AT522342B1

AT522342B1 - Verfahren zur Generierung einer Drehmomentanforderung

Info

Publication number: AT522342B1
Application number: ATA51140/2019A
Authority: AT
Inventors: Klima Dipl Ing Dr Bernd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-10-15
Also published as: AT522342A4

Abstract

Verfahren zur Generierung einer Drehmomentanforderung Mout für den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs umfassend eine Steuereinheit (1), eine Batterie (2), einen Frequenzumrichter (3) zum Antrieb eines Elektromotors (4) und ein Batteriemanagementsystem (5).

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR GENERIERUNG EINER DREHMOMENTANFORDERUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung einer Drehmomentanforderung für den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs.

[0002] Ein derartiger Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug umfasst in der Regel eine Batterie als Energiequelle, einen oder mehrere Frequenzumrichter zur Generierung elektrischer Wechselströme passender Frequenz und Amplitude, einen oder mehrere Elektromotoren und gegebenenfalls mechanische Komponenten zur Kopplung der Motorwelle mit den Rädern, sowie zumindest eine elektronische Steuereinheit zur Ansteuerung dieser Komponenten. Die Steuereinheit generiert, abhängig vom Betriebszustand des Antriebsstrangs und der aktuellen Drehmomentanforderung des Fahrers, eine Drehmomentanforderung an den oder die Frequenzumrichter. Unabhängig vom Antriebsstrang befinden sich im Fahrzeug jedoch auch zahlreiche elektrische Verbraucher wie insbesondere eine Fahrzeugheizung und Fahrzeugkühlung, die ebenfalls von der Batterie gespeist werden und somit das elektrische Versorgungssystem belasten.

[0003] Die elektrischen Komponenten, insbesondere die Batterie und der bzw. die Frequenzumrichter derartiger Vorrichtungen, sind zur Bereitstellung einer Nennleistung im Dauerbetrieb ausgelegt, können jedoch auch kurzfristig im Überlastbetrieb erhöhte Leistung zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, kurzfristig erhöhtes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, um dynamisch den Fahrerwunsch zu erfüllen. Der Überlastbetrieb muss jedoch zeitlich begrenzt werden, um eine insbesondere thermische Überlastung des Gesamtsystems zu vermeiden.

[0004] Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der auf Hybridfahrzeuge ausgerichteten EP 2.965 963 A1, ist es bekannt, die Drehmomentanforderung des Fahrers durch eine Steuereinheit zu interpretieren und in Abhängigkeit des Zustands des Antriebsstrangs eine abgeänderte Drehmomentanforderung zu berechnen. Im Stand der Technik wird dazu das aktuell maximal verfügbare Drehmoment des Antriebsstrangs bestimmt und dem vom Fahrer gewünschten Drehmoment gegenübergestellt, wobei der Zustand der Batterie, der Zustand des Antriebs und gegebenenfalls auch die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt werden.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, derartige Verfahren zu verbessern. Insbesondere soll ein Verfahren geschaffen werden, welches es ermöglicht, einer Drehmomentanforderung des Fahrers, welche im UÜberlastbereich liegt, in ausreichender Höhe und reproduzier- bzw. wiederholbar für möglichst lange Zeit nachzukommen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0007] In einem ersten Schritt nimmt die Steuereinheit eine Drehmomentanforderung Md des Fahrers entgegen. Bei der Drehmomentanforderung Md kann es sich insbesondere um ein, die Stellung eines Fußpedals des Fahrzeugs indizierendes, elektrisches Signal handeln.

[0008] In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinheit den aktuellen Wert des zur Verfügung stehenden, maximal abgebbaren Drehmoments Mmax. Weiters bestimmt die Steuereinheit den aktuellen Wert des zur Verfügung stehenden nominellen Drehmoments Mcont.

[0009] In einem dritten Schritt berechnet die Steuereinheit die Differenz dM zwischen Mmax und der aktuell an den Antriebsstrang abgegebenen Drehmomentanforderung Mout. Ist der Wert von dM größer als ein erster Schwellwert Mth1, so wird Mout auf den Wert von Md gesetzt - das angeforderte Drehmoment wird ohne Anderung an den Antriebsstrang weitergegeben.

[0010] Ist hingegen der Wert von dM kleiner als der erste Schwellwert Mth1, so wird der Wert von Mout reduziert. Der Wert von Mout wird als Sollwert an den Antriebsstrang des Fahrzeugs weitergegeben. Diese Reduktion ermöglicht eine leichte Erholung der thermischen Systeme von Batterie, Frequenzumrichter(n) und Elektromotor(en), da die dynamische Uberlastung insbeson-

dere der thermischen Systeme reduziert wird, sodass sich in Folge der Wert von Mmax stabilisiert.

[0011] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Wert von Mout in aufeinanderfolgenden Zeitschritten um einen inkrementellen Wert Minc reduziert wird.

[0012] Der Wert von Mout kann dabei auf den Wert von Mcont reduziert werden, oder auf den Wert Mcont + Madd reduziert werden, wobei der Wert von Madd größer Null ist, oder auf den Wert Mcont + Madd reduziert werden, wobei der Wert von Madd kleiner Null ist.

[0013] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Wert von Mout nach der Reduktion zumindest für eine von der Steuereinheit bestimmte Zeitspanne Tconst nicht erhöht wird, um eine nachhaltige Erholung des Systems zu ermöglichen oder eine Reduktion von Mmax zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen.

[0014] Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wert von Mout nach der Reduktion erst nach einer Reduktion der Drehmomentanforderung Md oder nach einer detektieren Reduktion der Pedalstellung wieder erhöht wird.

[0015] Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einer Reduktion der Drehmomentanforderung Md unter Mout oder bei einer Reduktion der Pedalstellung die Begrenzung von Mout auf den Wert von Mmax gesetzt wird, sodass der Wert von Mout dem aktuellen Wert von Mmax wieder folgen kann.

[0016] Zusätzlich zur Reduktion von Mout kann die den elektrischen Energieverbrauchern zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux für eine von der Steuereinheit bestimmte Zeitspanne Taux,1 konstant gehalten oder auf einen von der Steuereinheit bestimmten Minimalwert Paux,min reduziert werden.

[0017] Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass nach Ablauf der Zeitspanne Taux, 1 die Leistung Paux binnen einer von der Steuereinheit bestimmten Zeitspanne Taux,2 inkrementell erhöht wird. Die Aktivierung der Begrenzung von Paux kann unabhängig von der aktuellen Drehmomentanforderung Md auf Basis eines Vergleichs des aktuellen Pedalwerts und/oder des aktuellen Pedalwertgradienten mit Schwellwerten erfolgen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Begrenzung der Drehmomentanforderung Mout unter Berücksichtigung eines Vergleichs des aktuellen Pedalwerts und/oder des aktuellen Pedalgradienten mit Schwellwerten erfolgt.

Die Bestimmung von Mmax und Mcont kann vorzugsweise unter Berücksichtigung von Fahrzeugdaten, Umgebungsdaten und Verbraucherdaten erfolgen.

Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Bestimmung von Mcont im Betrieb nur das aktuelle Verhalten einer oder mehrerer Komponenten berücksichtigt, während dynamische Effekte der anderen Komponenten unberücksichtigt bleiben.

[0018] Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele.

[0019] Die Erfindung wird im Folgenden anhand nicht-ausschließlicher Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0020] Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der wesentlichen, am erfindungsgemäßen Verfahren beteiligten Komponenten;

[0021] Figs. 2a - 2d zeigen schematische Diagramme der Drehmomentverläufe bei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren.

[0022] Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von Komponenten eines elektrischen Fahrzeugs, die zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt sind. Das elektrische Fahrzeug umfasst eine elektronische Steuereinheit 1, eine Batterie 2, einen Frequenzumrichter 3 und einen Elektromotor 4. Die Steuereinheit 1 kann beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers mit einer CPU, einer Speichereinheit und elektronischen Schnittstellenkomponenten realisiert sein. Der Frequenzumrichter 3 und der Elektromotor 4 sind in bekannter Weise Teil des Antriebsstrangs des elektrischen Fahrzeugs.

Zur Ansteuerung der Batterie 2 ist ein bekanntes Batteriemanagementsystem 5 vorgesehen. Ferner sind zusätzliche elektrische Energieverbraucher 6 schematisch zusammengefasst. Die Batterie 2 liefert Leistung Pu an den Frequenzumrichter 3 und Leistung Paux an den elektrischen Energieverbraucherblock 6.

[0023] Die Steuereinheit 1 berechnet eine Drehmomentanforderung Mout und übermittelt diese als Sollwert an den Antriebsstrang des Fahrzeugs, insbesondere an den Frequenzumrichter 3.

[0024] Die Steuereinheit 1 erhält eine Drehmomentanforderung Md vom Fahrer des Fahrzeugs. Dabei kann es sich um ein die Stellung eines Pedals des Fahrzeugs indizierendes Signal handeln. Darüber hinaus sind verschiedene Sensoren und Datenverarbeitungseinrichtungen vorgesehen, die aus Gründen der UÜbersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Diese Einrichtungen liefern Fahrzeugdaten, Batteriedaten und Verbraucherdaten an die Steuereinheit 1. Dazu können auch Daten anderer Sensoren, beispielsweise eines Abstandsradars, berücksichtigt werden.

[0025] Bei den Fahrzeugdaten kann es sich beispielsweise um die Umgebungstemperatur, einen vom Fahrer gewählten Fahrmodus (Skologisch, sportlich, bequem oder dergleichen), die Neigung des Fahrzeugs in vertikaler und horizontaler Richtung oder dergleichen handeln.

[0026] Bei den Batteriedaten kann es sich beispielsweise um den Ladungszustand (State-ofCharge), die Temperatur der Batterie, das Alter der Batterie und andere Daten handeln. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Batteriedaten eine Funktion SOF zur Berechnung der maximal von der Batterie abgebbaren elektrischen Leistung umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Batteriedaten diese maximal abgebbare elektrische Leistung und eine im Dauerbetrieb von der Batterie abgebbare Leistung umfassen.

[0027] Bei den Verbraucherdaten kann es sich um den Zustand der verschiedenen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs handeln, die ebenfalls von der Batterie 2 gespeist werden. Dazu können insbesondere Daten bezüglich einer Enteisungsfunktion, einer Heiz- und Kühlvorrichtung des Fahrzeugs und Daten bezüglich allfälliger elektrisch gespeister Fahrzeug-Unterhaltungseinrichtungen zählen.

[0028] Fig. 2a zeigt ein schematisches Diagramm der zeitlichen Drehmomentverläufe bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Darin bezeichnet Mmax das aktuell durch den Antriebsstrang, unter Berücksichtigung des Zustands der Batterie 2, maximal abgebbare Drehmoment und Mcont das im Dauerbetrieb durch den Antriebsstrang, unter Berücksichtigung des Zustands der Batterie 2, abgebbare Drehmoment. Der Wert von Mmax ist typischerweise starken zeitlichen Schwankungen unterworfen. Es wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem konstanten Wert von Mcont ausgegangen, obgleich auch dieser Wert im Laufe der Zeit variieren kann.

[0029] Das Symbol Md, in der Zeichnung als gestrichelte Linie dargestellt, bezeichnet das aktuell vom Fahrer angeforderte Drehmoment, das beispielsweise durch Abfrage der Stellung eines Fußpedals ermittelt wird. Im Zeitabschnitt | liegt Md unter Mcont, während es in den folgenden Zeitabschnitten über Mcont liegt.

Das Symbol Mout bezeichnet die tatsächlich von der Steuereinheit 1 an den Antriebsstrang des Fahrzeugs abgegebene Drehmomentanforderung, die einen Sollwert für den Antriebsstrang bildet.

Im Zeitabschnitt | liegt die Drehmomentanforderung Md unter Mcont und die Steuereinheit 1 leitet die Drehmomentanforderung ohne Anderung an den Antriebsstrang weiter, sodass von der Steuereinheit 1 Mout = Md gesetzt wird. Das maximal abgebbare Drehmoment Mmax bleibt konstant auf einem hohen Wert.

[0030] Im Zeitabschnitt II erhöht der Fahrer die Drehmomentanforderung auf einen Wert über Mcont. Diese Drehmomentanforderung wird von der Steuereinheit 1 an den Antriebsstrang zunächst unverändert weitergegeben, sodass Mout zunächst dem Wert von Md folgt. Mindestens eines der Systeme Batterie, Frequenzumrichter oder Elektromotor wird in Überlast betrieben, um den Drehmomentwunsch zu erfüllen, sodass sich das maximal verfügbare Drehmoment Mmax, welches laufend durch die Steuereinheit 1 aus den Fahrzeugdaten, Batteriedaten und Verbrau-

cherdaten berechnet wird, im Laufe der Zeit reduziert.

[0031] Sobald die Differenz dM = Mmax - Mout einen ersten Schwellwert Mth1 unterschreitet, wird die an den Antriebsstrang weitergegebene Drehmomentanforderung Mout reduziert, um ein zu starkes Absinken des maximal verfügbaren Drehmoments Mmax zu verhindern.

[0032] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a wird in Folge im Zeitabschnitt Ill durch die Steuereinheit 1 der Wert der Drehmomentanforderung Mout schrittweise verringert, bis Mout den Wert des im Dauerbetrieb abgebbaren Drehmoments Mcont erreicht.

[0033] Gleichzeitig erholt sich der Zustand insbesondere der thermischen Systeme der Batterie 2 im Zeitabschnitt Ill, und Mmax steigt auf den ursprünglich hohen Wert. Der Wert von Mout wird beibehalten, bis eine Reduktion des vom Fahrer angeforderten Drehmoments Md erfolgt.

[0034] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b erfolgt die Reduktion von Mout statt auf Mcont auf einen höheren Wert, um mittelfristig (bzw. für einige Minuten) stationär höhere Drehmomente zu ermöglichen. Dieser höhere Wert kann kalibrierbar sein, muss jedoch zwingend niedriger als Mmax sein, beispielsweise mit einer Reduktion auf das 1,1-fache von Mcont. Dadurch erholt sich das System zwar möglicherweise nicht, die Reduktion von Mmax wird jedoch hinsichtlich ihres Gradienten begrenzt. Der neue Wert von Mout kann auch als Anteil von Mmax definiert sein, beispielsweise das 0,9-fache von Mmax.

[0035] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2c wird zusätzlich zur beschriebenen Drehmomentbegrenzungsfunktion im Zeitabschnitt Ill die den elektrischen Energieverbrauchern 6 von der Batterie 2 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux auf dem am Ende des Zeitabschnitts || befindlichen Wert konstant gehalten, bis eine Reduktion des vom Fahrer angeforderten Drehmoments Md erfolgt.

[0036] In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass Paux nur für eine von der Steuereinheit 1 bestimmte Zeitdauer Taux,1 konstant gehalten wird.

[0037] Um die den elektrischen Energieverbrauchern 6 von der Batterie 2 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux konstant zu halten, wird beispielsweise von der Steuereinheit 1 an die elektrischen Energieverbraucher 6 ein Steuerungssignal übermittelt, wie in Fig. 1 angedeutet. Die Aktivierung dieser Funktion kann auch auf anderen Parametern als der Drehmomentschwelle basieren, beispielsweise auf Schwellwerten des Pedalwerts und/oder des Pedalwertgradienten.

[0038] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2d wird zusätzlich zur beschriebenen Drehmomentbegrenzungsfunktion im Zeitabschnitt Ill die den elektrischen Energieverbrauchern 6 von der Batterie 2 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux auf einen von der Steuereinheit 1 bestimmten minimalen Wert Paux,min reduziert, bis eine Reduktion des vom Fahrer angeforderten Drehmoments Md erfolgt.

[0039] In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass Paux für eine von der Steuereinheit 1 bestimmte Zeitdauer Taux,1 konstant auf dem Wert von Paux,min gehalten wird.

[0040] Um die den elektrischen Energieverbrauchern 6 von der Batterie 2 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux auf einen von der Steuereinheit 1 bestimmten minimalen Wert Paux,min zu reduzieren, wird beispielsweise von der Steuereinheit 1 an die elektrischen Energieverbraucher 6 ein Steuerungssignal übermittelt, wie in Fig. 1 angedeutet. Die Aktivierung dieser Funktion kann auch auf anderen Parametern als der Drehmomentschwelle basieren, beispielsweise auf Schwellwerten des Pedalwerts und/oder des Pedalwertgradienten.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die elektrische Leistung Paux nach Ablauf der Zeitspanne Taux,1 binnen einer von der Steuereinheit 1 bestimmten Zeitspanne Taux,2 inkrementell erhöht wird.

[0041] Die Zeitdauer Taux,1 kann beispielsweise einen Wert von 10 Sekunden annehmen. Die Zeitdauer Taux,2 kann beispielsweise einen Wert von 3 Sekunden annehmen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Generierung einer Drehmomentanforderung Mout für den Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs umfassend eine Steuereinheit (1), eine Batterie (2), einen Antriebsstrang umfassend einen Frequenzumrichter (3) zum Antrieb eines Elektromotors (4) und ein Batteriemanagementsystem (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a. Entgegennahme, durch die Steuereinheit (1), einer aktuellen Drehmomentanforderung Md eines Benutzers,

b. Bestimmung, durch die Steuereinheit (1),

i. des aktuell durch den Antriebsstrang maximal abgebbaren Drehmoments Mmax, sowie

il. des im Dauerbetrieb durch den Antriebsstrang abgebbaren Drehmoments Mcont,

c. Berechnung, durch die Steuereinheit (1), der Differenz dM zwischen Mmax und der aktuell an den Antriebsstrang abgegebenen Drehmomentanforderung Mout, sowie Vergleich der Differenz dM mit einem ersten Schwellwert Mth1,

d. Bestimmung, durch die Steuereinheit (1), der Drehmomentanforderung Mout, wobei

i.. Mout gleich Md gesetzt wird, wenn dM größer ist als Mth1, il. Mout reduziert wird, wenn aM kleiner ist als Mth1, e. Weiterleitung, durch die Steuereinheit (1), des Werts von Mout an den Antriebsstrang.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d.ii) der Wert von Mout in aufeinanderfolgenden Zeitschritten um einen inkrementellen Wert Minc reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d.ii) der Wert von Mout a. auf den Wert von Mcont reduziert wird, oder b. auf den Wert Mcont + Madd reduziert wird, wobei der Wert von Madd größer Null ist, oder c. auf den Wert Mcont + Madd reduziert wird, wobei der Wert von Madd kleiner Null ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von Mout nach der Reduktion zumindest für eine von der Steuereinheit (1) bestimmte Zeitspanne Tconst nicht erhöht wird, um eine nachhaltige Erholung des Systems zu ermöglichen oder eine Reduktion von Mmax zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von Mout nach der Reduktion erst nach einer Reduktion der Drehmomentanforderung Md oder nach einer detektieren Reduktion der Pedalstellung wieder erhöht werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reduktion der Drehmomentanforderung Md unter Mout oder bei einer Reduktion der Pedalstellung die Begrenzung von Mout auf den Wert von Mmax gesetzt wird, sodass der Wert von Mout dem aktuellen Wert von Mmax wieder folgen kann.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Reduktion von Mout in Schritt d.i) die den elektrischen Energieverbrauchern (6) zur Verfügung gestellte elektrische Leistung Paux für eine von der Steuereinheit (1) bestimmte Zeitspanne Taux,1 konstant gehalten oder auf einen von der Steuereinheit (1) bestimmten Minimalwert Paux,min reduziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Zeitspanne Taux, 1 die Leistung Paux binnen einer von der Steuereinheit (1) bestimmten Zeitspanne Taux,2 inkrementell erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Begrenzung von Paux unabhängig von der aktuellen Drehmomentanforderung Md auf Basis eines Vergleichs des aktuellen Pedalwerts und/oder des aktuellen Pedalwertgradienten mit Schwellwerten erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung der Drehmomentanforderung Mout unter Berücksichtigung eines Vergleichs des aktuellen Pedalwerts und/oder des aktuellen Pedalgradienten mit Schwellwerten erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung von Mmax und Mcont unter Berücksichtigung von Fahrzeugdaten, Umgebungsdaten und Verbraucherdaten erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung von Mcont im Betrieb nur das aktuelle Verhalten einer oder mehrerer Komponenten berücksichtigt, während dynamische Effekte der anderen Komponenten unberücksichtigt bleiben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen