DE10160984A1 - Verfahren zur Erfassung der Motorbereitschaft und Fahrzeug mit Hybridantrieb - Google Patents

Verfahren zur Erfassung der Motorbereitschaft und Fahrzeug mit Hybridantrieb

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung eines Zustands "Verbrennungsmotor angeschaltet" in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb. Ein Regler bestimmt, dass der Verbrennungsmotor benötigt wird und überprüft anschließend den augenblicklichen Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet". Wenn der Verbrennungsmotor zur Zeit nicht läuft, rückt der Regler vor, um den Verbrennungsmotor zu starten, indem der Generator angewiesen wird, den Verbrennungsmotor durchzudrehen oder "anzulassen". Der Regler startet anschließend den Kraftstoffdurchfluss und die Zündung innerhalb des Verbrennungsmotors, um eine Verbrennung zu erzeugen. Dann wird eine Messvorrichtung verwendet, um die Kurbelwellendrehzahl zu bestimmen. Der Regler nimmt diese Messung auf und ermittelt, ob die gemessenen Änderungen in der Kurbelwellendrehzahl einen kalibrierbaren Schwellenwert überschreiten. Falls der kalibrierbare Schwellenwert überschritten ist, wird festgestellt, ob eine Verbrennung stattfindet und der Verbrennungsmotor angeschaltet ist. Der Regler stellt anschließend das Zustandsflag "Verbrennungsmotor angeschaltet" ein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrzeugzustandes "Verbrennungsmotor angeschaltet" und ein Fahrzeug mit Hybridantrieb (HEV).
Es ist die Notwendigkeit bekannt, den Verbrauch von fossilem Kraftstoff und Schadstoffe in Autos und in anderen durch einen Verbrennungsmotor (ICE) angetriebenen Fahrzeugen zu reduzieren. Mit Fahrzeugen, die durch Elektro­ motore angetrieben werden, wurde versucht, sich diesen Notwendigkeiten zuzuwenden. Jedoch haben Elektrofahrzeuge eine beschränkte Reichweite und ein begrenztes Leistungsvermögen und benötigen erhebliche Zeit, um ihre Batterien wieder aufzuladen. Eine alternative Lösung besteht darin, sowohl einen Verbrennungsmotor (ICE) als auch einen elektrischen Antriebsmotor in einem Fahrzeug zu kombinieren. Solche Fahrzeuge werden typischerweise Fahrzeuge mit Hybridantrieb (HEV) bezeichnet. (US-Patentschrift 5 343 970).
Das Fahrzeug mit Hybridantrieb ist in vielfältigen Ausführungen beschrieben worden. Darunter sind Systeme, bei denen eine Bedienperson erforderlich ist, um zwischen elektrischem Betrieb und dem mit Verbrennung zu wählen. In anderen Ausführungen treibt der Elektromotor eine Gruppe und der Verbrennungsmotor eine andere Gruppe von Rädern an.
Es wurden andere Ausführungen entwickelt, die vorteilhafter sind. Zum Beispiel ist die Ausführung eines Fahrzeugs mit Reihen-Hybridantrieb (SHEV) ein Fahrzeug mit einem Motor, typischerweise meistens ein Verbrennungsmotor, der mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, die Generator bezeichnet wird. Der Generator wiederum liefert elektrischen Strom für eine Batterie und eine weitere elektrische Maschine, die Antriebsmotor bezeichnet wird. In einem Fahrzeug mit Reihen-Hybridantrieb ist der Antriebsmotor die einzige Quelle des Raddrehmoments. Zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebsrädern gibt es keine mechanische Verbindung. Die Ausführung eines Fahrzeugs mit Parallel-Hybridantrieb (PHEV) weist einen Motor, typischerweise meistens ein Verbrennungsmotor, und einen Elektromotor auf, die das notwendige Raddrehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs gemeinsam liefern. In der PHEV- Ausführung kann der Motor auch als Generator verwendet werden, um die Batterie mit der vom Verbrennungsmotor erzeugten Leistung zu laden.
Ein Fahrzeug mit Parallel-/Reihen-/Hybridantrieb (PSHEV) weist Eigenschaften sowohl des PHEV als auch des SHEV auf und ist typischerweise als Ausführung mit "Leistungsaufteilung" bekannt. Im PHSEV ist der Verbrennungsmotor mit zwei elektrischen Maschinen in einer Transaxle mit Planetengetriebegruppe mechanisch gekoppelt. Eine erste elektrische Maschine, der Generator, ist mit einem zentralen Ritzel verbunden. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Zwischenrad verbunden. Die zweite elektrische Maschine, ein Antriebsmotor, ist über eine zusätzliche Getriebeverzahnung in einer Transaxle mit einem Teller­ rad (Abtrieb) verbunden. Das Drehmoment des Verbrennungsmotors treibt den Generator zum Aufladen der Batterie an. Der Generator kann außerdem zum benötigten Raddrehmoment (Abtriebswelle) beitragen. Der Antriebsmotor wird genutzt, um zum Raddrehmoment beizutragen und bei Verwendung eines Nutzbremssystems Bremsenergie zum Aufladen der Batterie zurückzugewinnen.
Die Kombination eines Verbrennungsmotors ICE mit einem Elektromotor ist wünschenswert, weil Kraftstoffverbrauch und Schadstoffe des Verbrennungsmotors ohne nennenswerten Verlust an Leistung oder Reichweite des Fahrzeugs reduziert werden. Die Erfindung beschäftigt sich daher mit Möglichkeiten zur Optimierung der Arbeitsweise eines HEV.
Ein solches Gebiet der Entwicklung ist die Bestimmung, ob der Verbrennungs­ motor angeschaltet ist. Bei einem herkömmlichen Fahrzeug kann der Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet" leicht festgestellt werden, nachdem der Zündschlüssel auf "eingeschaltet" gesetzt ist, indem die tatsächliche Motordrehzahl mit einem Schwellenwert verglichen wird, der anzeigt, dass der Verbrennungsmotor ein Drehmoment und eine Verbrennung erzeugt. Dies kann auch bestimmt werden, indem einfach auf ein Motorgeräusch gehört wird oder Schwingungen des Motors gefühlt werden. In einem HEV kann der Verbren­ nungsmotor jedoch mal laufen oder mal nicht, nachdem der "Zündschlüssel eingeschaltet" ist, und manchmal auch nicht laufen, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist. Deshalb ist es notwendig, dass der Systemregler des Fahrzeugs (VSC) den Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet" erkennt, bevor Ermittlungen hinsichtlich des Drehmoments am Antriebsstrang vorgenommen werden.
Im Stand der Technik wurden Verfahren offenbart, um zu bestimmen, ob der "Verbrennungsmotor angeschaltet" ist. Diese Verfahren beziehen sich oft speziell auf konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Gemäß der US- Patentschrift 5 372 101 wird zum Beispiel die Motordrehzahl gemessen, um zu bestimmen, ob der Motor startet oder läuft. Dieses Verfahren funktioniert bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb nicht, weil der Generator des HEV den Verbrennungsmotor schnell durchdrehen kann, wobei eine Motordrehzahl erzeugt wird, ohne dass eine Verbrennung auftritt. Deshalb ist die Motordrehzahl in dieser Situation bei einem HEV keine zuverlässige Messung des Zustands "Verbrennungsmotor angeschaltet".
Die US-Patentschrift 5 601 058 beschreibt ein Verfahren zur Messung des Stroms im Anlassermotor offenbart und die US-Patentschrift 6 009 369 ein Verfahren zur Messung der Spannung in der Drehstromlichtmaschine, um zu bestimmen, ob der Verbrennungsmotor läuft. Diese beiden Verfahren sind ebenfalls nicht auf das Fahrzeug mit Hybridantrieb anwendbar, weil das HEV keinen herkömmlichen Anlassermotor oder eine Drehstromlichtmaschine nutzt.
Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, damit für Fahrzeuge mit Hybridantrieb der Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet" bestimmt werden kann, bevor eine Anforderung an das Motordrehmoment zugelassen wird.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein System bereit, um in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb HEV den Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet" zu bestimmen.
Das HEV ist darauf angewiesen, dass der Generator-Motor den Verbrennungs­ motor schnell durchdreht oder "anläßt". Es ist daher nicht möglich, die Drehzahl des Motors zur Bestimmung, ob der Verbrennungsmotor läuft, zu messen. Ein zuverlässiges Verfahren, um in einem HEV den Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet" zu bestimmen, ist es, Änderungen der Kurbelwellendrehzahl zu messen. Ein Systemregler des Fahrzeugs (VSC) überwacht die Motordrehzahl auf normale Art und Weise, die im Stand der Technik bekannt ist, z. B. mittels Halleffekt-Sensor, aber nicht, indem die absolute Motordrehzahl zur Bestimmung des Motorzustands genutzt wird, sondern der VSC beobachtet die Änderungen der Motordrehzahl bzw. Kurbelwellendrehzahl, die durch die periodische Eigenschaft des Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor verursacht werden, überwacht.
Gemäß einem Bericht von D. Taraza et al. "Determination of the Gas-Pressure Torque of a Multicylinder Engine from Measurements of the Crankshaft's Speed Variation", SAE 980164 (1998) wird an einem Signal der Kurbelwellendrehzahl eine diskrete Fourier-Transformation durchgeführt. Dort nutzt man also die Amplitude der dritten Harmonischen Schwingung, um das Drehmoment eines Verbrennungsmotors zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung braucht nicht so weit zu gehen, das exakte Drehmoment anzugeben, sondern nur die Differenz zwischen antreibendem und "laufendem Verbrennungsmotor" vorherzusagen. Damit das Verfahren erheblich vereinfacht und der Systemaufwand entscheidend verringert. Ein antreibender Verbrennungsmotor weist eine sehr kleine Drehzahlschwankung auf, weil Elektromotore ein sehr gleichmäßiges Abtriebsdrehmoment haben. Sobald der VSC bestimmt, dass der Verbrennungsmotor läuft, kann er Anforderungen an das Motordrehmoment zulassen.
Ein Fahrzeug-System zur Durchführung des oben bezeichneten Verfahrens bzw. ein Fahrzeug mit integriertem System umfasst einen Regler, einen Verbrennungsmotor, einen Generator und eine Meßvorrichtung zur Messung der Kurbelwellendrehzahl, die signaltechnisch mit dem Regler gekoppelt ist. Der Regler bestimmt die Notwendigkeit, ob der Verbrennungsmotor angeschaltet werden muß, startet diesen und bestimmt anschließend den Zustand "Verbrennungsmotor angeschaltet", indem die Änderung der Kurbelwellendrehzahl mit einem kalibrierbaren Schwellenwert verglichen wird.
Anhand einer schematischen Zeichnung soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 die allgemeine Ausführung eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren am Reglerprozess darstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrofahrzeuge und spezieller Fahrzeuge mit Hybridantrieb (HEV). Fig. 1 zeigt nur eine mögliche Ausführung, speziell die Ausführung mit Leistungsaufteilung für ein Fahrzeug mit Parallel-/Reihen- Hybridantrieb.
In dieser Ausführung eines HEV verbindet die Planetengetriebegruppe 26 über die Freilaufkupplung 45 mechanisch ein Zwischenrad mit dem Verbrennungs­ motor 20. Die Planetengetriebegruppe 26 verkuppelt auch ein zentrales Ritzel mechanisch mit dem Generator-Motor 24 und ein Tellerrad (Abtrieb) mit dem Antriebsmotor 30. Der Generator-Motor 24 ist außerdem mechanisch mit der Generatorbremse 22 verbunden und elektrisch an die Batterie 28 angeschlos­ sen. Der Antriebsmotor 30 ist über eine zweite Getriebegruppe 32 mechanisch mit dem Tellerrad des Planetengetriebes 26 verbunden und elektrisch an die Batterie 28 angeschlossen. Das Tellerrad der Planetengetriebegruppe 26 ist über die Abtriebswelle 33 mit den Antriebsrädern 34 verbunden.
Die Planetengetriebegruppe 26 teilt die abgegebene Leistung des Verbren­ nungsmotors 20 in einen Hauptstrang vom Verbrennungsmotor 20 zum Generator-Motor 24 und einen Parallelstrang vom Verbrennungsmotor 20 zu den Antriebsrädern 34 auf. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 20 kann geregelt werden, indem die Aufteilung auf den Hauptstrang verändert wird, während die mechanische Verbindung durch den Parallelstrang aufrechterhalten wird.
Der Antriebsmotor 30 erhöht die Leistung des Verbrennungsmotors 20 auf die Antriebsräder 34 im Parallelstrang durch die zweite Getriebegruppe 32. Der Antriebsmotor 30 sieht außerdem die Möglichkeit vor, Energie direkt aus dem Hauptstrang, im wesentlichen durch den Generator-Motor 24 erzeugte Lauf­ leistung zu nutzen, wodurch die mit der Umwandlung von Energie in chemische Energie und umgekehrt in der Batterie verbundenen Verluste reduziert werden.
Ein Fahrzeug-Systemregler 36 (VSC) steuert viele Komponenten in dieser Aus­ führung. Der VSC 36 betätigt alle Hauptkomponenten des Fahrzeugs, indem zu den jeweiligen Komponenten-Reglern eine Verbindung hergestellt wird. In diesem anschaulichen Ausführungsbeispiel enthält der VSC 36 außerdem ein Kraftübertragungs-Steuermodul (PCM). Obwohl sie in diesem anschaulichen Ausführungsbeispiel in der gleichen Einheit aufgenommen werden, sind der VSC und der PCM eigentlich getrennte Regler und können eigene Modulgehäuse haben.
Der VSC 36 ist über eine drahtgebundene Schnittstelle mit dem Verbrennungs­ motor 20 verbunden. Der VSC 36 ist außerdem mit einem Batterieregler (BCU) 38 und durch ein Übertragungsnetz, zum Beispiel ein Reglerbereichsnetz, abgekürzt: CAN, mit einer zentralen Transaxle-Steuereinheit (TMU) 40 verbunden. Der BCU 38 wird anschließend über eine drahtgebundene Schnittstelle an die Batterie 28 angeschlossen. Die TMU 40 steuert über die drahtgebundene Schnittstelle den Generator-Motor 24 und den Antriebsmotor 30.
Der VSC 36 bestimmt das benötigte Drehmoment am Antriebsrad 34 oder der Abtriebswelle 33 und nimmt entsprechende Anforderungen an das Drehmoment des Verbrennungsmotors 20 und des Antriebsmotors 30 vor. Die Einbeziehung des Verbrennungsmotors 20 in die Zuführung des gewünschten Drehmoments am Antriebsrad 34 oder der Abtriebswelle 33 erfordert, dass der Verbrennungs­ motor angeschaltet ist und Verbrennung durchführt. Deshalb muß der VSC 36 wissen, ob der Verbrennungsmotor 20 angeschaltet ist und eine Verbrennung durchführt, bevor die Anforderung an das Drehmoment vorgenommen wird. Da der Verbrennungsmotor 20 nicht immer angeschaltet ist, wird ein Verfahren benötigt zur Bestimmung des Zustands, dass der "Verbrennungsmotor angeschaltet" ist.
Die vorliegende Erfindung wendet sich dieser Notwendigkeit zu und bewirkt mit dem VSC 36, den Zustand zu bestimmen, ob der Verbrennungsmotor angeschaltet ist ("Engine on"), bevor der VSC 36 die Anforderung an das Drehmoment vornimmt.
Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm, das zeigt, wie der VSC 36 den Zustand "Engine on" bestimmt. Beim Schritt 60 bestimmt der VSC 36, ob der Verbrennungsmotor 20 benötigt wird.
Beim Schritt 62 überprüft der VSC 36 in seinem Steuerprogramm das Zustands­ flag "Engine on". Wenn das Flag auf "1" gesetzt ist (Yes), läuft der Verbrennungsmotor 20 bereits, und der VSC kann zum Schritt 76 vorrücken und die notwendige Funktion ausführen, d. h. die Drehmomentanforderung des Verbrennungsmotor 20 vornehmen.
Wenn das Flag "Engine on" auf "0" gesetzt ist, das anzeigt, dass der Verbrennungsmotor 20 nicht angeschaltet ist (No), muß der VSC 36, bevor er fortschreitet, den Verbrennungsmotor 20 starten.
Beim Schritt 64 erteilt der VSC 36 dem Generator-Motor 24 daher die Anweisung, den Verbrennungsmotor 20 in Umdrehung zu versetzen, womit normalerweise "Anlassen" gemeint ist. Der VSC 36 beginnt dann, den Verbrennungsmotor 20 mit Kraftstoff zu versehen und beim Schritt 66 zu zünden, um die Verbrennung im Verbrennungsmotor 20 zu bewirken. Beim Schritt 68 mißt der VSC die Änderungen der Kurbelwellendrehzahl.
Nachdem die Änderungen der Kurbelwellendrehzahl gemessen sind, bestimmt der VSC 36, ob der Wert anzeigt, dass der Verbrennungsmotor 20 gestartet ist und eine Verbrennung durchführt (Schritt 70). Änderungen der Kurbelwellen­ drehzahl entstehen auf Grund von Drehmomentimpulsen des Verbrennungsmotors auf die Kurbelwelle, ein positives Drehmoment während eines Arbeitstaktes des Kolbens und negatives Drehmoment während eines Kompressionstaktes. Die Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors 20 sind in der Größe reduziert, falls keine Verbrennung auftritt. Höhere Niveaus einer Drehzahländerung des Verbrennungsmotors zeigen an, dass eine Verbrennung stattfindet und der Verbennungsmotor angeschaltet ist.
Wenn die Änderungen der Kurbelwellendrehzahl die Anforderungen an den Schwellenwert erfüllen (Yes), erfasst der VSC 36, dass eine Verbrennung stattfindet, wobei das Flag "Engine on" beim Schritt 72 auf "1" gesetzt wird. Der VSC führt anschließend seine normale und notwendige Funktion beim Schritt 76 aus, indem ein Teil der gewünschten Anforderung an das Drehmoment des Antriebsrades 34 oder der Abtriebswelle 33 auf den Verbrennungsmotor und die elektrischen Maschinen aufgeteilt wird; das Programm hat seine Funktion erfüllt und erreicht "END".
Wenn die Änderungen der Kurbelwellendrehzahl beim Schritt 70 keine Verbren­ nung anzeigen (No), erfassen die Diagnoseprogramme des VSC beim Schritt 78, ob irgendwelche Probleme wie ein Ausfall des Generators bestehen. Wenn keine Probleme erfasst werden (No), setzt der VSC den Versuch fort, den Verbrennungsmotor zu starten, indem er zum Schritt 64 zurückkehrt. Falls ein Problem erfasst wird (Yes), arbeitet der VSC beim Schritt 80 entsprechend vorgegebene Arbeitsabläufe ab.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Fahrzeugzustands "Verbrennungsmotor angeschaltet" umfassend das:
Messen der Kurbelwellendrehzahl; und
Vergleichen der gemessenen Änderungen der Kurbelwellendrehzahl mit einem kalibrierbaren Schwellenwert zur Bestimmung, ob eine Verbrennung im Motor stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler die gemessene Kurbelwellendrehzahl aufnimmt und die gemessenen Änderungen der Kurbelwellendrehzahl mit dem kalibrierbaren Schwellenwert vergleicht, um zu bestimmen, ob Verbrennung stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Einstellen eines Zustandsflags "Verbrennungsmotor angeschaltet", wenn die gemessene Änderung der Kurbelwellendrehzahl den kalibrierbaren Schwellenwert überschreitet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler erfasst, ob der Verbrennungsmotor läuft, indem innerhalb eines eigenen Steuerprogramms ein Zustandsflag "Verbrennungsmotor angeschaltet" überprüft wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler den Verbrennungsmotor startet, falls das Zustandsflag "Verbrennungsmotor angeschaltet" anzeigt, dass der Verbrennungsmotor nicht angeschaltet ist.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler den Verbrennungsmotor mit einer Anweisung an einen Generator, den Verbrennungsmotor durchzudrehen, und einer Anweisung startet, den Kraftstoffdurchfluß zum Verbrennungsmotor und das Zünden innerhalb des Verbrennungsmotors zu beginnen.
8. Fahrzeug mit Hybridantrieb mit System zur Bestimmung eines Zustands "Verbrennungsmotor angeschaltet", umfassend:
einen Regler;
einen Generator;
einen Verbrennungsmotor mit Kurbelwelle; und
eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle, wobei die Meßvorrichtung mit dem Regler signaltechnisch verbunden ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler eine Programmsteuerung aufweist zur Bestimmung, ob der Verbrennungsmotor benötigt wird.
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