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DE102007042949A1 - Elektromechanisches Automatikgetriebe für Hybridfahrzeuge oder für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb sowie Verfahren zur Steuerung dieses Automatikgetriebes - Google Patents

Elektromechanisches Automatikgetriebe für Hybridfahrzeuge oder für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb sowie Verfahren zur Steuerung dieses Automatikgetriebes Download PDF

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DE102007042949A1
DE102007042949A1 DE102007042949A DE102007042949A DE102007042949A1 DE 102007042949 A1 DE102007042949 A1 DE 102007042949A1 DE 102007042949 A DE102007042949 A DE 102007042949A DE 102007042949 A DE102007042949 A DE 102007042949A DE 102007042949 A1 DE102007042949 A1 DE 102007042949A1
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Germany
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gear
clutch
combustion engine
electric machine
internal combustion
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Withdrawn
Application number
DE102007042949A
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English (en)
Inventor
Georg Hienz
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Individual
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Automatikgetriebe für Hybridfahrzeuge oder für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb sowie dessen Steuerungsverfahren. Das System, bestehend aus einem Planetengetriebe (PG), einem Doppelgetriebe (DG), einer Elektromaschine (EM) sowie mehreren Kupplungen (K1 bis K6, K0 und Ks) und einer Bremse (B1). Dabei sind die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine (VM) über K0 mit der ersten Eingangswelle (w1) und der Steg des Planetengetriebes (PG) mit der zweiten Eingangswelle (w2) des Doppelgetriebes drehfest verbunden. Über eine der Kupplungen (K1 bis K6) wird die Leistung auf die Abtriebswelle (w4) bzw. die Antriebsräder (AR) des Fahrzeugs geleitet. Das Sonnenrad des Planetengetriebes (PG) ist mit der Welle (w3) der Elektromaschine (EM) und das Hohlrad mit der Welle (w1) drehfest verbunden. Die beiden Wellen (w1 und w2) können über die Kupplung (Ks) drehfest miteinander verbunden werden. Beim Fahren in einer der festen Gangstufen ist Ks geschlossen, PG somit verblockt und EM läuft synchron mit VM. Beim Gangwechsel wird Ks zunächst geöffnet und die Drehzahl von EM so verändert, dass die gewünschte folgende Gangstufe über deren Kupplung synchron eingeschaltet werden kann. Danach wird die Kupplung der vorherigen Gangstufe geöffnet, die Drehzahlen von w1 und w2 mittels EM synchronisiert und danach Ks wieder geschlossen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Automatikgetriebe für Hybridfahrzeuge oder Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Steuerung dieses Automatikgetriebes sowie ein mit einem derartigen Automatikgetriebe ausgerüstetes Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10140424 A1 ist ein automatisch schaltbares Fahrzeuggetriebe, bestehend aus einem einfachen Planetengetriebe, einem doppelten Planetengetriebe, einer Elektromaschine sowie mehreren Kupplungen und Bremsen, bekannt. Bei diesem Getriebe erfolgt die Leistungsübertragung von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Elektromaschine zum Abtrieb immer über mehrere Zahnradpaare. Die Übergängen zwischen den einzelnen Gängen erfolgen wie bei herkömmlichen Automatikgetrieben ohne Ruckausgleich und ohne Verminderung der Kupplungsverluste durch die Elektromaschine.
  • Bei einem ähnlichen Vorschlag gemäß DE 10 2005 040 769 A1 ist das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes fest mit dem Getriebegehäuse verbunden und die Getriebe-Eingangswelle kann wahlweise von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Elektromaschine angetrieben werden. Um einen sanften Übergang zwischen den einzelnen festen Gängen zu erzielen, muss die Elektromaschine während der Übergangsphase die volle Leistung der Verbrennungskraftmaschine übernehmen.
  • In der DE 19810374 A1 wird ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen bei dem die Verbrennungskraftmaschine mit dem Hohlrad, die Elektromaschine mit dem Sonnenrad und der Planetenträger eines Planetengetriebes mit der Antriebswelle eines Automatikgetriebes drehfest verbunden sind, wobei die Abtriebswelle des Automatikgetriebes die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibt. Das Planetengetriebe kann mittels einer Kupplung verblockt werden. Bei diesem Vorschlag können verschiedene Abstufungen eines Parallelhybrid-Modus gefahren werden. Die Übergänge zwischen den einzelnen festen Fahrstufen werden jedoch auf herkömmliche Weise, im Automatikgetriebe, realisiert. Entsprechend ruck- und verlustbehaftete Umschaltvorgänge müssen inkauf genommen werden.
  • Die DE 10 2005 048 938 A1 beschreibt Doppelkupplungsgetriebe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem Hybridantrieb bzw. Verfahren zur Steuerung dieses Doppelkupplungsgetriebes. Dieses vorgeschlagene Antriebssystem besteht neben dem genannten Doppelkupplungsgetriebe, aus einem Planetengetriebe und einer elektrischen Maschine. Beim Übergang zwischen zwei benachbarten festen Gängen erfolgt zunächst eine Synchronisierung mittels der Elektromaschine. Danach wird die eine Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes geöffnet und gleichzeitig die zweite Kupplung geschlossen wobei die durch die Veränderung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine freiwerdende oder benötigte kinetische Energie in den Kupplungen vernichtet wird. Sofern die Zeit des Umschaltvorgangs zu kurz gewählt wird, muss mit einem spürbaren Ruck gerechnet werden.
  • Die Erfindungen gemäß DE 10 2005 040 769 A1 , WO 200604812 , WO 03006024432 , DE 199164489 A1 und DE 10 2005 030 420 A1 beschreiben verschiedene Varianten von Übertragungen der Antriebsleistung bei Hybridfahrzeugen. Alle diese Vorschläge beinhalten neben Planetengetrieben, Kupplungen und Bremsen immer je zwei Elektromaschinen.
  • Aufgabenstellung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine universell verwendbare Getriebestruktur bzw. deren Steuerungsverfahren vorzuschlagen welche sowohl bei Hybridfahrzeugen als auch bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor-Antrieb eingesetzt werden kann, wobei einerseits der Gesamtaufwand, der Einbauraum sowie die Erstellungs- und Wartungskostenkosten minimiert, andererseits im stationären Betrieb niedrige Getriebeverluste und beim Umschalten der Gänge völlig ruck- und verlustfreie Übergänge realisiert werden sollen.
  • Wie bei bekannten Hybridantrieben, soll es auch mit der vorgeschlagenen Lösung möglich sein die Elektromaschine als Motor zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine (Boost-Funktion) oder als Generator zur Rückgewinnung der Bremsenergie bzw. Aufladung des Energiespeichers betreiben zu können. Reiner Elektroantrieb wie auch das Anlassen der Verbrennungskraftmaschine durch die Elektromaschine soll gleichfalls möglich sein, so daß getrennte Anlass- und auch Lichtmaschinen im Fahrzeug nicht mehr benötigt werden.
  • Je nach Leistung der Elektromaschine, deren Steuereinheit (Frequenzumrichter) und der Kapazität des Energiespeichers soll es möglich sein, mit dem grundsätzlich immer gleichen Konzept, verschiedene Gewichtungen des Hybridanteils – Voll-, Mild- und Mikrohybrid – zu realisieren. Auch im Falle von Kraftfahrzeugen ohne Hybridanteil soll das vorgeschlagene System als mehrstufiges Automatikgetriebe genutzt werden können, wobei dann der Elektroteil für eine entsprechend niedrigere Leistung auszulegen ist da die Elektromaschine lediglich kurzzeitig, beim Wechseln der Gänge, eingesetzt wird.
  • Ausführungsbeispiel
  • Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Automatikgetriebes ergeben sich aus dem nachfolgend, anhand der beiliegenden Zeichnungen und einer Tabelle näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der vorgeschlagenen Getriebestruktur in sechsgängiger Ausführung einschließlich Energiespeicher, Frequenzumrichter und Antriebsräder. Auf die Darstellung der zentralen Steuer- und Regeleinheit, der Datenflüsse sowie aller Geber und Vorgabegeräte wurde verzichtet.
  • 2 Drehzahlverläufe über der Zeit bei Umschaltungen der Gangstufen von 3 nach 4, von 4 nach 5, von 5 nach 4 und von 4 nach 3 sowie beim Fahren in einer dieser Gangstufen.
  • 3 Tabelle 1. Schaltzustände der Kupplungen (K1 bis K6, K0, Ks sowie der Bremse B1) bei verschiedenen Betriebszuständen.
  • Aus 1 ist die Ähnlichkeit zu dem bekannten Doppelkupplungsgetriebe ersichtlich. Allerdings werden hier statt der beiden Reibungskupplungen das Planetengetriebe PG und die Kupplung Ks verwendet.
  • Durch den Einsatz der Elektromaschine EM, welche vorzugsweise als mehrphasige Synchronmaschine mit permanentmagnetischer Erregung ausgeführt sein sollte, kann die Drehzahl von w3 lastunabhängig exakt geregelt werden, so dass die Kupplung Ks erst bei gleicher Drehzahl der Wellen w1 und w2 geschlossen wird. In gleicher Weise werden alle anderen Kupplungen sowie die Bremse B1 erst nach vorheriger Synchronisation durch die EM betätigt. Dadurch können bei diesem Vorschlag ausschließlich formschlüssige Kupplungen verwendet werden was zu einer erheblichen Verringerung von Einbauraum und zu Kosteneinsparungen führt wobei auch die bei Reibungskupplungen auftretenden Schlupfverluste wegfallen. In Abhängigkeit der vorgebbaren Umschaltzeit können darüber hinaus sehr sanfte, ruckfreie Übergänge zwischen den einzelnen stationären Gangstufen erreicht werden.
  • Bei stationärem Betrieb in einer festen Gangstufe sind die entsprechende Kupplung (K1 bis K6) sowie Ks und K0 geschlossen. Das Planetengetriebe PG ist somit verblockt, die Elektromaschine EM läuft mit gleicher Drehzahl wie die Verbrennungskraftmaschine VM und kann im Parallel-Hybrid-Modus motorisch oder generatorisch betrieben werden. Dabei wird die Antriebsleistung von VM bzw. EM über die miteinander verblockten Antriebswellen w1, w2 und w3 über nur ein Zahnradpaar, bei entsprechend niedrigen Getriebeverlusten, auf die Abtriebswelle w4 übertragen.
  • 3 bzw. Tabelle 1 enthält den Schaltzustand der einzelnen Kupplungen und der Bremse B1 („X” steht für geschlossen) in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand, wobei die Schaltzustände in den Übergangsbereichen durch die in 2 dargestellten zeitlichen Verläufe deutlicher ersichtlich sind.
  • 2 zeigt die bei optimaler Regelung erzielbaren zeitlichen Verläufe der Drehzahlen der Antriebswellen w1, w2 und w3 und der Abtriebswelle w4 sowie die Schaltzustände der beteiligten Kupplungen K3, K4, K5 und Ks am Beispiel einer Beschleunigungsfahrt im 3. Gang mit Umschaltung in den 4. und 5. Gang, einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit und einer Verzögerungsfahrt mit Umschaltung vom 5. in den 4. und 3. Gang. Die Steuerungsverfahren während dieser Umschaltvorgänge sind in den Patentansprüchen 4 und 5 näher beschrieben.
  • Es ist anzumerken, dass während der Umschaltvorgänge keine zusätzlichen Verluste entstehen.
  • Beim Anfahren wird die Drehzahl der Elektromaschine (Welle w3) zunächst im Leerlauf in die der VM-Drehzahl (Welle w1) entgegen gesetzte Drehrichtung gefahren bis die Drehzahl von w2 Null wird. Dann wird K1 geschlossen und die EM im Generatorbetrieb auf Drehzahl Null gefahren, reversiert und anschließend im Motorbetrieb dem Wert der VM-Drehzahl (Welle w1) angeglichen. Nach der Synchronisation wird Ks geschlossen. Für den Anfahrvorgang wird keine zusätzliche Ausrüstung wie Anfahrkupplung, Wandler oder Anfahrbremse benötigt und es entstehen keine zusätzlichen Verluste.
  • Das Anlassen der Verbrennungskraftmaschine VM bei stehendem Fahrzeug oder während einer Fahrt mit reinem Elektroantrieb erfolgt gemäß den in den Patentansprüchen 6 und 7 beschriebenen Steuerungsverfahren. Die bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Antrieb verwendeten Anlass- oder Anlass-Licht-Maschinen werden nicht mehr benötigt.
  • Beim reinen Elektrobetrieb wird die Welle w1 mittels der Bremse B1 arretiert und K0 bei leer laufender VM geöffnet. Über die Kupplungen K1, K3 oder K5 wird ein ungerader Gang eingelegt und die Elektromaschine EM in positiver Drehrichtung bei Vorwärtsfahrt oder negativer Drehrichtung bei Rückwärtsfahrt betrieben. Über eine lastunabhängige Drehzahlregelung lässt sich damit sehr komfortabel das Fahrzeug im Stop-and-go- sowie im Rangiermodus betreiben. Ein Gangwechsel während der Fahrt (z. B. von Gang 1 nach Gang 3) kann nur unter einer Drehmoment-Unterbrechung erfolgen.
  • In Abhängigkeit der Bauleistung der Elektromaschine EM, des Frequenzumrichters FU und der Kapazität des Energiespeichers ES lässt sich die Gewichtung der Hybridkomponente, entsprechend Voll- Mild- oder Mikro-Hybridsystemen, variieren. Auch Fahrzeuge ohne Hybridantrieb können mit dem vorgeschlagenen elektromechanischen Automatikgetriebe ausgerüstet werden. Hier wird die Elektromaschine lediglich beim Wechseln der Gänge – ggf. auch zum Anlassen und/oder als Lichtmaschine – eingesetzt und benötigt, wie auch die dazugehörigen Komponenten Frequenzumrichter und Energiespeicher, einen sehr geringen Einbauraum. Derartige Getriebe könnten auch bei Fahrzeugen im höheren Leistungsbereich – z. B. bei LKWs, Bussen oder Sonderfahrzeugen – eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10140424 A1 [0002]
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Claims (9)

  1. Elektromechanisches Automatikgetriebe für Hybridfahrzeuge oder für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor-Antrieb, siehe Ausführungsbeispiel gemäß 1, mit einem Planetengetriebe (PG), einem aus zwei ineinander laufenden Eingangswellen (w1) und (w2) sowie einer Ausgangswelle (w4) bestehenden Doppelgetriebe (DG) wobei im Falle der ungeraden Gänge 1, 3, 5 etc. die Antriebsleistung von der Eingangswelle w2 über die jeweiligen schaltbaren Kupplungen (K1, K3, K5 etc.) und die entsprechenden Zahnradpaare und im Falle der geraden Gänge 2, 4, 6 etc. die Antriebsleistung von der Eingangswelle (w1) über die schaltbaren Kupplungen (K2, K4, K6 etc.) und die entsprechenden Zahnradpaare auf die Abtriebswelle (w4) übertragen werden kann, mit einer Elektromaschine (EM) und deren Welle (w3), mit einer schaltbaren Synchronisierungskupplung (Ks), einer schaltbaren Feststellbremse (B1) und einer weiteren schaltbaren Trennkupplung (K0), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine (VM) über die Trennkupplung (K0) mit dem Hohlrad des Planetengetriebes (PG) und mit der Eingangswelle (w1) des Doppelgetriebes (DG) und dass die Welle (w3) der Elektromaschine (EM) mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes (PG) und dass der Steg dieses Planetengetriebes mit der Eingangswelle (w2) des Doppelgetriebes (DG) drehfest verbunden sind, wobei die beiden Eingangswellen (w2 und w1) des Doppelgetriebes (DG) mittels der schaltbaren Synchronisierungskupplung (Ks) drehfest miteinander verbindbar sind und die Eingangswelle (w1) mit Hilfe der Bremse (B1) arretiert werden kann.
  2. Elektromechanisches Automatikgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle verwendeten schaltbaren Kupplungen sowie die schaltbare Bremse (B1) in formschlüssiger Bauart ausgeführt sind.
  3. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorwärtsfahrt in einem beliebigen Gang eine der Kupplungen (K1 bis K6 im Ausführungsbeispiel gemäß 1) des Doppelgetriebes (DG) sowie die Synchronisierungskupplung (Ks) geschlossen wird und dadurch das Planetengetriebe (PG) verblockt und die Elektromaschine (EM) drehfest mit der Verbrennungskraftmaschine (VM) verbunden wird so dass eine Parallel-Hybrid-Struktur entsteht wobei die Elektromaschine (EM) dann entweder durch Entladung des Energiespeichers ein motorisches Drehmoment erzeugt und die Verbrennungskraftmaschine (VM) unterstützt (Boost-Modus) oder im Generatorbetrieb von der Verbrennungskraftmaschine (VM), oder beim Abbremsen vom Fahrzeug selbst angetrieben wird und den Energiespeicher auflädt.
  4. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von einem ungeraden Gang in einen benachbarten geraden Gang (z. B. von Gang 3 nach Gang 4 oder von Gang 5 nach Gang 4, siehe 2), zunächst die Synchronisierungskupplung (Ks) geöffnet wird und danach die Elektromaschine (EM) drehzahlgeregelt, unter motorischer oder generatorischer Last ihre Drehzahl dahingehend verändert, dass die Drehzahl der Welle (w1) den Wert erreicht bei dem die Kupplung des folgenden gewünschten geraden Ganges (z. B. K4) synchron geschlossen und die Kupplung des ungeraden Ganges (z. B. K3) geöffnet werden kann und dass danach die Elektromaschine (EM) im Leerlauf ihre Drehzahl mit der Drehzahl der Wellen (w1 und w2) synchronisiert und das Planetengetriebe (PG) über die Schließung der Kupplung (Ks) verblockt wird.
  5. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von einem geraden Gang in einen benachbarten ungeraden Gang (z. B. von Gang 4 nach Gang 3 oder von Gang 4 nach Gang 5, siehe 2), zunächst die Synchronisierungskupplung (Ks) geöffnet wird und die Elektromaschine (EM) im Leerlauf ihre Drehzahl dahingehend verändert dass die Drehzahl der Welle (w2) den Wert erreicht bei dem die Kupplung des folgenden gewünschten ungeraden Gang (z. B. K5) synchron geschlossen und die Kupplung des geraden Ganges (z. B. K4) geöffnet werden kann und dass danach die Elektromaschine (EM) drehzahlgeregelt, unter motorischer oder generatorischer Last, ihre Drehzahl mit der Drehzahl der Wellen (w1 und w2) synchronisiert und das Planetengetriebe (PG) über die Schließung der Synchronisierungskupplung (Ks) verblockt wird.
  6. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem reinen Elektrobetrieb die Kupplungen (K0 und Ks) geöffnet und die Bremse (B1) geschlossen werden und dass die Elektromaschine EM das Fahrzeug in einem der ungeraden Gänge über die Schließung einer der Kupplungen (K1 oder K3 etc.) antreibt oder abbremst.
  7. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anlassen der Verbrennungsmaschine (VM) bei stehendem Fahrzeug, zunächst die Synchronisierungskupplung (Ks) geöffnet und mindestens zwei der vorhandenen ungeraden Gänge über die Schließung deren Kupplungen (z. B. K1 und K3) eingelegt und damit sowohl die Abtriebswelle (w4) als auch die Welle (w2) bzw. der Steg des Planetengetriebes (PG) arretiert werden und dass danach die Verbrennungsmaschine (VM) mittels der Elektromaschine (EM) gestartet wird.
  8. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anlassen der Verbrennungsmaschine (VM) bei fahrendem Fahrzeug, zunächst die Trennkupplung (K0) geschlossen, die Bremse (B1) geöffnet und danach die Elektromaschine (EM), generatorisch betrieben wird.
  9. Steuerungsverfahren eines elektromechanischen Automatikgetriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Rückwärtsfahrt die Trennkupplung (K0) geöffnet und die Bremse (B1) sowie eine der ungeraden Gänge entsprechenden Kupplung (vorzugsweise K1) geschlossen wird und dass die Elektromaschine (EM) das Fahrzeug antreibt.
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