DE10046986A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Fahrzeugen mit integrierten Elektromaschinen beschrieben. Im Rahmen einer hierarchischen Steuerungsstruktur mit mehreren logischen Komponenten wird die Elektromaschine logisch aufgeteilt in eine Komponente elektrischer Antrieb hinsichtlich seiner mechanischen Leistung erzeugenden Funktion und als Komponente elektrischer Antrieb der Komponente Antrieb zugeordnet wird , hinsichtlich seiner elektrische Leistung erzeugenden Funktion als Komponante Generator der Komponente elektrisches Bordnetz zugeordnet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs wie es bspw. in der DE 197 09 317 A1 dargestellt ist.

Die dort beschriebene Steuerstruktur teilt das Steuersystem für ein Fahrzeug in verschiedene Komponenten auf, bspw. in eine Komponente "Quelle mechanischer Leistung", eine Kompo­ nente "Quelle elektrischer Leistung", eine Komponente "Fahr­ zeugbewegung" und eine Komponente "Karosserie und Innen­ raum", wobei die beiden letzteren ausschließlich, die beiden erst genannten auch Verbraucher von mechanischer und elek­ trischer Leistung darstellen. Koordiniert wird jede Kompo­ nente durch einen Koordinator, wobei jede Komponente in Un­ tersysteme aufgeteilt ist, von denen wiederum jedes einzelne weiter detailliert ist, bis die gesamte Fahrzeugsteuerung im Rahmen einer solchen Hierarchie oder Schichtstruktur aufge­ teilt ist. Die oben genannten Komponenten werden von einem Koordinator "Gesamtfahrzeug" koordiniert, der nach Maßgaben vorbestimmter Strategien die zur Verfügung stehenden Res­ sourcen von mechanischer und elektrischer Leistung ermittelt und auf die einzelnen Verbraucher verteilt. Zwischen den ge­ nannten Komponenten bestehen fest vorgeschriebene Kommunikationsbeziehungen, Anforderungen, Auskunftsabfragen und Auf­ trage, mit deren Hilfe die gesamten Fahrzeugsteuerung vorge­ nommen wird.

In naher Zukunft ist die Marktfähigkeit von Fahrzeugen mit integrierten Elektromaschinen oder mit kombinierten Antrie­ ben, z. B. mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine zu Antriebszwecken, zu erwarten. Derartige Fahrzeu­ ge sind bspw. Fahrzeuge mit einem sogenannten Startergenera­ tor, serielle Hybridfahrzeuge, bei denen ein Elektromotor über einen Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, parallele Hybridfahrzeuge, bei denen sowohl Verbrennungsmo­ tor als auch Elektromaschine das Fahrzeug antreiben können, konventionelle Fahrzeuge mit getrenntem Starter und Genera­ tor, reine Elektrofahrzeuge und auch andere Arten der elek­ trischen Energieerzeugung in Fahrzeugen (bspw. Fahrzeug mit Brennstoffzelle). Die Berücksichtigung derartiger Fahrzeuge mit integrierten Elektromaschinen findet bei der bekannten Strukturierung der Fahrzeugsteuerung keine Berücksichtigung.

Vorteile der Erfindung

Durch die Einbindung von in Fahrzeuge integrierte Elektroma­ schinen in eine Steuerstruktur gemäß dem eingangs genanntem Stand der Technik werden alle die oben genannten Fahrzeugva­ rianten mit integrierten Elektromaschinen abgedeckt.

Es wird durch die logische Aufteilung der Elektromaschine in zwei Komponenten erreicht, dass eine vollständige Symmetrie in der Behandlung von mechanischer und elektrischer Leistung besteht und somit die Komplexität eines solchen Fahrzeugs reduziert wird.

Ferner wird die Übersichtlichkeit der Steuerstruktur erhöht, da jede der beiden Komponenten die Quelle nur einer Lei­ stungsart ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 im Rahmen einer Fahrzeuge mit integrierten Elektro­ maschinen abbildenden Steuerstruktur ein Ablaufdiagramm für den Hybridbetrieb eines Fahrzeugs mit integriertem Elektro­ motor hinsichtlich einer mechanischen Leistungsanforderung zur Fahrzeugbewegung. In Fig. 2 ist entsprechend ein Ab­ laufdiagramm dargestellt, welches den Generatorbetrieb der Elektromaschine und somit eine elektrische Leistungsanforde­ rung behandelt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Grundgedanke der Einbettung von Elektromaschinen in die be­ kannte Steuerstruktur ist die logische Aufteilung der Elek­ tromaschine in zwei Komponenten, nämlich in die Komponente "elektrischer Antrieb" als Teilkomponente der Komponente An­ trieb und als Komponente "mechanischer Generator" als Teil­ komponente des elektrischen Bordnetzes. Durch diese Auftei­ lung werden alle oben genannten Varianten berücksichtigt. Bezüglich der Systemanalyse ist ein Startergenerator damit logisch äquivalent zu einer Anordnung, bei denen Starter und Generator voneinander unabhängig sind. Die Abhängigkeiten bezüglich der Steuerung werden dann vom Fahrzeugkoordinator in seinen Aufträgen an die Komponente Antrieb und die Komponente elektrisches Bordnetz berücksichtigt. Beispielsweise berücksichtigt er, dass ein Startergenerator immer nur ent­ weder Strom erzeugen oder verbrauchen kann, d. h. eine Quelle elektrischer oder eine Quelle mechanischer Leistung sein kann. Die Aufteilung umfaßt auch Anordnungen mit getrenntem Starter und Generator und Antriebskonzepte, welche einen Elektromotor aufweisen, der über einen Generator vom Ver­ brennungsmotor angetrieben wird. Ebenso wird der reine Elek­ troantrieb mit Batterie und Brennstoffstelle abgedeckt, da auch hier der Elektromotor entweder als Antrieb oder als Teil des elektrischen Bordnetzes betrachtet wird. Bei der Implementierung in Software wird für die beide Komponenten der gleiche Softwarecode ausgenutzt, ohne das eine Duplizie­ rung des Codes erforderlich ist.

Dabei ist zu beachten, dass unter Komponente nur ein logi­ sches Element zu verstehen ist, welches in einigen Fällen, jedoch nicht im Falle der Elektromaschine, mit der mechani­ schen Struktur übereinstimmt. Im Falle der Elektromaschine wird die eine mechanische Struktur in zwei logische Kompo­ nenten aufgeteilt, welche jeweils einer Detaillierungsebene zweier verschiedener übergeordneten Komponenten zugeordnet werden.

Fig. 1 zeigt die Steuerungsstruktur mit Fahrzeugkoordinator und verschiedenen Komponenten, wobei als Ablaufdiagramm eine mechanische Leistungsanforderung der Fahrzeugbewegung bei einer Batterie, die genügend Energie für den Hybridbetrieb enthält, dargestellt ist.

Zunächst sind in Fig. 1 die Komponenten Fahrzeugkoordinator 100, Antrieb 102, Fahrzeugbewegung 104, Bordnetz 106 und Ka­ rosserie- und Innenraum 108 dargestellt. Die Komponenten An­ trieb und elektrisches Bordnetz sind dabei in einer weiteren Detaillierungsebene verfeinert dargestellt. Die Komponente 102 enthält somit in der nächsten Detallierungsebene einen Koordinator 1020, den Verbrennungsmotor 1022 sowie den elek­ trischen Antrieb 1024. Die Komponente Bordnetz 106 umfaßte einen Koordinator 1060, die Batterie 1062 sowie den Genera­ tor 1064. Unter Komponente wird dabei im Rahmen der Darstel­ lung der Fig. 1 und der nachfolgend beschriebenen Fig. 2 nicht die mechanische Komponente verstanden, sondern logi­ sche Elemente, deren logische Funktion durch Steuerungssoft­ ware und ggf. ein mechanisches Element ausgestaltet wird.

Zunächst wird von der Komponente Fahrzeugbewegung 104 eine Anforderung mechanischer Leistung an den Koordinator des ge­ samten Fahrzeugs 100 gestellt (vgl. Beziehung 1!). IN einer Ausführung bildet die Komponente diese Anforderung nach Maß­ gabe eines Fahrerwunsch oder eines Vorgabewertes eines ande­ ren Systems (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler). Der Anforde­ rungswert ist je nach Ausführung ein für die Fortbewegung benötigter Momenten- oder Leistungswert. Bei einer Momenten­ anforderung ist dem Fahrzeugkoordinator die Drehzahl des Mo­ mentenüberträgers bekannt. Danach fragt der Koordinator Ge­ samtfahrzeug 100 über die Kommunikationsbeziehung 2? bei der Komponente Antrieb 102 das mechanische Leistungspotenzial des Antriebs ab. Diese Information benötigt der Koordinator Gesamtfahrzeug, um abzuschätzen, ob die und ggf. andere An­ forderungen erfüllt werden können. Diese Abfrage wird in der Komponente Antrieb an den Koordinator 1020 geleitet. Dieser fragt im nächsten Schritt über die Kommunikationsbeziehungen 3? das mechanische Leistungspotenzial des elektrischen An­ triebs 1024 und des Verbrennungsmotors 1022 ab. Diese Werte werden auf der Basis von aktuellen und maximal möglichen Be­ triebsgrößen von der jeweiligen Komponente ermittelt, wobei die Komponente 1024 elektrischer Antrieb über die Kommunika­ tionsbeziehung 4? vom Fahrzeugkoordinator 100 das zur Verfü­ gung stehende elektrische Leistungspotenzial, welches für den motorischen Betrieb zur Verfügung steht, abfragt. Randbedingung hierbei ist, das keine elektrische Leistungserzeu­ gung durch den Generator erfolgt, da sonst kein antreibendes Moment erzeugt werden kann. Der Koordinator Gesamtfahrzeug beantwortet diese Frage, ggf. unter Absenden einer entspre­ chenden Abfrage an die Komponente elektrisches Bordnetz un­ ter Verwertung deren Antwort. Der Koordinator 1020 fasst die Einzelantworten von den Komponenten 1024 und 1022 bezüglich des mechanischen Leistungspotenzials zusammen (z. B. Additi­ on) und sendet diese an den Fahrzeugkoordinator 100. Dieser gibt dann über die Auftragsbeziehung 5! den Auftrag an die Komponente Antrieb, die gewünschte mechanische Leistung be­ reitzustellen. Dies ist dann der Fall, wenn das Leistungspo­ tenzial zur Bereitstellung des gewünschten Werts ausreicht. Ansonsten wird der Auftrag entsprechend begrenzt. Der Auf­ trag 5! wird an den Koordinator 1020 weitergeleitet, der die Leistungsanforderung über die Auftragsbeziehung 6! an die Komponenten Verbrennungsmotor 1022 und/oder elektrischen An­ trieb 1024 weiter gibt. Der Koordinator des Antriebs 1020 entscheidet also über den Hybridantrieb. Er fällt diese Ent­ scheidung nach Maßgabe der in ihm implementierten Strategie bspw. grundsätzlich mit elektrischem Antrieb zu fahren, so­ lange die gewünschte mechanische Leistung durch diesen be­ reitgestellt werden kann unter den Randbedingungen des elek­ trischen Bordnetzes. Ergeht der Auftrag an die Komponente elektrischer Antrieb, so beschafft diese sich über die An­ forderungsbeziehung 7! über den Koordinator 100 die Bereit­ stellung der entsprechenden elektrischen Leistung für den elektrischen Antrieb. Der Koordinator 100 setzt diese Anfor­ derung in den Auftrag 8! um, den er an die Komponente elek­ trisches Bordnetz schickt. Dieser Auftrag wird dort an den Koordinator 1060 weitergeleitet, der für die Bereitstellung über die Auftragsbeziehung 8! der gewünschten elektrischen Leistung durch die Batterie 1062 sorgt. Ferner gibt der Ko­ ordinator 100 über die Auftragsbeziehung 9! an die Komponen­ te Fahrzeugbewegung 104 den Auftrag, die bereitgestellte mechanische Leistung durch Steuerung des Vortriebs zu verbrau­ chen.

In Fig. 2 ist in der Steuerungsstruktur der Fig. 1 ein Ab­ laufdiagramm dargestellt, welches für den Generatorbetrieb gilt, wenn bspw. eine zusätzliche elektrische Leistungsan­ forderung gestellt wird. In diesem Fall muß die Batterie vom Generator 1064 geladen werden. Die Erzeugung mechanischer Leistung durch die elektrische Maschine ist dann nicht mög­ lich.

Ausgangspunkt sei eine Anforderung der Komponente Fahrzeug­ bewegung 104 an den Fahrzeugkoordinator 100 für eine mecha­ nische und von der Komponente "Karosserie du Innenraum" 108 für eine elektrische Leistung (Anforderungsbeziehungen 1!). Der Koordinator 100 fragt wie anhand Fig. 1 geschildert be­ züglich der mechanischen Leistung über die Abfragebeziehung 2? das mechanische Leistungspotenzial der Komponente 102 ab, während er über die Abfragebeziehung 2? bezüglich der ange­ forderten elektrischen Leistung von der Komponente elektri­ sches Bordnetz 106 deren elektrisches Leistungspotenzial ab­ fragt. Die Abfrage 2? wird in der Komponente elektrisches Bordnetz 106 an den Koordinator 1060 weitergeleitet. Der Ko­ ordinator 1060 der Komponente elektrisches Bordnetz 106 fragt über die Abfragebeziehungen 3? das elektrische Lei­ stungspotenzial von Batterie 1062 und Generator 1064 ab. Auch dieser Wert wird auf der Basis aktueller Betriebsgrößen ermittelt.

Entsprechend Fig. 1 fragt der Koordinator 1020 der Kompo­ nente 102 das mechanische Leistungspotenzial der Komponenten 1022 und 1024 ab. Dann fragt der Generator 1064 über die Ab­ fragebeziehung 4? vom Koordinator 100 das mechanische Lei­ stungspotenzial für den Generator ab. Unter Berücksichtigung der Antworten auf diese Anfrage erteilt der Koordinator 100 über Auftragsbeziehung 5! den Auftrag zu Bereitstellung der geforderten mechanischen Leistung an die Komponente Antrieb, dort an den Koordinator 1020. Dieser wird wie oben darge­ stellt an den Verbrennungsmotor im Rahmen der Auftragsbezie­ hung 6! weitergeleitet.

Parallel dazu wird von der Komponente elektrischer Antrieb 1024 über die Abfragebeziehung 4? vom Koordinator 100 das für den Antrieb zur Verfügung stehende elektrische Lei­ stungspotenzial ab. Dieses ist, da die Komponente 106 elek­ trische Energie erzeugt, null. Diese Rückmeldung wertet der Koordinator 1020 zur Steuerung des Hybridantriebs aus. Da eine Aufforderung für elektrische Leistung vorliegt, fällt also eine Beauftragung des elektrischen Antriebs 1024 aus, da wie oben erwähnt der Startergenerator immer nur entweder Strom erzeugen oder verbrauchen kann. Da in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Stromerzeugung im Vor­ dergrund steht, scheidet sein Einsatz als elektrischer An­ trieb aus. Die Auftragsbeziehung 6! richtet sich daher nur an die Komponente Verbrennungsmotor 1022.

Der Koordinator 100 beauftragt dann über die Auftragsbezie­ hung 7! die Komponente Bordnetz 106 mit der Bereitstellung der geforderten elektrischen Leistung im Rahmen Ihres Lei­ stungspotenzial. Dieser Auftrag wird an den Koordinator 1060 weitergeleitet. Dieser gibt den Auftrag weiter im Rahmen der Auftragsbeziehung 8! an den Generator 1064. Dieser fordert die zur Erzeugung der elektrischen Leistung erforderliche mechanische Leistung über die Aufforderungsbeziehung 9! vom Koordinator 100, der die entsprechend den Auftrag zur Be­ reitstellung der mechanischen Leistung im Rahmen des Lei­ stungspotenzial der Komponente 102 modifiziert. Über die Auftragsbeziehung 10! beauftragt der Koordinator 100 dann die Komponenten Fahrzeugbewegung 104 und Karosserie- und Innenraum 108 mit dem Verbrauch der angeforderten mechanischen und elektrischen Leistung.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuges, wobei mehrere logische Komponenten vorhanden sind, die im Rahmen einer Hierarchie angeordnet und über vorgegebene Kommunikati­ onsverbindungen miteinander kommunizieren, wobei zumin­ dest ein Teil der logischen Komponenten in weiteren Kom­ ponenten aufgeteilt ist, wobei als logische Komponenten wenigstens die Komponenten Antrieb und elektrisches Bord­ netz vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug über eine integrierte Elektromaschine verfugt, welche sowohl elektrische als auch mechanische Leistung erzeugt, wobei diese Elektromaschine bezüglich der logi­ schen Komponenten hinsichtlich seiner mechanische Lei­ stung erzeugenden Funktion als Komponente elektrischer Antrieb der Komponente Antrieb zugeordnet wird, im Rahmen seiner elektrische Leistung erzeugenden Funktion als Kom­ ponente Generator der Komponente elektrisches Bordnetz zugeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine ein Startergenerator und/oder ein Elektroantrieb darstellt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Elektromaschine als Antrieb der Koordinator der Komponente Antrieb über die Verteilung der angeforderten Leistung auf Verbren­ nungsmotor und elektrischen Antrieb nach vorgegebenen Strategien entscheidet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass für die Komponente elektri­ scher Antrieb und für die Komponente Generator der glei­ che Steuerungscode ausgenutzt wird.

5. Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugs, mit verschie­ denen logischen Komponenten, die Form einer Hierarchie angeordnet sind und die zumindest zum Teil in weitere Komponenten unterteilt sind, wobei wenigstens die logi­ schen Komponenten Antrieb und elektrisches Bordnetz vor­ gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug über eine integrierte Elektromaschine verfügt, welche so­ wohl elektrische als auch mechanische Leistung erzeugt, wobei diese Elektromaschine bezüglich der logischen Kom­ ponenten hinsichtlich seiner mechanische Leistung erzeu­ genden Funktion als Komponente elektrischer Antrieb der Komponente Antrieb zugeordnet wird, im Rahmen seiner elektrische Leistung erzeugenden Funktion als Komponente Generator der Komponente elektrisches Bordnetz zugeordnet ist.