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                1. 用于混合動力汽車的驅動裝置和用于運行驅動裝置的方法與流程

                  文檔序號:11168835
                  用于混合動力汽車的驅動裝置和用于運行驅動裝置的方法與制造工藝

                  本發明涉及一種用于混合動力汽車、尤其用于加版輕度混合動力汽車(Mild-Hybrid-Plus-Kraftfahrzeug)的驅動裝置,其具有內燃機、第一電機(其能夠與內燃機的曲軸相連)、第二電機(其能夠與混合動力汽車的汽車傳動裝置耦連)。此外,本發明涉及一種相應的方法。



                  背景技術:

                  具有內燃機和第一電機(其以皮帶傳動與內燃機的曲軸相連)的現代混合動力汽車基本上是已知的。第一電機或皮帶傳動器可以通過離合器與內燃機的曲軸耦連。第一電機在此可以以發電機模式運行(包含回收),用于爲汽車的汽車電路供電並且爲電池充電。第一電機也可以以電動機模式支持內燃機(助力)。在皮帶傳動器和內燃機的曲軸之間連接離合器用于電機的這些模式。此外離合器也可以被打開,用于將皮帶傳動器與內燃機的轉速脫耦並且由此降低皮帶傳動器的拖曳損失,由此可以提高內燃機的效率。另外的(第二)電機在此可以以發電機模式運行(包含回收),用于爲汽車的汽車電路供電並且爲電池充電。第二電機也可以在發動機模式中支持內燃機(助力)並且此外被用于純電動行駛。對于大致5-15kW/t的電動機功率涉及的是輕度混合動力汽車。

                  在此被證明具有的缺點在于,汽車的行駛性能以及效率通過所述離合器的不利的操作被損害。尤其不利的是,在離合器閉合從而皮帶驅動器被連接時,兩個電機始終被使用,其中第一電機(結合皮帶傳動器中的損失)減小了由內燃機輸出的可用的機械功率、從而導致了燃料消耗增加。另一方面不利的是,通過皮帶傳動器驅動的一些設備(例如機械空調壓縮機)在離合器打開時在沒有第一電機發動機運行時、不能運行。



                  技術實現要素:

                  本發明所要解決的技術問題在于,克服至少一個由現有技術已知的缺點。本發明所要解決的技術問題尤其在于,提供一種改進的驅動裝置和用于運行該驅動裝置的相應的方法,其優化了第一電機和內燃機之間的操作或連接,並且保證了更好的行駛運行、尤其驅動裝置的更好的運行和提升的行駛舒適性。

                  在此,本發明提供一種用于混合動力汽車、尤其用于加版輕度混合動力汽車的驅動裝置,其具有內燃機、第一電機(其能夠與內燃機的曲軸相連)和第二電機(其能夠與混合動力汽車的汽車傳動裝置或者變速器耦連)。例如在平行混合動力方案中,第二電機布置在在變速器的行駛離合器和車輪之間。

                  此外,按照本發明規定,第二電機直接與混合動力汽車的汽車傳動裝置耦連。在此可以有利地實現的是,第二電機可以設置在車輪附近,用于在發電機模式中以理想的效率直接從驅動軸獲取動能。

                  備選地,第二電機連同汽車傳動裝置布置在未被內燃機驅動的驅動軸或者車軸上(前部/尾部)(例如具有差速器的電驅動軸和在車輪上的驅動軸)。備選地,第二電機的功能通過多個電機提供(例如兩個輪毂發動機)。

                  此外,按照本發明規定,第一電機可以耦連在皮帶傳動器中或者直接與內燃機的曲軸耦連。因此可以有利地實現驅動裝置不同的結構實施形式,例如具有在相同驅動軸上的間隔的第一電機或者具有在皮帶傳動器中的間隔的第一電機的平行的混合動力。根據車型和汽車中的結構空間需求,驅動裝置的一個或另外的實施形式是有利的。

                  按照本發明,驅動裝置具有控制單元,所述控制單元設計用于在超過混合動力汽車的極限速度時進行第一電機與內燃機曲軸的脫耦,其中所述極限速度根據在混合動力汽車中的需要的電功率、用于提供所述電功率的所有參與的部件的效率和/或第二電機的可提供的發電機功率確定。備選地,所述驅動裝置按照本發明具有控制單元,該控制單元設計用于在超過第二電機的極限轉速時進行第一電機與內燃機曲軸的脫耦,其中第二電機的極限轉速根據在混合動力汽車中的需要的電功率、用于提供所述電功率的所有參與的部件的效率和/或第二電機的可提供的發電機功率確定。

                  按照本發明,加版輕度混合動力汽車理解爲輕度混合動力汽車,其具有兩個電機。第一電機在此可以連接在皮帶傳動器或者直接與內燃機的曲軸耦連。在此,第一電機例如在冷啓動、靜止啓動和/或從電動行駛中的啓動中啓動內燃機。第二電機在此可以實現純的電動行駛,例如當內燃機被關閉時。兩個電機可以被用于助推,例如作爲內燃機的補充電動式提高驅動力矩。此外,兩個電機可以被用于回收。第二電機在此可以無需內燃機地進行回收並且第一電機借助內燃機進行回收。

                  按照本發明的控制單元可以是混合動力汽車中的中央控制單元、例如發動機控制器,其按照本發明裝有相應的軟件和/或計算機程序産品,用于按照本發明地實現第一電機與內燃機改進的耦連和脫耦。但是同樣按照本發明的控制單元也可以是特殊設計的控制單元,其可以按照本發明地實現第一電機與內燃機的曲軸的改進的耦連和脫耦。

                  在此,本發明的構思在于,在混合動力汽車中理想地應用兩個電機,用于提高整體系統的效率、以及提高汽車空調的可用性。爲此,在第一電機和內燃機之間的離合器當超過特定的、按照本發明具體確定的第二電機的極限速度或極限轉速(其是取決于必要電功率以及車輛中的總效率選擇的)時被打開並且第一電機脫耦。

                  在第一電機脫耦時,混合動力汽車中的耗電器的發電和供電(電需求)優選通過第二電機(例如當混合動力汽車行駛時)或者僅輔助式地通過蓄能器(例如在混合動力汽車靜止時)實現。這按照本發明始終在以下情況中發生,即當第二電機能夠有效地爲混合動力汽車中的全部消耗器供電時,或者當第二電機不能發電機式地工作(例如當其被用于電力行駛時)或者在汽車靜止時,僅當蓄能器能夠滿足所述電需求時。按照本發明的控制單元在此檢測兩個電機的有效功率,它們的效率和/或蓄能器的充電狀態。控制單元還監測混合動力汽車中的電需求或能量需求。第二電機的發電的有效功率(發電機功率)除了機器屬性自身(扭矩特性/功率特性/效率特性)之外還取決于選擇的變速器傳動比。按照本發明,脫耦時間點通過控制單元這樣選擇,使得變速器傳動比被考慮並且優選自動爲了有利的回收而被調整。

                  此外,皮帶傳動器/第一電機在低于特定的、按照本發明專門確定的最小速度或第二電機的最小轉速(其取決于汽車中需要的電功率)時被耦連。爲此,在第一電機和內燃機之間的離合器被閉合。

                  在第一電機耦連時,混合動力汽車中的耗電器的發電和供電(電需求)通過兩個電機之一或者必要時通過兩個電機的組合(例如當混合動力汽車行駛時)或者僅輔助式地通過蓄能器(例如在混合動力汽車靜止時)實現。按照本發明的控制器在此監測兩個電機的有效功率、其效率和/或蓄能器的充電狀態。控制單元還監測混合動力汽車中的電需求或能量需求。兩個電機的發電的有效功率(發電功率)除了機器自身屬性(扭矩/功率/效率屬性)之外還取決于所選擇的變速器傳動比或變速器挂入的擋位。按照本發明耦連時間點通過控制單元這樣選擇,即變速器傳動比被考慮並且優選自動地被調整用于有利的回收。

                  此外,按照本發明規定,遲滯或者去抖時間(1s、5s、10s)(Entprellzeit)、第二電機的轉速(500 1/min、1000 1/min、1500 1/min)、行駛速度(5km/h、10km/h、15km/h)被考慮,用于正面地影響可行駛性或行駛舒適性。

                  此外,在本發明的範疇中,空調壓縮機與皮帶傳動器耦連。按照本發明的驅動裝置提供了這樣的優點,即集成在皮帶傳動器中的部件、例如空調壓縮機、通過以發動機模式中的第一電機和通過皮帶傳動器、獨立于內燃機的轉速運行。在此,第一電機的供電通過發電機模式中的第二電機和/或通過蓄能器進行。由此根據冷卻功率需求可以自由地選擇機械空調壓縮機的工作點並且在考慮第一電機、第二電機和空調壓縮機的效率和功率特性的情況下以最好的效率提供制冷功率。本發明尤其借助不實現內燃機轉速的無極調節的分級的變速器(手擋變速器、自動式手擋變速器、雙離合變速器、變矩自動變速器)提供上述優點。此外,與在較高轉速時實現其最大功率(例如MPI)的內燃機結合是有利的。在冷卻功率需求較小並且發動機功率較高時(例如行駛速度很高或者帶有拖車的山路行駛),在空調壓縮機上的轉速明顯降低。因此始終提供期望的空調功率並且因此顯著改善行駛舒適性。

                  按照本發明規定,第一電機能夠通過離合器與內燃機的曲軸耦連。在第一電機或皮帶傳動器和曲軸之間的可接通的離合器的優點按照本發明在于,在行駛運行中(電流通過第二電機産生)或者在發動機靜止狀態中,皮帶傳動器仍可以工作。因此一方面,皮帶傳動和必要時集成在其中的空調壓縮機能夠獨立于內燃機地運行,並且另一方面內燃機在行駛運行中可以被卸載,由此減小燃料消耗和有害物質排放。在此,離合器可以電動地、液壓地或者電磁地接通。所述離合器在此可以作爲力鎖合的離合器、例如摩擦離合器,但是或者設計爲形狀配合的離合器、例如爪式離合器。摩擦離合器的優點在于,當內燃機和皮帶傳動器之間存在轉速差時摩擦離合器也可以快速地閉合。形狀配合式離合器的優點在于,其可以簡單和有利地構造有較小的輔助能量需求和較高的效率。

                  此外按照本發明可以考慮的是,第二電機能夠通過離合器與混合動力汽車的汽車傳動裝置耦連。其優點在于,當第二電機不需要時,其能夠與汽車傳動裝置脫耦,用于避免第二電機的磨損並且通過第二電機導致的拖曳損失至少被降低。在此可以考慮的是,第二電機冗余地與混合動力汽車的汽車傳動裝置脫耦。在此可以考慮的是,第二電機設計爲永久激勵的同步機器、異步機器、步進機器或者類似設備。因此可以實現的優點是,第二電機可以輔助式的運行。此外可以考慮的是,第二電機可以具有可接通的自由輪離合器,用于無力矩地(沒有機械耦連地)與混合動力汽車的汽車傳動裝置脫耦,並且不削弱行駛功率。

                  此外,按照本發明的技術問題通過用于運行混合動力汽車、尤其用于加版輕度混合動力汽車的驅動裝置的方法解決,其中,所述驅動裝置具有內燃機、第一電機(其能夠與內燃機的曲軸相連)和第二電機(其能夠與混合動力汽車的汽車傳動裝置耦連)。按照本發明的方法在此包含至少一個步驟:

                  a)在高于混合動力汽車的極限速度時第一電機與內燃機的曲軸脫耦,其中,所述極限速度根據在混合動力汽車中的需要的電功率、用于提供所述電功率的所有參與的部件的效率和/或第二電機的可提供的發電機功率確定。

                  因此可以實現的優點在于,混合動力汽車中的電功率和機械功率可以理想地分配。此外有利的是,脫耦時刻始終這樣選擇,即當保證了理想的行駛性能和行駛舒適性以及理想的整體效率時。尤其有利的是,一旦第二電機或者當第二電機被需求用于電驅動時,蓄能器被使用用于爲汽車中的耗電器供電時。因此可以減輕內燃機的負荷並且減小燃料消耗。作爲另外的優點在此顯然還使用按照本發明的驅動裝置的優點(如上所述),在此可以完全援引這些優點。

                  此外按照本發明規定,所述方法具有至少一個另外的步驟:

                  a’)在低于混合動力汽車的最小速度和/或第二電機的最小轉速時第一電機與內燃機的曲軸耦連,其中所述最小速度和/或最小轉速根據在混合動力汽車中的需要的電功率、用于提供所述電功率的所有參與的部件的效率和/或第二電機的可提供的發電機功率確定。

                  此外,按照本發明規定,所述方法具有至少一個另外的步驟:

                  b)確定混合動力汽車中來自汽車電路需求、電動空調壓縮機的可選需求和/或蓄能器的再充電需求的電功率。

                  在此混合動力汽車中電消耗器的機械和電屬性被考慮。混合動力汽車的電消耗例如由用于汽車中大多消耗器的12V汽車電路(其通過DC/DC轉換器與兩個電機的電路、混合汽車電路相連)的需求(汽車電路需求)、在混合汽車電路的電壓水平上(或者在電壓範圍中)工作的另外的消耗器(例如可選的電空調壓縮機、電加熱器或類似設備)的需求和蓄能器(混合動力電池)的再充電需求構成,這當蓄能器之前通過純電動行駛路程(部分)放電時會發生。基于整體的電需求(12V-消耗器、48V或HV消耗器、混合動力電池的再充電功率)可以最後確定,電能在當前行駛速度時是否僅能夠僅通過第二電力機器有效地産生或者爲此與內燃機耦連的第一電力機器必須被啓動。在此,第一電機通過其設置方案或者相對曲軸較小的傳動比也可以在汽車速度較小時實現更高的發電機功率。此外,發電機功率也可以劃分至兩個電機、尤其當必須滿足非常高的電需求時。

                  附圖說明

                  改進本發明的其他措施以下借助對本發明優選實施例的描述參照附圖詳細說明。在此,在權利要求中和說明書中提及的特征分別單獨地或者任意組合地實現本發明。在此需要注意的是,附圖僅具有描述特性並且不應以任意形式限定本發明。在附圖中:

                  圖1示出按照本發明的驅動裝置的示意圖,

                  圖2示出按照本發明的方法的兩個示範性的脫耦點的示意圖,

                  圖3示出機械的空調壓縮機的功率特征曲線。

                  不同附圖中始終對相同的部件使用相同的附圖標記,因此原則上僅進行一次性說明。

                  具體實施方式

                  在此圖1示出用于加版輕度混合動力汽車(其具有兩個電機10、20)的按照本發明的驅動裝置。按照本發明的控制單元17可以設計爲發動機控制器,其中按照本發明的方法以軟件或者計算機程序産品的形式實施。控制單元17因此按照本發明設計用于,檢測混合動力汽車中的汽車電路30、確定用于使第一電機10與內燃機13的曲軸12的脫耦和/或耦連的理想的時間點,用于理想地充分利用與汽車中的電功率和機械功率。

                  第一電機10在本發明所示的實施例中作爲皮帶傳動器11中的啓動器-發電機與內燃機13耦連。但是備選地同樣可以考慮的是,第一電機10直接在相同的驅動軸12上連接在內燃機13的曲軸12上。在兩種情況中可以設置離合器14,其可以設計爲摩擦離合器。第二電機20還可以與汽車傳動裝置21耦連,其通過機械式離合器(22)或者無力矩的斷開或者可開關的自由輪離合器實現。

                  第一電機10可以啓動內燃機13。第二電機20又可以在內燃機13內燃機13經變速器16的行駛離合器15的打開而脫耦時實現純電動運行。兩個電機10、20可以被用于作爲內燃機13的補充而提高驅動力矩(助力)和/或被用于回收。第二電機20在此可以在內燃機13靜止時進行回收,並且第一電機10可以利用拖曳運行中的內燃機13進行回收。所述拖曳運行指的是機械能通過內燃機13的伴隨轉動耗散。

                  內燃機13能夠通過行駛離合器15與變速器16耦連。內燃機13的曲軸12在本發明的所示實施例中確定了第一驅動軸12,並且汽車傳動裝置21確定第二驅動軸21(差速器中間軸21)。第一驅動軸12和第二驅動軸21相互平行延伸,並且沿汽車縱向觀察大致前後地間隔。按照本發明的實施形式,驅動裝置在汽車橫向上觀察具有緊湊的機構形式。同樣還可以考慮的是,內燃機13、變速器16和第二電機20位于相同的驅動軸上,用于在汽車縱向上減小結構空間。

                  按照本發明,第二電機20設計爲能夠與汽車傳動裝置21耦連。爲此,要麽設置傳統的機械離合器22、要麽第二電機20自身設計爲冗余的和/或無力矩地工作和/或具有可連接的自由輪離合器,用于無力矩地被連接。因此第二電機20的不需要的磨損和通過第二電機20導致的拖曳損失至少部分地被降低。

                  汽車中的汽車電路30在此具有第一電機的牽引導線31、第二電機20的牽引導線32、汽車電路分配器33、用于汽車電路的DC/DC轉換器34(通常由不同的12V消耗器組成)和蓄能器35。此外,空調壓縮機作爲在兩個電機10、20的電壓水平上的耗電器布置在皮帶傳動器11中。空調壓縮器出于簡化原因在圖1中未示出。汽車中的全部電需求G因此由12V汽車電路(其通過DC/DC轉換器34與兩個電機10、20的電路、混合汽車電路相連)的需求(汽車電路需求)、在混合汽車電路的電壓水平(48V或高壓電路)上的另外的消耗器、例如可選的電動空調壓縮器、電加熱器或者類似物的需求和蓄能器35的再充電需求構成。

                  在此,本發明用于在各個行駛狀況中可靠地滿足全部電需求G(參照圖2),也就是不損害行駛舒適性或行駛效率,因此例如空調設備可以根據需求地運行並且使燃料消耗最小化。本發明的構思因此在于,一旦全部電需求G在行駛運行中僅通過第二電機20最有效地提供,則在皮帶傳動器11和內燃機13之間的離合器14打開。因此一方面內燃機13被卸載、並且另一方面在皮帶傳動器11中的消耗器、例如空調壓縮機可以與內燃機13的轉速無關地工作。因此本發明目的在于理想地分配和充分利用混合動力汽車中的電功率和機械功率。

                  圖2示出第二電機20的最大發電機功率L的特征曲線。發電機功率L取決于汽車速度V。最大發電機功率L按照本發明除了考慮用于確定有利的皮帶傳動器脫耦點或離合器14的耦連點的效率之外、根據整體電需求G得出。此外,示出第一電機10的最大發電機功率的取決于擋位的特征曲線(L1、L2、L3、L4、…、LN)。

                  在圖2中示出用于舉例的汽車速度V1(例如10km/h)或另外的舉例的汽車速度V2(例如20km/h)的兩個(皮帶傳動器-)脫耦點P1、P2,其對應地用于第一舉例的電需求G1(例如1kW)或第二舉例的電需求G2(例如5kW)。爲了對比而用線GE示出蓄能器35的電的有效功率。由圖2的特征曲線可以確定,自哪個速度V開始第二電機20基于其功率特性滿足全部電路需求G。附加地還考慮用于提供汽車電路需求G的效率。如果在脫耦點P1或P2、或者在所述汽車速度V1/V2時、僅通過第二電機20的用于産生汽車電路需求的整體效率超過耦連情形的整體效率,則第一電機10與內燃機13脫耦並且整體電需求G可以僅通過第二電機20滿足,其中第一電機10的必要時需要的附加的電需求(在發動機模式中用于驅動機械的空調壓縮機)也可以被滿足。但是如果當前的電需求G超過第二電機20的當前可提供的最大發電機功率L,則既有第一電機10(離合器14再次閉合)以發電機模式供電、而且兩個電機10、20也組合地供電。

                  圖3示出機械的空調壓縮機的取決于空調壓縮機的轉速N的最大冷卻功率K的示範性特征曲線。可以看出的是,隨著轉速N升高,空調壓縮機A的輸入功率A增大。在此,輸入功率A在皮帶傳動器的最小轉速Nmin和極限轉速Nmax之間是可能的。通過系數C(性能系數)示出冷卻功率K與輸入功率A之間的比例。此外可以看出的是,系數C取決于轉速。若系數C的數值越高、則空調壓縮機的效率越高。若汽車在轉速Nakt行駛時,但是與點Kopt的要求相似地需要較小的冷卻功率K,則在空調壓縮機上轉速朝向Nopt下降。爲此,離合器14被打開。第一電機然後以發動機模式驅動皮帶傳動器11,其中第一電機10的供電可以通過第二電機20進行或者在電池35具有足夠的能量和有效功率時通過電池進行。此外還可以看出,汽車以較小的車輛速度(對應轉速Nopt)不能實現點Kakt的冷卻功率。爲此,同樣打開變速器14,然後皮帶傳動器11可以通過第一電機10驅動,並且第一電機10通過第二電機20供電,或者當電池35具有足夠的能量和有效功率時通過電池進行。因此,按照本發明用于皮帶傳動器11的脫耦策略通過空調壓縮機、第一電機10和第二電機20以及蓄能器35之間的功率和效率關系的知識提供。

                  因此圖2和3示出,電機20由于其布置在車輪附近具有取決于行駛速度的最大發電機功率。電機10利用變速器的擋位,由此使得發電機功率不太依賴行駛速度。因爲電機10的運行以旋轉的內燃機和皮帶傳動器爲條件,這導致了附加損失。蓄電器具有有限的輸出功率或輸出能量,因此其不能永久地滿足汽車的消耗器的功率需求。爲了理想地控制這三個部件的相互作用,圖2和3示出這樣必要性,即檢測消耗器的當前功率需求或對于回收的當前的功率供給以及蓄能器的當前的充電和放電功率以及汽車速度和空調功率需求。借助這些知識以及所用部件的效率關系的先驗的知識,可以這樣控制皮帶傳動器的部件和離合器和變速器的行駛離合器,使得燃料消耗被最小化並且提高行駛舒適性。

                  此外可以考慮,對于汽車的另外的極限速度可以實現第二電機20的最大發電機功率L。在這種情況中,離合器14再次閉合,用于通過兩個電機10、20再次獲得電能。在此,電機10、20的發電機功率取決于變速器傳動比。這可以在確定上述汽車速度時被考慮爲皮帶傳動器的耦連點。按照本發明的控制單元17在此檢測發電機功率L、汽車速度V和汽車中的整體電需求G,並且與按照本發明相應地連接或斷開離合器14。

                  圖1至3的前述說明僅在舉例的範疇中描述了本發明。所述實施形式的單獨的特征只要技術上是合理的顯然可以自由地相互組合,只要不脫離本發明的範圍即可。

                  附圖標記清單

                  10 第一電機

                  11 皮帶傳動器

                  12 曲軸

                  13 內燃機

                  14 離合器

                  15 行駛離合器

                  16 變速器

                  17 控制單元

                  20 第二電機

                  21 汽車傳動裝置/第二驅動軸

                  22 機械的或冗余的離合器

                  30 汽車電路

                  31 第一電機的牽引導線

                  32 第二電機的牽引導線

                  33 電路分配器

                  34 DC/DC轉換器

                  35 蓄能器

                  A 空調壓縮機的輸入功率

                  C 系數

                  G 整體電需求

                  K 空調壓縮機的冷卻功率

                  L 第二電機的最大發電機功率

                  L1,L2,L3,L4,LN 第一電機的取決于擋位的最大發電機功率

                  N 空調壓縮機的轉速

                  V 汽車速度

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