Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
sowie ein Computerprogramm zur Steuerung einer
Antriebseinheit eines Fahrzeugs.
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Aus der DE-A 196 19 324 ist bekannt, in Abhängigkeit der
Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements das
Drehmoment der Antriebseinheit einzustellen. Dazu wird auf
der Basis dieser Stellung ein Fahrerwunschmoment gebildet,
in dessen Abhängigkeit das Drehmoment der Antriebseinheit im
Sinne einer Annäherung an das Fahrerwunschmoment gesteuert
wird. Zur Ermittlung des Fahrerwunschmoments wird ein im
jeweiligen Betriebspunkt maximal erreichbares Drehmoment sowie
ein die Lasten der Antriebseinheit berücksichtigendes
minimales Moment gebildet. Das Fahrerwunschmoment wird dann aus
einem aus der Stellung des Bedienelements abgeleiteten Wert
durch Interpolation zwischen diesen veränderlichen maximalen
und minimalen Momentenwerten berechnet. Durch die bekannte
Lösung wird eine zufriedenstellende Kompensation der Lasten
im Fahrerwunschmoment erreicht.
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Aus der DE-A 197 54 286 ist eine Vorgehensweise zur
Bestimmung eines Fahrerwunschmomentes bekannt, bei welchem der
Fahrpedalstellungsbereich in zwei Bereiche aufgeteilt ist.
In einem unteren Fahrpedalbereich wird der Fahrerwunsch so
berechnet, daß die Momentenentfaltung an der Kupplung
unabhängig von Umwelteinflüssen wie Meereshöhe,
Ansauglufttemperatur, etc., und Nebenlasten, Betrieb von Klimaanlage,
Generator, von Motorverlusten und Getriebeverlusten, ist (d. h.
volle Kompensation der Lasten). In einem oberen
Fahrpedalbereich wird die Berechnung derart durchgeführt, daß eine
durchgängige Dosierbarkeit des Moments erreicht wird, d. h.
eine Änderung der Fahrpedalstellung hat auch in diesem
Bereich immer einer Momentenänderung zur Folge.
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Wird als Fahrerwunschmoment nicht wie im Stand der Technik
ein indiziertes Motormoment vorgegeben, sondern ein
ausgangsseitig des Getriebes auftretendes Drehmoment, z. B.
Getriebeausgangsmoment, Radmoment, etc., ergibt sich die
Möglichkeit, eine gezielte Beeinflussung des Moments im
Schleppbereich des Motors durch den Fahrer zu erlauben. Die
bekannten Lösungen zur Fahrerwunschbestimmung geben hierfür
keine Lösung an.
Vorteile der Erfindung
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Durch einen dritten Bereich der Fahrpedalstellung, in dem
ein Fahrerwunschmoment unter Berücksichtigung veränderlichen
Lasten berechnet wird, wird eine gezielte Beeinflussung des
Moments im Schleppbereich des Motors durch den Fahrer
ermöglicht. In vorteilhafter Weise wird die Bestimmung des
Fahrerwunschmoments für den Einsatz in Steuersystemen, bei
denen vom Fahrer ein getriebeausgangsseitiges Moment
vorgegeben wird, optimiert.
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Besondere Vorteile zeigen sich in Verbindung mit
Hybridfahrzeugen, da durch die Bestimmung des Fahrerwunschmoments die
Möglichkeit der Bremsrekuperation berücksichtigt ist.
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In besonders vorteilhafter Weise ist die Einstellung des vom
Fahrer gewünschten Moments in einem mittleren
Fahrpedalbereich unabhängig von veränderlichen Nebenlasten. Im unteren
und oberen Fahrpedalbereich jedoch ist das Fahrmoment
lastenabhängig und durch den Fahrer gut dosierbar. Daher
ermöglicht die beschriebene Vorgehensweise eine gute
Dosierbarkeit (keine Leerwege) im unteren Fahrpedalbereich auch
bei veränderlichen, großen Schleppmomenten, wie z. B. bei der
Rekuperation eines Startergenerators.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer
Antriebseinheit eines Fahrzeugs. In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm
dargestellt, welches eine bevorzugte Vorgehensweise zur
Bestimmung des Fahrerwunschmoments skizziert. Die Fig. 3
und 4 zeigen beispielhaft Kennlinien des Fahrerwunschmoments
über dem Fahrerwunsch für verschiedene Lastwerte.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Fig. 1 zeigt eine elektronische Steuereinheit 10, die
wenigstens einen Mikrocomputer 12 sowie Eingangs- 14 und
Ausgangsschaltungen 16 aufweist. Die Eingangsschaltungen 14,
der Mikrocomputer 12 und die Ausgangsschaltungen 16 sind zum
gegenseitigen Daten- und Informationsaustausch mit einem
Kommunikationssystem 18 verbunden. Der Eingangsschaltung 14
werden verschiedene Eingangsleitungen von verschiedenen
Meßeinrichtungen, Bedienelementen, etc. zugeführt. Über an
den Ausgangsschaltungen 16 der Steuereinheit 10
angeschlossenen Ausgangsleitungen werden die Leistungsparameter der
Antriebseinheit beeinflußt. Im bevorzugten
Ausführungsbeispiel stellt die Antriebseinheit eine Brennkraftmaschine
dar. Eine erste Ausgangsleitung 20 führt daher auf eine
elektrisch betätigbare Drosselklappe 22 zur Beeinflussung
der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine. Über weitere
Ausgangsleitungen 24 und 26 beeinflußt die Steuereinheit 10
wenigstens Zündzeitpunkt und Kraftstoffzumessung der
Brennkraftmaschine. Eine erste Eingangsleitung 28 verbindet die
Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 30 zur Erfassung
der Motordrehzahl. Eine Eingangsleitung 32 führt von einer
Meßeinrichtung 34, die über eine mechanische Verbindung 36
mit einem vom Fahrer betätigbaren Bedienelement 38, einem
Fahrpedal, verbunden ist, zur Steuereinheit 10. Eine
Eingangsleitung 44 verbindet die Steuereinheit 10 mit einer
Meßeinrichtung 46 zur Erfassung des Atmosphärendrucks, das
heißt des Drucks im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine vor
der Drosselklappe. Der Atmosphärendruck kann in einem
anderen Ausführungsbeispiel auch mittels einer Adaption
ermittelt werden. Eine Eingangsleitung 48 verbindet die
Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 50 zur Erfassung der
Ansauglufttemperatur, das heißt der Temperatur der Luft vor
der Drosselklappe. Eine weitere Eingangsleitung 52 verbindet
die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 54 zur
Erfassung der Motorlast, beispielsweise einer Luftmassen-,
Luftmengen-, Drosselklappenstellungs- oder
Saugrohrdruckmeßeinrichtung. Über eine weitere Eingangsleitung 55 wird der
Steuereinheit 10 wenigstens eine Information über den
aktuellen Betriebszustand oder den aktuellen Momentenbedarf von
Nebenverbrauchern wie einer Klimaanlage, einer Servolenkung,
eines Generators, etc. zugeführt. Weitere
Eingangsleitungen 56 bis 58 verbinden die Steuereinheit 10 mit
Meßeinrichtungen 60 bis 62, die weitere Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs wie Fahrzeuggeschwindigkeit,
Motortemperatur, Abgaszusammensetzung, Batteriespannung,
etc. erfassen.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend in Verbindung
mit einer Otto-Brennkraftmaschine mit λ = 1-Betrieb
(Leistungseinstellung über Drosselklappevorgabe) beschrieben.
Sie wird jedoch auch mit den entsprechenden Vorteilen bei
Otto-Brennkraftmaschine mit Mager-Betrieb (z. B. Benzin-
Direkt-Einspritzung mit Leistungseinstellung über
Kraftstoffvorgabe), Dieselbrennkraftmaschinen oder bei
alternativen Antriebskonzepten, zum Beispiel Elektromotoren,
angewendet.
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Die elektronische Steuereinheit 10, dort der
Mikrocomputer 12, bildet auf der Basis des Betätigungsgrades des
Bedienelements 38 in der nachfolgend beschriebenen Art und
Weise ein sogenanntes Fahrerwunschmoment, welches als
Sollwert für ein Ausgangsdrehmoment der Antriebseinheit
(Kupplungsmoment, Getriebeausgangsmoment) in bekannter Weise
durch Steuern der Leistungsparameter der Antriebseinheit
eingestellt wird. Zur Berechnung des Fahrerwunschmomentes
aus dem Fahrerwunschsignal (Fahrpedalstellungssignal) sind
drei Fahrerwunschbereiche vorgesehen, die durch drei
Gleichungen, vorzugsweise Geradengleichungen, beschrieben
werden. Der grundlegende Typ dieser Geradengleichungen läßt
sich wie folgt darstellen:
mfa = s.F + b
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Wobei mfa das Fahrerwunschmoment ist, s die Steigung der
Geraden, F der relative Fahrerwunsch, der aus der
Fahrpedalstellung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von
Fahrzeuggeschwindigkeit oder Motordrehzahl, abgeleitet wird, b
ein Achsenabschnitt. Steigung und Achsenabschnitt werden
dabei je nach Fahrpedalstellungsbereich (oben, Mitte, unten)
vorgegeben.
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Für den mittleren Fahrerwunschbereich ist eine Gleichung
vorgegeben, bei der Mindestlasten des Verbrennungsmotors als
Konstante immer berücksichtigt werden. Daher wird für den
mittleren Bereich Steigung Sm und Achsenabschnitt bm als
Festwert vorgegeben:
mfam = Sm.F + bm
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Im oberen Fahrpedalstellungsbereich, d. h. im Bereich großer
Fahrerwunschwerte (z. B. Vollastbereich) ist es wünschenswert
eine gute Dosierbarkeit des Motormoments durch den Fahrer zu
erreichen, d. h. daß jede Änderung der Fahrpedalstellung in
diesem Bereich eine Änderung des Motormoments nach sich
zieht. Daher werden Steigung und Achsenabschnitt wie im
eingangsgenannten Stand der Technik berechnet. In diesem
Bereich ergibt sich somit zur Auswertung des Fahrerwunsches
und Bildung des Fahrerwunschmoments eine Geradengleichung
wie folgt:
mfao = So.F + (1 - So).K.(U - L)
mit So = (U - L)(1 - K)/(1 - (U - L).K)
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Dabei ist L ein Lastfaktor, in dem alle Lasten, Verluste,
Heizleistungen, Momentenanforderungen, die nicht zum
Vortrieb beitragen, berücksichtigt sind. Im einfachsten
Beispiel repräsentiert er die Summe aller Momente, die nicht
vortriebsrelevant sind. Dieser Lastfaktor ist im bevorzugten
Ausführungsbeispiel auf das maximale Moment bezogen und
verändert sich zwischen den Grenzwerten 0 und 1. Er stellt
somit ein Maß für die veränderlichen Lasten des Motors dar.
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Der Faktor K ist eine vorgebbare applizierbare Größe dar und
kann gegebenenfalls abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit,
Drehzahl, Meereshöhe, eingelegtem Gang, etc. sein. Auch er
ist zwischen den Grenzwerten 0 und 1 veränderbar. Mit dem
Faktor K wird in einem Ausführungsbeispiel festgelegt,
wieviel Prozent des momentan maximal möglichen Moments
gleichbleibend, d. h. unabhängig von der Last dosiert wird.
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U ist ein Umwelteinflußfaktor, in dem der Umgebungsdruck und
die Ansauglufttemperatur mit eingehen. Auch dieser schwankt
zwischen den Werten 0 und 1 und liegt unter genormten
Extremumgebungsbedingungen auf dem Wert 1.
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Durch diese Vorgabe des Fahrerwunschmoments wird
entsprechend der Vorgehensweise im eingangsgenannten Stand der
Technik eine gute Dosierbarkeit des Moments im Bereich
großer Fahrerwunschwerte erreicht.
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Durch einen dritten Fahrpedalbereich wird eine gute
Dosierbarkeit des Moments auch im Schleppbereich, insbesondere bei
großen Schleppmomenten, z. B. während der Rekuperation eines
Startergenerators, ermöglicht. Dieser leerlaufnahe Bereich
wird durch eine Gleichung beschrieben, welche wie folgt
aufgebaut ist:
mfau = SU.F + bU
Wobei SU = (Y + L)/X und bU = - L ist.
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Die Wahl des Bezugspunktes (X, Y) ist frei, dieser
Bezugspunkt muß jedoch oberhalb der Geraden mfam für den mittleren
Bereich liegen. Diese dritte Gleichung bietet die
Möglichkeit, durch die Wahl des Bezugspunktes Nebenlasten und
Schleppmomente geeignet zu berücksichtigen. Die gute
Dosierbarkeit auch in diesem Bereich ist gewährleistet. Bei
Fahrerwunsch 0 wird ein Fahrerwunschmoment eingestellt, welches
dem negativen Lastfaktor entspricht. Dadurch ist
sichergestellt, daß die Antriebseinheit an ihrem Ausgang ein
negatives Drehmoment abgibt (Schiebebetrieb), somit ein großes
Schleppmoment erzeugt. Bei Fahrerwunschwerten größer Null,
jedoch noch im unteren Bereich, wird bei der Realisierung
des Fahrerwunsches ein kleineres Schleppmoment durch den
Motor erzeugt, da das (negative) Fahrerwunschmoment kleiner
ist.
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Als Alternative ist für diesen dritten Bereich vorgesehen,
eine Geradensteigung mit konstanter Steigung vorzugeben.
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Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel berechnet das
Fahrerwunschmoment auf der Basis von Geradengleichungen. In
anderen Ausführungen ist eine andere Realisierung, z. B.
mittels vorgegebener Kennfelder, geeignet. Wesentlich ist, das
in einem ersten, unteren und einem dritten, oberen
Fahrerwunschbereich bei der Fahrerwunschmomentenbestimmung
Motorlasten berücksichtigt werden, während im zweiten, mittleren
Fahrerwunschbereich das Fahrerwunschmoment unabhängig von
veränderlichen Nebenlasten ist.
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Die Realisierung der Fahrerwunscherfassung ist im
bevorzugten Ausführungsbeispiel als Computerprogramm des
Mikrocomputers 12 der Steuereinheit 10 vorgesehen. Ein Beispiel für
ein solches Computerprogramm ist in Fig. 2 anhand eines
Ablaufdiagramms dargestellt, wobei die einzelnen Blöcke
Programme, Programmteile oder Programmschritte mit der
beschriebenen Funktion darstellen, während die
Verbindungslinien den Informationsfluß repräsentieren.
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In einem Kennfeld 100 wird der relative Fahrerwunsch F in
Abhängigkeit der Fahrpedalstellung β und gegebenenfalls der
Fahrzeuggeschwindigkeit VFZ gebildet. Der relative
Fahrerwunsch bewegt sich dabei zwischen 0% für ein losgelassenes
Pedal und 100% für ein vollständig betätigtes Pedal. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Fahrerwunsch
ferner zwischen einem minimalen und einem maximalen Moment
normiert. Das Fahrerwunschmoment repräsentiert ein
getriebeausgangsseitiges Moment, z. B. ein Radmoment, welches dann
im Laufe der Berechnungen zur Umsetzung des Sollwertes in
Steuergrößen für die Antriebseinheit in ein Motormoment,
beispielsweise in ein inneres Motormoment umgesetzt wird.
Der Fahrerwunschwert wird einer Multiplikationsstufe 102
zugeführt, indem er mit dem Steigungswert So, welcher in 104
z. B. wie oben angegeben bestimmt wird, multipliziert wird.
Das Produkt wird in der Verknüpfungsstelle 106 mit dem
Achsenabschnittswert bo, der in 108 z. B. wie oben angegeben
berechnet wird, addiert und auf die Weise das
Fahrerwunschmoment mfao für den oberen Fahrerwunschbereich gebildet.
Analog wird der Fahrerwunschwert in einer Multiplikationsstufe
110 mit der Steigung Sm des mittleren Fahrerwunschbereichs,
die in 112 z. B. wie oben angegeben gebildet wird,
multipliziert und das Produkt in der Verknüpfungsstelle 114 mit dem
in 116 z. B. wie oben angegeben gebildeten Achsenabschnitt bm
addiert. Ergebnis ist das Fahrerwunschmoment mfam für den
mittleren Fahrerwunschbereich. Ferner wird der
Fahrerwunschwert F in einer Multiplikationsstufe 118 mit dem
Steigungswert Su für den unteren Fahrerwunschbereich, der in 120
z. B. wie oben angegeben berechnet wird, multipliziert. Das
Produkt wird dann in der Verknüpfungsstelle 122 mit dem in
124 z. B. wie oben angegeben gebildeten Achsenabschnittswert
bu addiert und auf diese Weise das Fahrerwunschmoment mfau
für den unteren Bereich berechnet. Die drei
Fahrerwunschmomente werden einer Minimalwertauswahlstufe 126 zugeführt,
wobei der kleinste der drei zugeführten Werte als
Fahrerwunschmoment mfa in 128 weiterverarbeitet wird. Diese weitere
Verarbeitung ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird
daher nicht näher angegeben, wobei das Fahrerwunschmoment
mittels der im Triebstrang vorhandenen
Übersetzungsverhältnisse, der inneren Verluste und des nicht zum Vortrieb zur
Verfügung stehenden Momentenbedarfs ein inneres
(indiziertes) Motormoment gebildet wird. Ergebnis dieser Umsetzung in
128 sind Stellsignale zur Steuerung von Leistungsparametern
der Antriebseinheit, im Falle einer Brennkraftmaschine zur
Einstellung der Luftzufuhr, der Kraftstoffzumessung und/oder
des Zündwinkels.
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Bei der Berechnung der Fahrerwunschmomente für die
unterschiedlichen Fahrerwunschbereiche werden in einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel die oben dargelegten Gleichungen
verwendet. In anderen Ausführungsbeispielen sind die
Gleichungen angepaßt, beispielsweise kann auf den Faktor U
und/oder den Faktor K verzichtet werden. Andere
Lastabhängigkeiten von Steigung und Achsenabschnitt sind ebenfalls
denkbar. Wesentlich ist, daß der Fahrerwunschbereich in
wenigstens drei Bereiche aufgeteilt ist, in denen mit
unterschiedlicher Gewichtung der Lastabhängigkeit
Fahrerwunschmomentenwerte ermittelt werden, die dann vorzugsweise im
Rahmen einer Minimalwertauswahl zu einem resultierenden
Fahrerwunschmoment verknüpft werden.
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Im mittleren Fahrerwunschbereich wird eine von
veränderlichen Nebenlasten unabhängige Einstellung des vom Fahrer
gewünschten Fahrmoments erreicht, während im unteren und
oberen Fahrerwunschbereich eine gute Dosierbarkeit des
Fahrmoments durch den Fahrer erreicht wird.
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In den Fig. 3 und 4 sind Diagramme dargestellt, welche
das Fahrerwunschmoment mfa über den relativen Fahrerwunsch F
sowie das Motorgesamtmoment mges über dem relativen
Fahrerwunsch F darstellen. Dabei wurde folgendes Zahlenbeispiel
verwendet. Faktor U ist 0,9, Faktor K ist 0,85. Die Steigung
für den mittleren Teil ist 1, 1, dessen Achsenabschnitt -0,1.
Der Bezugspunkt X ist 0,3 und Y ist 1.
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Fig. 3 zeigt das auf das maximale Moment normierte
Fahrerwunschmoment mfa über dem Fahrerwunschwert F, der im
wesentlichen der Fahrpedalstellung entspricht. Parameter der
dargestellte Kurvenschar ist der Faktor L, d. h. die
vorhandenen Nebenlasten. Es zeigt sich, daß für Lastfaktoren im
Bereich 0-0,3 eine Kennlinie entsteht, die eine gute
Dosierbarkeit im Bereich kleiner und großer Fahrerwunschwerte
sowie eine lastunabhängige Einstellung innerhalb eines
mittleren Bereichs ergibt.
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Entsprechend zeigt die Darstellung des auf das Maximalmoment
normierte Motorgesamtmoment als Funktion des Fahrerwunsches
eine lastabhängige Abgabe bzw. Erzeugung des Drehmoments mit
vorhandener Dosierbarkeit im unteren und im oberen
Fahrerwunschbereich.
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Wie oben dargestellt, wird die erfindungsgemäße
Vorgehensweise nicht nur in Verbindung mit der Steuerung von
Verbrennungsmotoren, sondern auch mit anderen Antriebskonzepten, z. B.
Elektromotoren zur Bestimmung des Fahrerwunsches
eingesetzt.