DE102019133006A1 - Modell-vorrausschauende steuerung eines antriebsstrangsystems unter verwendung von vorschauinformationen - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern von kontinuierlichen und diskreten Stellgliedern (z.B. Modi) in einem Antriebsstrangsystem beinhaltet das Empfangen von Vorschauinformationen von einem/einen Sensor(en), der/die einen bevorstehenden dynamischen Zustand zu einem zukünftigen Zeitpunkt beschreibt, und das Bereitstellen von Steuereingängen für die Stellglieder an eine Steuerung, die die Vorschauinformationen beinhaltet. Der Eingangssatz beschreibt zusammenfassend einen zukünftigen Ausgangszustand für Drehmoment oder Drehzahl zum zukünftigen Zeitpunkt. Die Steuerung verarbeitet den über ein dynamisches vorrausschauendes Modell eingestellten Eingang in Echtzeit, um Steuerungslösungen zu bestimmen, die zum gegenwärtigen Zeitpunkt für die Implementierung des dynamischen Zustands zum zukünftigen Zeitpunkt erforderlich sind. Eine niedrigste OpportunitätskostenSteuerungslösung wird ermittelt und optimiert. Die Steuerung führt die optimierte Lösung zum aktuellen Zeitpunkt aus.

Description

• EINFÜHRUNG
• Antriebssysteme erzeugen mit einem oder mehreren Antriebsmaschinen ein Drehmoment und übertragen das erzeugte Drehmoment auf eine angetriebene Last. So können beispielsweise ein Verbrennungsmotor und/oder eine oder mehrere elektrische Maschinen über eine Planetenradsatzanordnung mit einem Satz Antriebsräder, einer Antriebswelle, einem Riemenscheibensystem oder einer anderen angetriebenen Last gekoppelt werden. Mehrere Stellglieder werden in einem typischen Antriebsstrangsystem gesteuert, um einen gewünschten Arbeitspunkt in Bezug auf Drehmoment oder Drehzahl zu erreichen. Der Betriebspunkt eines Motors wird beispielsweise weitgehend durch Drosselklappenhöhe, Einspritzmenge, Einlass- und Auslassventilposition sowie Nockenwellenposition bestimmt. Solche Stellglieder mit stufenloser Leistung werden in der Fachsprache gemeinhin als „kontinuierliche“ Stellglieder bezeichnet.
• Bestimmte Komponenten des Antriebsstrangsystems sind in der Lage, in diskreten Modi zu arbeiten, wie beispielsweise in einem bestimmten festen Getriebezustand oder einem binären Ein/Aus-Betriebszustand eines bestimmten Antriebsmotors. Einige Systemkonfigurationen des Antriebsstrangs sind in der Lage, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen, indem sie eine Reihe der verfügbaren Zylinder des Motors selektiv deaktivieren. Die Anzahl der aktiven Zylinder, d.h. die jeweiligen Zylinder, die aktiv befüllt und befeuert bleiben, ist ebenfalls eine diskrete Größe und damit ein weiteres Beispiel für einen diskreten Modus. Die optimale Auswahl, das Timing und die Steuerung solcher diskreten Modi in einem Antriebsstrangsystem mit kontinuierlichen Stellgliedern stellt das dar, was in der Technik als hybrides Steuerungsproblem bezeichnet wird.
• BESCHREIBUNG
• Wie bereits erwähnt, stellt sich das Problem der Hybridsteuerung, wenn ein oder mehrere kontinuierliche Stellglieder eines Antriebsstrangsystems zu oder von einer diskreten Betriebsart wechseln. Angesichts der Vielzahl von Steuerungsvariablen, die in einem komplexen dynamischen System wie einem Antriebsstrangsystem zum Einsatz kommen, ist es oft schwierig, eine robuste Steuerungslösung mit Hilfe von vorprogrammierten Nachschlagetabellen oder kalibrierten Modusübergangsplänen präzise und effizient auf das Hybridsteuerungsproblem zu kalibrieren. Die Effizienz des Modusübergangs beeinflusst die allgemeine Geräuschentwicklung oder das „Gefühl“ eines bestimmten Modusübergangs, d.h. das Vorhandensein oder Fehlen von wahrnehmbaren Drehmomenttransienten, die dem Antriebsstrang des Antriebsstrangsystems während des Modusübergangs vermittelt werden.
• Die vorliegende Offenbarung zielt daher darauf ab, die transiente Drehmoment-/Leistungsabgabeleistung und das Energiemanagement eines exemplarischen Antriebsstrangsystems zu verbessern, wenn es um das oben genannte Hybrid-Steuerungsproblem geht und wenn keine diskreten Modusübergänge erforderlich sind. Der offenbarte Ansatz verwendet einen zukunftsorientierten zukünftigen Abtriebsdrehmomentbedarf, um die Steuerung über ein zukünftiges Zeitfenster, d.h. ein „Vorschaufenster“, wie hierin dargelegt, weiter zu optimieren. Insbesondere wird ein modell-vorrausschauender Steuerungsansatz (MPC - „model-predictive control“) über eine Steuerung und eine programmierte Methodik implementiert, die Vorschauinformationen von mehreren Sensoren und/oder internen oder externen Datenquellen enthält, um eine solche vorausschauende, zukunftsorientierte Steuerungsfunktionalität zu ermöglichen.
• Die Verwendung von Vorschauinformationen bildet einen Kernbestandteil der offenbarten zukunftsorientierten MPC-Strategie, bei der ein zukünftiger Referenzpunkt, z.B. eine Drehmomentkurve des Antriebsstrangsystems, die es ermöglicht, zum aktuellen Zeitpunkt einen zukünftigen Achsdrehmomentbedarf zu bestimmen, und ein Anlagenmodell des Antriebsstrangsystems in Echtzeit gemäß den Vorschauinformationen festgelegt und angepasst werden. Durch die Antizipation des zukünftigen Drehmomentbedarfs unter Verwendung eines gemeinsamen Satzes der von den mehreren Sensoren und/oder externen Systemen gelieferten Vorschauinformationen ist die Steuerung besser in der Lage, zum aktuellen Zeitpunkt proaktive Steuerungsmaßnahmen zu ergreifen, z.B. um mit der Vorbereitung oder Durchführung eines diskreten Modusübergangs zu beginnen, lange bevor der zukünftige Zeitpunkt erreicht ist. Dieser Ansatz ermöglicht einen schnelleren, reibungsloseren und letztlich effizienteren Betrieb des Antriebsstrangsystems im Vergleich zu Steuerstrategien, die ein konstantes Drehmoment annehmen oder anderweitig bestehende Steueraktionen basierend auf einem momentanen Drehmoment- oder Drehzahlbedarf durchführen.
• Die Sensoren, die als Teil des Antriebsstrangsystems verwendet werden, liefern zusammen die Vorschauinformationen in Bezug auf einen wahrscheinlichen bevorstehenden erforderlichen dynamischen Zustand, z.B. ein Beschleunigungs-/Verzögerungsereignis des Antriebsstrangsystems, wobei solche Ereignisse möglicherweise durch erwartete Höhenänderungen, Kurven, Stop-and-Go-Fahrmuster, schlechtes Wetter, das eine verminderte Traktion und/oder starke Bremsung anzeigt, usw. über einen Zeitraum, der innerhalb des Vorschaufensters liegt, verursacht werden. Beispiele für Sensoren sind GPS-Empfänger (Global Positioning Satellite), optische Kameras, Wetterdaten, Verkehrsinformationen, Lidar, Radar oder Ultraschalldaten und/oder Sensoren für Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V) oder Fahrzeug zu Infrastruktur (V2I). Zusätzlich kann ein Teil der resultierenden Rechenlast, die durch das vorliegende Verfahren entsteht, auf einen entfernten Server übertragen werden und/oder einige der offenbarten Prozessschritte können autonom ausgeführt werden. Während eine größere Anzahl und Vielfalt von Sensoren verwendet werden kann, um einen umfassenderen Satz von Vorschauinformationen bereitzustellen, beinhalten einige funktionale Ausführungsformen einen begrenzten Satz von Vorschauinformationen, beispielsweise von nur einem Sensor/Datentyp.
• Die Steuerung kann die Vorschauinformationen der verfügbaren Sensoren verwenden, um einen erforderlichen dynamischen Zustand, z.B. zukünftigen Achsdrehmomentbedarf/Leistungsbedarf, über einen einstellbaren, dynamischen Horizont oder ein Vorschaufenster zu schätzen und kumulative Kosten über die Dauer des Vorschaufensters zu prognostizieren. Die Steuerung leitet letztendlich einen optimalen Lösungssatz von kontinuierlichen Stellgliedern ab und verwendet in einigen Ausführungsformen die kontinuierlichen Stellglieder, um einen Übergang von einem diskreten Modus in einen anderen zu realisieren, oder hält den Betrieb einfach in einem bestehenden dynamischen Zustand aufrecht. Die Steuerung minimiert somit die projektierten Kosten unter Berücksichtigung von Einschränkungen, wie z.B. Ladezustandsbegrenzungen der Batterie und/oder Fahrbarkeit.
• In einer veranschaulichenden Beispielimplementierung weist ein hybrides elektrisches Antriebsstrangsystem einen Motor und eine elektrische Maschine auf, die so angeordnet sind, dass sie ein Drehmoment an ein Getriebe abgeben. Der Drehmoment-/Drehzahl-Betriebspunkt des Antriebsstrangsystems kann gesteuert werden, möglicherweise um einen diskreten Hybridmodusübergang oder einen Ein/Aus-Zustand des Motors oder der elektrischen Maschine zu beeinflussen. Im ausgeschalteten Zustand wird das Antriebssystem beispielsweise ausschließlich von einem eingebauten Batteriepack angetrieben, z.B. in einem Elektrofahrzeug-Modus (EV - „electric-vehicle“), wenn das Antriebssystem als Teil eines Hybrid-Elektrofahrzeugs verwendet wird. Im Motor-Ein-Zustand kann der Antriebsstrang ausschließlich vom Motor angetrieben werden, oder der Motor kann in Verbindung mit der elektrischen Maschine verwendet werden. Andere exemplarische diskrete Modi können eine Anzahl von Zylindern beinhalten, die aktiv betankt und in einem bestimmten Motorbetriebspunkt befeuert werden, wenn der Motor in einem Motorbetrieb ist.
• Wesentlich für die ordnungsgemäße Umsetzung der vorliegenden Steuerstrategie ist neben der Verwendung der oben genannten Vorschauinformationen zur Information von Aktionen über ein zukunftsorientiertes Vorschaufenster die integrierte und koordinierte Verwendung von (i) einem dynamischen vorrausschauenden Modell-Logikblock unter Verwendung von Vorausschau/Vorschau-Informationen des oben genannten Typs, (ii) einem abstimmbaren Logikblock zur Formulierung von Kostenfunktionen und (iii) einem Logikblock zur Echtzeit-Optimierung.
• In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Steuern mehrerer kontinuierlicher Stellglieder in einem Antriebsstrangsystem das Bereitstellen von Steuereingängen für die mehreren kontinuierlichen Stellglieder zu einem dynamischen vorrausschauenden Modell des Antriebsstrangsystems, wobei die Steuereingängen gemeinsam einen gewünschten Ausgangszustand des Antriebsstrangsystems beschreiben und wobei die Steuereingängen die oben genannten Vorschauinformationen beinhalten. Ebenfalls in das dynamische Vorhersagemodell eingegeben werden die Vorschauinformationen, die selbst den erforderlichen dynamischen Betriebszustand des Antriebsstrangsystems zum zukünftigen Zeitpunkt anzeigen. Aus den Vorschauinformationen der Steuerung kann eine Drehmoment-/Leistungsbedarfstrajektorie abgeleitet werden, um den gewünschten Betriebszustand zum zukünftigen Zeitpunkt zu bestimmen, wobei der zukünftige Zeitpunkt in das Vorschaufenster fällt.
• Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen, unter Verwendung des dynamischen vorrausschauenden Modells, einer Reihe von möglichen Steuerungslösungen zum Erreichen des Ausgangszustands zum zukünftigen Zeitpunkt. Ein Kostenfunktions-Logikblock wird verwendet, um aus den möglichen Steuerungslösungen eine niedrigste Opportunitätskostensteuerungslösung zu identifizieren, die zum aktuellen Zeitpunkt in Vorbereitung auf den Übergang in den gewünschten Ausgangszustand, z.B. einen diskreten Modus oder einen anderen Drehzahl-/Drehmoment-Betriebspunkt, zum zukünftigen Zeitpunkt zu verwenden ist. Der gesamte Prozess verläuft kontinuierlich, so dass die Steuerung auf einen nächsten zukünftigen Zeitpunkt, z.B. ein kalibrierbares oder einstellbares Intervall in der Zukunft blickt, die erforderliche Drehmomenttrajektorie aus den Vorschauinformationen berücksichtigt und dann eine Steuerreaktion in Echtzeit an den sich ändernden Eingangssatz anpasst.
• Das Verfahren kann zusätzlich das Verarbeiten der niedrigsten Opportunitätskostensteuerungslösung durch einen Echtzeitoptimierungs-Logikblock der Steuerung zum Bestimmen einer optimierten Lösung und danach das Ausführen der optimierten Lösung über die Steuerung beinhalten, wie beispielsweise das Beginnen eines Übergangs in einen diskreten Modus vor dem zukünftigen Zeitpunkt.
• Der Kostenfunktions-Logikblock kann die kostengünstigste Steuerungslösung basierend auf der Energieeffizienz in einigen Ausführungsformen bestimmen, z.B. Energieeffizienz, z.B. Kraftstoffwirtschaftlichkeit in einem Antriebsstrangsystem, das einen Motor beinhaltet, und/oder Batterieeffizienz in Antriebssystemen, die ein Batteriepack beinhalten. So kann beispielsweise die Steuerung den Betrieb des Motors selektiv minimieren/deaktivieren und gleichzeitig ein gewünschtes Abtriebsdrehmoment auf einem Niveau halten, das zur Erfüllung der aus den Vorschauinformationen abgeleiteten vorhergesagten Drehmomenttrajektorie erforderlich ist. Andere Leistungskennzahlen können Fahrbarkeit und Emissionen und/oder gewichtete Kombinationen verschiedener gewünschter Leistungskennzahlen beinhalten.
• Die Verarbeitung der kostengünstigsten Steuerungslösung durch einen Echtzeitoptimierungs-Logikblock beinhaltet in einigen Ausführungsformen die Verwendung eines Hybridlösers, ausgewählt aus konvexer Optimierung, quadratischer Programmierung und gemischtganzzahliger quadratischer Programmierung. Der Hybridlöser kann optional aus der konvexen Optimierung, der quadratischen Programmierung und den gemischt-ganzzahligen quadratischen Programmieroptionen wählen, die auf einer Last und einer Geschwindigkeit des Systems basieren.
• Ebenfalls offenbart wird ein System mit mehreren kontinuierlichen Stellgliedern. Die Stellglieder können optional eingerichtet werden, um die diskreten Betriebsarten in einigen Ausführungsformen zu erreichen. Mindestens ein Sensor liefert die oben genannten Vorschauinformationen, und eine Steuerung ist eingerichtet, um die Vorschauinformationen in dem oben beschriebenen Verfahren zu verwenden.
• Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modalitäten für die Durchführung der Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.
• Figurenliste
• 1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Antriebsstrangsystems und einer modenbasierten vorrausschauenden (MPC) Steuerung, die als Teil eines exemplarischen Hybrid-Elektrofahrzeugs verwendet wird, wobei die MPC-Steuerung eine zukunftsorientierte modellbasierte hybride Steuerungsarchitektur bereitstellt, die Vorschauinformationen wie hierin dargelegt verwendet.
• 2 ist ein schematisches logisches Flussdiagramm für die Steuerung von 1.
• 3 ist eine schematische Darstellung einer exemplarisch optimierten Lösung, die von der Steuerung von 1 erzeugt wird.
• 4 ist ein schematisches Diagramm der Motordrehzahl (horizontale Achse) gegenüber der Last (vertikale Achse), das eine Nennschalterkarte zur Implementierung einer Hybridlöserfunktion mit der Steuerung von 1 darstellt.
• 5 ist ein repräsentatives Zeitdiagramm einer vorhergesagten Drehmomenttrajektorie unter Verwendung von Vorschauinformationen für das in 1 dargestellte Fahrzeug.
• 6 ist ein Flussdiagramm, das ein vorrausschauendes Drehmomentmanagementverfahren beschreibt, das Vorschauinformationen wie hier beschrieben enthält.
• Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für verschiedene Änderungen und alternative Formen, und einige repräsentative Ausführungsformen wurden exemplarisch in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Neuartige Aspekte der Offenbarung beschränken sich jedoch nicht auf die in den beigefügten Figuren dargestellten besonderen Formen. Vielmehr soll die Offenbarung Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und/oder Alternativen umfassen, die in den Geltungsbereich der Offenbarung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten in den mehreren Figuren beziehen, wird in 1 ein Beispielsystem in Form eines an Bord eines Fahrzeugs 10 verwendeten Antriebsstrangsystems 24 dargestellt. Zur veranschaulichenden Konsistenz wird im Folgenden das Fahrzeug 10 mit Bezug auf die verschiedenen Figuren als Beispielanwendung beschrieben. Die vorliegenden Lehren können jedoch vorteilhaft auf andere dynamische Systeme mit einem ähnlichen Antriebssystem 24, in diesem Fall ein Antriebssystem 24, angewendet werden, einschließlich anderer Fahrzeuge als des veranschaulichten Kraftfahrzeugs 10, z.B. Wasserfahrzeuge, Flugzeuge oder Schienenfahrzeuge, etc. sowie Roboter, Plattformen und andere mobile Systeme.
• Das Antriebsstrangsystem 24 in der Umsetzung von 1 ist eine hybride elektrische Version des Antriebsstrangsystems 24 und beinhaltet daher einen Verbrennungsmotor (E) 12 mit einer Vielzahl von Motorzylindern 12C, in denen jeweils ein Hubkolben angeordnet ist (nicht dargestellt). Das Antriebsstrangsystem 24 beinhaltet auch mindestens eine elektrische Maschine (M_E) 18, z.B. einen elektrischen Fahrmotor, ein Getriebe (T) 20 und eine Steuerung 50, von der letztere eingerichtet ist, um den Betrieb des Antriebsstrangsystems 24 mittels modell-vorrausschauender Steuerung (MPC) zu regeln. Wie im Folgenden unter besonderer Bezugnahme auf die 2-6 beschrieben, verwendet die Steuerung 50 einen zukunftsorientierten/vorherausschauenden modellbasierten Ansatz und Vorschauinformationen aus einem Satz von Sensoren 55, d.h. physikalischen Sensoren und/oder Datenquellen, um zukünftige Modellparameter vorherzusagen und anstehende Steueraktionen und eventuell daraus resultierende Modusänderungen oder Drehzahl-/Drehmomentbetriebspunkte zu planen. Die Steuerung 50 findet dann eine kostenoptimierte Lösung für das oben beschriebene Hybrid-Steuerungsproblem und führt zum aktuellen Zeitpunkt Steuerungsaktionen durch, die die niedrigsten Kosten zum zukünftigen Zeitpunkt oder die niedrigsten kumulierten Kosten über ein einstellbares Vorschaufenster aufweisen, wie unten erläutert.
• Die Kosten der verschiedenen möglichen Lösungen können durch besondere Faktoren von Bedeutung gewichtet werden, wie z. B. einen Kompromiss bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit im Verhältnis zur Drehmomentverteilung des Motors 12 und/oder der elektrischen Maschine 18. Das heißt, die Steuerung 50 kann eingerichtet werden, um zu einem späteren Zeitpunkt automatisch zwischen den einzelnen Betriebsarten des Antriebsstrangsystems 24 umzuschalten und genau zu bestimmen, wann ein solcher Übergang eingeleitet werden soll, wobei die Mischsteuerung eines oder mehrerer kontinuierlicher Stellglieder in einer Weise erfolgt, die durch Vorschauinformationen der Sensoren 55 informiert wird. Solche Kontrollmaßnahmen können auch ohne Moduswechsel durchgeführt werden. Als gewünschtes Steuerungsergebnis wird die Gesamteffizienz und das Gefühl des Übergangs zwischen diskreten Modi verbessert oder ein effizienterer Betrieb im zukünftigen Betriebspunkt im Vergleich zu bestehenden Nachschlagetabellen- oder Ad-hoc-Programmieransätzen ermöglicht, was zu einer Reduzierung von Rauschen, Vibrationen und Rauheit während der Übergänge führt.
• In einer exemplarischen Darstellung kann der in 1 schematisch dargestellte Motor 12, wie in der Technik verstanden, verschiedene kontinuierliche Stellglieder in Form von Drosselklappe, Kraftstoffeinspritzventilen, die die Kraftstoffeinspritzmenge, die Nockenposition und/oder die variable Ventilstellung steuern, aufweisen und an den Einlässen und Auslässen der verschiedenen Zylinder 12C des Motors 12 anheben. Ein diskreter Modus zur Veranschaulichung kann ein Ein-/Aus-Betriebszustand des Motors 12, elektrische Antriebsarten sowie die Anzahl der befeuerten und befeuerten Zylinder 12C sein, d.h. die Anzahl der aktiven Zylinder 12C und verschiedene Ventilhubsätze. Andere diskrete Modi können im Rahmen der Offenbarung vorgesehen werden, einschließlich eines festen Gangzustands des Getriebes 20, z.B. 1. Gang, 2. Gang, 3. Gang, etc. Der Betrieb der Steuerung 50 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2-6 näher beschrieben.
• Weiterhin kann der Motor 12 in Bezug auf das exemplarische Antriebssystem 24 von 1 über eine Eingangskupplung (C_I), wie beispielsweise eine Reibungskupplung oder eine hydrodynamische Drehmomentwandleranordnung, selektiv mit dem Getriebe 20 verbunden werden. Das Zünden der Motorzylinder 12C erzeugt ein Motordrehmoment (Pfeil T₁₂ ), wobei das Motordrehmoment (Pfeil T₁₂ ) über die Eingangskupplung (C_I) auf ein Eingangselement 21 des Getriebes 20 übertragen wird. Ein Abtriebselement 121 des Getriebes 20 überträgt das Abtriebsdrehmoment (Pfeil T_O ) auf eine oder mehrere Antriebsachsen 22, so dass das Abtriebsdrehmoment im Rahmen der Offenbarung als Achsdrehmoment betrachtet wird. Die Antriebsachsen 22 sind mit einem Satz Antriebsräder 14 im veranschaulichten Beispiel Kraftfahrzeug 10 Ausführungsform von 1 gekoppelt. Das Eingangsdrehmoment (Pfeil T_I ) in das Getriebe 20 wird somit durch Kombinationen von Motordrehmoment (Pfeil T₁₂ ) und Motordrehmoment (Pfeil T₁₈ ) bereitgestellt, um einen aktuellen und zukünftigen Drehmomentanspruch zu erfüllen.
• Als Teil des Kraftfahrzeugs 10 kann ein Hochspannungs-Batteriepack (B_HV- „high-voltage battery pack“) 15 über positive (+) und negative (-) Schienen eines Hochspannungs-Gleichspannungsbusses 11 elektrisch mit einem Wechselrichtermodul (PIM - „power inverter module“) 16 verbunden sein. Das PIM 16 kann über PWM-Spannungssteuersignale von der Steuerung 50 oder einem anderen Steuergerät gesteuert werden, um eine Wechselspannung (V_AC) über einen Hochspannungs-Wechselspannungsbus 111 auszugeben. Im Gegenzug können Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 18 über den Wechselspannungsbus 111 mit Strom versorgt werden, um das Motordrehmoment (Pfeil T₁₈ ) durch Drehen eines Rotors 19 der elektrischen Maschine 18 stufenlos zu erzeugen. Die elektrische Maschine 18 bildet somit im Rahmen der Offenbarung ein weiteres kontinuierliches Stellglied. Ein Hilfsenergiemodul (APM) 25 kann an den Hochspannungsbus 11 angeschlossen und als DC-DC-Wandler eingerichtet werden, um eine Nieder-/Hilfsspannung über einen Hilfsspannungsbus 13 auszugeben. An den Hilfsspannungsbus 13 kann eine Hilfsbatterie (B_AUX - „auxiliary battery“) 26 angeschlossen werden.
• Um hybride Misch- und Steuerfunktionen unter Verwendung des gemeinsamen Satzes von Vorschauinformationen der Sensoren 55 auszuführen, wird die Steuerung 50 von 1 mit einem Predictive Model (PM) 52, einem Cost Function Formulation (CFF) Logikmodul 54 und einem Real-Time Optimization (RTO) Logikmodul 56 programmiert. Die Steuerung 50 empfängt Steuereingängen (Pfeil-CC_I) in Echtzeit, einschließlich der Vorschauinformationen (CC_P), wobei die Steuerung 50 einen Prozessor (P) und Speicher (M) aufweist. Der Speicher (M) beinhaltet greifbare, nicht-flüchtige Speicher, z.B. Nur-Lese-Speicher, ob optisch, magnetisch, Flash oder anderweitig.
• Die Steuerung 50 beinhaltet ausreichende Mengen an Direktzugriffsspeicher, elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstakt und -zähler, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen, Ein-/Ausgabeschaltungen und Vorrichtungen sowie entsprechende Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen. Die Ausführung der Anweisungen 100 ermöglicht es der Steuerung 50, automatisch Ausgangssignale (Pfeil CC_O ) zu erzeugen und an das Antriebsstrangsystem 24 zu übertragen, um den Betrieb des Motors 12, der elektrischen Maschine 18 und des Getriebes 20 im Vorgriff auf den zukünftigen Drehmoment- oder Drehzahlbedarf zu steuern, wie er aus dem gemeinsamen Satz von Vorschauinformationen der Sensoren 55 hervorgeht. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 50 in drahtloser/funkfrequenter Kommunikation mit einem entfernten Server (SVR) 80 stehen, wie durch den Doppelpfeil CC_X angezeigt. So kann beispielsweise eine Telematikeinheit 85 der Steuerung 50 verwendet werden, um eine Funkkommunikation mit dem Server 80 herzustellen. Auf diese Weise kann ein Teil der durch die Ausführung des Verfahrens 100 verursachten Rechenlast auf die Steuerung 50 auf den Server 80 übertragen werden. Die Steuerung 50 kann daher eingerichtet werden, um die Steuereingänge (Pfeil CC_I ) zu verarbeiten, indem die Verarbeitung der Steuereingänge (Pfeil CC_I ) auf den Server 80 entladen wird und bei Bedarf gegebenenfalls andere Berechnungsdaten entladen werden.
• In Bezug auf die Vorschauinformationen stellt dieser gemeinsame Datensatz, der in den Eingangssignalen (Pfeil CC_I ) zur Steuerung 50 enthalten ist, eine zukünftige Referenz und die zugehörigen Betriebsbedingungen des Antriebsstrangsystems 24 dar. Beispielsensoren 55 beinhalten einen Empfänger für ein globales Positionierungssystem (GPS) 27, der GPS-Informationen 127, einschließlich bevorstehender Höhenänderungen, bevorstehender Richtungsdaten und zugehöriger Geokoordinaten, Lidar 28, der Lidar-Daten 128, Radar 29, der Radardaten 129, einen Wettersensor 30, der Wetterinformationen 130 liefert, und verschiedene Sensoren (MISC) 31, die andere verschiedene Daten 131 bereitstellen, wobei letztere möglicherweise Cloud-basierte Informationen, Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V) oder Fahrzeug-zu-Infrastruktur-(V2I)-Daten usw. beinhalten.
• Anstatt von einer bestimmten zukünftigen Referenz auszugehen, beispielsweise durch die Annahme, dass das Eingangsdrehmoment (T_I ) oder sein konstituierendes Motordrehmoment (T₁₂ ) und der Wert oder die Trajektorie des Motordrehmoments (T₁₈ ) über einen bestimmten Zeitraum konstant bleiben, wird die Vorschauinformation der Eingangssignale (Pfeil CC_I ) der Sensoren 55 stattdessen verwendet, um eine Drehmomenttrajektorie über ein bevorstehendes einstellbares Vorschaufenster zu prognostizieren, wobei das Fenster nachfolgend in Bezug auf 3 näher beschrieben wird. Die Steuerung 50 bestimmt auch die erforderlichen Steuerungsmaßnahmen, die zum aktuellen Zeitpunkt zu ergreifen sind, um ein gewünschtes zukünftiges Ergebnis zu beeinflussen, wie beispielsweise einen zukünftig erforderlichen dynamischen Zustand und/oder eine daraus resultierende diskrete Modusänderung zum zukünftigen Zeitpunkt. Mit anderen Worten, die zum aktuellen Zeitpunkt durchgeführten Kontrollmaßnahmen werden durch die Auswirkungen dieser Kontrollmaßnahmen auf den zukünftigen Zeitpunkt beeinflusst, wobei sich die Steuerung 50 zu jedem Zeitpunkt kontinuierlich aktualisiert. Unter Verwendung eines prognostizierten Modells des Antriebsstrangsystems 24 und von Betriebspunktinformationen, die durch die Vorschauinformationen über das Vorschaufenster informiert werden, löst die Steuerung 50 optimale Steuereingängen zu einem aktuellen Zeitschritt, so dass der Steuereffekt zu einem zukünftigen Zeitschritt optimiert wird.
• Unter Bezugnahme auf 2 werden die Anweisungen/Methode 100 unter Verwendung der eingebetteten Steuerlogik 50L ausgeführt. Die Eingangssignale (Pfeil CC_I ) in der Steuerungslogik 50L beinhalten die oben genannten Vorschauinformationen, d.h. die Daten 127, 128, 129, 130 und 131 der Sensoren 55, die zum Bestimmen einer gewünschten zukünftigen Drehmoment-Trajektorie (TQ_des) und einer Drehzahl (RPM), z.B. des Motors 12 und/oder der elektrischen Maschine 18, verwendet werden, um den erforderlichen Drehmomentbedarf zu einem zukünftigen Zeitpunkt innerhalb des oben genannten Vorschaufensters zu decken. Die Vorschauinformationen bilden somit eine erforderliche zukünftige Drehmomentkurve, deren Beispiel in 5 als Kurve 70P dargestellt und im Folgenden näher beschrieben wird. Die Steuerlogik 50L von 2 kann die Vorwärtsregelung-Logikblöcke (FF) 60 und 62 und einen Hybridsteuerungs-(HC)-Logikblock 64 beinhalten. Die in den Beispielen in den 2-6 verwendeten Variablen sind nicht einschränkend und sollen die vorliegenden Lehren im Rahmen einer exemplarischen Darstellung demonstrieren, bei der die kontinuierlichen Stellglieder der Motor 12, die elektrische Maschine 18 oder Komponenten davon sind.
• In einer solchen Ausführungsform können repräsentative Steuereingänge (U) für den Motor 12 repräsentativ oder als Reaktion auf ein vom Benutzer angefordertes oder autonom angefordertes Motordrehmoment (Pfeil T₁₂ ) und/oder Abtriebsdrehmoment (Pfeil T_O ) Variablen wie Drosselklappe (u_th), Wastegate Position (u_wg), Kraftstoffzeitpunkt und -menge (u_f), variable Ventilsteuerung (u_VVT) und/oder andere geeignete Eingänge beinhalten. Die Art und Weise, wie der Motor 12 letztendlich reagiert, wird von einem Steuerausgangssatz (Y) erfasst, als Werte wie Drehmoment (TQ), Verteilerluftdruck (MAP), Zylinderluftladung (CAC), Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ), etc. Wie vorstehend erwähnt, können verschiedene Variablen den Eingangssatz U und den Ausgangssatz Y für andere Stellglieder, z.B. die elektrische Maschine 18, umfassen, so dass die in den Beispielsätzen U und Y dargestellten Variablen nicht begrenzt sind.
• In der exemplarischen Steuerungslogik 50L von 2 werden das gewünschte Drehmoment (TQ_des) und die Motordrehzahl (U/min) aus den Vorschauinformationen der Sensoren 55 von 1 abgeleitet, anstatt ein sofort angefordertes Drehmoment / U/min zu sein. Die Eingangssignale (Pfeil CC_I ) werden in die Vorwärtsregelung-Logikblöcke 60 und 62 eingespeist. Aus den Sollwerten ermittelt die Steuerung 50 z.B. über eine Nachschlagetabelle einen entsprechenden Satz von Ausgabewerten. So kann beispielsweise der Vorwärtsregelung-Logikblock 60 das Timing von Einlass- und Auslassnocken (ICam bzw. ECam) des Motors 12 sowie einen Funkenvorschubwert (SA - „spark advance“) ausgeben, der ebenfalls eine Zeitgröße ist. In einer exemplarischen Ausführungsform, in der der diskrete Modus eine Anzahl aktiver Zylinder 12C des in 1 dargestellten Motors 12 ist, kann der Vorwärtsregelung-Logikblock 60 eine nominale Anzahl aktiver Zylinder 12C (nref) ausgeben, die zur Erfüllung solcher Eingangsanforderungen erforderlich sind. Aus den verschiedenen Eingangswerten kann der Vorwärtsregelung-Logikblock 62 auch einen Referenzeingangssatz (Uref) bestimmen, wobei der Referenzeingangssatz (Uref) exemplarische Referenzwerte sind, die die Steuerung 50 ohne nachfolgende Verwendung des Hybridsteuerblocks 64 normalerweise von zugeordneten kontinuierlichen Stellgliedern des Motors 12 erwarten würde.
• Innerhalb des Flusses der Steuerlogik 50L von 2 empfängt die hybride Steuerlogik 64 die verschiedenen Nachschlagetabellen oder Funktionsausgaben vom Vorwärtsregelung-Logikblock 60, den Referenzeingangssatz (U_ref) vom Vorwärtsregelung-Logikblock 62 und die gewünschten und rückgekoppelten/sensitiven Ausgänge (Y_des und Y_fbk). Die hybride Steuerlogik 64 bestimmt und gibt letztendlich den endgültigen Satz von Steuereingängen (U) an die kontinuierlichen Stellglieder, z.B. die des Motors 12, aus und kann auch eine diskrete Modusentscheidung (n) ausgeben, wobei der Wert von (n) möglicherweise der Ein/AusZustand des Motors 12 oder die Anzahl der aktiven Zylinder 12C des Motors 12 in einer nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsform ist, die wiederum zu jedem diskreten Zeitpunkt eine ganze Zahl oder ein Bruchteil sein kann. Die hybride Steuerungslogik 64 kann auch eine Zündvorverstärkung (g_SA) als Wert zwischen 0 und 1 ausgeben, der für die Menge der Zündverzögerung beim Motordrehmoment repräsentativ ist, z.B. g_SA = 0,5, was zu einer Drehmomentreduzierung von 50 Prozent führt.
• In Bezug auf die veranschaulichte hybride Steuerungslogik 64 von 2 und unter Verwendung von Variablen, die für eine nicht einschränkende exemplarische Ausführungsform mit dem Motor 12 relevant sind, ermöglicht die Steuerung 50 von 1 eine vorausschauende Steuerung des Antriebsstrangsystems 24 basierend auf einer Echtzeit-Optimierung einer über das CFF-Modul 54 ausgeführten Opportunitätskostenfunktion über das RTO-Modul 56, die alle einem dynamischen vorausschauenden Modell unterliegt, das durch die PM 52 und andere Betriebsbedingungen dargestellt wird. Die PM 52 verkörpert ein dynamisches Vorhersagemodell der Regelstrecke, in diesem Fall des Kraftfahrzeugs 10 oder des Antriebsstrangsystems 24 aus 1. Die PM 52 kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden: $$\frac{\text{d}}{\text{dt}}\left[\begin{array}{c}{\text{P}}_{\text{im}}\\ \mathrm{\varphi }\end{array}\right]=\text{A}\left(\mathrm{\rho },{\text{ n}}_{\text{cyl}}\right)\left[\begin{array}{c}{\text{P}}_{\text{im}}\\ \mathrm{\varphi }\end{array}\right]+\text{B}\left(\mathrm{\rho },{\text{ n}}_{\text{cyl}}\right)\left[\begin{array}{c}{\text{u}}_{\text{th}}\\ \text{CFC}\end{array}\right]$$

  

  wobei A und B zwei ursprüngliche Systemmatrizen sind und n_cyl als Modellparameter verwendet wird, d.h. die Anzahl der aktiven Zylinder 12C. Somit kann der Wert von n_cyl für einen Abschaltzustand des Motors gleich Null sein. Zum Beispiel: $${\overline{A}}_c\left(\rho \right)=\left[\begin{array}{cc}-\frac{V_{cyl}\eta \left(P_{im},N,ICam,ECam\right)N}{120V_{im}}& 0\\ 0& -\frac{1}{{\tau }_{\lambda }}\end{array}\right]$$

  

  $$B_c\left(\rho \right)=\left[\begin{array}{cc}-\frac{\sqrt{R}{T}_{im}{P}_{amb}N}{120V_{im}}\Psi \left(\frac{P_{im}}{P_{amb}}\right)A_{th}\left(P_{im}\right)& 0\\ 0& \frac{AF{R}_s}{{\tau }_{\lambda }CA{C}_{czl}}\end{array}\right]$$

  

  wobei τ_λ eine Zeitkonstante ist, R_S eine Gaskonstante ist, CFC und CAC eine Menge an Zylinderkraftstoffladung bzw. Zylinderluftladung sind, wobei A_th eine wirksame Drosselfläche darstellt, η sich auf den volumetrischen Wirkungsgrad bezieht, ψ eine nichtlineare Funktion des Druckverhältnisses über die Drossel ist, d.h. in Form einer Blendengleichung, ϕ ein Äquivalenzverhältnis ist, P_im sich auf den Ansaugkrümmerdruck bezieht, T_amb Umgebungstemperatur ist und T_im die Eingangskrümmertemperatur ist.
  Zusätzlich ist N in der obigen Gleichung die Drehzahl des Motors 12 von 1, V_im ist das Ansaugkrümmervolumen, V_cyl ist das Zylinderverstellvolumen und AFRS ist das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Der variable Vektor p definiert den Satz von Echtzeit-Steuerdaten und -Messungen, z.B. p = (N, P_im, ICam, ECam, T_im, P_amb, T_amb) entsprechend der nicht einschränkenden Ausführungsform, in der der Motor 12 die betreffenden kontinuierlichen Stellglieder bereitstellt. Mit anderen Worten, die ursprünglichen Systemmatrizen werden durch den Variablenvektor p parametrisiert, der dann in Echtzeit aktualisiert wird. Die Drehmomentabgabe des Motors 12 kann in Abhängigkeit von den oben genannten Zuständen, einschließlich CAC, CFC, SA und dem Vektor p, bestimmt werden.
• Eine Herausforderung bei der Steuerungsprogrammierung stellen die obigen mathematischen Darstellungen dar, da einige Werte, wie z.B. die Anzahl der Zylinder (n_cyl), möglicherweise nicht als Steuereingang per se erscheinen, sondern ein Parameter bleiben, der die Systemdynamik beeinflusst. Stattdessen kann die Anzahl der aktiven Zylinder 12C in Echtzeit als Modusentscheidung mit dem Hybridsteuer-Logikmodul 64 bestimmt werden. So kann die Modellreformatierung unter Verwendung von Analyse oder Linearisierung durchgeführt werden, um die Beziehung von n_cyl = 1 + n_cyl,B einzuführen, um die obige Gleichung in die folgende Gleichung zu transformieren, wobei der Wert n_{cyl, B} danach wie ein Steuereingang wirkt: $$\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{P}_{im}\\ \varphi \end{array}\right]=\overline{A_c}\left(\rho \right)\left[\begin{array}{c}{P}_{im}\\ \varphi \end{array}\right]+\overline{B_c}\left(\rho \right)\left[\begin{array}{c}\stackrel{u_{th}}{CFC}\\ n_{cyl,B}\end{array}\right]$$

  
• Somit können Systemmatrizen mit der Anzahl der aktiven Zylinder 12C (n_cyl), die nun in den Eingangsbereich transformiert werden, wie folgt ausgedrückt werden: $${\overline{A}}_c\left(\rho \right)=\left[\begin{array}{cc}-\frac{V_{cyl}\eta \left(P_{im},N,ICam,ECam\right)N}{120V_{im}}& 0\\ 0& -\frac{1}{{\tau }_{\lambda }}\end{array}\right]$$

  

  $${\overline{B}}_c\left(\rho \right)=\left[\begin{array}{lll}-\frac{\sqrt{R}{T}_{im}{P}_{amb}N}{\sqrt{T_{amb}}{V}_{im}}\Psi \left(\frac{P_{im}}{P_{amb}}\right)A_{th}\left(P_{im}\right)\hfill & 0\hfill & -\frac{V_{cyl}\eta \left(P_{im},N,ICam,ECam\right)N}{120V_{im}}\hfill \\ 0\hfill & \frac{AF{R}_s}{{\tau }_{\lambda }CA{C}_{cyl}}\hfill & 0\hfill \end{array}\right]$$

  
• Während die Anzahl der Zylinder 12C in diesem Fall als ein von der Steuerung 50 zu bestimmender Ausgang beschrieben wird, können Quasi-Hybridlösungen eine aktive Zylinderabschaltung ermöglichen, wenn eine solche Schaltentscheidung vorgegeben ist. In einer solchen Ausführungsform kann die Anzahl der Zylinder 12C als Steuereingang verwendet werden.
• In Bezug auf das Kostenfunktionsformulierungs-(CFF)-Modul 54 von 2 stellt dieser Logikblock einen kalibrierbaren Kostenkoeffizienten bei der Drehmomentmanagement des Antriebsstrangsystems 24 von 1 mit erzwungener Kraftstoffwirtschaftlichkeitsoptimierung dar und fungiert somit als integriertes Modusentscheidungswerkzeug und diskreter Modusschalter. Das CFF-Modul 54 etabliert eine eindeutige Kostenfunktion (J), z.B, $$J={\displaystyle \sum _t^{t+N}\left[e_p^T{e}_p+{\left(u-u_{ref}\right)}^{T}R\left(u-u_{ref}\right)+FE\right]}$$

  
• Die Steuerung 50 versucht somit, die Kosten J zu minimieren und die Drehmomentverfolgung mit dem gesamten Satz von Steuereingängen zu kombinieren, einschließlich in diesem Beispiel der Anzahl der Zylinder (n_cyl) und der Kraftstoffwirtschaftlichkeit (FE). Teil der obigen Kostenfunktion ist ein vorhergesagter Fehler (e_p) in Vektorform und seine Transponierung (T), d.h., ${\text{e}}_{\text{p}}^{\text{T}}$

  

  $$e_p=W\left(z^{-1}\right)\left[Y_{ref,\left(k\dots ,k+Npreview\right)}-Y_{fbk}\right]$$

  

  wobei W(z^-1) ein dynamischer Entwurfsparameter/Filter zum Glätten des Fehlervektors ist. [Y_Ref - Y_fbk] was wiederum die Differenz zwischen den gewünschten Ausgängen (basierend auf zukünftigen Referenzen) und den gemessenen Ausgängen ist. Somit berücksichtigt das CFF-Modul 54 den zukünftigen Drehmomentbedarf (Zeit t bis Zeit t + N) in den Kosten- und Steuerreferenzen innerhalb eines gegebenen zukunftsgerichteten Vorhersagehorizonts der Größe N. Die Abweichung des endgültigen Steuereingangsvektors u von seinen entsprechenden nominalen Referenzwerten, bezeichnet durch u_ref, wird auch in der Gesamtkostenfunktion J erfasst.
• Insbesondere im Hinblick auf die Kraftstoffwirtschaftlichkeit (FE) und in Übereinstimmung mit dem nicht einschränkenden Beispiel der Steuerung des Motors 12 in einem veranschaulichenden Szenario der aktiven Zylinderabschaltung versucht das CFF-Modul 54 idealerweise, CAC oder n_cyl zu minimieren und gleichzeitig das gleiche Drehmoment vom Motor 12 aus 1 bereitzustellen. $$FE=f\left[W_1\left(z^{-1}\right)CAC,W_2\left(z^{-1}\right)ncyl,\dots \right]$$

  

  wobei W1, W2, etc. Filter oder Kostenstrafen sind. Das CFF-Modul 54 kann optional Betriebswechselstrafen beinhalten, z.B. durch Bestrafung von Änderungen der Anzahl der Motorzylinder oder durch Verwendung anderer Geräuschkennzahlen als zusätzliche Begriffe in der Kostenfunktion.
• Das RTO-Modul 56, das sich noch auf 2 bezieht, verkörpert einen Echtzeit-Optimierer und ist somit eingerichtet, um eine optimale zukünftige Steuersequenz zur Minimierung der oben beschriebenen Kostenfunktion (J) zu bestimmen. Mit anderen Worten, das RTO-Modul 56 optimiert einen bestimmten Steuersatz (U), der die Werte für kontinuierliche Steuersequenzen und diskrete Modussequenzen kombiniert, indem es die Kosten (J) für die Implementierung eines solchen Steuersatzes minimiert. Es gibt verschiedene Optionen für die Implementierung des RTO-Moduls 56, einschließlich der Verwendung eines Basis-Hybridlösers, einer Verweilzeitfunktion und einer Rundungsfunktion.
• Wie von einem Fachmann verstanden wird, kann ein Basis-Hybridlöser Optimierungen wie konvexe Optimierung, quadratische Programmierung (QP) oder gemischt ganzzahlige quadratische Programmierung (MIQP) verwenden. Für konvexe Lösungen setzt man J(u,δ) ein, in dem δ ∈ {0, 1}wie in 3 dargestellt, kann eine optimierte Lösung durch Punkt (POPT) dargestellt werden. Die Verweilzeitfunktion kann das Auslösen einer Hybridlöserfunktion um eine Nenn- oder Standardmodus-Schaltleitung 93, wie in 4 dargestellt, beinhalten, wobei eine solche Option möglicherweise die Rechenlast reduziert und den Durchsatz der Steuerung 50 beim Ausführen der Funktionen des RTO-Moduls 56 verbessert. So kann beispielsweise ein Hybridlöser eine Karte 90 verwenden, wie in 4 dargestellt, die eine Last (L) auf der vertikalen Achse und eine Motordrehzahl (N) auf der horizontalen Achse darstellt. Die Nennmodus-Schalterleitung 93 kann in den Speicher der Steuerung 50 programmiert und durch gestrichelte Linien 92 und 192 begrenzt werden, um eine Zone bereitzustellen, in der der Basis-Hybridlöser, z.B. MIQP, verwendet werden kann. Außerhalb der gestrichelten Linien 92 und 192 kann eine weniger rechenintensive Optimierungstechnik wie konvexes QP verwendet werden.
• Eine dritte Option, wie vorstehend erwähnt, d.h. die Rundung, kann genutzt werden, um eine erhebliche Durchsatzeinsparung zu erzielen. Mit einem solchen Ansatz könnte die Steuerung 50 den diskreten Modus, z.B. n_cyl, als kontinuierliche Funktion behandeln und danach konvexes QP über den gesamten Bereich des Lösungssatzes verwenden, um einen optimalen Wert zu finden (ohne ihn auf Diskretion zu beschränken) und auch den resultierenden optimalen Wert auf den nächstmöglichen Wert für die Anwendung als Eingang des diskreten Modus zu kürzen.
• In einer weiteren Variation kann der mögliche endliche Satz von zukunftsorientierten diskreten Moduskombinationen aufgezählt werden, wobei die entsprechenden konvex quadratischen Programmier-(QP)-Lösungen der kontinuierlichen Stellglieder für jede mögliche Modussequenz identifiziert werden. Die Lösung der Kombination aus kontinuierlichem Eingang und diskretem Modus mit den niedrigsten Kosten wird dann als Endkontrolleingang bestimmt. Als Beispiel, betrachten Sie den Fall von zwei möglichen diskreten Modi, wie z.B. die Anzahl der aktiven Zylinder n_cyl. Bei einem Vorhersagehorizont der Größe N gibt es 2N Möglichkeiten, wie eine Moduswechsel-Sequenz stattfinden kann. Aufzählung bedeutet in diesem Zusammenhang für beide Fälle, dass QP für die verbleibenden kontinuierlichen Stellglieder ausgeführt und die Lösung mit dem niedrigsten QP-Ergebnis ausgewählt wird. Zwei QPs werden nur mit kontinuierlichen Stellgliedern betrieben, die alle möglichen Moduskombinationen ausprobieren, was in diesem Beispiel zwei ist, z.B. n_cyl = {2 oder 4}, wenn N=1 als Beispiel. Der Betrieb von QP1 ergibt die erste Lösung (U1), wenn die Anzahl der kontinuierlichen Stellglieder mit den niedrigsten Kosten n_cyl = 2 annimmt. QP2 ergibt die zweite Lösung (U2), wenn die Anzahl der kontinuierlichen Stellglieder mit den niedrigsten Kosten n_cyl = 4 annimmt. Wenn QP2 kleiner als QP1 ist, wäre die insgesamt optimale Lösung die Lösung U2.
• Unter Bezugnahme auf 5 wird dargestellt, wie das Kraftfahrzeug 10 auf einer Fahrbahn fährt und dabei einen zukunftsweisenden Satz von Vorschauinformationen (CC_P) mit den Sensoren 55 sammelt, von denen einige außerhalb des Fahrzeugs 10 positioniert werden können. Die Vorschauinformationen (CC_P) ermöglichen es der Steuerung 50, eine Drehmoment- und/oder Leistungsbedarfstrajektorie über einen Teil einer bevorstehenden Route vorherzusagen und Steuerungsaktionen innerhalb des Vorschaufensters (N_{cont_prev}) durchzuführen. Wie bereits erwähnt, können die Vorschauinformationen Daten über bevorstehende Beschleunigungs-/Verzögerungsereignisse, Kurven, Höhenänderungen/Steilheiten, Stop-and-Go-Fahrmuster, schlechtes Wetter usw. beinhalten. was es der Steuerung 50 somit ermöglicht, eine zukunftsweisende Drehmomenttrajektorie aufzubauen und anzupassen, um sie in die Steuerlogik 50L von 2 einzuspeisen.
• Der dynamische Steuerhorizont, im Folgenden als Vorschaufenster und abgekürztes N_{cont_prev} bezeichnet, wird von der Steuerung 50 als Teil des Verfahrens 100 ausgewählt und angepasst. Die Steuerung 50 kann weiterhin Vorschauinformationen für Ereignisse empfangen, die außerhalb des Vorschaufensters auftreten, z.B. out bei t+N in 5, wobei der Regelkreis des Verfahrens 100 möglicherweise die zugrunde liegenden Modelle innerhalb der Zeit des Vorschaufensters aktualisiert, z.B. bei t+1, ...., t+k, etc.
• In 5 stellt Spur 70P anhand eines weiteren nicht einschränkenden Beispiels zur Veranschaulichung eine solche Referenzdrehmomentkurve dar. Arbeitspunkt 71 ist der aktuelle Arbeitspunkt des Antriebsstrangsystems 24. Spur 70C stellt eine mögliche vorhergesagte Trajektorie ohne Verwendung der Vorschauinformationen (CCP) dar. Betrachtet man Spur 70C, wenn ein Modusübergang (Spur 74) bei einem gegebenen Drehmomentpegel von Spur 70P geplant ist, so dass der Modusübergang durch t = t+k vollständig abgeschlossen sein muss, kann die Annahme einer konstanten Drehmomenttrajektorie von Spur 70C zu einem nicht optimalen Modusübergang führen. Das heißt, der Moduswechsel in den zweiten Modus kann erst mit t = t+N oder kurz zuvor beginnen, wenn der Abschluss des Moduswechsels in Bezug auf Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder Laufruhe/Gefühl optimaler wäre. Die Steuerung 50 verwendet daher das Verfahren 100, um einen Satz von Stromeingaben (Spur 72) basierend auf den Vorschauinformationen (CC_P) zu steuern, die zum Zeitpunkt (t) beginnen, und um die zugrunde liegenden Systemmodelle und Vorhersageergebnisse in jedem Zeitschritt (t+1), (t+k), (t+k+1), (t+k+1), ...(t+N) anzupassen, um die kumulativen zukünftigen Kosten (J) des späteren Modusschalters, der als Spur 74 ausgeführt ist, zu minimieren.
• Die Beispieldaten von 5 werden weiter erläutert mit Bezug auf 6, die eine exemplarische Implementierung des Verfahrens 100 im Rahmen der selektiven Motorzylinderabschaltung als möglichen diskreten Modus darstellt.
• Ab Schritt S102 empfängt die Steuerung 50 das aktuelle Drehmoment (Pfeil TQ) zum Zeitpunkt t und beginnt mit dem Aufbau des zukünftigen Drehmomentverlaufs über das zukunftsweisende Intervall (t+1) unter Verwendung der oben beschriebenen Vorschauinformationen. Betrachten Sie zum Beispiel Folgendes: $$x_{t+1}=A\left(\rho ,n_{cyl}\right)x_k+B\left(\rho ,n_{cyl}\right)u_t$$

  

  $$y_t=C\left(\rho ,n_{cyl}\right)x_k$$

  

  wo y_t in diesem Fall das Motordrehmoment darstellt und u_t den Drosselklappenpegel darstellt. Die Steuerung 50 kann eine Regelbandbreite (σ_b) und die Größe des oben notierten Vorschaufensters (N_{cont_prev}) bestimmen. Mit y = H(jw)u und H(jw) = C(jw - A)^-1B kann die Steuerung 50 die Bandbreite (σ_b) wie folgt berechnen: $$\left|H\left(j{\sigma }_b\right)\right|=\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)|H\left(0\right)$$

  
• Die Steuerung 50 dimensioniert danach den (das) Vorhersagehorizont/Vorschaufenster dynamisch als ${\text{N}}_{\text{cont\_prev}}=\frac{\text{n}}{{\mathrm{\sigma }}_{\text{b}}}\text{ wobei n}\sim \text{3}-\text{5}$

  

  in einer möglichen Implementierung. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S104 fort, nachdem das Vorschaufenster dimensioniert wurde.
• Schritt S104 beinhaltet das Erstellen der zukünftigen Drehmomenttrajektorie, d.h. TQ_ref entsprechend der Kurve 70P von 5, innerhalb des Steuervorschaufensters von Schritt S102, d.h.: $$T{Q}_{ref}=\left[T{Q}_{ref,t},T{Q}_{ref,t+1},\dots ,T{Q}_{ref,t+N}\right]$$

  

  bis über die Dauer des in Schritt S102 dimensionierten Vorschaufensters N_{cont_prev.} Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S106 fort. Bei einer allgemeineren Anwendung des elektrischen Antriebs können die oben genannten Werte Achsdrehmomente und/oder Leistungsbedarfsreferenzen sein.
  Bei Schritt S106 steuert die Steuerung 50 die verschiedenen Eingangsreferenzen (U_refs) und schaltet den Vorhersagehorizont um, d.h. als Vorwärtsregelung, die für die zukünftigen Drehmomentanforderungen aus Schritt S104 berechnet wird. Als Beispiel: $$U_{ref}=\left[U_{ref,t},U_{ref,t+1},\dots ,U_{ref,t+N}\right]$$

  

  $$n_{ref}=\left[n_{ref,t},n_{ref,t+1},\dots ,n_{ref,t+N}\right]$$

  

  wobei U_ref einen Beispielsatz von Eingängen und n_cyl,ref einen Beispielsatz von diskreten Modi darstellt. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S108 fort. In einer allgemeineren Ausführungsform des elektrifizierten Antriebs könnte der vorhergesagte Modus ein EV-Modus sein, z.B.: $$E{V}_{mode,ref}=\left[E{V}_{mode,ref,t},\dots ,E{V}_{mode,ref,t+N}\right]$$

  
• Schritt S108 beinhaltet die Vorhersage von Steuereingängen zur Verwendung in der Modellvorhersage innerhalb des vorgesehenen Vorschaufensters. Das Vorhersagemodell 52 von 2 erfasst beispielsweise das Verhalten des Antriebsstrangsystems 24 zu einem zukünftigen Zeitpunkt, z.B. zum Zeitpunkt k+1 beim Start zum Zeitpunkt k. Somit ist ein zukünftiger Zustand zum Zeitpunkt (t+k+1), d.h., x̂_t+k+1 ist aus den oben beschriebenen Matrizen A und B wie folgt definiert: $${\widehat{x}}_{t+k+1}=A\left({\rho }_{t+k},{\widehat{n}}_{cyl,t+k}\right){\widehat{x}}_{t+k}+B\left({\rho }_{t+k},{\widehat{n}}_{cyl,t+k}\right){\widehat{u}}_{t+k}$$

  

  wobei û_t+k eine zukünftige Steuerungsaktion innerhalb des oben beschriebenen Vorschaufensters darstellt, n̂_Zyl,t+k ist der modellierte zukünftige diskrete Modus bei t+k, und p repräsentiert (RPM, Pim, Pamb, Tamb, ....) in einer möglichen Ausführungsform. Die vorhergesagte Leistung, ŷ_t+k+1, entsprechend dem Satz Y in 2, wird dargestellt als: $${\widehat{y}}_{t+k+1}=C\left({\rho }_{t+k},{\widehat{n}}_{cyl,t+k}\right){\widehat{x}}_{t+k+1}.$$

  

  wobei sich die notierten Variablen für das Beispiel des elektrifizierten Antriebs ändern, z.B. EV_mode statt n_cyl zum Zeitpunkt t+k. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S110 fort.
• Eine Prognose zukünftiger Steuereingängen (û_t+k) zur Modellvorhersage innerhalb des Zeithorizonts des Vorschaufensters N_{cont_prev,} beinhaltet somit die Berechnung der verschiedenen Referenzeingaben entsprechend dem zukünftigen Drehmomentbedarf, der unter Verwendung der der Steuerung 50 zur Verfügung stehenden Vorschauinformationen bestimmt wird. Für eine solche Prognose gibt es mehrere Möglichkeiten. So kann beispielsweise die Steuerung 50 die Referenzeingänge als zukünftigen Steuereingang im Vorwärtsgang verwenden, z.B. die Anzahl der Zylinder 12C, die basierend auf dem zukünftigen Drehmomentanspruch unter Verwendung optimaler Basiskarten verwendet werden sollen. In diesem Fall wird (û_t+k) = (u_ref,t+k).
• Oder die Steuerung 50 kann die optimale Steuersequenz aus einer unmittelbar vorhergehenden MPC QP-Iteration wie vorstehend beschrieben verwenden. In diesem Fall wird (û_t+k) = (u_{sich[Akk] entscheiden,t+k-1}). Ein anderer Ansatz verwendet die zuvor angewandte Kontrolle an der aktuellen Probe und erweitert sie auf alle zukünftigen Sequenzen, z.B. (û_t+k) = [u_t,...,u_t].
• Ein weiterer möglicher Ansatz in Schritt S108 ist die Verwendung der dynamischen Gewichtung der Eingabe und der oben genannten optimalen Referenzen, um das Steuerverhalten zu beschleunigen. Zum Beispiel: $$\left({\widehat{\text{u}}}_{\text{t}+\text{k}}\right)={\text{W}}_{\text{lead}}\left({\text{z}}^{-1}\right){\text{u}}_{\text{ref}\text{,t}+\text{k}}+\text{W}\left({\text{z}}^{-1}\right){\text{u}}_{\text{opt}\text{,t}\text{,t}+\text{k}-1}$$

  

  wobei W_lead(z^-1) +W(z^-1) ≅ 1.
• Bei Schritt S110 von 6 berechnet die Steuerung 50 als nächstes die Modellmatrizen A und B über das Vorschaufenster, N_{cont_prev}. Zum Beispiel: $$A\left({\rho }_{t+k},{\widehat{n}}_{cyl,t+k}\right)$$

  

  $$\text{B}\left({\mathrm{\rho }}_{\text{t}+\text{k}},{\widehat{\text{n}}}_{\text{cyl}\text{,t}+\text{k}}\right)$$

  

  $$\text{wo A}={\frac{\partial \text{f}}{\partial \text{u}}|}_{\text{op}\text{,t}+\text{k}}\text{B}=={\frac{\partial \text{f}}{\partial \text{u}}|}_{\text{op}\text{,t}+\text{k}}$$

  

  mit ρ = (RPM, Pim, Pamb, Tamb, ....) in diesem Beispiel, oder möglicherweise ρ = (SOC15, P15, etc....) im Beispiel des Hybridantriebs. Modellmatrizen können alternativ auch als nichtlineare Funktionen dargestellt werden.
• Schritt S110 kann das Aktualisieren von Modellparametern und Referenzeingaben an ausgewählten Proben und das Beibehalten der aktuellen Modellparameter und Referenzeingaben zwischen solchen ausgewählten Proben für eine erhöhte Berechnungseffizienz beinhalten. So können beispielsweise die Referenzeingänge mit einer kalibrierbaren Übergangsmatrix multipliziert werden, um alle Modeschalterinstanzen zu erfassen.
• Schritt S112 kann das Verarbeiten der Ausgänge der Schritte S108 und S110 durch den Optimierer (RTO 56 von 2) beinhalten, um die zugrunde liegenden Systemmodelle zu aktualisieren und die endgültige Steuerungslösung U abzuleiten. Wie bereits erwähnt, kann dies die Verwendung der quadratischen Programmierung (QP) als Teil einer MPC-Löser/Steuerstrategie beinhalten. Die endgültige Steuerungslösung (U) kann mit den Steuersignalen (Pfeil CCo) zum Zeitpunkt (t) implementiert werden, wobei Änderungen zum Zeitpunkt (t) das Ergebnis zum zukünftigen Zeitpunkt beeinflussen, wie vorstehend erwähnt. Für das Beispiel des Hybridantriebs kann beispielsweise die Steuerlösung (U) definiert werden als: $$\text{U}=\left[\text{EVmode}{\text{, T}}_{\text{12}}{\text{, P}}_{\text{15}}{\text{, T}}_{\text{18}}\text{, K}\right].$$

  
• Der oben genannte Ansatz kann erweitert werden, um andere Kontrollergebnisse zu nutzen. So kann beispielsweise das Antriebsstrangsystem 24 von 1 zur vorausschauenden Antriebsoptimierung im Zusammenhang mit elektrifiziertem Antrieb verwendet werden, wiederum informiert durch Vorschauinformationen der Sensoren 55. Wie gewürdigt ist, liefern die Antriebsarten Elektroantrieb oder EV ein Achsdrehmoment über eine Kombination verschiedener Quellen, so dass die Vorschauinformationen in diesem Fall ein gewünschtes zukünftiges Achsdrehmoment oder eine gewünschte Leistungsstufe beinhalten können. Zu den Steuerungsvariablen gehören die Leistung des Batteriepacks 15, das verfügbare Drehmoment oder die Leistung des Motors 12, das verfügbare Drehmoment der elektrischen Maschine 18 usw., während diskrete Stellglieder die jeweilige Hybridbetriebsart, den Ein/Aus-Zustand des Motors 12 usw. beinhalten können. Die Kosten können durch das Verfahren 100 minimiert werden, indem beispielsweise eine gewichtete Summe aus Drehmoment-/Leistungsfehlern, Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Fahrbarkeit oder Restenergie im Batteriepack 15 verwendet wird. Der zukünftige Drehmomentbedarf über das Vorschaufenster wird verwendet, um zukünftige kumulierte Kosten über den dynamischen Horizont des Vorschaufensters zu prognostizieren und um die Steuervariablen für den aktuellen Zeitschritt zu bestimmen, die gemeinsam die Projektkosten unter Berücksichtigung von Einschränkungen, wie z.B. Ladezustandsgrenzen der Batterie, minimieren.
• Aus der obigen Offenbarung wird Fachmann zu schätzen wissen, dass das vorliegende Verfahren 100 den Stand der Technik bei der Steuerung mehrerer kontinuierlicher Stellglieder in nichtlinearen Systemen verbessert, insbesondere wenn solche Stellglieder zum Übergang zwischen diskreten Betriebsarten verwendet werden. Die Vorschauinformationen werden für jedes kontinuierliche Stellglied, das für die Änderung von Drehmoment oder Drehzahl des Motors 12 und der elektrischen Maschine 18 verantwortlich ist, in dynamisch veränderliche Referenzwerte umgewandelt, wobei die Modifikation über das Vorhersagemodell, das für die Vorhersage und Auswahl verwendet wird, so erfolgt daraus, dass die mit jeder möglichen Steuerungsmaßnahme verbundenen Kosten minimiert werden. Ein quadratisches Programmierproblem kann in Echtzeit zu jedem Zeitpunkt gelöst werden, um eine bestimmte Steuerungsmaßnahme mit den niedrigsten Kosten zu finden, mit der Möglichkeit, QP oder MIQP basierend auf Arbeitspunkt oder nichtlinearer Programmierung zu verwenden. Durch die Vorhersage erforderlicher Aktionen in die Zukunft ist die Steuerung 50 in der Lage, die Auswirkungen von Steueraktionen zu berücksichtigen, bevor sie auftreten, und bietet dadurch einen Mechanismus für kontinuierliche Stellglieder, um sich auf die zukünftige Aktion vorzubereiten, z.B. einen diskreten Modusschalter.
• Der vorliegende Ansatz, wenn er verwendet wird, um das Drehmoment oder die Drehzahlausgabe eines Satzes von kontinuierlichen Stellgliedern zu beeinflussen, hat somit damit verbundene Vorteile, wie z.B. die Minimierung von Drehmomenttransienten, die sonst entstehen könnten. Auf diese Weise können im Beispiel des Antriebsstrangsystems 24 von 1 oder anderen Systemen Geräusche, Vibrationen und Rauheit minimiert werden, mit einer damit verbundenen Reduzierung des Kalibrieraufwands für ein koordiniertes Drehmomentmanagement. Da das Drehzahl-/Drehmomentprofil nicht durch Fahrereingaben eingeschränkt ist, können autonome Steuergrößen als Teil der Steuerlogik verwendet werden, um die Antriebsleistung (Energieeffizienz, Fahrbarkeit usw.) mit derselben hierin offenbarten zukunftsorientierten Methode zur Optimierung der zukünftigen Bedarfsdeckung zu optimieren. Diese und andere Vorteile werden angesichts der vorangehenden Offenbarung durch einen Fachmann leicht gewürdigt.
• Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Praxis der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Die Fachleute werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, wobei der Umfang der vorliegenden Lehre ausschließlich durch die Ansprüche definiert ist.

Claims (8)

1. Ein Antriebsstrangsystem, umfassend: mindestens einen Sensor, der eingerichtet ist, um einen Satz von Vorschauinformationen zu empfangen, die einen bevorstehenden dynamischen Zustand des Antriebsstrangsystems zu einem zukünftigen Zeitpunkt beschreiben; eine Vielzahl von Antriebsmaschinen, die gemeinsam mehrere kontinuierliche Stellglieder aufweisen; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, zum: Empfangen des Satzes von Vorschauinformationen von dem mindestens einen Sensor; Bestimmen von Steuereingängen für die mehreren kontinuierlichen Stellglieder, einschließlich des Satzes von Vorschauinformationen, wobei die Steuereingänge einen zukünftigen Drehmoment- oder Drehzahlausgangszustand des Antriebsstrangsystems zu dem zukünftigen Zeitpunkt anzeigen; Verarbeiten der Steuereingänge über ein dynamisches vorrausschauendes Modell, um dadurch einen Satz möglicher Steuerungslösungen zu bestimmen, die zu einem gegenwärtigen Zeitpunkt zum Implementieren des zukünftigen Drehmoment- oder Drehzahlausgangszustands zum zukünftigen Zeitpunkt implementiert werden sollen; Verwenden eines Kostenfunktions-Logikblocks, um aus einer Reihe möglicher Steuerungslösungen eine Lösung mit den niedrigsten Opportunitätskosten zu identifizieren; Verarbeiten der Lösung mit den niedrigsten Opportunitätskosten durch einen Echtzeitoptimierungs-Logikblock, um eine optimierte Lösung zu bestimmen; und Ausführen der optimierten Lösung zum aktuellen Zeitpunkt.
2. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Antriebsmaschinen einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine beinhalten, der anstehende dynamische Zustand einen diskreten Moduswechsel von einer ersten Betriebsart zu einer zweiten Betriebsart des Antriebsstrangsystems erfordert und der zweite Modus einen eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand des Motors und/oder der elektrischen Maschine beinhaltet.
3. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um eine zukünftige Achsdrehmomentbedarfstrajektorie des Systems über ein Vorschaufenster zu schätzen, kumulative Kosten über das Vorschaufenster unter Verwendung des Kostenfunktions-Logikblocks vorherzusagen und die optimierte Lösung so abzuleiten, dass die kumulativen Kosten über eine Dauer des Vorschaufensters minimiert werden.
4. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Antriebsmaschinen einen Verbrennungsmotor beinhalten, und der Kostenfunktions-Logikblock die niedrigste Opportunitätskostensteuerungslösung basierend auf dem Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors bestimmt.
5. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei das Antriebsstrangsystem an Bord eines Fahrzeugs verwendet wird, wobei der mindestens eine Sensor einen GPS-Empfänger (Global Positioning Satellite) beinhaltet und der Satz von Vorschauinformationen GPS-Informationen beinhaltet, die eine bevorstehende Route des Fahrzeugs anzeigen.
6. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Sensor ein Radarsystem, ein Lidarsystem und/oder ein Ultraschallsystem beinhaltet und der Satz von Vorschauinformationen jeweils Radar-, Lidar- und/oder Ultraschallinformationen beinhaltet, die auf ein bevorstehendes Hindernis hinweisen.
7. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die niedrigste Opportunitätskostensteuerungslösung durch den Echtzeitoptimierungs-Logikblock unter Verwendung eines Hybridlöserverfahrens zu verarbeiten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: konvexer Optimierung, quadratischer Programmierung, gemischt ganzzahliger quadratischer Programmierung und nichtlinearer Programmierung.
8. Das Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung in drahtloser Kommunikation mit einem Server steht, der sich entfernt von der Steuerung befindet, und wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Steuereingänge über ein dynamisches vorrausschauendes Modell zu verarbeiten, indem die Verarbeitung der Steuereingängen an den Server abgegeben wird.

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