder die elektrische
Leistung einer Einspritzpumpe für
einen Verbrennungsmotor), oder es kann eine zusätzliche, unabhängige Drehzahlerfassungsvorrichtung
in einem anderen Bereich des Hybridantriebssystems vorgesehen werden.
Die zusätzliche, unabhängige Drehzahlerfassungsvorrichtung
kann dabei in aller Regel einfacher als die gemeinsame Drehzahlerfassungsvorrichtung
aufgebaut werden, sodass die Gesamtanordnung dennoch kostengünstiger
sein kann. Die von ihr gewonnenen Daten können gegebenenfalls nur dann
zur Steuerung des Hybridantriebssystems (bzw. von Teilen davon,
wie insbesondere zur Steuerung des Verbrennungsmotors) verwendet
werden, wenn Verbrennungsmotor und Elektromotor „unabhängig voneinander” (also
nicht in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander) betrieben
werden. Möglich
ist es aber auch, dass die von der zusätzlichen Drehzahlerfassungsvorrichtung
gewonnenen Daten grundsätzlich
zur Erfüllung
bestimmter Steuerungsinformationen verwendet werden. Lediglich anders
geartete Steuerungsfunktionen, für
die beispielsweise genauere Daten benötigt werden, werden dann unter
Verwendung von Daten realisiert, die von der ersten Drehzahlerfassungsvorrichtung
gewonnen werden (sofern Verbrennungsmotor und Elektromotor in einem
festen Drehzahlverhältnis
zueinander betrieben werden). Es genügt im Übrigen vollauf, dass Verbrennungsmotor
und elektrische Maschine in einem festen, bekannten Drehzahlverhältnis miteinander
gekoppelt sind (beispielsweise über
ein Planetengetriebe). Von der Drehzahl, beispielsweise der elektrischen
Maschine, kann dann durch eine einfache Multiplikation mit dem entsprechenden
Faktor auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors geschlossen werden.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
dass das feste Drehzahlverhältnis in
verschiedenen Betriebszuständen
des Hybridantriebssystems unterschiedlich ist, während des eigentlichen Betriebszustands
jedoch konstant ist. Mit anderen Worten ist es also auch möglich, dass
das Drehzahlverhältnis
von elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor „geschaltet” wird.
Unter dem Begriff „elektrische
Maschine” sind
insbesondere Elektromotoren, elektrische Generatoren sowie elektrische
Maschinen, die zeitweise als Elektromotor und zeitweise als Generator
betrieben werden, zu verstehen. Als Drehzahlerfassungsvorrichtung
können grundsätzlich jegliche,
im Stand der Technik bekannte Drehzahlerfassungsvorrichtungen verwendet
werden, wie beispielsweise Drehzahlerfassungsvorrichtungen, die
mit Hilfe eines Geberrads auf elektrischem, elektromagnetischem,
magnetischem oder optischem Wege eine Aussage über die Drehzahl der entsprechenden
Vorrichtung ermöglichen.
Dabei ist bei entsprechend ausgebildeten Drehzahlerfassungsvorrichtungen
auch eine im Wesentlichen stetige Messung der Drehzahl (z. B. bereits
nach einer Drehung um wenige Winkelgrade bzw. von Bruchteilen davon)
möglich.
Auch eine Winkellagebestimmung des betreffenden Bauteils ist bei
Verwendung geeigneter Drehzahlerfassungsvorrichtungen in aller Regel
problemlos möglich.
-
Es
kann sich insbesondere als sinnvoll erweisen, wenn zumindest eine
der elektrischen Maschinen und zumindest einer der Verbrennungsmotoren
zumindest im Wesentlichen dauerhaft in einem festen Drehzahlverhältnis miteinander
gekoppelt sind. In diesem Falle ist es möglich, gegebenenfalls vollständig auf
eine zusätzliche,
unabhängige
Drehzahlerfassungsvorrichtung zu verzichten, bzw. ist es möglich, eine
gegebenenfalls erforderliche, zusätz liche, unabhängige Drehzahlerfassungsvorrichtung nochmals
einfacher auszubilden. Ein besonders einfacher und kostengünstiger
Aufbau des Hybridantriebssystems kann dadurch gefördert werden.
Insbesondere dann, wenn die Zeitintervalle, bei denen gegebenenfalls
keine Kopplung von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine in
festem Drehzahlverhältnis
vorliegt, sehr kurz sind, kann in aller Regel vollständig auf
das Vorsehen einer zusätzlichen,
unabhängigen
Drehzahlerfassungsvorrichtung verzichtet werden, da in diesen kurzen
Zeitintervallen der Verbrennungsmotor und/oder die elektrische Maschine
beispielsweise ohnehin auf Grund von „Massenträgheit” nachläuft.
-
Möglich ist
es darüber
hinaus, dass zumindest eine erste Drehzahlerfassungsvorrichtung
in Verbindung mit zumindest einer elektrischen Maschine, vorzugsweise
integral mit zumindest einer elektrischen Maschine ausgebildet ist.
Denn häufig
ist für den
Betrieb einer elektrischen Maschine eine relativ genaue Kenntnis über deren
Drehzahl erforderlich, weshalb entsprechende Drehzahlerfassungsvorrichtungen
bei handelsüblichen
elektrischen Maschinen oftmals ohnehin vorgesehen sind, und diese
Drehzahlerfassungsvorrichtungen in der Regel bereits relativ genaue
Messwerte liefern. Auch ist es teilweise möglich, basierend auf den elektrischen
Eingangs- bzw. Ausgangssignalen
der elektrischen Maschine eine oftmals sehr genaue Aussage über deren
Drehzahl treffen zu können,
was meist auch möglich
ist, ohne dass zusätzliche
Drehzahlerfassungssensoren vorgesehen werden müssen. Dadurch ist es meist möglich, die
Kosten für
das Hybridantriebssystem nochmals zu senken.
-
Es
kann darüber
hinaus als sinnvoll erweisen, wenn zumindest Teile eines Steuersystems
des Hybridantriebssystems in Verbindung mit zumindest einer elektrischen
Maschine, insbesondere gemeinsam mit dem Steuergerät zumindest
einer elektrischen Maschine ausgebildet sind. Für die Ansteue rung von elektrischen
Maschinen ist es in der Regel ohnehin erforderlich, elektrische
bzw. elektronische Steuergeräte
(beispielsweise einen Einplatinenrechner) vorzusehen. Derartige
elektrische bzw. elektronische Steuergeräte von elektrischen Maschinen weisen
auch bei handelsüblichen
elektrischen Maschinen in der Regel Systeme und/oder Algorithmen auf,
die die Drehzahl der elektrischen Maschine für die Ansteuerung derselben
mit einbeziehen. Diese Systeme und/oder Algorithmen können in
der Regel leicht darauf hin angepasst werden, dass diese zumindest
zeitweise und/oder zumindest zum Teil die Ansteuerung auch zumindest
eines Verbrennungsmotors (mit-)übernehmen.
Insofern kann das Steuersystem des Hybridantriebssystems in diesem
Falle auf ohnehin bestehende Systeme zurückgreifen, sodass hierdurch
auf besonders elegante Weise zusätzliche
Kosten eingespart werden können.
Insbesondere kann auf eine „Doppelauslegung” entsprechender
Systeme meist verzichtet werden.
-
Es
kann sich als besonders sinnvoll erweisen, wenn zumindest eine erste
Drehzahlerfassungsvorrichtung und/oder zumindest Teile der Steuervorrichtung
des Hybridantriebssystems als Hochfrequenzdatenerfassungsvorrichtung
ausgebildet sind. Mit einer derartigen schnellen und häufigen Datenerfassung
kann die Qualität
des Drehzahlsignals deutlich gesteigert werden. Speziell ist unter
einer Hochfrequenzdatenerfassungsvorrichtung eine Datenerfassungsvorrichtung
zu verstehen, die eine besonders hohe Datenabtastrate aufweist.
Insbesondere kann es dadurch ermöglicht
werden, das erfasste Drehzahlsignal zur Berechnung zusätzlicher
Parameter zu berücksichtigen.
Durch die vorgeschlagene hohe Datenrate bzw. Datengenauigkeit kann
es ermöglicht
werden, die entsprechenden Parameter mit einem besonders vorteilhaften
Signal-Rausch-Verhältnis
ermitteln zu können.
Eine Abtastung kann dabei beispielsweise im 100 μs-Zeitraster erfolgen. Das erfasste
Drehzahlmesssignal wird somit vorteilhafterweise nicht erst nach
einem vollständigen
Umlauf der entsprechenden Einrichtung nachgeführt, sondern vorzugsweise häufiger,
wie beispielsweise bereits nach einem Bruchteil eines Umlaufs der
entsprechenden Einrichtung. Wie bereits erwähnt, liegt die Auflösung der
Drehzahlerfassungsvorrichtungen und/oder der Steuervorrichtung von
elektrischen Maschinen oftmals ohnehin in diesem Bereich, oder zumindest
in einem Bereich, der beispielsweise dem oben genannten Bereich
nahekommt.
-
Möglich ist
es beispielsweise, dass zumindest Teile des Steuersystems als Drehzahlunruhedetektionseinrichtung
und/oder als Verbrennungsfehlerdetektionseinrichtung, insbesondere
für zumindest einen
Verbrennungsmotor ausgebildet sind. Mit den Drehzahlsignalen, die
von der ersten (gemeinsamen) Drehzahlerfassungsvorrichtung in der
Regel mit einer hohen Güte
vorliegen, ist es besonders vorteilhaft möglich, weitergehende Parameter
zu bestimmen, welche basierend auf der erfassten Drehzahl ermittelt
werden können.
Die so ermittelten weitergehenden Parameter, wie beispielsweise
eine Aussage über
eine Drehzahlunruhe des Verbrennungsmotor, bzw. eine Aussage über Verbrennungsfehler
des Verbrennungsmotors, können
anschließend
entsprechenden Steuersystemen zur Nachregelung von Verbrennungsmotor
und/oder elektrischer Maschine zugeführt werden. Insbesondere bei
einem genauen und häufig
erneuerten Drehzahlmesswert, können die
entsprechenden Parameter in der Regel mit hoher Qualität und einem
sehr guten Signal-Rausch-Verhältnis
ermittelt werden. Unter einem Verbrennungsfehlermesswert ist dabei
insbesondere ein Signal zu verstehen, welches eine Aussage über das
Vorliegen, die Qualität
(Eigenschaften) bzw. die Häufigkeit
von Zündaussetzern
ermöglicht
und/oder eine Aussage über
die Vollständigkeit
einer Verbrennung des Verbrennungsmotors ermöglicht. Dadurch wird eine Zündaussetzererkennung
in einem Hybridfahrzeug besonders einfach möglich. Die Zündaussetzererkennung
kann insbesondere basierend auf der Detektion einer Drehzahlunruhe
aufgrund ausbleibender Momentenbeiträge des Verbrennungsmotors erfolgen.
-
Eine
weitere sinnvolle Ausbildungsform kann sich ergeben, wenn beim Hybridsystem
zumindest eine zusätzliche
Drehzahlerfassungsvorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise in
Verbindung mit zumindest einem Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Diese
zusätzliche
Drehzahlerfassungsvorrichtung kann insbesondere dazu verwendet werden,
auch dann Daten über
den Betriebszustand von Teilen des Hybridantriebssystems zu gewinnen
(insbesondere des Verbrennungsmotors), wenn elektrische Maschine
und Verbrennungsmotor nicht in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander
betrieben werden. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit für eine derartige zusätzliche
Drehzahlerfassungsvorrichtung besteht darin, dass sie Daten liefern
kann, die von der ersten (gemeinsamen) Drehzahlerfassungsvorrichtungen
nicht, bzw. nur mit einem größeren Fehler
behaftet gemessen werden können.
Zu diesem Zweck ist es möglich,
wenigstens eine zusätzliche
Drehzahlerfassungsvorrichtung auf die Erfassung bestimmter Daten
hin gezielt zu optimieren.
-
Weiterhin
wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Betreiben zumindest einer
elektrischen Maschine und zumindest einem Verbrennungsmotor, bei dem
zumindest eine der elektrischen Maschinen und zumindest einer der
Verbrennungsmotoren derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass
diese zumindest zeitweise in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander
betrieben werden, derart durchzuführen, dass zumindest während eines
Betriebs mit festem Drehzahlverhältnis
zueinander mittels zumindest einer ersten Drehzahlerfassungsvorrichtung
Daten erfasst werden, die zumindest zeitweise zur zumindest teilweisen
Steuerung zumindest eines der Verbrennungsmotoren sowie zumindest
einer der elektrischen Maschinen verwendet werden. Ein derartiges Verfahren
weist die bereits im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Hybridantriebssystem
beschriebenen Eigenschaften und Vorteile in analoger Weise auf.
Insbesondere ist es möglich,
das Verfahren im Sinne der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen
Hybridantriebssystem gemachten Vorschläge in analoger Weise weiterzubilden.
Ein derartig weitergebildetes Verfahren weist ebenfalls die bereits
genannten Eigenschaften und Vorteile in analoger Weise auf.
-
Insbesondere
ist es möglich,
zumindest eine der elektrischen Maschinen und zumindest einen der Verbrennungsmotoren
derart auszubilden und einzurichten, dass diese zumindest teilweise
als Teil eines Hybridantriebssystems, insbesondere als Teil eines Hybridantriebssystems
für ein
Kraftfahrzeug eingerichtet sind. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich
in beliebiger Weise um ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und
ein Landfahrzeug (schienengebunden/nicht-schienengebunden) handeln.
Das vorab vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderem Maße für den hier
vorgeschlagenen Zweck.
-
Weiterhin
ist es möglich,
das Verfahren so durchzuführen,
dass zumindest eine der elektrischen Maschinen und zumindest einer
der Verbrennungsmotoren derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass
diese zumindest im Wesentlichen dauerhaft in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander
betrieben werden. Auch für
diesen Einsatzfall ist das vorliegend vorgeschlagene Verfahren besonders
vorteilhaft.
-
Besonders
vorteilhaft kann es sein, wenn die Drehzahlerfassung mit hoher Abtastrate
erfolgt. Insbesondere sollte die Drehzahlerfassung häufiger als nur
einmal pro Umdrehung der entsprechenden Einrichtung erfolgen. Vielmehr
ist es sinnvoll, dass die Drehzahlerfassung jeweils nach Durchschreiten
eines relativ kleinen Drehwinkels, wie beispielsweise von jeweils
1°, 2°, 3°, 4° oder 5° (oder auch
Bruchteilen vom einem Grad) erfolgt. Alternativ oder zusätzlich ist
es möglich,
dass die Drehzahlerfassung mit einer Zeitrate von beispielsweise
300 μs,
250 μs,
200 μs,
150 μs,
100 μs,
75 μs, 50 μs bzw. 25 μs erfolgt. Dadurch
können
sich besonders genaue Aussagen hinsichtlich der Drehzahl der Vorrichtung(en)
ergeben. Insbesondere ist es möglich,
die derart gewonnenen Drehzahlinformationen auch für weitergehende
Zwecke, wie beispielsweise zur Berechnung weiterer Parameter, zu
verwenden.
-
So
ist es möglich,
die Drehzahlerfassung zur Erkennung einer Drehzahlunruhe und/oder
zur Erkennung von fehlerhaften Zündvorgängen, insbesondere
des Verbrennungsmotors zu verwenden.
-
Auch
kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn zur Steuerung zumindest
einer elektrischen Maschine und/oder zumindest eines Verbrennungsmotors
Daten zumindest einer zusätzlichen
Drehzahlerfassungsvorrichtung verwendet werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird im Folgenden unter Verwendung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben:
Es zeigt:
-
1:
Eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
-
2:
eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
-
3: eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
-
3: eine schematische Ansicht eines Hybridkraftfahrzeugs
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
In 1 ist
ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt, welches als Antrieb einen
Hybridantrieb 2 aufweist. Kraftfahrzeug 1 und
Hybridantrieb 2 sind zur Verdeutlichung des Prinzips nur
schematisch dargestellt.
-
Der
Hybridantrieb 2 umfasst eine elektrische Maschine 3 mit
einer ersten Antriebswelle 4 sowie einen Verbrennungsmotor 6 mit
einer zweiten Antriebswelle 5. Die erste Antriebswelle 4 ist
direkt mit der elektrischen Maschine 3 gekoppelt, während die zweite
Antriebswelle 5 direkt mit dem Verbrennungsmotor 6 gekoppelt
ist. Die beiden Antriebswellen 4, 5 sind über ein
Planetengetriebe 7 miteinander gekoppelt, Die gemeinsame
Antriebsleistung von Verbrennungsmotor 6 und elektrischer
Maschine 3 (die selbstverständlich auch negativ sein kann,
beispielsweise dann, wenn sich das Kraftfahrzeug in einem Rekuperationsbetrieb
befindet) wird über
das Planetengetriebe 7 der Antriebsachse 8 zugeführt, an
welcher die Räder 9 befestigt
sind. Dieser Aufbau eines Hybridantriebs 2 ist auch als
sogenannte Drehmomentkopplung bekannt. Über das Planetengetriebe 7 sind
also erste Antriebswelle 4 und zweite Antriebswelle 5 über ein
festes Drehzahlverhältnis,
welches vom Aufbau des Planetengetriebes 7 vorgegeben wird,
miteinander gekoppelt.
-
Zusätzlich ist
beim vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel des Hybridantriebs 2 bei
der zweiten Antriebswelle 5 ein Schaltgetriebe 10 und eine
Kupplung 11 zwischen Verbrennungsmotor 6 und Planetengetriebe 7 vorgesehen.
Dadurch ist es möglich,
den Verbrennungsmotor 6 bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten
des Kraftfahrzeugs 1 stets in einem jeweils weitgehend
treibstoffeffizienten Drehzahl- bzw. Drehmomentbereich zu betreiben. Über die
Kupplung 11 kann der Verbrennungsmotor 6 zusätzlich ausgekuppelt
werden, beispielsweise um das Schaltgetriebe 10 zu schalten,
oder aber das Kraftfahrzeug 1 in einem Betriebszustand
zu betreiben, in dem das Kraftfahrzeug 1 ausschließlich mit Hilfe
der elektrischen Maschine 3 bewegt bzw. verzögert wird.
In letzterem Fall kann Energie, die zur Überwindung des mechanischen
Widerstands des Verbrennungsmotors 6 aufgebracht werden
müsste, eingespart
werden.
-
Die
in 1 dargestellte Ausführung des Hybridantriebs 2 ermöglicht den
Einsatz einer einzigen Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12,
sowohl für den
Verbrennungsmotor 6, als auch für die elektrische Maschine 3.
Ist die Kupplung 11 geschlossen, so kann in Kenntnis der
jeweils aktuellen Übersetzung
des Schaltgetriebes 10 sowie in Kenntnis des Übersetzungsverhaltens
des Planetengetriebes 7 bei Kenntnis der Drehzahl der elektrischen
Maschine 3 unmittelbar und eindeutig auf die Drehzahl des
Verbrennungsmotors 6 geschlossen werden. Dabei ist eine
genaue Kenntnis der Drehzahl des Verbrennungsmotors 6 nur
in einem Betriebszustand erforderlich, in dem der Verbrennungsmotor 5 zumindest teilweise
zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 verwendet wird. In einem
solchen Fall ist jedoch die Kupplung 11 ohnehin geschlossen.
-
Ist
die Kupplung 11 dagegen geöffnet, so kann mit Hilfe der
Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 keine (direkte) Aussage über die
Drehzahl des Verbrennungsmotors 6 erzielt werden. Ein ungefährer Wert
der Drehzahl kann jedoch basierend auf einem Ansteuersignal des
Verbrennungsmotors 6 (beispielsweise für eine elektrische Einspritzpumpe
des Verbrennungsmotors 6), welches von einer elektronischen
Steuerung 13 über
eine elektrische Leitung 14 dem Verbrennungsmotor 6 zugeführt wird,
ermittelt werden. Da der Verbrennungsmotor 6 bei geöffneter Kupplung 11 nur
die innere Reibung des Verbrennungsmotors 6 überwinden
muss (die z. B. durch Versuchsstandmessungen ziemlich genau ermittelt werden
kann), ist die Abschätzung
für die
Drehzahl, die man auf diese Weise gewinnen kann, für praktische
Zwecke üblicherweise
ausreichend genau.
-
Die
elektronische Steuervorrichtung 13 steht im Übrigen nicht
nur mit dem Verbrennungsmotor 6 in Verbindung, sondern
ebenfalls mit der Kupplung 11, dem Schaltgetriebe 10,
der Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12, der elektrischen
Maschine 3 und gegebenenfalls weiteren Einrichtungen. Die
Verbindung über
die in 1 dargestellten elektrischen Leitungen 14 kann
dabei in einer beliebigen Richtung, oder aber auch in beide Richtungen
erfolgen. Eine elektrische Leitung 14 kann somit dafür stehen,
dass über diese
elektrische Leitung 14 ein Messsignal erfasst wird, ein
Steuersignal ausgegeben wird, oder beides.
-
Im
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Hybridantriebs 2 umfasst
die Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 ein Geberrad 15,
welches drehfest an der ersten Antriebswelle 4 befestigt
ist, sowie einen Messsensor 16, der benachbart zu einem
radial äußeren Bereich
des Geberrads 15 angeordnet ist. Im in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind Geberrad 15, Messsensor 16 und elektrische
Maschine 3 zu einer Baueinheit 17 zusammengefasst.
Die Erfassung der Drehgeschwindigkeit über die Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 kann
in beliebiger Weise auf mechanischem Wege, auf optischem Wege, auf
elektrischem Wege, auf magnetischem Wege und/oder auf elektromagnetischem Wege
erfolgen. Rein beispielhaft kann ein Shunt-Widerstand, ein Sense-MOSFET
und/oder ein Hall-Sensor, verwendet werden.
-
Möglich ist
es im Übrigen
auch, dass zusätzlich
oder alternativ zur in 1 dargestellten Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 eine
Drehzahldetektion unter Zuhilfenahme des inneren Aufbaus der elektrischen
Maschine 3 erfolgen kann. So kann sich die Drehzahldetektion
auf den Strom beziehen, der in einer oder in mehreren Ständerwicklungen
der elektrischen Maschine fließt.
Ebenso kann sich die Drehzahldetektion auf den Strom beziehen, der in
die Reglerwicklung der elektrischen Maschine 3 fließt, um beispielsweise
die Spannungskomponente zu ermitteln, die sich durch die Induktion
der Ständerwicklungen
zurück
in die Reglerwicklung ergibt. Auch können die derart gewonnenen
Signale ohne weiteres mit den Signalen der gegebenenfalls vorhandenen
Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 (oder einer anderen
Art von Geschwindigkeitsmessvorrichtung) kombiniert werden, um die
Genauigkeit der Drehgeschwindigkeitsmesswerte zu erhöhen. Diese Kombination
kann beispielsweise in der elektronischen Steuervorrichtung 13 erfolgen.
-
In 3 ist eine Abwandlung des in 1 dargestellten
Hybridantriebs 1 gezeigt. Beim vorliegenden Hybridantrieb 23 ist
auf der Antriebswelle 5 des Verbrennungsmotors 6 ein
Zusatzgeberrad 25 angebracht. Der Zusatzmesssensor 24 ermittelt
unter Zuhilfenahme des Zusatzgeberrads 25 die Drehzahl
des Verbrennungsmotors 6 unabhängig davon, ob die Kupplung 11 geöffnet oder
geschlossen ist.
-
Die
Daten, die mit Hilfe des Zusatzmesssensors 24 gewonnen
werden, werden von der elektronischen Steuervorrichtung 13 dazu
verwendet, den Verbrennungsmotor 6 anzusteuern. Beispielsweise dienen
die vom Zusatzmesssensor 24 gewonnenen Daten dazu, die
Schaltstrategie des Schaltgetriebes 10 zu ermitteln, die
Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor 6 zu steuern. Zusatzmesssensor 24 und Zusatzgeberrad 25 sind
darauf hin optimiert, die dafür
erforderlichen Daten in hoher Güte
zur Verfügung stellen
zu können.
In analoger Weise werden die vom Messsensor 16 ermittelten
Daten dazu verwendet, die elektrische Maschine 3 anzusteuern.
-
Die
vom Messsensor 16 gewonnenen Daten werden jedoch von der
elektronischen Steuervorrichtung 13 zusätzlich dazu verwendet, Zündaussetzer oder
sonstige Verbrennungsfehler des Verbrennungsmotors 6 zu
erkennen, um gegebenenfalls entsprechende Korrekturmaßnahmen
einzuleiten. Die vom Messsensor 16 gewonnenen Daten sind
hierzu besonders geeignet, da bei handelsüblichen elektrischen Maschinen 3 in
der Regel ohnehin ein Geberrad 15 und ein Messsensor 16 verwendet
werden muss, die eine hohe Genauigkeit sowie eine hohe Messwert-Samplingfrequenz
aufweisen. Sowohl eine hohe Genauigkeit, als auch eine hohe Messwert-Samplingfrequenz
verbessern die Genauigkeit der Erkennung von Zündaussetzern und/oder sonstigen
Verbrennungsfehlern des Verbrennungsmotors 6.
-
In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Kraftfahrzeug 18 dargestellt,
das mit einem Hybridantrieb 19 ausgerüstet ist, der von dem in 1 gezeigten
Hybridantrieb 2 im manchen Teilen abweicht. Für gleichartige
Komponenten werden aus Einheitlichkeitsgründen die gleichen Bezugszeichen wie
in 1 verwendet.
-
Analog
zum in 1 dargestellten Kraftfahrzeug 1 ist auch
das vorliegende Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 6 und
einer elektrischen Maschine 3 versehen, die beide ihre
Antriebsleistung einer gemeinsamen Antriebsachse 8 zuführen. Der Verbrennungsmotor 6 treibt
eine Antriebswelle 21 an, die über eine Kupplung 11 mit
einer gemeinsamen Antriebswelle 20 drehfest verbunden werden
kann, bzw. mechanisch von dieser getrennt werden kann. An der gemeinsamen
Antriebswelle 20 ist die elektrische Maschine 3 angeordnet.
Die gemeinsame Antriebswelle 20 kann dabei als durchgängige Welle ausgebildet
werden, die die elektrische Maschine 3 durchgreift. Die
gemeinsame Antriebswelle 20 führt zu einem Schaltgetriebe 10,
mit welchem das Drehzahlverhältnis
zwischen gemeinsamer Antriebswelle 20 und Antriebsachse 8 geeignet
angepasst werden kann. Vom Schaltgetriebe 10 führt die
Antriebsenergie über
ein Differential 22 an die Antriebsachse 8 und
somit schlussendlich an die Räder 9.
-
An
der gemeinsamen Antriebswelle 20 ist zusätzlich eine
Geschwindigkeitsmessvorrichtung 12 mit einem Geberrad 15 und
einem Messsensor 16 angeordnet. Auch hier können Geberrad 15,
Messsensor 16 und elektrische Maschine 3 als eine
Baueinheit 17 ausgeführt
sein.
-
Dadurch,
dass der Verbrennungsmotor 6 lediglich über die Kupplung 11 mit
der gemeinsamen Antriebswelle 20 (und somit mit dem Geberrad 15) mechanisch
gekoppelt ist, kann der Messsensor 16 besonders genaue
Messdaten über
das Drehzahlverhalten des Verbrennungsmotors 6 erfassen.
Insbesondere kann es zu keinen Störungen durch ein mechanisches
Spiel von ineinandergreifenden Zahnrädern kommen. Ein derartiges
mechanisches Spiel ist bei einem Schaltgetriebe 10 in aller
Regel nicht vermeidbar. Wenn es sich bei dem Schaltgetriebe 10 um
ein Automatikgetriebe handelt, kommt es bei üblichen Bauformen darüber hinaus
zu einem Schlupf zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle des Automatikgetriebes.
Aufgrund des Aufbaus des in 2 dargestellten
Hybridantriebs 19 ist dieser jedoch auch für automatische
Schaltgetriebe geeignet.
-
In 4 ist eine Abwandlung des in 3 dargestellten Hybridantriebs 19 dargestellt.
Das vorliegend dargestellte Hybridantriebssystem 26 weist analog
zum in 3 dargestellten Hybridantriebssystem 23 ein
Zusatzgeberrad 25 und einen Zusatzmesssensor 24 an
der Antriebswelle 21 des Verbrennungsmotors 6 auf.
-
Analog
zum in 3 dargestellten Hybridantrieb 23 werden
auch hier die vom Messsensor 16 gewonnenen Daten von der
elektronischen Steuervorrichtung 13 zur Ansteuerung der
elektrischen Maschine 3 sowie zusätzlich zur Erkennung von Zündaussetzern
und/oder sonstigen Verbrennungsfehlern des Verbrennungsmotors 6 verwendet.
Die sonstigen Steuerungsaufgaben des Verbrennungsmotors 6 werden
jedoch von der elektronischen Steu ervorrichtung unter Verwendung
von Daten übernommen,
die vom Zusatzmesssensor 24 gewonnen werden.