AT510452A2 - Verfahren zum betreiben eines seriellen hybridantriebes, serieller hybridantrieb und fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs, der einen Verbrennungsmotor (1), einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator (2) und einen v om elektrischen Generator gespeisten Elektromotor (3) umfasst, umfasst die Schritte: Berechnen einer durch den Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung (P_V) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter (n_V_ist) des Verbrennungsmotors, Berechnen einer maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung(P_E_max) in Abhängigkeit von der vom Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung und Begrenzen der an den Elektromotor abgegebenen Leistung auf die berechnete maximal an den Elektromotor abgebbare Leistung.

Description

1 : : - 3$26tf/ab: *,*' ·· · * *··
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs, einen seriellen Hybridantrieb und ein Fahrzeug,
So genannte serielle Hybridantriebe umfassen üblicherweise einen Verbrennungsmotor, einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator und einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor, der mit einer anzutreibenden Komponente verbunden ist. Der Verbrennungsmotor ist folglich mit der anzutreibenden Komponente nicht direkt mechanisch gekoppelt.
Bei einem Fahrzeug mit einem seriellen dieselelektrischen Hybridantrieb treibt ein Dieselmotor einen elektrischen Generator an, welcher die elektrische Leistung zur Verfügung stellt, um die anzutreibende Komponente bzw. den mechanischen Antrieb über den Elektromotor anzutreiben.
Eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird üblicherweise über ein Fahrpedal vorgegeben, wobei mittels der Fahrpedalstellung eine Solldrehzahl des Elektromotors eingestellt wird. Eine übergeordnete Leistungssteuerung ermittelt eine zugehörige Dieselmotorsolldrehzahl, die notwendig ist, um die benötigte Leistung mittels des Dieselmotors zur Verfügung zu stellen.
Weiter muss sichergestellt werden, dass der Dieselmotor bei steigender Leistungsabgabe am den Elektromotor, beispielsweise bei zunehmender Steigung einer Fahrstrecke des Fahrzeugs, nicht "abgewürgt" wird. Wenn der Dieselmotor in einem stationären Betrieb schon auf eine Drehzahl beschleunigt worden ist, bei der er seine maximale Leistung abgibt, muss für den Fall, dass mehr elektrische bzw, mechanische Antriebsleistung gefordert wird, die Antriebsleistung bzw. die Leistungsabgabe entsprechend begrenzt werden, um ein Abwürgen bzw. Absterben des Dieselmotors zu verhindern. Wenn der Dieselmotor in einem quasi-stationären Betrieb noch nicht mit seiner Maximaldrehzahl betrieben wird und somit noch Leistungsreserven zur Verfügung stehen, die ein Beschleunigen des Dieselmotors, d.h. eine Drehzahlerhöhung, ermöglichen, wird die abgegebene Leistung derart 2 : ::3#6eläE>\ ,, ·* ·· ·** begrenzt, dass der Dieselmotor ausreichende Reserven erhält, um ein Beschleunigen zu ermöglichen.
Diese Begrenzung der Leistungsabgabe wird in herkömmlichen diesel-hydraulischen bzw. diesel-elektrischen Systemen mittels eines so genannten Grenzlastreglers vorgenommen. Der Grenzlastregler vergleicht eine Dieselmotorsolldrehzahl mit einer Dieselmotoristdrehzahl, um eine Überbelastung des Dieselmotors zu erkennen. Ist die Differenz zwischen Soll- und Istdrehzahl zu groß, wird vom Grenzlastregler bewirkt, dass die abgenommene Leistung reduziert wird, indem die Fahrgeschwindigkeit reduziert wird. Derartige Grenzlastregler verwenden üblicherweise einen PID-Regler, der zum Schwingen neigt und somit nur schwer für alle Fahrsituationen abstimmbar ist.
Weiterhin ist es mittels Grenzlastreglern schwierig, den quasi-stationären Betriebsfall befriedigend zu realisieren. Ein Problem ergibt sich nämlich dann, wenn der Dieselmotor an einer so genannten Drückungsgrenze betrieben wird und die übergeordnete Leistungssteuerung eine höhere Drehzahl anfordert. In diesem Fall wird sich die Differenz zwischen Soll- und Istdrehzahl erhöhen, worauf der Grenzlastregler die Fahrgeschwindigkeit zunächst reduziert, sodass der Dieselmotor beschleunigen kann. Erst wenn der Dieselmotor die gewünschte Drehzahl erreicht hat, wird die Fahrgeschwindigkeit wieder erhöht. Dies führt zu einem unbefriedigenden dynamischen Verhalten des Fahrzeugs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs, einen seriellen Hybridantrieb und ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, die einen optimierten Betrieb eines seriellen Hybridantriebs ermöglichen, insbesondere im Hinblick auf eine Schwingungsneigung und das dynamische Verhalten im quasi-stationären Betrieb.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen seriellen 3 : ·: 33WäK: ‘l, M *· ···
Hybridantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs, der mindestens einen Verbrennungsmotor, mindestens einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator und mindestens einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor umfasst. Zur Leistungsbegrenzung, d.h. um zu verhindern, dass der Verbrennungsmotor abstirbt, und um ein dynamisches Beschleunigen zu ermöglichen, werden folgende Schritte durchgeführt: Berechnen einer durch den Verbrennungsmotor momentan maximal abgebbaren Leistung in Abhängigkeit von mindestens einem leistungsanzeigenden Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, Berechnen einer maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung in Abhängigkeit von der maximal vom Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung und Begrenzen der an den Elektromotor abgegebenen Leistung auf die berechnete maximal an den Elektromotor abgebbare Leistung. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Grenzlastregler erfolgt zur Leistungsbegrenzung folglich keine Regelung der Verbrennungsmotordrehzahl auf eine Verbrennungsmotorsolldrehzahl sondern lediglich eine Begrenzung der an den Elektromotor abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors in Form einer Steuerung, wodurch die Schwingungsneigung abnimmt und eine Reaktion auf veränderte Leistungsanforderungen schneller möglich ist.
Zum Berechnen der maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung wird eine Vorhalteleistung von der maximal vom Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung subtrahiert. Die Vorhalteleistung kann von einer Leistungskennlinie des Verbrennungsmotors abhängig sein. Die Vorhalteleistung kann über den gesamten Betriebsbereich des Hybridantriebs konstant oder 4 ♦ · ♦♦ · betriebspunktabhängig gewählt werden. Bevorzugt wird die Vorhalteleistung in Abhängigkeit von dem mindestens einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors berechnet. Besonders bevorzugt wird die Vorhalteleistung zu Null gesetzt, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors gleich einer Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors ist. Mittels der Vorhalteleistung wird im quasi-stationären Betrieb der Verbrennungsmotor im Wesentlichen nie an seinem momentanen Leistungslimit betrieben und kann somit dynamischer beschleunigen. Dieses Verhalten wirkt sich auch positiv auf den Energieverbrauch des Verbrennungsmotors aus. Eine vergleichbar dynamische Auslegung mittels eines herkömmlichen Grenzlastreglers wäre durch eine schlechtere Motorauslastung und somit ein schlechteres Leistungsverhalten bzw. einen höheren Kraftstoffverbrauch gekennzeichnet. Mittels geeigneter Wahl des Betrags der Vorhalteleistung kann eine Leistungsbegrenzung sehr einfach auf unterschiedliche Motortypen angepasst werden.
Da insbesondere die Dynamik von Dieselmotoren drehzahlabhängig ist, kann die Vorhalteleistung abhängig von der aktuellen Dieselistdrehzahl eingestellt werden, Um diese Vorhalteleistung möglichst genau einer jeweiligen Dieselmotor-Charakteristik anpassen zu können, kann die Vorhalteleistung über eine Drehzahl/Vorhalteleistungs-Kennlinie bestimmt werden. Typische Werte der Vorhalteleistung können beispielsweise zwischen 10 KW und 85 KW betragen, wobei in diesen Werten der Leistungsverbrauch von hydraulischen Nebenabtrieben bereits berücksichtigt ist.
In einer Weiterbildung ist der mindestens eine Betriebsparameter die momentane Drehzahl des Verbrennungsmotors. Darüber hinaus können auch weitere leistungsbezogene Kenngrößen als Betriebsparameter verwendet werden, beispielsweise eine Einspritzmenge, ein Ladedruck, usw., die üblicherweise aus einem Motorsteuergerät auslesbar sind. Weiterhin ist es gegebenenfalls möglich, die vom Verbrennungsmotor abgebbare Leistung unmittelbar aus einem Motorsteuergerät auszulesen. 5 33260?ab
In einer Weiterbildung wird die an den Elektromotor abgegebene Leistung durch folgende Schritte begrenzt: Ermitteln einer Drehzahl des Elektromotors, Berechnen eines maximal durch den Elektromotor abgebbaren Drehmoments in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl und der berechneten maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung und Begrenzen des durch den Elektromotor abgegebenen Drehmoments auf das berechnete maximal durch den Elektromotor abgebbare Drehmoment. Das Drehmoment als Stellgröße wirkt hierbei direkt auf die durch den Elektromotor abgegebene Leistung, anders als beim herkömmlichen Grenzlastregler, bei dem über den Umweg der vorgegebenen Solldrehzahl eine Leistungsbegrenzung erfolgt. Dies führt zu einer schnelleren Reaktion auf geänderte Betriebsbedingungen.
Der serielle Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor, einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator und einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das oben genannte Verfahren durchzuführen.
In einer Weiterbildung ist ein Frequenzumrichter vorgesehen, der mit der Steuereinheit und dem Elektromotor gekoppelt ist und der in Abhängigkeit von vorgegebenen Stellgrößen der Steuereinheit den Elektromotor geeignet ansteuert, beispielsweise eine Drehzahl und ein Drehmoment des Elektromotors einstellt, Bevorzugt ist der Frequenzumrichter dazu ausgebildet, das durch den Elektromotor abgegebene Drehmoment auf das berechnete maximal durch den Elektromotor abgebbare Drehmoment zu begrenzen.
In einer Weiterbildung ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst einen oben genannten seriellen Hybridantrieb.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt: 6 • · i 33^60^ab: ·· *♦ ···
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen seriellen Hybridantriebs.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen seriellen Hybridantriebs mit einem Dieselmotor 1, einem vom Dieselmotor 1 angetriebenen elektrischen Generator 2, einem vom elektrischen Generator 2 gespeisten Elektromotor 3, beispielsweise einen Synchron- oder einen Asynchronmotor, einer Steuereinheit in Form einer Mikroprozessorsteuerung 4, einem Frequenzumrichter 5, der mit der Steuereinheit 4 und dem Elektromotor 5 gekoppelt ist, einer übergeordneten Steuereinheit 6, sowie einem mechanischen Antrieb 7, der mittels des Elektromotors 3 angetrieben ist. Es versteht sich, dass mehrere Verbrennungs- bzw. Dieselmotoren, mehrere Generatoren, mehrere Elektromotoren und/oder mehrere mechanische Antriebe vorgesehen sein können.
Die übergeordnete Steuereinheit 6 berechnet aufgrund der benötigten Leistung an dem mechanischen Antrieb 7 die erforderliche Dieselmotorleistung. Der erforderlichen Dieselmotorleistung wird dann anhand einer Drehzahl-Leistungs-Kennlinie eine zugehörige Solldrehzahl n_V_soll zugeordnet, die dann mittels eines nicht gezeigten
Motorsteuergeräts entsprechend eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein verbrauchsoptimierter Betrieb erreicht werden.
Um zu verhindern, dass der Elektromotor 3 mehr Leistung aufnimmt, als der Dieselmotor 1 momentan erzeugt, wodurch der Dieselmotor 1 absterben würde, werden in der Steuereinheit 4 folgende Schritte durchgeführt:
Eine durch den Dieselmotor 1 abgebbare Leistung P_V wird in Abhängigkeit von der Istdrehzahl n_V_ist des Dieselmotors 1 anhand der Drehzahl-Leistungs-Kennlinie des Dieselmotors 1 berechnet. Hierbei kann angenommen werden, dass weitere Betriebsparameter des Dieselmotors, wie beispielsweise Einspritzmenge, Ladedruck, usw., derart eingestellt sind, dass für die gegebene Istdrehzahl n_V_ist die maximale Leistung zur Verfügung steht. Alternativ können die weiteren Betriebsparameter zusätzlich 7 * * 3j}26Ci/’ab. zur Istdrehzahl n_VJst bei der Berechnung der abgebbaren Leistung P_V berücksichtigt werden.
Anschließend wird eine maximal an den Elektromotor abgebbare Leistung P_E_max berechnet, indem von der Leistung P_V, die vom Dieselmotor 1 bei der aktuellen Drehzahl abgegeben wird bzw. abgegeben werden kann, eine Vorhalteleistung P_R subtrahiert wird. Die Vorhalteleistung PR kann in Abhängigkeit vom Typ des Hybridantriebs bzw. vom Typ des Dieselmotors 1 gewählt werden. Vorliegend ist die Vorhalteleistung P_R zudem drehzahlabhängig und nimmt mit zunehmender Drehzahl ab, um im Bereich der Maximaldrehzahl bzw. maximalen Leistung des Dieselmotors 1 dem Elektromotor 3 die volle Dieselmotorleistung zur Verfügung stellen zu können. Bei Maximaldrehzahl wird die Vorhalteleistung P R Null.
Die an den Elektromotor 3 abgegebene Leistung wird nun mittels des Umrichters 5 auf die berechnete maximal an den Elektromotor abgebbare Leistung P_E_max begrenzt, wodurch sowohl ein Abwürgen des Dieselmotors 1 vermieden als auch eine schnelle Drehzahlerhöhung möglich wird.
Die an den Elektromotor 3 abgegebene Leistung wird begrenzt, indem eine aktuelle Drehzahl n_E_ist des Elektromotors 3 bestimmt wird, ein maximal durch den Elektromotor 3 abgebbares Drehmoments M_max in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl n_E_ist und der berechneten maximal an den Elektromotor 3 abgebbaren Leistung P_E_max anhand der Formel M_max = P E max / (2 * π * n_E_ist) berechnet wird und schließlich mittels des Umrichters 5 das durch den Elektromotor 3 abgegebenen Drehmoment auf das berechnete maximal durch den Elektromotor 3 abgebbare Drehmoment M_max begrenzt wird. 8 : * 3p60?äb .
Zusammenfassend wird mittels der Erfindung auf einfache Weise sichergestellt, dass dem Dieselmotor 1 nie mehr Leistung abgefordert wird als er aktuell zur Verfügung stellen kann.
Hierzu wird in einem ersten Schritt die maximal verfügbare Dieselmotorleistung anhand der Drehzahl-Leistungs-Kennlinie berechnet. Diese Leistung wird um die Vorhalteleistung korrigiert. Die Vorhalteleistung ist notwendig, um im quasi-stationären Zustand genügend Reserve zu haben, damit der Dieselmotor beschleunigen kann, wenn die Leistungsbereitstellung 6 mehr Drehzahl fordert. Im stationären Zustand, d.h. der Dieselmotor 1 hat seine maximale Drehzahl, wird diese Vorhalteleistung zu Null, damit die komplette Dieselleistung auch abgenommen werden kann.
Aus dieser maximal zur Verfügung stehenden Leistung ergibt sich nun unter der Berücksichtung des Wirkungsgrads des Elektromotors 3 diejenige Leistung, die maximal abgegeben werden darf.
Die abgegebene Leistung wird dadurch begrenzt, dass das maximale Drehmoment des Elektromotors mittels des Umrichters 5 vorgegeben wird. Dieses Drehmoment kann über eine Formel aus der aktuellen Drehzahl des Elektromotors berechnet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung weist im Vergleich zu einem herkömmlichen Grenzlastregler folgende Vorteile auf:
Die Leistungsbegrenzung basiert auf einer Steuerung und nicht auf einer Regelung, wodurch die Schwingungsneigung deutlich abnimmt und folglich die Leistungsbegrenzung einfach für sämtliche Betriebsfälle abgestimmt werden kann.
Anders als beim herkömmlichen Grenzlastregler, der die abgenommene Leistung indirekt mittels einer Drehzahlregelung begrenzt, bestimmt erfindungsgemäß das Drehmoment als Stellgröße unmittelbar die abgegebene Leistung, wodurch die Dynamik verbessert wird. 9 : ] 3#6Θ/ab:
Aufgrund der Subtraktion der Vorhalteleistung P_R wird im quasi-stationären Betrieb der Dieselmotor 1 nicht gedrückt, wodurch dieser dynamischer beschleunigen kann. Dieses Verhalten wirkt sich auch positiv auf den Energieverbrauch des Dieselmotors 1 aus. Eine vergleichbar dynamische Auslegung mittels eines Grenzlastreglers wäre durch eine schlechtere Motorauslastung und somit ein schlechteres Leistungsverhalten und einen erhöhten Kraftstoffverbrauch gekennzeichnet. Über eine geeignete Wahl der Vorhalteleistung P_R kann die Leistungsbegrenzung sehr einfach auf unterschiedliche Dieselmotortypen angepasst werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei kommenden Motorengenerationen, die aufgrund höherer Anforderungen an die Emissionsfreiheit ein schlechteres dynamisches Verhalten zeigen.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in einer Umkehrung auch zum Schutz des Dieselmotors 1 gegen Überdrehzahl im Schubbetrieb verwendet werden, indem beispielsweise die maximale Bremsleistung des Dieselmotors 1 ermittelt wird und eine Generatorleistung des Elektromotors 3, beispielsweise mittels Bremschoppern, auf die maximale Bremsleistung des Dieselmotors 1 begrenzt wird.
Patentansprüche:

Claims (7)

10
GIBLER&POTH Dl DR. FERDINAND GIBLER Dl DR. WOLFGANG POTH Austrian and European Patent and Trsdemsrk PATENTANWÄLTE PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs, der einen Verbrennungsmotor (1), einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator (2) und einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor (3) umfasst, mit den Schritten: Berechnen einer durch den Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung (P_V) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter (n_V_ist) des Verbrennungsmotors, Berechnen einer maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung (P_E_max) in Abhängigkeit von der vom Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung, wobei zum Berechnen der maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung eine Vorhalteleistung (P_R) von der maximal vom Verbrennungsmotor abgebbaren Leistung subtrahiert wird, wobei die Vorhalteleistung in Abhängigkeit von dem mindestens einem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors berechnet wird, und Begrenzen der an den Elektromotor abgegebenen Leistung auf die berechnete maximal an den Elektromotor abgebbare Leistung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter die Drehzahl (n_V_ist) des Verbrennungsmotors ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Elektromotor abgegebene Leistung durch folgende Schritte begrenzt wird: Ermitteln einer Drehzahl (n_E_ist) des Elektromotors, Λ · 11 • :· 33260Vab • * ·*· 9 · 99 9 Berechnen eines maximal durch den Elektromotor abgebbaren Drehmoments (M_max) in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl und der berechneten maximal an den Elektromotor abgebbaren Leistung und Begrenzen des durch den Elektromotor abgegebenen Drehmoments auf das berechnete maximal durch den Elektromotor abgebbare Drehmoment.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhalteleistung zu Null gesetzt wird, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors gleich einer Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors ist.
5. Serieller Hybridantrieb, umfassend: einen Verbrennungsmotor (1), einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator (2) und einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor (3), gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (4), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
6. Serieller Hybridantrieb nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Frequenzumrichter (5), der mit der Steuereinheit und dem Elektromotor gekoppelt ist.
7. Serieller Hybridantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter dazu ausgebildet ist, das durch den Elektromotor abgegebene Drehmoment auf das berechnete maximal durch den Elektromotor abgebbare Drehmoment zu begrenzen. Serieller Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 8. 12 : ·: 3^60jfab’ *. ·* * * ·** der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist. Fahrzeug, insbesondere kettengetriebenes Pistenfahrzeug, gekennzeichnet durch einen seriellen Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 8. 4/. (f, Gibler & Poth Patentanwälte OG (Dr. F. Gibler oder Dr. W. Poth)
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