DE102007032726A1

DE102007032726A1 - Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs und Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102007032726A1
Application number: DE102007032726A
Authority: DE
Inventors: Marco Fleckner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-22
Also published as: US20090015023A1

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs für ein Straßenfahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, wobei der Antriebsstrang zumindest eine Elektromaschine, einen elektrischen Energiespeicher und eine Wirkverbindung zu wenigstens einer antreibbaren Achse aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperationsbetrieb, also beim Betrieb der Elektromaschine als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers, die erzeugt elektrische Energie zumindest teilweise zu wenigstens einem elektrischen Heizwiderstand geleitet wird zur Umwandlung in Wärme.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Hybridfahrzeuge weisen üblicherweise einen Verbrennungsmotor und wenigstens eine Elektromaschine auf. Dabei ist die Elektromaschine entweder als Generator, zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, und/oder als Motor, zum zumindest zusätzlichen Antrieb des Hybridfahrzeugs, vorgesehen. Häufig ist auch beides vorgesehen, indem zeitweise der elektrische Energiespeicher aufgeladen und dieser dann zu anderen Zeiten zum elektrischen Antrieb des Hybridfahrzeugs verwendet wird.
Ein Hybridfahrzeug hat gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor den Vorteil, dass die kinetische Energie zu einem großen Teil zurück gewonnen werden kann (Rekuperation). Dazu wird ein Moment von wenigstens einer antreibbaren Achse des Hybridfahrzeugs an die Elektromaschine weitergeleitet. Die zurück gewonnene (rekuperierte) Energie wird im fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher, z. B. einer Fahrzeugbatterie, zwischengespeichert. Dabei übt die als Generator betriebene Elektromaschine entsprechend dem Grad der Generatornutzung ein verzögerndes Moment (Generatormoment) auf das Hybridfahrzeug aus. Eine Rekuperation kann im passiven Schubbetrieb und beim aktiven Bremsen vorgesehen sein. Der Schubbetrieb ist ein Fahrzustand, bei dem das Fahrzeug nicht aktiv angetrieben wird, sondern nur durch seine eigene träge Masse vorwärts getrieben wird, wobei diverse Fahrwiderstände und ggf. ein Generatormoment es verzögern. Beim Bremsen wird das Fahrzeug vom Fahrer, unter Verwendung von Generatormoment und/oder Betriebsbremse, aktiv verzögert.
Bei Hybridfahrzeugen werden während der Rekuperation zumeist Kraftstoffzufuhr und Zündung abgestellt und darüber hinaus weitere Vorkehrungen getroffen, um die Motorbremse der Brennkraftmaschine zu verhindern und so die kinetische Energie möglichst vollständig der als Generator betriebenen Elektromaschine zukommen zu lassen. So kann beispielsweise der Verbrennungsmotor mechanisch durch eine entsprechende Trennkupplung abgekuppelt werden.
Ein Problem ergibt sich dabei jedoch, wenn der elektrische Energiespeicher gefüllt ist oder aus anderen Gründen – wie z. B. Überschreitung von Temperaturgrenzwerten – gerade keine elektrische Energie aufnehmen kann. In diesem Fall ist die Elektromaschine nicht mehr als Generator betreibbar, da die abgegebene elektrische Energie nicht mehr vom elektrischen Energiespeicher aufgenommen werden kann. Die Elektromaschine kann somit beim Bremsen bzw. im Schubbetrieb nicht mehr zur Verzögerung des Fahrzeugs eingesetzt werden. Damit ergibt sich während des Rekuperationsbetriebs ein für den Fahrer unangenehmes, da ungewohntes, Verzögerungsverhalten des Hybridfahrzeugs.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs anzugeben, das im Rekuperationsbetrieb insbesondere unabhängig von der im elektrische Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energiemenge ein stets gleich bleibendes Verzögerungsverhalten des Hybridfahrzeugs sicherstellt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen entsprechenden Antriebsstrang anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 6. Die Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Rekuperationsbetrieb, also beim Betrieb einer vom Antriebsstrang für ein Straßenfahrzeug umfassten Elektromaschine als Generator, zur Erzeugung elektrischer Energie zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, die erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise zu wenigstens einem elektrischen Heizwiderstand geleitet wird, zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme. Anders ausgedrückt wird die vom Generator erzeugte elektrische Energie nicht mehr vollständig in den elektrischen Energiespeicher und/oder das Bordnetz eingeleitet, sondern in einem Heizwiderstand „vernichtet". Bei entsprechender Auslegung bzw. Regelung ergibt sich damit die Möglichkeit, stets eine gewünschte Menge von im Rekuperationsbetrieb anfallender elektrischer Energie abzunehmen. Damit wird die vom Generator erzeugte Menge an elektrischer Energie und somit auch das Generatormoment unabhängig von der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Energiespeichers und/oder des Bordnetzes gestaltet. Im Ergebnis ist also ein Generatormoment und damit ein Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs realisierbar, das insbesondere unabhängig ist vom Füllzustand des elektrischen Energiespeichers.
Besonders bevorzugt wird erzeugte elektrische Energie dann zu einem elektrischen Heizwiderstand geleitet, wenn der elektrische Energiespeicher im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie ganz oder teilweise nicht mehr speichern kann. Denn wenn die vom Generator erzeugte Menge an elektrischer Energie, die nicht zur Versorgung des Bordnetzes benötigt wird, nicht mehr im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden kann, müsste diese Menge und damit auch das Generatormoment verringert werden. Damit würde sich jedoch auch das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs im Rekuperationsbetrieb ändern. Deshalb wird die vom Generator erzeugte Menge an elektrischer Energie, die weder zur Versorgung des Bordnetzes benötigt wird, noch im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden kann, zu dem oder den elektrischen Heizwiderständen geleitet. Wenn stets so viel im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie, wie nicht im elektrischen Energiespeicher speicherbar ist, zu dem oder den elektrischen Heizwiderständen geleitet wird, ist also ein gewünschtes, insbesondere ein gleich bleibendes, Generatormoment und damit Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs realisierbar.
Die Erfindung ist bei Straßenfahrzeugen mit wenigstens einer Elektromaschine wie z. B. Elektrofahrzeugen einsetzbar. Bevorzugt eingesetzt wird die Erfindung jedoch bei einem Hybridfahrzeug, insbesondere bei einem Parallelhybrid. Hierbei weist das Hybridfahrzeug bevorzugt eine Elektromaschine auf, die im Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet ist. Bei dieser Auslegung ist es besonders vorteilhaft, das Moment der als Generator betriebenen Elektromaschine unabhängig von der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Energiespeichers vorzusehen. Denn in dieser Konstellation ist die Elektromaschine üblicherweise ausreichend dimensioniert, um eine entsprechend unangenehme Wirkung beim Verzögerungsverhalten zu erzielen, wenn die vom Generator erzeugte elektrische Energie nicht mehr vollständig in den elektrischen Energiespeicher und/oder das Bordnetz abgegeben werden kann. Zum anderen ist ein relativ einfacher Betrieb möglich, da nur eine Elektromaschine betrachtet werden muss die zudem im Antriebsstrang selbst vorgesehen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind verschiedene elektrische Heizwiderstände vorgesehen, insbesondere solche mit unterschiedlichen und/oder regelbaren Widerstandswerten, und/oder an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeug. Damit ergibt sich eine flexible Möglichkeit, im Rekuperationsbetrieb anfallende elektrische Energie in Wärme umzuwandeln. Insbesondere kann dabei eine Priorisierung vorgesehen sein, indem eine im Rekuperationsbetrieb anfallende Energiemenge, die nicht zum Betrieb sämtlicher Heizwiderstände ausreicht, nach einem vorgegebenen Schema auf die verschiedenen Heizwiderstände verteilt wird.
Besonders bevorzugt sind die elektrischen Heizwiderstände im Bereich von Motor und/oder Getriebekomponenten positioniert. Dabei können Getriebekomponenten beispielsweise Achs-, Verteiler- oder Hauptgetriebe sein. Durch die gezielte Erwärmung dieser Komponenten ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung und somit ein geringerer Kraftstoffverbrauch besonders beim Kaltstart. Somit wird die im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie, die nicht im elektrischen Energiespeicher speicherbar ist, also nicht einfach „vernichtet" sondern gezielt genutzt. Damit ergibt sich also, neben dem gleich bleibenden Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs im Rekuperationsbetrieb, noch ein zusätzlicher Vorteil.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, elektrische Heizwiderstände im Bereich der Batterie vorzusehen. Moderne Hochleistungsbatterien benötigen eine sehr genaue Temperaturregelung, die auf diese Weise einfach dargestellt werden kann. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten stellen die Erwärmung des Innenraums des Kraftfahrzeuges, insbesondere über die Luftzuführungseinrichtungen, und/oder die Erwärmung des Fahrzeugkatalysators dar, zur Darstellung eines günstigen Abgasverhaltens. Des weiteren kann eine Erwärmung von Wasser, wie z. B. zur Kühl- oder Scheibenreinigungswasser, vorgesehen sein.
Zur Überwachung der Temperatur im Bereich eines oder mehrerer elektrischer Heizwiderstände können Temperaturmessfühler vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, beim Überschreiten eines Grenzwertes für die Temperatur keine im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie mehr zu diesem elektrischen Heizwiderstand zu leiten.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist wenigstens eine elektrisch betriebene Kühlkomponente, insbesondere ein Peltierelement, zur Umwandlung von im Rekuperationsbetrieb erzeugter elektrischer Energie in Kälte, vorgesehen. Auch dies stellt eine effiziente Möglichkeit dar, überschüssige elektrische Energie nicht einfach nur zu „vernichten" sondern gezielt zu nutzen. Derartige Kühlkomponenten können insbesondere im Bereich der Fahrzeugbatterie angeordnet sein, zur Sicherstellung des optimalen Temperaturbereichs moderner Hochleistungsbatterien. Weiterhin können sie zur Kühlung des Innenraums des Kraftfahrzeuges, insbesondere über die Luftzuführungseinrichtungen, vorgesehen sein. Dabei können eine oder mehrere solcher Kühlkomponenten zusätzlich oder alternativ zu dem oder den elektrischen Heizwiderständen vorgesehen sein. Im Extremfall ist die Erfindung auch lediglich unter Verwendung einer elektrisch betriebenen Kühlkomponente realisierbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt als Steuergerät in einem Hybridfahrzeug realisiert, als Modifikation eines oder mehrerer vorhandener Steuergeräte oder als separates Steuergerät wie z. B. in einem Hybridmanager. Der Datenaustausch ist dann einfach über das fahrzeugseitige Netzwerk, z. B. CAN, realisierbar.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt die Figur einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung.
Dargestellt ist ein Antriebsstrang 1 für ein Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor 2, eine Elektromaschine 3 und ein über einen Wandler 4 angebundendes Getriebe 5. Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der Elektromaschine 3 ist eine Kupplung 6 vorgesehen. Der Abtrieb des Getriebes 5 steht in Wirkverbindung mit einer antreibbaren Achse 7 des Hybridfahrzeugs. Hierzu ist das Getriebe 5 über eine Welle mit einem Differential 8 verbunden, zum Antrieb der Achse 7. Der Verbrennungsmotor weist eine Kraftstoffversorgung 9 auf. Die Elektromaschine 3 ist mit einer als Steuergerät ausgeführten Leistungselektronik 10 verbunden. Diese steuert beispielsweise eine Antriebs- bzw. Rekuperationsphase, das heißt den Betrieb der Elektromaschine 3 als Motor bzw. als Generator. Des Weiteren ist die Leistungselektronik 10 mit einem elektrischen Energiespeicher in Form einer Fahrzeugbatterie 11 sowie mit elektrischen Heizwiderständen 12a und 12b, die dem Getriebe 5 bzw. dem Verbrennungsmotor 2 zugeordnet sind, verbunden.
Dabei ist vorgesehen, dass im Rekuperationsbetrieb, das heißt, wenn die Elektromaschine 5 als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben wird und der Verbrennungsmotor 2 ggf. abgeschaltet ist, die erzeugte elektrische Energie von der Leistungselektronik 10 zu der Batterie 11 bzw. zu den elektrischen Heizwiderstände 12a, 12b geleitet wird. Dabei wird zunächst das Bordnetz des Hybridfahrzeugs mit der benötigten Menge an erzeugter elektrischer Energie versorgt. Sodann wird geprüft, ob die Batterie 11 einen ausreichenden Ladezustand aufweist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird eine entsprechende Menge an elektrischer Energie zur Batterie 11 geleitet, um diese aufzuladen. Wenn die Batterie 11 aufgeladen ist und somit keine elektrische Energie mehr benötigt, bzw. wenn die als Generator betriebene Elektromaschine 5 mehr elektrische Energie produziert als von der Batterie 11 benötigt wird, erkennt dies die Leistungsselektronik 10. In diesem Fall wird diese überschüssige elektrische Energie zu den elektrischen Heizwiderständen 12a bzw. 12b geleitet, zur Erwärmung von Getriebe- bzw. Motoröl, bzw. Kühlmittel.
Dabei sind dem Verbrennungsmotor 2 bzw. dem Getriebe 5 auch Temperaturmessfühler zugeordnet, die jeweils die Temperatur von Getriebe- bzw. Motoröl messen und an die Leistungselektronik 10 zurückmelden. Für den Fall, dass weder der Verbrennungsmotor 2 noch das Getriebe 5 einen jeweiligen Temperaturgrenzwert überschreiten, erfolgt eine Priorisierung derart, dass die überschüssige elektrische Energiemenge unterhalb eines Grenzwertes dem elektrischen Heizwiderstand 12b zugeleitet wird, zur Erwärmung des Verbrennungsmotors 2. Wenn die Menge an überschüssiger elektrischer Energie diesen Grenzwert überschreitet, wird die überschreitende Menge an überschüssiger elektrischer Energie dem elektrischen Heizwiderstand 12a zugeleitet, zur Erwärmung des Getriebes 5. Wenn der Verbrennungsmotor 2 bzw. das Getriebe 5 einen jeweiligen Temperaturgrenzwert überschreiten, kann vorgesehen sein, zu dem jeweiligen elektrischen Heizwiderstand 12a bzw. 12b keine überschüssige elektrische Energie mehr zu leiten. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät 10 die jeweils zugeordneten Heizwiderständen 12a bzw. 12b nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt, wenn entsprechende Temperaturhöchstwerte am Verbrennungsmotor 2 bzw. am Getriebe 5 überschritten sind. Alternativ kann das Kühlsystem des Hybridfahrzeugs genutzt werden, um die durch die elektrischen Heizelemente 12a, 12b anfallende zusätzliche Wärme abzuführen. Dann kann auf eine entsprechende Temperaturmessung und -steuerung verzichtet und lediglich eine Priorisierung durchgeführt werden.
Zusammenfassend ergibt sich ein stets gleich bleibendes Verzögerungsverhalten des Hybridfahrzeugs im Rekuperatinsbetrieb, unabhängig vom Ladezustand der Batterie 11. Dies führt zu einem für den Fahrer komfortablen Fahrerlebnis, da sich das Generatormoment nicht ändert und somit das Verzögerungsverhalten des Hybridfahrzeugs gleich bleibt. Die Leistungselektronik 10 sorgt stets dafür, dass die jeweils von der als Generator betriebenen Elektromaschine 5 gelieferte elektrische Energie entweder in die Batterie 11 oder in die elektrischen Heizwiderstände 12a bzw. 12b eingeleitet wird. Somit kann stets die von der als Generator betriebenen Elektromaschine 5 gelieferte elektrische Energiemenge auch abgenommen werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs für ein Straßenfahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, wobei der Antriebsstrang zumindest eine Elektromaschine, einen elektrischen Energiespeicher und eine Wirkverbindung zu wenigstens einer antreibbaren Achse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperationsbetrieb, also beim Betrieb der Elektromaschine als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers, erzeugte elektrische Energie zumindest teilweise zu wenigstens einem elektrischen Heizwiderstand geleitet wird, zur Umwandlung in Wärme.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei erzeugte elektrische Energie dann zu einem elektrischen Heizwiderstand geleitet wird, wenn der elektrische Energiespeicher die im Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie ganz oder teilweise nicht mehr speichern kann.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei erzeugte elektrische Energie in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich eines elektrischen Heizwiderstands zu diesem geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Heizwiderstände zur Erwärmung von Motor- und/oder Getriebeöl, von Wasser, der Batterie, des Innenraums des Kraftfahrzeuges insbesondere über die Luftzuführungseinrichtungen, und/oder des Fahrzeugkatalysators, vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere elektrische Heizwiderstände vorgesehen sind und erzeugte elektrische Energie mit unterschiedlicher Priorität zu den einzelnen elektrischen Heizwiderständen geleitet wird.
Antriebsstrang für ein Straßenfahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, wobei der Antriebsstrang zumindest eine Elektromaschine, einen elektrischen Energiespeicher und eine Wirkverbindung zu wenigstens einer antreibbaren Achse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät und wenigstens ein elektrischer Heizwiderstand vorgesehen sind, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, im Rekuperationsbetrieb, also beim Betrieb der Elektromaschine als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers, erzeugte elektrische Energie zu dem wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand zu leiten, zur Umwandlung in Wärme.
Antriebsstrang nach Anspruch 6, wobei verschiedene elektrische Heizwiderstände vorgesehen sind, insbesondere solche mit unterschiedlichen und/oder regelbaren Widerstandswerten.
Antriebsstrang nach Anspruch 6 oder 7, wobei elektrischen Heizwiderstände im Bereich von Motor/Getriebekomponenten, im Bereich der Batterie, im Bereich der Luftzuführungseinrichtungen zum Innenraum des Kraftfahrzeugs und/oder im Bereich des Fahrzeugkatalysators positioniert sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei zur Überwachung der Temperatur im Bereich eines elektrischen Heizwiderstands ein Temperaturmessfühler vorgesehen ist.