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1. WO2007085361 - VERFAHREN ZUR STEUERUNG EINES KRAFTFAHRZEUG-ANTRIEBSSTRANGS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeuq-Antriebsstranqs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor, eine Elektromaschine und ein mit unsynchronisierten Schaltkupplungen versehenes Getriebe umfasst, die über ein Summierungsgetriebe mit zwei Eingangselementen und einem Ausgangselement sowie über eine als Reibungskupplung ausgebildete Überbrü-ckungskupplung miteinander gekoppelt sind, indem das erste Eingangselement mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, das zweite Eingangselement mit dem Rotor der Elektromaschine und das Ausgangselement mit der Eingangswelle des Getriebes drehfest verbunden ist, und in dem die Überbrückungs-kupplung zwischen zwei Elementen des Summierungsgetriebes angeordnet ist, wobei bei einem Schaltvorgang zwischen einem Lastgang und einem Zielgang nach dem Auslegen des Lastgangs der Zielgang synchronisiert und nachfolgend eingelegt wird.

Ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs der vorbezeichneten Art ist aus der DE 199 34 696 A1 und der DE 101 52 471 A1 bekannt. In diesem bekannten Antriebsstrang ist das Summierungsgetriebe jeweils als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem Planetenträger mit mehreren Planetenrädern und einem Hohlrad ausgebildet. Das Hohlrad bildet das erste Eingangselement und ist drehfest mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Das Sonnenrad bildet das zweite Eingangselement und ist drehfest mit dem Rotor der Elektromaschine gekoppelt. Der Planetenträger bildet das Ausgangselement und ist drehfest mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes verbunden. Die Überbrückungskupplung ist jeweils zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger des Planetengetriebes angeordnet.

In dem Antriebsstrang nach der DE 199 34 696 A1 ist die Überbrückungskupplung im Gegensatz zur vorliegend vorausgesetzten Ausbildung als Klauenkupplung ausgebildet, so dass die Überbrückungskupplung nur bei Synchronlauf des Verbrennungsmotors und der Eingangswelle des Schaltgetriebes geschlossen werden kann und somit nur eingeschränkt nutzbar ist. Um einen Antrieb des Kraftfahrzeugs allein mit der Elektromaschine zu ermöglichen, ist ein Richtungfreilauf zwischen der Kurbelwelle und einem Gehäuseteil angeordnet, wodurch die Kurbelwelle gegen ein Rückwärtsdrehen gesichert und damit das Antriebsmoment der Elektromaschine gegen das Gehäuse abgestützt wird. Um bei stehendem Kraftfahrzeug ein Starten des Verbrennungsmotors mit der Elektromaschine zu ermöglichen, ist ein weiterer Richtungsfreilauf zwischen der Eingangswelle des Schaltgetriebes und einem Gehäuseteil angeordnet, wodurch die Eingangswelle gegen ein Rückwärtsdrehen gesichert und damit das Antriebsmoment der Elektromaschine gegen das Gehäuse abgestützt wird.

In dem Antriebsstrang gemäß der DE 101 52471 A1 ist die Überbrückungskupplung, wie es für die vorliegende Erfindung vorausgesetzt wird, als Reibungskupplung ausgebildet, so dass die Überbrückungskupplung auch bei einer Drehzahldifferenz zwischen der Eingangswelle des Schaltgetriebes und dem Verbrennungsmotor zur Übertragung eines Drehmomentes im Schlupfbetrieb genutzt werden kann. Um bei stehendem Kraftfahrzeug und in Neutral geschaltetem Getriebe einen Impulsstart des Verbrennungsmotors mit der Elektromaschine zu ermöglichen, ist eine weitere Reibungskupplung zwischen der Eingangswelle des Schaltgetriebes und einem Gehäuseteil angeordnet, wodurch die Eingangswelle nach Erreichen einer Startdrehzahl der Elektromaschine zum Starten des Verbrennungsmotors abgebremst werden kann.

Nachfolgend wird in der Beschreibung der Erfindung ohne Einschränkung des Schutzumfangs beispielhaft von einem weitgehend identischen Aufbau des Antriebsstrangs ausgegangen, wobei die Überbrückungskupplung als Reibungskupplung vorausgesetzt wird, insbesondere als nasse Lamellenkupplung, alternativ aber auch als Trockenkupplung ausgeführt sein kann. Alternativ zu der bekannten Anordnung kann die Überbrückungskupplung auch zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad, also zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und dem Rotor der Elektromaschine, angeordnet sein.

Im normalen Fahrbetrieb ist die Überbrückungskupplung vollständig geschlossen, so dass das Planetengetriebe blockiert ist und starr umläuft. In diesem Betriebszustand sind die Drehzahlen und die Drehrichtungen des Verbrennungsmotors, der Elektromaschine und der Eingangswelle des Schaltgetriebes identisch. Die Elektromaschine wird in diesem Zustand vorwiegend als Generator zur Versorgung des elektrischen Bordnetzes betrieben, kann jedoch in bestimmten Betriebssituationen, insbesondere in Beschleunigungsphasen des Kraftfahrzeugs, vorübergehend auch als Motor betrieben werden.

Zum Gangwechsel innerhalb des Schaltgetriebes wird nahezu zeitgleich das Drehmoment des Verbrennungsmotors reduziert, die Elektromaschine kraftlos geschaltet und die Überbrückungskupplung vollständig geöffnet. Hierdurch wird die Eingangswelle des Schaltgetriebes von dem Verbrennungsmotor entkoppelt, so dass der eingelegte Lastgang lastfrei ausgelegt und der einzulegende Zielgang lastfrei synchronisiert und eingelegt werden kann. Die Synchronisierung des Zielgangs, also die Beschleunigung der Eingangswelle bei einer Rückschaltung und die Verzögerung der Eingangswelle bei einer Hochschaltung, erfolgt bei synchronisierten Schaltkupplungen durch Reibung, wobei die Anpresskraft der Reibelemente der Schaltkupplungen jeweils über die Stellkraft des zugeordneten Schaltstellers aufgebracht werden muss.

Bei unsynchronisierten Schaltkupplungen kann die Synchronisierung des Zielgangs über einen speziellen Synchronisationsantrieb erfolgen, der mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes in Verbindung steht. Dies erfordert jedoch nachteilig einen zusätzlichen Kosten- und Gewichtsaufwand sowie einen zusätzlichen Platzbedarf für den Synchronisationsantrieb.

Alternativ dazu ist eine Synchronisierung des Zielgangs mit dem
Verbrennungsmotor bei zumindest teilweise geschlossener Überbrückungs-kupplung möglich. Da der Verbrennungsmotor aufgrund seines relativ hohen Trägheitsmomentes und wegen seiner Steuerung über die Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs vergleichsweise träge auf Steuerbefehle reagiert, nimmt eine derartige Synchronisierung einen relativ großen Zeitraum in Anspruch, wodurch der gesamte Schaltvorgang und die damit verbundene Zugkraftunterbrechung verlängert sind.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei einem Antriebsstrang der eingangs genannten Art bei einem Schaltvorgang zwischen einem Lastgang und einem Zielgang die Synchronisierung des Zielgangs beschleunigt durchgeführt werden kann. Ein solches Verfahren soll auch in Antriebssträngen nutzbar sein, die vergleichbare Komponenten, jedoch in anderer Antriebskopplungskombination enthalten.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs angegeben, während vorteilhafte Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind.

Demnach geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs, der einen Verbrennungsmotor, eine Elek-tromaschine und ein mit unsynchronisierten Schaltkupplungen versehenes Getriebe, vorzugsweise ein automatisiertes Schaltgetriebe, umfasst, die über ein Summierungsgetriebe mit zwei Eingangselementen und einem Ausgangselement sowie über eine als Reibungskupplung ausgebildete Überbrückungskupp-lung miteinander gekoppelt sind, wobei das erste Eingangselement mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, das zweite Eingangselement mit dem Rotor der Elektromaschine und das Ausgangselement mit der Eingangswelle des Getriebes drehfest verbunden ist, und bei dem die Überbrückungskupplung zwischen zwei Elementen des Summierungsgetriebes angeordnet ist, wobei bei einem Schaltvorgang zwischen einem Lastgang und einem Zielgang nach dem Auslegen des Lastgangs der Zielgang synchronisiert und nachfolgend eingelegt wird.

Unter den Begriff „Getriebe" fallen beispielsweise Handschaltgetriebe und automatisierte Schaltgetriebe.

Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zielgang bei geöffneter Überbrückungskupplung mittels der Elektromaschine synchronisiert wird, indem die Eingangswelle bei einer Rückschaltung durch ein in Drehrichtung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Eingangswelle des Getriebes wirksames positives Drehmoment M_EM > 0 von der Elektromaschine auf die Synchrondrehzahl des Zielgangs beschleunigt wird, und bei einer Hochschaltung durch ein entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Eingangswelle des Getriebes wirksames negatives Drehmoment M_EM < 0 von der Elektromaschine auf die Synchrondrehzahl des Zielgangs verzögert wird.

Da das Ansprechverhalten der Elektromaschine im Vergleich zu demjenigen des Verbrennungsmotors deutlich besser ist, ergibt sich über das Drehmoment M_EM der Elektromaschine ein schnelles Hochfahren oder Abbremsen der Elektromaschine selbst, und durch die Kopplung über das Summie-rungsgetriebe ebenfalls eine schnelle Beschleunigung oder Verzögerung der Eingangswelle des Getriebes, wodurch der Synchronisiervorgang beschleunigt und die dadurch bedingte Zugkraftunterbrechung verkürzt ist.

Das Drehmoment M_EM der Elektromaschine wird dabei über das Summierungsgetriebe gegenüber dem Verbrennungsmotor abgestützt. Es ist daher für den Synchronisationsvorgang von Bedeutung, wie der Verbrennungsmotor während der Synchronisierung gesteuert wird, insbesondere wel- che Drehzahl n_VM beziehungsweise welcher Drehzahlverlauf der Verbrennungsmotor während der Synchronisierung aufweist.

Der Verbrennungsmotor wird am einfachsten während der Synchronisierung der Eingangswelle auf einer weitgehend konstanten Drehzahl n_VM, insbesondere zu Beginn des Schaltvorgangs gehalten. Dies ist steuerungstechnisch einfach zu realisieren, hat aber den Nachteil, dass die von der Elektroma-schine zu überwindende Drehzahldifferenz Δn_EM = n_EM_soll - n_EM_ist aufgrund der wirksamen Übersetzung dann deutlich größer ist als die Drehzahldifferenz Δn_GE = n_GE_soll - n_GE_ist, die zur Synchronisierung des Zielgangs von der Eingangswelle des Getriebes zu überbrücken ist. So ist bei der Verwendung eines Planetengetriebes mit der Standübersetzung io = -3 als Summierungsgetriebe in der bekannten Anordnung die von der Elektromaschi-ne zu bewältigende Drehzahldifferenz bei konstant gehaltener Drehzahl n_VM des Verbrennungsmotors mit Δn_EM = Δn_GE (1 - io) viermal so groß wie diejenige der Eingangswelle.

Es ist daher zweckmäßig, die Synchronisierung mittels der Elektroma-schine durch den Verbrennungsmotor zu unterstützen, indem der Verbrennungsmotor während der Synchronisierung der Eingangswelle bei einer Rückschaltung durch Vorgabe einer erhöhten Solldrehzahl n_VM_soll beschleunigt und bei einer Hochschaltung durch Vorgabe einer abgesenkten Solldrehzahl n_VM_soll verzögert wird. Die Synchronisierung des Zielgangs wird hierdurch zusätzlich beschleunigt und die Dauer der Zugkraftunterbrechung weiter verkürzt. Die Zieldrehzahl n_EM_soll der Elektromaschine ergibt sich in diesem Fall aus der Zieldrehzahl n_GE_soll der Eingangswelle und der Istdrehzahl n_VM_ist des Verbrennungsmotors zu:

n_EM_soll = n_GE_soll * (1 - i0) + n_VM_ist • i0 Die Unterstützung der Synchronisierung des Zielgangs mit dem Verbrennungsmotor ist mit dem zusätzlichen Vorteil verbunden, dass sich die Drehzahl n_VM des Verbrennungsmotors zum Ende der Synchronisierung und dem nachfolgenden Einlegen des Zielgangs der Drehzahl n_GE der Eingangswelle schon weitgehend angenähert hat, so dass die üblicherweise nach einem Schaltvorgang erforderliche Angleichung der beiden Drehzahlen entfallen kann oder zumindest deutlich verkürzt ist.

Wenn zum Zeitpunkt des Einlegens des Zielgangs schon Synchronlauf (n_VM = n_GE) zwischen dem Verbrennungsmotor und der Eingangswelle des Getriebes vorliegt, kann die Überbrückungskupplung vorteilhaft sofort geschlossen werden. Wenn dagegen zum Zeitpunkt des Einlegens des Zielgangs noch kein Synchronlauf besteht, wird die Drehzahl n_VM des Verbrennungsmotors nach dem Einlegen des Zielgangs zweckmäßig weiter an die Drehzahl n_GE der Eingangswelle angeglichen wird, und die Überbrückungskupplung mit Erreichen der Synchrondrehzahl (n_VM = n_GE) geschlossen und damit zum normalen Fahrbetrieb übergegangen.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit Ausführungsbeispielen beigefügt. In diesen zeigt:

Fig. 1 typische Drehzahlverläufe bei einer erfindungsgemäßen Synchronisierung des Zielgangs,
Fig. 2 typische Drehzahlverläufe bei einer bekannten Synchronisierung des
Zielgangs,
Fig. 3 den allgemeinen Aufbau des zu Grunde gelegten Antriebsstrangs in vereinfachter schematischer Darstellung, und
Fig. 4 eine bevorzugte praktische Ausführungsform des Antriebsstrangs gemäß Fig. 3 in schematischer Darstellung.

Ein Antriebsstrang 1 gemäß Fig. 3 umfasst einen Verbrennungsmotor 2, eine Elektromaschine 3 und ein automatisiertes Schaltgetriebe 4, die über ein Summierungsgetriebe 5 mit zwei Eingangselementen 6, 7 und einem Ausgangselement 8 miteinander gekoppelt sind. Das erste Eingangselement 6 ist mit der Kurbelwelle 9 des Verbrennungsmotors 2, das zweite Eingangselement 7 mit dem Rotor 10 der Elektromaschine 3 und das Ausgangselement 8 mit der Eingangswelle 11 des Schaltgetriebes 4 jeweils drehfest verbunden. Eine als Reibungskupplung ausgebildete Überbrückungskupplung 12 ist zwischen zwei Elementen des Summierungsgetriebes 5, vorliegend zwischen den beiden Eingangselementen 6 und 7 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 2, die Elektromaschine 2 und die Überbrückungskupplung 12 stehen über Sensor-und Steuerleitungen 13 mit einem Steuergerät 14 in Verbindung, über das die Komponenten des Antriebsstrangs 1 koordiniert steuerbar und regelbar sind.

Eine bevorzugte praktische Ausführungsform des Antriebsstrangs 1 ist in Fig. 4 abgebildet. In diesem Antriebsstrang 1 ist das Summierungsgetriebe 5 als ein einfaches Planetengetriebe 15 mit einem Sonnenrad 16, einem Planetenträger 17 mit mehreren Planetenrädern 18 und einem Hohlrad 19 ausgebildet. Das Hohlrad 19 bildet das erste Eingangselement 6 und steht über ein Schwungrad 20 und einen Drehschwingungsdämpfer 21 mit der Kurbelwelle 9 des Verbrennungsmotors 2 in Verbindung. Das Sonnenrad 16 bildet das zweite Eingangselement 7 und ist unmittelbar mit dem Rotor 10 der Elektromaschine 3 verbunden. Der Planetenträger 17 bildet das Ausgangselement 8 und steht unmittelbar mit der Eingangswelle 11 des Schaltgetriebes 4 in Verbindung. Ein zwischen der Eingangswelle 11 und einem Gehäuseteil 22 angeordneter Richtungsfreilauf 23 dient zur Abstützung der Eingangswelle 11 bei einem Starten des Verbrennungsmotors 2 durch die Elektromaschine 3. Das Schaltgetriebe 4 ist in Vorgelegebauweise ausgeführt und weist insgesamt sechs Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang auf, die über jeweils eine unsynchronisierte Klauenschaltkupplung selektiv schaltbar sind. Die Überbrückungskupplung 12 ist zwischen dem Rotor 10 der Elektromaschine 3 und einer Verbindungswelle 24 an- geordnet, durch die der Verbrennungsmotor 2 mit dem Hohlrad 19 in Verbindung steht.

In Fig. 2 sind nun typische Drehzahlverläufe während einer Schubrückschaltung dargestellt, bei der die Synchronisierung des Zielgangs in bekannter Weise bei zumindest teilweise geschlossener Überbrückungskupplung 12 mittels des Verbrennungsmotors 2 erfolgt. Zum Zeitpunkt tθ wird der Lastgang ausgelegt und die zur Synchronisierung des Zielgangs erforderliche Drehzahl n_GE_soll an der Eingangswelle 11 des Schaltgetriebes 4 vorgegeben. Aufgrund des relativ trägen Ansprechverhaltens des Verbrennungsmotors 2 erreicht die Eingangswelle 11 zusammen mit dem Verbrennungsmotor 2 (n_GE_ist = n_VM_ist) die Solldrehzahl n_EM_soll erst zum Zeitpunkt t1 , welches eine relativ lange Dauer Δt für die Synchronisierung und die Zugkraftunterbrechung bedeutet.

Dagegen sind in Fig. 1 typische Drehzahlverläufe während einer Schubrückschaltung dargestellt, bei der die Synchronisierung des Zielgangs erfindungsgemäß bei vollständig geöffneter Überbrückungskupplung 12 mittels der Elektromaschine 3 mit Unterstützung durch den Verbrennungsmotor 2 durchgeführt wird. Zum Zeitpunkt tθ wird der Lastgang ausgelegt und die zur Synchronisierung des Zielgangs erforderliche Drehzahl n_GE_soll an der Eingangswelle 11 des Schaltgetriebes 4 vorgegeben. Die Elektromaschine 3 wird daraufhin derart angesteuert, dass sie ein in Drehrichtung der Eingangswelle 11 wirksames Drehmoment abgibt, wodurch der Rotor 10 der Elektromaschine 3 beschleunigt wird (Drehzahlverlauf n_EM_ist). Ebenso wird auch der Verbrennungsmotor 2 beschleunigt, jedoch mit deutlicher zeitlicher Verzögerung (Drehzahlverlauf n_VM_ist). Aufgrund der Kopplung über das Summierungsgetrie-be 5 beziehungsweise das Planetengetriebe 15 ergibt sich daraus der Ist-Drehzahlverlauf n_GE_ist der Eingangswelle 11 , welches mit einer beschleunigten Synchronisierung des Zielgangs und einer verkürzten Zugkraftunterbrechung Δt verbunden ist.

Unabhängig von den beispielhaft in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen erfasst die Erfindung auch die Verwendung des Verfahrens bei Antriebssträngen mit allen anderen möglichen und unterschiedlichen Antriebskoppelungen zwischen dem Verbrennungsmotor 2, der Elektromaschine 3, dem Summierungsgetriebe 5, der Kupplung 12 und dem Getriebe 4, welches hier jedoch nicht gesondert dargestellt ist.

Bezuαszeichen

1 Antriebsstrang
2 Verbrennungsmotor

3 Elektromaschine
4 Getriebe, Schaltgetriebe

5 Summierungsgetriebe

6 (erstes) Eingangselement

7 (zweites) Eingangselement

8 Ausgangselement
9 Kurbelwelle
10 Rotor
11 Eingangswelle
12 Überbrückungskupplung

13 Sensor- und Steuerleitung

14 Steuergerät
15 Planetengetriebe
16 Sonnenrad
17 Planetenträger
18 Planetenrad
19 Hohlrad
20 Schwungrad
21 Drehschwingungsdämpfer

22 Gehäuseteil
23 Richtungsfreilauf
24 Verbindungswelle io Standübersetzung des Planetengetriebes
M Drehmoment
M_EM Drehmoment von 3
n Drehzahl
n_EM Drehzahl von 3
n_EM_ist Istdrehzahl von 3
n_EM_soll Solldrehzahl von 3
n_GE Drehzahl von 11
n_GE_ist Istdrehzahl von 11
n_GE_soll Solldrehzahl von 11
n_VM Drehzahl von 2
n_VM_ist Istdrehzahl von 2
n_VM_soll Solldrehzahl von 2
t Zeit
tθ Zeitpunkt
t1 Zeitpunkt
n_EM Drehzahldifferenz von 3
Δn_GE Drehzahldifferenz von 11
Δt Zugkraftunterbrechung, Zugkraftunterbrechungszeitraum