DE102011002890A1

DE102011002890A1 - Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors und zumindest einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102011002890A1
Application number: DE102011002890A
Authority: DE
Inventors: Manuel Riß; Ulrich Reith
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, wird bei einer Lastpunktverschiebung das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine (2) in Abhängigkeit vom aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) derart geregelt, dass das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine (2) und des Verbrennungsmotors (1) in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors und zumindest einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge umfassend einen Parallel-Hybrid-Antriebsstrang bekannt, bei denen eine Addition der Drehmomente des Verbrennungsmotors und zumindest einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren elektrischen Maschine vorzugsweise mittels eines Summierungsgetriebes, beispielsweise mittels eines Planetengetriebes erfolgt. Hierbei ist die zumindest eine elektrische Maschine mit dem Riementrieb oder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer ersten Kupplung verbindbar. Die vom Verbrennungsmotor und/oder der zumindest einen elektrischen Maschine erzeugten Drehmomente werden über ein nachgeschaltetes Getriebe an die angetriebene Achse übertragen. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine seriell anzuordnen.
Nach dem Stand der Technik kann bei Parallel-Hybrid-Antriebssträngen eine optionale weitere Kupplung vorgesehen sein, welche das Getriebe mit der aus Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine bestehenden Antriebseinheit lösbar verbindet und als Anfahrkupplung dient.
Beispielsweise beschreibt die DE 103 46 640 A1 der Anmelderin einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, bei dem ein Verbrennungsmotor antriebstechnisch mit einer Trennkupplung verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer Getriebeeingangswelle in Verbindung steht, welche mit einem Eingangselement eines Automatgetriebes verbunden ist. Bei dem bekannten Antriebsstrang ist die Getriebeeingangswelle auch mittels einer Elektromaschine antreibbar, wobei zu diesem Zweck der Rotor der Elektromaschine mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist.
Im hybriden Fahrzustand, d. h. für den Fall, dass das Fahrzeug sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die elektrische Maschine angetrieben wird, erzeugen beide Motoren jeweils ein bestimmtes Drehmoment, welches in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht. Hierbei sind die erste Kupplung und die optionale Anfahrkupplung (falls vorhanden) ständig geschlossen, so dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine gleich der Getriebeeingangsdrehzahl ist, welche größer als die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs ist.
Hierbei wird das vom Verbrennungsmotor und von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment von der Betriebsstrategie der Steuerung des Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs (HCU, Hybrid Control Unit) vorgegeben und ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise des Füllgrades des Energiespeichers für die elektrische Maschine.
In der Regel liefert die elektrische Maschine einen nicht vernachlässigbaren Anteil des Fahrerwunschmoments. Wenn das von der elektrischen Maschine gelieferte Drehmoment nicht mehr länger aufrechterhalten werden kann, beispielsweise, weil der Energiespeicher der elektrischen Maschine soweit entleert ist, dass das aktuelle Drehmoment der elektrischen Maschine nicht mehr zur Verfügung gestellt werden kann, muss der Verbrennungsmotor das nunmehr fehlende Drehmoment der elektrischen Maschine kompensieren, damit in Summe das Fahrerwunschmoment bereitgestellt werden kann. Hierbei kann das Fahrerwunschmoment einen konstanten Wert annehmen oder einen Wert, der größer ist, als das aktuell vom Verbrennungsmotor gelieferte Drehmoment.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zum Zweck der Kompensation des fehlenden Drehmomentes der elektrischen Maschine oder zum Zweck der Anpassung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors an eine Erhöhung des Drehmomentes der elektrischen Maschine in der Software der Steuerung des Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs über zwei zeitabhängige Rampen von dem Ausgangsmoment auf das neue Zielmoment des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine zu gelangen.
Hierbei wird bei der Verschiebung des Betriebspunktes das Drehmoment der elektrischen Maschine um einen definierten Betrag verändert. Wenn das Drehmoment im Antriebsstrang gleich bleiben soll, muss das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors beim Reduzieren des Drehmomentes der elektrischen Maschine um den gleichen Betrag erhöht bzw. beim Erhöhen des Drehmomentes der elektrischen Maschine verringert werden, wobei der Gradient des Drehmomentes (Drehmoment über Zeit) für den Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine unabhängig voneinander einstellbar ist.
Aufgrund des zugrundeliegenden Wirkprinzips kann die elektrische Maschine das Drehmoment innerhalb sehr kurzer Zeit verändern. Dahingegen ist bei einem Verbrennungsmotor die Zeit, die benötigt wird, um eine Drehmomentänderung zu realisieren, von der aktuellen Drehzahl, dem Lastzustand sowie dem aktuellen Betriebspunkt einer Aufladeeinrichtung (Turbo, falls vorhanden) abhängig.
Ferner kann dies in nachteiliger Weise darin resultieren, dass wenn das Drehmoment der elektrischen Maschine reduziert und der Verbrennungsmotor die Drehmomentdifferenz nicht in der vorgesehenen Zeit ausgleichen kann, das Fahrerwunschmoment nicht mehr erreicht werden kann, was dazu führt, dass der Fahrer eine nicht von ihm selbst initiierte Drehmomentänderung bzw. eine Drehmomentreduzierung im Antriebsstrang spürt; zudem wird das Beschleunigungsvermögen des Verbrennungsmotors, durch das Wegfallen bzw. die Reduzierung des Antriebsdrehmomentes der elektrischen Maschine verringert.
Aus der EP 1 743 794 B1 geht ein Verfahren zur Steuerung der Antriebsleistungsverteilung in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb hervor, bei dem die Antriebsleistung einer Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eines Elektromotors gemeinsam zum Aufbringen eines Sollmoments des Kraftfahrzeugs genutzt wird, und bei dem eine Steuerung vorhanden ist, welche auf Grundlage von vorgegebenen, gemessenen und/oder berechneten Werten die Antriebsleistungsverteilung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Elektromotor steuert und regelt.
Im Rahmen des bekannten Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Steuerung eine Prädikation des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine bei einer Veränderung der Antriebsleistung infolge einer Lastpunktverschiebung und/oder einer Fahrerwunschmomentänderung anhand von zwei identischen Streckenmodellen erfolgt, in denen jeweils das Verhalten des Luftmassenstromes im Saugrohr und die Stellung der Drosselklappe berücksichtigt werden, wobei das prädizierte Drehmoment in dem ersten Streckenmodell anhand eines Fahrerwunschmomentes und in dem zweiten Streckenmodell anhand einer angeforderten Lastpunktverschiebung ermittelt wird. Hierbei bilden die infolge der auftretenden Verzögerung der Umsetzung von Soll- in Istmomente ermittelten Drehmomentdifferenzen der Verbrennungskraftmaschine die Ausgangsgrößen für die Berechnung des einzustellenden Sollwertes des Elektromotors während der Drehmomentenänderung; die Höhe der Lastpunktverschiebung wird in der Steuerung anhand der Lastanforderungen und unter Berücksichtigung der vorhandenen minimalen und maximalen Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors ermittelt.
Durch das bekannte Verfahren soll bei einer Lastpunktverschiebung und/oder bei einer Fahrerwunschmomentenänderung die Umsetzung eines Sollmomentes in ein Istmoment nahezu verzögerungsfrei erfolgen.
Ferner ist aus der WO 99/62735 ein Verfahren zum Steuern einer Kraftmaschine, die eine Brennkraftmaschine umfasst, bekannt, bei dem ein Sollwert eines Drehmoments abhängig von einer den Fahrerwunsch repräsentierenden Größe und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ist und Stellsignale für Stellglieder der Brennkraftmaschine abhängig von dem Sollwert des Drehmoments sind, wobei ein Stellsignal für einen Motor-Generator, der auf der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist, abhängig von dem Sollwert des Drehmoments ist.
Bei dem bekannten Verfahren kann vorgesehen sein, dass ein Schätzwert eines maximalen oder minimalen Drehmoments ermittelt wird, welches über die Stellglieder der Brennkraftmaschine innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer einstellbar ist und dass das Stellsignal für den Motor-Generator von dem Sollwert und dem Schätzwert des maximalen bzw. minimalen Drehmoments ist. Durch die Durchführung des aus der WO 99/62735 bekannten Verfahrens soll ein komfortabler und emissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors und zumindest einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang anzugeben, durch dessen Durchführung eine unerwünschte Drehmomentänderung im Antriebsstrang reduziert bzw. vermieden wird. Zudem soll die erfindungsgemäße Regelung motorunabhängig funktionieren, so dass die Durchführung des Verfahrens unabhängig von dem Motorverhalten einzelner Motoren gestaltbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors und zumindest einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, im Rahmen dessen bei einer Lastpunktverschiebung zwischen dem Verbrennungsmotor und der zumindest einen elektrischen Maschine das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine in Abhängigkeit vom aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors derart geregelt wird, dass das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht.
Bei annähernd konstantem Fahrerwunschmoment wird demnach das von der zumindest einen elektrischen Maschine aufgebrachte Drehmoment in der Weise reduziert oder erhöht, wie das Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors erhöht bzw. reduziert wird.
Gemäß der Erfindung wird von der zumindest einen elektrischen Maschine der tatsächliche Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors, d. h. das Ist-Drehmoment berücksichtigt; das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine wird dem aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors in der Weise nachgeführt, dass das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht. Bei einer dynamischen Drehmomentverteilung, d. h. bei einer Lastpunktverschiebung zwischen der zumindest einen elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor wird durch die zumindest eine elektrische Maschine das Drehmoment des Verbrennungsmotors derart ergänzt, dass der Verbrennungsmotor mit seinen, gegenüber der zumindest einen elektrischen Maschine geringeren dynamischen Fähigkeiten, in der Lage ist, die Verringerung bzw. Erhöhung des Drehmomentes der zumindest einen elektrischen Maschine, auszugleichen. Dadurch entspricht die Summe der Drehmomente dem Fahrerwunschmoment.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann für den Fall, dass eine Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors vorliegt, mittels der zumindest einer elektrischen Maschine zumindest zeitlich begrenzt ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht werden, um die Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors zu kompensieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche eine schematische Darstellung eines Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ist, welcher einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine umfasst, beispielhaft näher erläutert. Hierbei sind der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine seriell angeordnet.
In der beigefügten Figur sind der Verbrennungsmotor mit 1, die elektrische Maschine mit 2 und das Fahrzeuggetriebe mit 3 bezeichnet. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der elektrischen Maschine 2 ist eine Kupplung 5 angeordnet, durch die der Verbrennungsmotor 1 mit der elektrischen Maschine 2 lösbar verbindbar ist.
Bei dem gezeigten Beispiel ist eine weitere Kupplung 6 vorgesehen, die das Fahrzeuggetriebe 3 mit der aus Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 2 bestehenden Antriebseinheit lösbar verbindet und als Anfahrkupplung dient.
Die Drehmomente der elektrischen Maschine 2 und des Verbrennungsmotors 1 werden im hybriden Fahrzustand summiert und über das nachgeschaltete Getriebe 3 und ein Differential 7 an die angetriebene Fahrzeugachse 4 übertragen.
Gemäß der Erfindung wird zur Regelung der Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors 1 und der elektrischen Maschine 2 im hybriden Fahrzustand vorgeschlagen, bei einer Lastpunktverschiebung das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 in Abhängigkeit vom aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 derart zu regeln, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 und des Verbrennungsmotors 1 in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht.
Wenn beispielsweise bei annähernd konstantem Fahrerwunschmoment eine Lastpunktverschiebung durchgeführt werden soll, weil das von der elektrischen Maschine 2 gelieferte Drehmoment nicht mehr länger aufrechterhalten werden kann, wird der Verbrennungsmotor 1 von der Steuerung des Parallel-Hybrid-Antriebsstrangs derart angesteuert, dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 erhöht wird; gleichzeitig wird das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 anhand von Signalen enthaltend die Information über das aktuelle Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 in der Weise reduziert, wie das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 erhöht wird, so dass das vom Verbrennungsmotor 1 und von der elektrischen Maschine 2 erzeugte Drehmoment in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption der Nachführung des Drehmomentes der elektrischen Maschine in Abhängigkeit vom aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors wird gewährleistet, dass unerwünschte Drehmomentänderungen im Antriebsstrang reduziert bzw. vermieden werden; der Fahrkomfort und die Sicherheit werden somit erhöht.
Ferner wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches unabhängig von dem Motorverhalten einzelner Motoren im Antriebsstrang durchführbar ist. Zudem ist das Verfahren auf einfache Weise implementierbar, da die zur Durchführung des Verfahrens benötigten Parameter, nämlich das Fahrerwunschmoment, das Drehmoment des Verbrennungsmotors und das Drehmoment der elektrischen Maschine in der Regel ohnehin in der Steuerung zur Verfügung stehen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass erfindungsgemäß vorübergehende Drehmomentbegrenzungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt und mittels der mindestens einen elektrischen Maschine zumindest zeitlich begrenzt überbrückt werden können.
Desweiteren ist für das beschriebene Verfahren in vorteilhafter Weise eine Vorhersage des Motorverhaltens nicht erforderlich, so dass eventuelle Fehler einer Vorhersage nicht ins Gewicht fallen; ein Tuning der für die Vorhersage benötigten Parameter entfällt.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung können vorübergehende Drehmomentbegrenzungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden. Sofern vom Motorsteuergerät unterstützt, kann abhängig von Signalen des Verbrennungsmotors bzw. der Motorsteuerung des Fahrzeugs bestimmt werden, wie viel Drehmoment der Verbrennungsmotor aktuell zur Verfügung stellen kann; dieser Wert kann bei der Durchführung des Verfahrens berücksichtigt werden, so dass vorübergehende Momentbegrenzungen des Verbrennungsmotors mittels der elektrischen Maschine zumindest zeitlich begrenzt überbrückt werden können, indem die zumindest eine elektrische Maschine die Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors kompensiert.
Beispielsweise können die Signale des SAE J1939 Protokolls zur Kommunikation auf einem CAN-Bus in Fahrzeugen zur Übermittlung von Diagnosedaten „Engine Percent Load At Current Speed (SPN 92)" und/oder „Actual Maximum Available Engine – Percent Torque (SPN 3357)" verwendet werden, um zu bestimmen, wie viel Drehmoment der Verbrennungsmotor aktuell zur Verfügung stellen kann.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Elektrische Maschine
3: Getriebe
4: angetriebene Fahrzeugachse
5: erste Kupplung
6: weitere Kupplung, Anfahrkupplung
7: Differential

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10346640 A1 [0004]
EP 1743794 B1 [0012]
WO 99/62735 [0015, 0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE J1939 Protokolls zur Kommunikation auf einem CAN-Bus in Fahrzeugen zur Übermittlung von Diagnosedaten „Engine Percent Load At Current Speed (SPN 92)” und/oder „Actual Maximum Available Engine – Percent Torque (SPN 3357)” [0034]

Claims

Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lastpunktverschiebung das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine (2) in Abhängigkeit vom aktuellen Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) derart geregelt wird, dass das Drehmoment der zumindest einen elektrischen Maschine (2) und des Verbrennungsmotors (1) in Summe dem Fahrerwunschmoment entspricht
Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein annähernd konstantes Fahrerwunschmoment das von der zumindest einen elektrischen Maschine (2) aufgebrachte Drehmoment in der Weise reduziert oder erhöht wird, wie das Ist-Drehmoment des Verbrennungsmotors (1) erhöht bzw. reduziert wird.
Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vorübergehende Drehmomentbegrenzungen des Verbrennungsmotors (1) berücksichtigt werden.
Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass eine Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors (1) vorliegt, mittels der zumindest einer elektrischen Maschine (2) zumindest zeitlich begrenzt ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht wird, um die Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors (1) zu kompensieren.
Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von Signalen des Verbrennungsmotors bestimmt wird, wie viel Drehmoment der Verbrennungsmotor aktuell zur Verfügung stellen kann, wobei für den Fall des SAE J1939 Protokolls zur Kommunikation auf einem CAN-Bus in Fahrzeugen Signale, die über die aktuelle Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors informieren können, verwendet werden.
Verfahren zur Regelung der Lastpunktverschiebung eines Verbrennungsmotors (1) und zumindest einer elektrischen Maschine (2) mit unterschiedlichem Ansprechverhalten im hybriden Fahrzustand in einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale „Engine Percent Load At Current Speed (SPN 92)” und/oder „Actual Maximum Available Engine – Percent Torque (SPN 3357)” verwendet werden.