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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Managen des Kraftflusses im
Antriebsstrang eines hybridelektrischen Fahrzeugs mit einer primären Antriebsquelle
und einer elektrischen Motorantriebsquelle, mit welchem Vibrationen
der primären
Antriebsquelle während
des Startens und Stoppens abgeschwächt werden.
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Bei
einem elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang, wie beispielsweise
in der anhängigen US-Patentanmeldung
10/605,313 beschrieben, die am 22. September 2003 unter der Bezeichnung "Steuerung und Steuerungsverfahren
für einen
elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang (A Controller and Control
Method for a Hybrid Electric Vehicle Powertrain)" von der Anmelderin der vorliegenden
Erfindung eingereicht und unter der Nr. US 2005 0061 564 veröffentlicht
worden ist, werden ein elektrischer Motor und ein Verbrennungsmotor
dazu eingesetzt, die Kraft über
ein Zahnradgetriebe auf die Fahrzeugtraktionsräder zu verteilen. Mit dem Getriebe
werden mehrere Kraftflusswege vom Verbrennungsmotor auf die Fahrzeugtraktionsräder geschaffen,
wobei ein Reaktionselement des Getriebes mit einem Generator in
einer elektrischen Antriebsquellenkonfiguration, die eine Batterie,
einen Elektromotor und den Generator aufweist, antreibbar verbunden
ist. Der Generator und der Verbrennungsmotor sind in dieser Konfiguration
mechanisch über
das Getriebe gekoppelt. Die Batterie wirkt als Energiespeichermedium
für den Generator
und den Elektromotor.
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In
einem ersten Betriebsmodus wird der Verbrennungsmotor, der als primäre Antriebsquelle wirkt,
ein Antriebsdrehmoment in einer Vorwärtsrichtung aufbauen, sofern
der Generator ein Reaktionsdrehmoment ausbildet. Alternativ kann
das Reaktionsdrehmoment bei einem ausschließlichen mechanischen Verbrennungsmotorantrieb
durch eine Generatorbremse bewirkt werden.
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Da
bei einer derartigen Antriebsstrangkonfiguration infolge der Eigenschaften
des Planetengetriebes die Verbrennungsmotordrehzahl als von der Fahrzeuggeschwindigkeit
entkoppelt betrachtet werden kann, wird die Verbrennungsmotordrehzahl durch
eine Steuerung der Generatordrehzahl bestimmt. Dies hat geteilte
Kraftübertragungswege
zur Folge, und zwar ist ein erster Kraftübertragungsweg ein mechanischer
Weg von einem Verbrennungsmotordrehmomentabtriebselement und ein
zweiter Kraftübertragungsweg
ein elektrischer Weg, in welchem elektrische Energie an den Elektromotor
abgegeben wird, mit dem der Generator elektrisch gekoppelt ist.
Wegen der Entkopplung der Funktionen des elektrischen Kraftflussweges
und des mechanischen Kraftflussweges können einem aus dem Elektromotor,
dem Generator und dem Getriebe bestehende Antriebsstrang als solchem
Kraftübertragungseigenschaften
zugeschrieben werden, die den Kraftübertragungseigenschaften eines
konventionellen stufenlosen Getriebesystems (CVT) ähnlich sind.
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Bei
einer derartigen Antriebsstrangkonfiguration, bei der der Elektromotor
eine sekundäre
Antriebsquelle darstellt, entnimmt der Elektromotor Energie aus
der Batterie und stellt einen Antrieb unabhängig von dem Verbrennungsmotor
bereit, wodurch im Ergebnis das Fahrzeug entweder in Vorwärts- oder
Rückwärtsrichtung
angetrieben wird. Ferner kann der Elektromotor ein elektrisches
Bremsdrehmoment bereitstellen und die kinetische Fahrzeugenergie
während
des Bremsens des Fahrzeugs wiedergewinnen. Die kinetische Energie
würde bei
einem konventionellen Antriebsstrang ohne Hybrideigenschaften andernfalls
in Gestalt von Wärme
verloren gehen. Die wiedergewonnene kinetische Fahrzeugenergie eines
elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrangs kann zum Aufladen der
Batterie verwendet werden. Ferner kann der Generator als Elektromotor unter
Verwendung von Batte rieenergie wirken, während eine Einwegkupplung als
Reaktionselement für das
Getriebe dient, wodurch sich das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung
fortbewegen kann.
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Die
primäre
Antriebsquelle und die sekundäre
Antriebsquelle können
das Fahrzeug simultan in Vorwärtsrichtung
antreiben, um den Fahreranforderungen hinsichtlich des Drehmoments
zu genügen und
um ein besseres Beschleunigungsverhalten zu erreichen.
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Konventionelle
CVT-Antriebsstränge
für Fahrzeuge
ermöglichen
es, eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen und unerwünschte Verbrennungsmotorabgasemissionen
zu reduzieren, indem der Verbrennungsmotor – soweit wie irgend möglich – in seinem
effizientesten Drehzahl- und Drehmomentbereich betrieben wird. Hybride
Antriebsstränge
der vorstehend diskutierten Art weisen ein im Vergleich zu konventionellen
mit CVT-Antriebssträngen
ausgerüsteten
Fahrzeugen weitaus effektiveres Potenzial zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
und zur Reduzierung unerwünschter
Abgasemissionen auf. Dies beruht darauf, dass die Verbrennungsmotorgröße bei gleicher
Fahrzeugleistungsfähigkeit
reduziert werden kann, was aus dem Einsatz von zwei Antriebsquellen
resultiert. Dies beruht weiterhin darauf, dass der Verbrennungsmotorbetrieb
besser optimiert werden kann, da der Verbrennungsmotor gestoppt
werden kann, wenn die benötigten
Verbrennungsmotorbetriebsbedingungen für eine hohe Kraftstoffwirtschaftlichkeit
nicht günstig
sind, und es können
somit unerwünschte
Abgasemissionen reduziert werden. Ferner kann, wie vorstehend erwähnt, die
regenerative kinetische Energie, die während eines Bremsens des Fahrzeugverbrennungsmotors
entsteht, wiedergewonnen und in der Batterie gespeichert werden.
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Um
die zweifachen Antriebsquellen dahingehend zu integrieren, dass
sie nahtlos zusammenarbeiten, und zum Erreichen einer verbesserten
Leistungsfähigkeit,
Kraftstoffwirtschaftlichkeit und zum Erreichen einer Reduktion unerwünschter
Verbrennungsmotorabgasemissionen ist eine Koordination der Steuerung
der Antriebsquellen notwendig. Diese Steuerung wird, wie in der
vorstehend genannten Patenanmeldung erläutert, unter Verwendung einer
hierarchischen Fahrzeugsystemsteuerung erreicht, um die Antriebsverteilung
jeder der beiden Antriebs quellen zu steuern und zu managen. Unter
normalen Antriebsstrangbetriebsbedingungen wird, wenn die Antriebsstranguntersysteme
und Komponenten funktionsfähig
sind, die Fahrzeugsystemsteuerung eine Fahreranforderung zur Beschleunigung
oder Verlangsamung interpretieren und dann den Traktionsraddrehmomentbefehl
basierend auf der Fahreranforderung innerhalb bestimmter Antriebsstrang-Antriebsgrenzen
einschließlich
der Batterieleistungsgrenzen bestimmen. Ferner bestimmt die Fahrzeugsystemsteuerung,
wann und wieviel Energie von jeder Antriebsquelle bereitzustellen
ist, um der Fahreranforderung zu entsprechen und die spezifizierte Fahrzeugleistungsfähigkeit,
d.h. hinsichtlich Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Reduktion unerwünschter
Verbrennungsmotorabgasemissionen, Fahrbarkeit, etc., zu erreichen.
Somit wird die Fahrzeugsystemsteuerung bestimmen, wann der Verbrennungsmotor
ausgeschaltet und wann er angeschaltet werden muss. Sie bestimmt
auch die Verbrennungsmotordrehzahl und den Verbrennungsmotordrehmomentbetriebspunkt
für jede
gegebene Leistungsanforderung bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Eine
der Maßnahmen,
die eingeleitet werden können,
um eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen und um
unerwünschte
Verbrennungsmotorabgasemissionen in einem elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang
zu reduzieren, besteht, wie vorstehend erläutert, darin, den Verbrennungsmotor auszuschalten,
wenn dieser nicht in seinem gewünschten
effizienten Betriebsbereich betrieben werden kann, beispielsweise
dann, wenn das Fahrzeug an einer Ampel während eines Fahrzeugbetriebs
im Stadtverkehr gestoppt wird. Infolgedessen wird der Verbrennungsmotor
in einem elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang, anders als bei
einem konventionellen Antriebsstrang, in dem der Verbrennungsmotor
in einer ersten Startphase des Fahrzeugs gestartet werden muss,
und nur durch einen Zündschlüssel ausgeschaltet
wird, während
einer normalen Stadtfahrt relativ häufig gestartet und gestoppt.
Diese Start- und Stoppereignisse des Verbrennungsmotors eines elektrischen
Hybridfahrzeugs können
für einen
Fahrer unerwartet auftreten. Somit wird von diesen gefordert, nicht
wahrnehmbar zu sein.
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Es
ist für
einen Verbrennungsmotorstart wünschenswert,
dass keine oszillierende Sitz-Schienen-Beschleunigung auftritt.
Im praktischen Betrieb besteht bei einem Verbrennungsmotorstart
die Tendenz, dass unerwünschte
Vibrationen auftreten, die mit dem Begriff "Härte" (harshness) bezeichnet
werden. Derartige Vibrationen und harte Antriebsstrangbetriebsereignisse
können
in zwei getrennten Phasen auftreten, in denen sie für einen
Fahrer wahrnehmbar sind: Die erste Phase ist eine Verbrennungsmotordrehzahlhochlauf-
oder Anlassphase. Die zweite ist die anfängliche Verbrennungsphase des
Verbrennungsmotors. Diese beiden getrennten Phasen werden durch
zwei Vibrationsquellen verursacht, und zwar sind die erste Quelle
die Kompressionskräfte
in den Verbrennungsmotorzylindern während eines Hochfahrens der
Verbrennungsmotordrehzahl, und die zweite Quelle sind plötzliche
anfängliche
Verbrennungskräfte
während
eines Verbrennungsmotorstarts.
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Während der
Verbrennungsmotoranlassphase stellt der Generator in einem Antriebsstrang
der in der erwähnten
Anmeldung offenbarten Bauart ein Anlasserdrehmoment zum Hochfahren
des Verbrennungsmotors bereit, um einen Verbrennungsmotorstart oder
eine Verbrennungsmotorzündung
zu erreichen, der bzw. die in Zylinderkompressionskräften resultiert.
Diese Kompressionskräfte
und Trägheitskräfte, die
von einer hin und hergehenden Bewegung der Verbrennungsmotorkolben
verursacht werden, können
die natürlichen
Torsionsvibrationsmodi des Verbrennungsmotors anregen. Wenn die
Verbrennungsmotordrehzahl nicht genau gesteuert wird, sind die natürlichen
Torsionsvibrationsfrequenzen für
den Fahrzeugfahrer dann bemerkbar, wenn die Vibrationen einen Torsionsresonanzbereich
des Verbrennungsmotors passieren. Dies kann auch ein "Schütteln" des Verbrennungsmotorblocks
bewirken. Ferner wird das Generatoranlassdrehmoment, bei dem der Verbrennungsmotor
durch den als Elektromotor wirkenden Generator angelassen wird,
wegen der mechanischen Verbindung zwischen dem Generator und den
Fahrzeugtraktionsrädern über den
Antriebsstrang überfragen.
Dieses Anlassdrehmoment kann die natürlichen Torsionsvibrationsmodi
des Antriebsstranges anregen. In ähnlicher Weise kann in der
anfänglichen
Verbrennungsphase eines Verbrennungsmotorstartereignisses das plötzliche
anfängliche
Verbrennungsmotordrehmoment die Torsionsvibrationsmodi des Verbrennungsmotors
in gleicher Weise wie die Antriebsstrangtorsionsvibrationsmodi anregen.
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Die
Zylinderkompressionskräfte
können auch
während
eines Herunterfahrens des Verbrennungsmotors wahrgenommen werden,
wenn der Verbrennungsmotor durch Einwirken der Fahrzeugsystemssteuerung
ausgeschaltet wird.
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Die
Resonanzvibrationen des Verbrennungsmotors und des Antriebsstrangs
und das "Schütteln" des Verbrennungsmotors
haben Fahrzeugkarosserievibrationen und das Auftreten einer Härte zur
Folge, die von der Antriebsstranglagerung auf das Fahrzeugchassis übertragen
wird.
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Aus
der
US 62 47 437 ist
ein elektrischer Hybridfahrzeugantriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor
und zwei Elektromotoren bekannt, die mit einer Planetendrehmomentsplittergetriebeeinheit
zusammenwirken. Die Steuerung, die für das Managen des Kraftflusses
vom Verbrennungsmotor und den Elektromotoren eingesetzt wird, weist
ein Generatordrehmomentbefehlprofil zum Starten des Verbrennungsmotors
auf.
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Wie
im Falle des Antriebsstrangs der vorstehend genannten Patentanmeldung
wird der Generator des Antriebsstrangs gemäß dem '437-Patent dazu eingesetzt, ein Verbrennungsmotorstartdrehmoment
bereitzustellen. Das Drehmomentprofil variiert darauf beruhend,
ob der Verbrennungsmotor kalt ist. Die Steuerung ist eine offene
Schleifensteuerung zum Führen
der Verbrennungsmotordrehzahl, wenn ein Fahrerdrehmomentbefehl zum
Starten des Verbrennungsmotors erteilt wird. Dabei ist kein Merkmal einer
geschlossenen Schleife mit Rückkopplung
vorgesehen, um unsichere Betriebszustände zu kompensieren, die zu
unerwünschten
Verbrennungsmotorstartvibrationen führen können. Ferner ist ein nachfolgender
Wechsel zu einer geschlossenen Schleifensteuerung mit einer Drehzahlrückkopplung vorgesehen,
nachdem der Verbrennungsmotor gestartet wurde. Dieser Wechsel von
einer offenen Schleifensteuerung zu einer geschlossenen Schleifensteuerung
mit Rückkopplung
kann unerwünschte Verbrennungsmotorvibrationen
und Härte
während der
anfänglichen
Verbrennungsperiode verursachen.
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Ein
weiteres Beispiel für
einen elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang unter Einsatz eines Verbrennungsmotors,
zweier Elektromotoren und einer Planetenge triebeeinheit zum Bilden
mehrfacher Drehmomentflusswege von den Elektromotoren und dem Verbrennungsmotor
auf die Fahrzeugtraktionsräder
ist aus der
US 62 78 195 bekannt.
Diese Druckschrift beschreibt ein Generatordrehmomentbefehlsprofil,
um die Verbrennungsmotordrehzahl herunterzufahren, während der
Verbrennungsmotor in einer zur offenen Schleifensteuerung des '437-Patents ähnlichen
Weise ausgeschaltet wird. Das '195-Patent
behandelt nicht die Möglichkeit,
dass der Verbrennungsmotor einem unmittelbaren Umkehrantriebsdrehmoment,
während
der Verbrennungsmotor stoppt, unterworfen werden könnte. Es
ist keine Kompensation für
eine Drehmomentumkehr vorgesehen, die wegen der Verbrennungsmotorvibrationen
auftreten kann. Außerdem
ist weder in dem '195-Patent noch in dem '437-Patent eine aktive
Dämpfung
vorgesehen, um Antriebsstrangoszillationen während des Stoppens oder Startens
des Verbrennungsmotors zu unterdrücken.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vibrationen und die Härte in einem
elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrang während des Startens und des
Stoppens des Verbrennungsmotors zu minimieren, und die Vibrationen
bei der Vibrationsquelle während
eines Anlassens des Verbrennungsmotors, während eines anfänglichen
Verbrennungsvorganges und während
eines Herunterfahrens bzw. Ausschaltens des Verbrennungsmotors zu
minimieren. Dies kann durch Unterdrücken jeglicher Antriebsstrangoszillationen
erfolgen, die durch die Vibrationsquelle initiiert werden, durch
eine Steuerung, wenn die Verbrennungsmotordrehzahl hochgefahren
wird, und durch Unterdrücken
der Antriebsstrangoszillationen unter Einsatz einer aktiven Elektromotordämpfung.
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Der
Generator wird, in gleicher Weise wie bei dem Gegenstand der vorstehend
genannten anhängigen
Patentanmeldung, dazu benötigt,
ein Anlasserdrehmoment bereitzustellen, um während eines Verbrennungsmotorstarts
die Verbrennungsmotordrehzahl hochzufahren. Dieses Anlasserdrehmoment
bestimmt das Verbrennungsmotorvibrationsniveau. Das Trägheitsmoment
des Generators wird infolge der Beschleunigung oder Verlangsamung
der Generatormasse auf das Drehmomentabtriebselement des Getriebes
in Folge der mechanischen Eigenschaften des Getriebes in dem geteilten,
durch das Getriebe definierten Kraftflussweg re flektiert werden.
Dieses reflektierte Drehmoment wird dazu tendieren, ein unmittelbares
Umkehrdrehmoment auf die Fahrzeugtraktionsräder aufzugeben. Der Elektromotor
wird dann einen gleichen Drehmomentbetrag an den Antriebsrädern bereitstellen,
um dieses reflektierte Drehmoment zu kompensieren, so dass Antriebsdrehmomentschwankungen
reduziert werden. Dieses kann durch Koordination der Drehmomentsteuerung
zwischen dem Elektromotor und dem Generator erfolgen.
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Während eines
Stoppens des Verbrennungsmotors wird der Generator eine Drehmomentlast
an den Verbrennungsmotor bereitstellen, um die Verbrennungsmotordrehzahl
herunterzufahren. Die Art und Weise, in der das Herunterfahren erfolgt, wirkt
sich auf die Verbrennungsmotorvibrationen und die Härte während des
Stoppens des Verbrennungsmotors aus. Der Elektromotor wird benötigt, um
das vom Herunterfahren des Verbrennungsmotordrehmoments reflektierte
Drehmoment durch Aufbringen eines unmittelbaren Umkehrfahrzeugantriebsdrehmoments
auf die Fahrzeugtraktionsräder
zu kompensieren.
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Das
Generatordrehmoment, das benötigt wird,
um den Verbrennungsmotor hochzufahren, während der Verbrennungsmotor
startet, und um den Verbrennungsmotor, während der Verbrennungsmotor
stoppt, herunterzufahren, wird durch eine geschlossene Schleifensteuerung
bezüglich
der Verbrennungsmotordrehzahl unter Verwendung der tatsächlichen
Verbrennungsmotordrehzahl als Rückkopplungsvariable
bestimmt. Der Generator kann somit unter Verwendung einer geschlossenen
Schleifensteuerung die Verbrennungsmotordrehzahl steuern.
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Eine
geschlossene Schleifensteuerung kann weiterhin dazu eingesetzt werden,
die Generatordrehzahl zu steuern, da ein Generatordrehzahlbefehl von
einem Verbrennungsmotordrehzahlbefehl abgeleitet werden kann, wobei
die tatsächliche
Elektromotordrehzahl auf der Kinematik des Getriebes basiert.
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Für die geschlossene
Schleifensteuerung werden geeignete Verbrennungsmotordrehzahlbefehle
benötigt.
Während
Start- und Stoppvorgängen des
Verbrennungsmotors kann eine Verbrennungsmotortorsionsresonanz angeregt
werden, wenn die Verbrennungsmotordrehzahl langsam durch einen Verbrennungsmotorresonanzfrequenzbereich
hindurchläuft
(d.h. zwischen 200–400
UpM). Der Verbrennungsmotordrehzahlbefehl, der von der Fahrzeugsystemsteuerung
ausgegeben wird, erzeugt eine Verbrennungsmotorreferenzdrehzahl
für die Schleifensteuerung,
so dass die Verbrennungsmotordrehzahl den Resonanzfrequenzbereich
des Verbrennungsmotors schnell passiert und dadurch die Magnitude
der Torsionsvibrationen minimiert wird. Ferner wird die Verbrennungsmotordrehzahl
nicht niedriger eingestellt, wenn die Umgebungstemperatur niedrig
ist und die Fahrzeugbatteriekapazität schwach ist.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
schafft bei dem Bestimmen eines Drehmomentbefehls auch ein aktiv
dämpfendes
Drehmoment, da das Elektromotordrehmoment Antriebsstrangoszillationen
unterdrückt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Gesamtansicht eines elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrangs zeigt,
bei dem die Erfindung verwirklicht ist;
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2a ein
Zeitdiagramm einer Verbrennungsmotordrehzahl während einer Hochlaufphase der
Verbrennungsmotordrehzahl und während
einer anfänglichen
Verbrennungsphase während
eines Verbrennungsmotorstartereignisses ist;
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2b ein
Zeitdiagramm einer Fahrzeugsitzschienenbeschleunigung während der
Hochlaufphase der Verbrennungsmotordrehzahl ist, die in 2a dargestellt
ist, und während
der anfänglichen Verbrennungsphase,
die in 2a dargestellt ist;
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3a ein
Zeitdiagramm der Fahrzeugverbrennungsmotordrehzahl während eines
Verbrennungsmotorstoppereignisses ist;
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3b ein
Zeitdiagramm einer Sitz-Schienenbeschleunigung während eines Verbrennungsmotorstoppereignisses
ist;
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4 ein
Diagramm ist, das die Beziehung eines Generatordrehmomentbefehls
und eines Elektromotordrehmomentbefehls von einem Fahrer darstellt,
wenn das Elektromotordrehmoment und das Generatordrehmoment koordiniert
werden, um einen effektiven Elektromotordrehmomentbefehl zu erzeugen;
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5 ein
schematisches Diagramm ist, das die geschlossene Schleifensteuerung
der Verbrennungsmotordrehzahl zum Entwickeln eines Generatordrehmoments
darstellt, das zu Zwecken der Elektromotordrehmoment- und Generatordrehmomentkoordination
eingesetzt wird;
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6 ein
Flussdiagramm ist, das die Steuerungsstrategie zum Bestimmen des
Generatordrehmoments während
einer Verbrennungsmotorhochlaufphase bei einem Verbrennungsmotorstartereignis
darstellt;
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7 ein
Flussdiagramm ist, das die Strategie für eine Generatordrehmomentbestimmung
für die
Herunterfahrphase des Verbrennungsmotors während eines Verbrennungsmotorausschaltereignisses
zeigt; und
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8 ein
Flussdiagramm ist, das die Strategie für eine Elektromotordrehmomentbestimmung zeigt,
während
der Verbrennungsmotor startet und der Verbrennungsmotor stoppt.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm eines hybriden Antriebsstrangs für ein Fahrzeug.
Dieser umfasst ein Getriebe 10 mit einer Planetengetriebeeinheit 12,
einen elektrischen Generator 14 und einen elektrischen
Motor 16, der ein Hochspannungsinduktionsmotor sein kann.
Die Planetengetriebeeinheit 12 umfasst einen Zahnkranz 18,
einen Planetenträger 20,
der drehbar die Planetenritzel trägt und ein Sonnenrad 22.
Die Planetenritzel greifen antreibbar in das Sonnenrad 22 und
den Zahnkranz 18 ein. Der Träger 20 ist antreibbar
mit einer Verbrennungsmotorantriebswelle 24 für einen
Verbrennungsmotor 26 verbunden. Eine Freilaufkupplung 28 kann
eingesetzt werden, um eine Umkehrrotation der Welle 24 zu
verhindern, während
eine Vorwärtsantriebsbewegung
von der Welle 24 aufgenommen wird.
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Der
Zahnkranz 18 ist durch ein Drehmomentübertragungselement 30 mit
dem Drehmomentantriebsritzel 32 eines Drehmomentübertragungszwischenwellengetriebes 34 verbunden.
Der Elektromotor 16 ist mit dem vom Elektromotor angetriebenen Antriebsdrehmomentritzel 36 für das Zwischenwellengetriebe 34 mechanisch
gekoppelt. Ein Zahnrad 38, das von dem Zwischenzahnrad 34 angetrieben wird,
ist mit Fahrzeugtraktionsrädern 40 über eine Differential-
und Achsen-Baugruppe 42 antreibbar verbunden.
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Der
Elektromotor 16, der Generator 14 und ein Batteriesteuerungsmodul 44 sind
elektrisch über einen
Hochspannungsbus gekoppelt, der bei 46 schematisch gezeigt
ist.
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Das
Sonnenrad und der Generator sind über eine Welle 48 mechanisch
gekoppelt. Die Welle 48 kann durch eine mechanische Bremse 52 gebremst werden,
die das Sonnenrad 22 und den Generator 14 in einem
Betriebsmodus verankert, in dem die Verbrennungsmotorabtriebskraft
nur über
den mechanischen Kraftflussweg verteilt werden soll.
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Das
Getriebe wird von einem Getriebesteuerungsmodul 54 angesteuert,
das Befehlssignale an das Getriebe ausgibt. Diese Signale sind in 1 jeweils
separat als Elektromotorsteuerungssignal in einem Signalflussweg 56,
als Generatorsteuerungssignal in einem Signalsteuerungsweg 58 sowie
als Generatorbremssteuerungssignal in einem Signalflussweg 60 gekennzeichnet.
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Der
Verbrennungsmotor, das Getriebesteuerungsmodul und das Batteriesteuerungsmodul
werden von einer Fahrzeugsystemsteuerung 62 überwachend
ge steuert. Die Steuerung 62 reagiert auf ein Fahrersignal 64,
das die Auswahl des Fahrers des PRND-Modus (Parken, Rückwärtsfahren,
Neutral, Vorwärtsfahren)
anzeigt. Die Steuerung reagiert weiterhin auf ein Gaspedalpositionssensorsignal
(APPS) 66 und auf ein regeneratives Bremsbefehlsignal 68, das
von dem regenerativen Bremssteuerungsmodul 70 in Abhängigkeit
von einem Bremspedalpositionssensorsignal (BPPS) 72 gebildet
wird.
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Die
Fahrzeugsystemsteuerung 62 reagiert auf die Eingangssignale,
um einen gewünschten Raddrehmomentbefehl,
einen gewünschten
Elektromotordrehzahlbefehl und einen Generatorbremsbefehl an das
Getriebesteuerungsmodul 54 herauszugeben, wie bei 74 gezeigt.
Sie antwortet auch auf die Steuerungssignale, um ein Batteriesteuerungsmodul-Kontaktschaltersignal 76 herauszugeben,
mit dem das Modul 44 aktiviert oder deaktiviert wird.
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Wie
vorstehend erwähnt,
kann der Generator, wenn er als Elektromotor wirkt, das Sonnenrad antreiben.
Das Verbrennungsmotorstartdrehmoment, das mit dem Zahnkranz 18 als
Reaktionselement wirkt, entsteht während der Verbrennungsmotordrehzahlhochlaufphase
bei einem Verbrennungsmotorstartereignis und während einer anfänglichen Verbrennungsphase
eines Verbrennungsmotorstartereignisses. Diese zwei Phasen sind
in 2a dargestellt, welche ein Zeitdiagramm einer
Verbrennungsmotorgeschwindigkeit zeigt. Zu dem in 2a gezeigten
Zeitpunkt 80 endet die Verbrennungsmotordrehzahlhochlaufphase
und die Anfangsverbrennungsphase beginnt. Die Verbrennungsmotorhochlaufphase
beginnt, wie bei 82 gezeigt, bei einer Drehzahl null.
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Das
Diagramm gemäß 2a zeigt
das Verbrennungsmotordrehzahlhochlaufprofil für einen Verbrennungsmotor,
der nicht die Verbesserungen gemäß der Erfindung
aufweist. Die Hochlaufphase ist durch unregelmäßige Drehzahlwechselschritte,
wie sie bei 84 gezeigt sind, gekennzeichnet, wenn sich die
Verbrennungsmotordrehzahl von 0 auf ungefähr 1000 UpM erhöht. Während der
Verbrennungsmotordrehzahlhochlaufphase tritt eine Sitz-Schienenbeschleunigung
auf, wie sie graphisch in 2b dargestellt
ist. Zu Beginn des Verbrennungsmotorstartereignisses ist die Sitz-Schienenbeschleunigung
null, wie bei 86 gezeigt. Während der Ver brennungsmotordrehzahlhochlaufphase
bei einem typischen Startereignis ohne die Merkmale der Erfindung
treten Sitz-Schienenbeschleunigungsspitzen auf, wie sie bei 88 angedeutet
sind, bis die Hochlaufphase abgeschlossen ist.
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Während der
Anfangsverbrennungsphase, die zu einem späteren Zeitpunkt als die Hochlaufphase
beim Verbrennungsmotorstartereignis erfolgt, kann die Verbrennungsmotordrehzahl,
wie durch die Drehzahlunregelmäßigkeit
in 2a bei 90 gezeigt, unregelmäßig sein.
Während
dieser Phase treten Sitz-Schienenbeschleunigungsimpulse auf, wie durch
die Spitzenwerte bei 92 gezeigt. Die Sitz-Schienenbeschleunigungsimpulse
erfolgen bis zum Ende der Anfangsverbrennungsphase.
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Um
die Daten für
das Diagram der 2b zu erhalten, kann ein Beschleunigungsmesser
auf dem Fahrzeugchassis an einer festgelegten Position, wie beispielsweise
an der Sitz-Schiene, angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Ordinate
für das
Diagramm der 2b als ein Sitz-Schienenbeschleunigungsdiagramm
bestimmt. Die Sitz-Schienenbeschleunigungskräfte würden für den Fahrer wahrnehmbar sein.
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3a ist
ein Zeitdiagramm der Verbrennungsmotordrehzahl während eines Verbrennungsmotorherunterfahrereignisses,
wenn die Drehzahl von 1000 UpM auf null verringert wird. Üblicherweise ist
bei einem Steuerungssystem, das die vorliegende Erfindung nicht
umfasst, die Verbrennungsmotordrehzahl unregelmäßig, wie durch die Verbrennungsmotordrehzahlschritte
bei 94 gezeigt. Während
die Verbrennungsmotordrehzahl ausgehend von einem Zeitpunkt bei
10 Sekunden bis zu einem Zeitpunkt von 10,8 bzw. 2,8 Sekunden heruntergefahren
wird, tritt während
eines Verbrennungsmotorherunterfahrereignisses die in 3b dargestellte
korrespondierende Sitz-Schienenbeschleunigung auf. Während die
Verbrennungsmotordrehzahl heruntergefahren wird, wie bei 94 in 3a gezeigt,
treten wie vorstehend dargelegt Sitz-Schienenbeschleunigungsimpulse
auf. Diese sind durch Beschleunigungsdiagrammspitzen 96,
wie in 3b gezeigt, dargestellt. Die
größeren Spitzen,
wie sie in 3b dargestellt sind, repräsentieren
Beschleunigungs- und Verzögerungswerte
bei den Resonanzfrequenzen des Antriebsstranges. Die Resonanzfrequenzen
im Verbrennungsmotor und im Antriebs strang als Ganzes führen, in
gleicher Weise wie das sog. "Schütteln" des Antriebsstrangs,
zu Fahrzeugkörpervibrationen und
zu über
die Antriebsstranglagerung auf das Fahrzeugchassis übertragenen
Härten,
die für
den Fahrzeugfahrer wahrnehmbar sind.
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Die
Erfindung minimiert die in den 2b und 3b dargestellten
Vibrationen durch Unterdrücken
von Antriebsstrangoszillationsbewegungen, die durch die Vibrationsquellen
während
des Verbrennungsmotoranlassens, während der anfänglichen
Verbrennung und während
des Verbrennungsmotorherunterfahrens ausgelöst werden. Dieses Unterdrücken der
Oszillationsbewegungen wird durch eine aktive Elektromotordämpfung erreicht.
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4 stellt
eine elektromotor- und generatordrehmomentkoordinierende Steuerung
dar, die gemäß der Erfindung
eingesetzt wird. Ein Fahrerbefehl für ein Elektromotordrehmoment 98 wird
von der Fahrzeugsystemsteuerung erzeugt, die einen Elektromotordrehmomentbefehl 100 in 4 bildet.
Ein an den Generator und das Batteriesteuerungsmodul ausgegebener
Generatordrehmomentbefehl 102 entwickelt ein Generatordrehmoment 104 in 4.
Die Trägheit
des Generatorrotors und die Trägheit
des Sonnenrads, von denen beide eine substantielle Masse haben,
resultieren in einem Generatorträgheitsmoment
bei 106, das vom Generatordrehmoment bei 104 abgezogen
wird, um bei 108 ein effektives Sonnenraddrehmoment zu
erzeugen. Nachdem das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes berücksichtigt
wurde, wird das Sonnenraddrehmoment bei 110 mit dem Fahrerbefehl
für ein
Elektromotordrehmoment kombiniert, um bei 100 einen effektiven Elektromotordrehmomentbefehl
zu erzeugen.
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5 zeigt,
wie der Elektromotordrehmomentbefehl durch die erfindungsgemäße geschlossene
Schleifensteuerung beeinflusst wird. Ein Generatordrehmomentbefehl
bei 102' wird
von einem Rückkopplungs-Steuerungsabschnitt
der Fahrzeugsystemsteuerung für
die Verbrennungsmotordrehzahl gebildet, wie bei 112 in 5 gezeigt.
Die Rückkopplungssteuerung
erhält
einen Verbrennungsmotordrehzahlbefehl von der Fahrzeugsystemsteuerung,
wie bei 114 gezeigt. Dieser Wert wird an einen Tiefpassfilter 116 abgegeben,
dessen Ausgangssignal an die Rückkopplungssteuerung 112 abgegeben wird.
Das gefilterte Ausgabesignal wird mit der tatsächlich gemessenen Verbrennungsmotordrehzahl – der Rückkopplungsvariable
der geschlossenen Regelschleife – kombiniert, wie bei 118 gezeigt.
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Die
Verbrennungsmotordrehzahl wird somit in einem geschlossenen Schleifenmodus
bei 120 gesteuert, um den wirksamen Generatordrehmomentbefehl 102' zu erzeugen.
Daraus resultiert ein Generatordrehmoment 104', das bei 122 mit
dem Generator- und dem Sonnenradträgheitsmoment 106' kombiniert
wird. Daraus resultiert ein wirksames Sonnenraddrehmoment bei 108'.
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Nachdem
das Sonnenraddrehmoment durch das Getriebeübersetzungsverhältnis modifiziert
und mit dem Fahrerdrehmomentbefehl an den Elektromotor, wie bei 98' gezeigt, kombiniert
ist, wird ein Elektromotordrehmomentbefehl 100' erzeugt. Dieser Elektromotordrehmomentbefehl
wird ferner durch das in 5 dargestellte aktive dämpfende
Drehmomentmerkmal modifiziert. Dieses Merkmal ist durch eine Drehzahlsteuerung
für den
Elektromotor in einem offenen Regelkreis gekennzeichnet, in dem
die tatsächliche
Elektromotordrehzahl gemessen wird, wie bei 124 gezeigt,
und bei 126 gefiltert wird, um einen aktiven Dämpfungswert
für das
Elektromotordrehmoment bei 128 zu erzeugen. Dieser Wert
wird mit dem Elektromotordrehmomentbefehl bei 100' kombiniert,
um einen tatsächlichen
Elektromotordrehmomentabtriebsbefehl bei 100'' zu
erzeugen. Dieser Elektromotordrehmomentbefehl 100'' reduziert bzw. dämpft die
in 3b gezeigten Spitzenwerte der Sitz-Schienenbeschleunigung
während des
Herunterfahrens der Verbrennungsmotordrehzahl. Dieser dämpft weiterhin,
wie in 2b gezeigt, die Sitz-Schienenbeschleunigungswerte
während der
Hochlaufphase der Verbrennungsmotordrehzahl.
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Sofern
gewünscht,
kann die in 5 gezeigte Eigenschaft, wonach
die Verbrennungsmotordrehzahl die Rückkopplungsvariable für die geschlossene Schleifensteuerung
ist, dahingehend geändert
werden, dass eine Generatordrehzahlrückkopplungsvariable anstatt
dieser verwendet wird. Dies ist deshalb möglich, weil ein Generatordrehzahlbefehl
von einem Verbrennungsmotordrehzahlbefehl abgeleitet werden kann
und die tatsächliche
Elektromotordrehzahl auf der Kinematik des Getriebes basiert.
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Der
Verbrennungsmotordrehzahlbefehl für die geschlossene Schleifensteuerung
reduziert Geräusche,
Vibrationen und Härte
(noise, virbation, harshness NVH) beim Verbrennungsmotorstart- und -stopp,
da die Verbrennungsmotortorsionsresonanz infolge der Tatsache vermieden
oder reduziert wird, dass die Verbrennungsmotordrehzahl schnell
durch den Verbrennungsmotorresonanzfrequenzbereich hindurchläuft. Der
Einsatz eines Tiefpassfilters wird bei einem schrittweisen Verbrennungsmotorbefehl angewendet,
um eine Verbrennungsmotordrehzahlreferenz für die geschlossene Schleifensteuerung
zu erzeugen. Dieses Verfahren stellt sicher, dass die Verbrennungsmotordrehzahl
ihren Resonanzbereich schnell passiert, um Torsionsvibrationen zu
minimieren (die zu unbefriedigenden Verbrennungsmotorstart/stopp-NVH
führen
würden),
und dass die Verbrennungsmotordrehzahl nicht reduziert wird, wenn die
Umgebungstemperatur kalt und die verfügbare Batteriekapazität niedrig
ist. Dies beruht darauf, dass die Magnitude des stufenförmigen Verbrennungsmotordrehzahlbefehls
unter diesen Betriebsbedingungen niedrig ist; und umso niedriger
die Magnitude ist, desto niedriger ist der Anstieg des Ausgangssignals des
Tiefpassfilters. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters kann abhängig von
den Betriebsbedingungen variieren. Bei extrem kalten Temperaturen
oder sehr niedrigen Batterieenergiegrenzbedingungen wird eine langsamere
Filterung (größere Zeitkonstante) gewünscht, um
das richtige Verbrennungsmotorhochlaufen für Verbrennungsmotorstarts sicher
zu stellen, ohne die Batterielimits zu überschreiten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
berücksichtigt
beim Bestimmen des Elektromotordrehmomentbefehls ein aktiv dämpfendes
Drehmoment, um jegliche Antriebsstrangoszillationsbewegungen zu unterdrücken. Dieses
aktiv dämpfende
Drehmoment wird durch eine passende Filterung der Elektromotordrehzahl
bestimmt. Beispiele hiervon sind eine Ableitung mit einem Verstärkungs-
oder einem Führungsverzögerungsfilter
(lead-lag filter) nahe dem Koordinatenursprung; d.h.
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Die
Strategie, die von der Fahrzeugsystemsteuerung beim Ausführen der
in den vorherigen Absätzen
beschriebenen Funktionen eingesetzt wird, ist in den 6 bis 8 dargestellt. 6 zeigt
die Strategie zum Bestimmen eines Generatordrehmoments während einer
Verbrennungsmotordrehzahlhochlaufphase eines Verbrennungsmotorstartereignisses.
Bei Aktionsblock 130 liest die Steuerung die Eingaben und
speichert sie in dem RAM-Abschnitt des Speichers der Fahrzeugsystemsteuerung.
Diese Eingaben umfassen eine Bestimmung des Betriebsmodus und die
Verbrennungsmotordrehzahl. Wenn der Betriebsmodus ein Verbrennungsmotorstartmodus
ist, wie dies bei Entscheidungsblock 132 bestimmt wird,
wird die Routine zu Aktionsblock 134 fortschreiten, bei
dem der Verbrennungsmotordrehzahlbefehl auf einen bestimmten Wert,
wie beispielsweise 1075 UpM, gesetzt wird. Wenn der Verbrennungsmotor
nicht in einem Verbrennungsmotorstartmodus ist, wird die Routine
beendet, wie bei 136 gezeigt.
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Der
Einstellung des Verbrennungsmotordrehzahlbefehls bei 134 folgend,
wird die Routine zu Aktionsblock 138 fortschreiten, bei
dem der Verbrennungsmotordrehzahlreferenzwert durch den in 5 dargstellten
Tiefpassfilter 116 festgesetzt wird. Dieser Wert wird von
der in 5 dargestellten geschlossenen Schleifensteuerung 112 der
Verbrennungsmotordrehzahl verwendet.
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Nachdem
der Verbrennungsmotordrehzahlreferenzwert bestimmt worden ist, wird
bei Aktionsblock 140 ein Drehzahlfehler durch Subtraktion
der tatsächlichen
Drehzahl von der Referenzverbrennungsmotordrehzahl berechnet.
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Der
nächste
Schritt der Routine ist eine Berechnung eines Generatordrehmomentbefehls,
wie er bei 102' in 5 gezeigt
ist. Dieser wird bei Aktionsblock 142 in 6 ausgeführt.
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Bei
Entscheidungsblock 144 wird festgestellt, ob der Verbrennungsmotor
gestartet worden ist. Wenn der Verbrennungsmotor gestartet ist,
wird die Routine vollendet. Wenn er nicht gestartet ist, wird die
Routine wiederholt, wie bei 146 gezeigt.
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Das
Flussdiagramm gemäß 7 stellt
eine Strategie zum Bestimmen des Generatordrehmoments während der
Verbrennungsmotorherunterfahrphase von einem Verbrennungsmotorabschaltmodus dar.
Die Eingaben für
die Steuerung werden bei 148 gelesen. Diese umfassen das
Lesen des Betriebsmodus des Verbrennungsmotorstarts und der tatsächlichen
Verbrennungsmotordrehzahl. Unter Verwendung dieser Daten wird bei
Schritt 150 bestimmt, ob der Verbrennungsmotorbetriebsmodus
ein Verbrennungsmotorabschaltmodus ist. Wenn dies nicht der Fall
ist, wird die Routine vollendet, wie bei 152 gezeigt. Wenn
der Verbrennungsmotorabschaltmodus stattfindet, wird die Routine
fortgeführt,
um den Verbrennungsmotordrehzahlbefehl auf null UpM zu setzen, wie
dies bei Aktionsblock 154 gezeigt ist. Diesem Schritt folgt
die Bestimmung der Verbrennungsmotorreferenzdrehzahl bei 112 in 5.
Dies wird bei Aktionsblock 155 in 7 durchgeführt.
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Bei
Aktionsblock 156 in 7 wird der
Drehzahlfehler für
die Steuerung 120 bestimmt. Die Routine schreitet dann
zu Aktionsblock 157 fort, bei dem der Generatordrehmomentbefehl
von der Steuerung 120 berechnet wird. Dies kann ein proportional-integraler,
geschlossener Schleifensteuerungsschritt sein, unter Verwendung
der Verbrennungsmotordrehzahl als Rückkopplungsvariable, wie in 5 gezeigt,
und unter Verwendung der Proportionalkonstante Kp und
der Integralkonstante Ki, wie in 7 gezeigt.
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Der
nächste
Schritt in der Routine findet bei Entscheidungsblock 158 statt,
bei dem bestimmt wird, ob der Verbrennungsmotor gestoppt wurde. Wenn
der Verbrennungsmotor gestoppt wurde, wird die Routine vollendet.
Wenn er nicht gestoppt wurde, wird die Routine wiederholt, wie bei 160 gezeigt.
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8 zeigt
eine Steuerungsstrategie zum Bestimmen des Elektromotordrehmomentbefehls
unter Verwendung des in 5 gezeigten aktiven dämpfenden
Merkmals durch ein Elektromotordrehmoment. Die Steuerung liest am
Anfang der Routine gemäß 8 die
benötigten
Eingaben zum Bestimmen des Elektromotordrehmoments für einen
Verbrennungsmotorstart und einen Verbrennungsmotorstopp. Der bei 98' in 5 gezeigte
Fahrerdrehmomentbefehl wird bei Aktionsblock 162 gemäß 8 zusammen
mit der Elektromotordrehzahl und der Generatordrehzahl eingelesen.
Die Generatordrehzahl wird bei der Berechnung des Generatorträgheitsdrehmoments,
wie bei 106' in 5 zu
sehen, benötigt.
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Der
nächste
Schritt in der Routine beinhaltet die Berechnung des aktiv dämpfenden
Drehmoments, wie bei Aktionsblock 164 gezeigt. Das aktiv dämpfende
Drehmoment ist gleich einer Dämpfungskonstante
K, die mit einer zeitlichen Ableitung des Elektromotordrehmoments
oder mit einer führungsverzögerungsgefilterten
("lead lag" filtered) Elektromotordrehzahl
multipliziert wird, wie vorstehend dargelegt. Diesem Schritt folgt
der Schritt bei Aktionsblock 166, bei dem der Elektromotordrehmomentbefehl,
wie in der 5 bei 100'' gezeigt, berechnet wird. Der Elektromotordrehmomentbefehl
wird wie folgt bestimmt: motor_cmd = driver_cmd
@ mot – Tgear_ratio (gen_cmd – gen_inertia) – active_dampingwobei:
motor_cmd = ein befohlenes Elektromotordrehmoment;
driver_cmd
@ mot = ein Fahrerdrehmomentbefehl an den Elektromotor;
Tgear_ratio = das Getriebeübersetzungsverhältnis;
gen_cmd
= ein Generatordrehmomentbefehl;
gen_inertia = das Generatorträgheitsdrehmoment; und
active_damping
= ein aktiv dämpfendes
Elektromotordrehmoment ist.
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Die
besondere Ausführungsform
des in der 1 dargestellten Antriebsstrangssystems
ist für eine
elektrische Hybridfahrzeugantriebsstrangkonfiguration repräsentativ,
jedoch ist die Erfindung nicht in ihrer Anwendung auf einen elektrischen
Hybridfahrzeugantriebsstrang des in der 1 gezeigten Typs
beschränkt.
Sie kann bei irgendeinem der vielfältigen elektrischen Hybridfahrzeugantriebsstrangkonfigurationen
eingesetzt werden, bei denen Antriebsquellen, wie beispielsweise ein
Verbrennungsmotor und ein elektrischer Motor, in getrennten Kraftflusswegen
für einen
Antrieb der Fahrzeugtraktionsräder
eingesetzt werden.