DE102004043587A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges (1, 2). Zur kraftstoffsparenden und emissionsarmen Betriebsweise eines Kraftfahrzeuges mit einem solchen Antriebsstrang ist vorgesehen, dass der Antriebsdrehmomentwunsch des Fahrers derart auf die Antriebsdrehmomente der einen Brennkraftmaschine (VM) und der wenigstens einen Elektromaschine (EM1, EM2) verteilt und eine solche Antriebsart gewählt wird, dass der Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers (28) optimal an die aktuell eher dynamische oder eher ökonomische Fahrweise des Fahrers angepasst ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern und Regeln von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 16.
  • Zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen ist es das Bestreben der Kraftfahrtindustrie, an sich bekannte Hybrid-Antriebsstrangkonzepte weiterzuentwickeln und dafür geeignete Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen vorzustellen. Zum Betreiben solcher Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen werden wiederum neue Steuerungs- und Regelungsverfahren benötigt, welche wegen ihrer Komplexität als Computerprogramme ausgebildet sind und mit Hilfe von diesbezüglichen Computern, Sensoren und Aktuatoren arbeiten.
  • So ist aus der GB 2 340 463 A1 ein Fahrzeug mit einem Parallel-Hybrid-Antriebsstrang bekannt, bei dem die Antriebsräder des Fahrzeugs wahlweise mit Hilfe einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor oder gleichzeitig durch beide Antriebsmaschinen antreibbar sind. Eine Steuerungseinrichtung steuert und regelt den Einsatz dieser beiden Antriebsmaschinen auf der Grundlage von Sensorinformationen über beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Elektromotordrehzahl, den Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers, die Fahrgeschwindigkeit, die Fahrpedalauslenkung (durch die der Fahrer seinen Antriebsdrehmomentwunsch signalisiert), die Betätigung der Betriebsbremse, den gewählten Getriebegang und über die Schaltstellung eines Schalters, mit dem der Wunsch nach einem sehr schnellen Fahrzeugstart signalisierbar ist. Mit Hilfe dieser Informationen kann beispielsweise ein schnelles elektromotorisches Anfahren des Fahrzeugs realisiert werden und der e lektromotorische Antrieb dem verbrennungsmotorischen Antrieb im Sinne einer kurzfristigen Leistungssteigerung der Gesamtantriebsleistung des Fahrzeugs zugeschaltet werden.
  • Zudem ist aus der EP 0 903 259 B1 ein Hybridantriebsfahrzeug mit einem Steuerungssystem zur Steuerung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine bekannt, bei dem das Steuerungssystem den Antriebsleistungswunsch des Fahrers aus einem Fahrpedalauslenksignal ableitet. Anschließend errechnet das Steuerungssystem die notwendige Antriebsleistung der Elektromaschine in Abhängigkeit von diesem Fahrpedalwert und der verbleibenden elektrischen Kapazität eines elektrischen Energiespeichers, und berechnet dann eine Korrekturgröße für die Leistungssteuerung der Brennkraftmaschine, um deren Ausgangsleistung so zu verringern, dass die Summe aus der elektrischen und der verbrennungsmotorischen Antriebsleistung der durch die Fahrpedalauslenkung angeforderten Antriebsleistung entspricht.
  • Darüber hinaus sind aus der EP 1 199 205 A2 verschiedene Antriebsstränge mit zugeordneten Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen bekannt, die mit Steuerungs- und Regelungsprogrammen arbeiten, welche den Hybridbetrieb eines Kraftfahrzeuges hinsichtlich der Energieströme im Antriebsstrang optimieren. Dabei wird ein rein verbrennungsmotorischer, ein rein elektromotorischer sowie ein mit beiden Antriebsmotoren durchgeführter Fahrzeugantrieb ebenso zugelassen, wie der generatorische Betrieb wenigstens einer Elektromaschine.
  • Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung entscheidet darüber, wie die aktuellen Betriebszustände der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine des Antriebsstrangs mit der jeweiligen Fahrpedalauslenkung des Fahrzeugführers und der Fahrzeuggeschwindigkeit verknüpft werden sollen. Zudem erzeugt diese Steuerungs- und Regelungsvorrichtung Steuerungssignale für die Brennkraftmaschine, die Elektromaschine, ein stufenlos sein Übersetzungsverhältnis einstellendes Getriebe und eine Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine derart, dass die Fahrleistungswünsche des Fahrers erfüllt werden.
  • Dazu verfügt diese Steuerungs- und Regelungsvorrichtung über eine Anzahl von auswählbaren Verfahren zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, der Elektromaschine und der Kupplung, sowie über eine Anzahl von Verfahren zur Berechnung von Betriebspunkten für die Brennkraftmaschine, die Elektromaschine und das stufenlose Getriebe. Zudem umfasst die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung Steuerungsmittel zur Steuerung der Brennkraftmaschine, der Elektromaschine, der Kupplung und des Getriebes.
  • Entscheidend für den Aufbau und die Nutzung dieser bekannten Steuerungs- und Regelungsvorrichtung ist, dass diese mit Hilfe eines so genannten Fahrzustandsdetektors den aktuellen Fahrzustand des Hybridfahrzeuges unter anderem anhand der Fahrpedalauslenkung, der Fahrgeschwindigkeit und dem Ladezustand (State Of Charge, SOC) einer elektrischen Batterie sowie der dieser zugeführten oder entnommenen elektrischen Energie ermittelt, und auf dieser Grundlage die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, der Elektromaschine in ihrem elektromotorischen und generatorischen Betrieb, die Betätigung der Kupplung sowie das Übersetzungsänderungsverhalten des Automatgetriebes bestimmt.
  • Schließlich ist aus der WO 02/26520 A1 eine Antriebsstrangsteuerung für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Antriebsaggregaten und einem Getriebe bekannt, mittels der der Betrieb eines Hybrid-Fahrzeuges bezüglich des Kraftstoffverbrauchs, der Schadstoffemission, der Fahrbarkeit und der Fahrleistung verbesserbar sein soll. Dies wird gemäß dieser Druckschrift durch eine Antriebsstrangsteuerung erreicht, die zunächst über dezentrale Steuerungs einheiten zum Erzeugen von Stellsignalen für die Antriebsaggregate und das Getriebe verfügt, sowie eine so genannte Pedalinterpretationseinrichtung zum Ermitteln eines Drehmoment-Sollwertes aus einer den Fahrerwunsch charakterisierenden Größe aufweist.
  • Außerdem gehört zu dieser Antriebsstrangsteuerung ein als Sollzustandsmanager bezeichneter Bereich, in dem der jeweilige Soll-Betriebszustand des Antriebsstranges in Abhängigkeit von dem genannten Drehmoment-Sollwert und vom Ladzustand eines elektrischen Energiespeichers im Fahrzeug festgelegt wird. Schließlich umfasst die Antriebsstrangsteuerung auch einen als Drehmomentmanager bezeichneten Bereich, in dem in Abhängigkeit von dem Drehmoment-Sollwert und vom festgelegten Soll-Betriebszustand des Antriebsstranges einzelne Steuerungssignale für die eingangs genannten dezentralen Steuereinheiten erzeugt werden.
  • Zudem offenbart diese Druckschrift, dass die Antriebsstrangsteuerung zusätzlich einen als Fahrer- und Situationserkennung bezeichneten Bereich aufweist, mit dem erfasste Betriebsgrößen des Fahrzeugs ausgewertet, klassifiziert und anschließend dem Sollzustandsmanager zur Bestimmung des Soll-Betriebszustandes zugeführt werden können. Im Einzelnen kann diese Fahrer- und Situationserkennung beispielsweise folgende Bestandteile aufweisen: eine Fahrertyp-Erkennung, eine Umwelt- und Straßentyp-Lokalisation sowie eine Fahrmanöver- und Fahrsituationserkennung.
  • Außerdem ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass der Sollzustandsmanager einen Konfigurationskenner aufweist, mit dessen Hilfe im Sollzustandsmanager gespeicherte Soll-Betriebszustände des Antriebsstranges abhängig von dem Zustand oder Wert des Konfigurationskenners gesperrt oder freigegeben werden können.
  • Nachteilig bei der Steuerungseinrichtung gemäß der WO 02/26520 A1 ist, dass die Steuerung und Regelung der wenigstens zwei Antriebsmotoren im verbrennungsmotorischen-, elektromotorischen und/oder generatorischen Betrieb, einer Kupplung sowie eines Getriebes im Hybrid-Antriebsstrang lediglich auf der Grundlage von Werten erfolgt, die den Fahrertyp sowie die jeweilige Fahrsituation kennzeichnen. Dabei wird der aktuelle Ladezustand des elektrischen Energiespeichers als gegebene Größe hingenommen.
  • Insbesondere bei Parallel-Hybrid-Fahrzeugen ist jedoch darauf zu achten, dass der Ladezustand (State Of Charge, SOC) beispielsweise einer elektrischen Batterie für den elektromotorischen oder den kombiniert elektromotorischen und verbrennungsmotorischen Betrieb jeweils ein Optimum aufweist. Wie dieses Optimum des Ladezustandes ausgebildet ist, hängt von den Anforderungen des Antriebsstrangs ab, die einerseits durch eine eher dynamische Fahrweise und andererseits durch eine eher ökonomische Fahrweise gegeben sind. So ist es für eine eher dynamische Fahrweise sinnvoll, die Batterie ständig möglichst vollständig aufgeladen zu haben, um mit Hilfe einer elektromotorischen Unterstützung eines verbrennungsmotorischen Antriebs (boosten) auch bei vergleichsweise kleinem und leistungsschwachem Verbrennungsmotor eine deutlich spürbare Leistungsreserve nutzen zu können, oder um im rein elektromotorischen Betrieb eine möglichst große Reichweite erzielen zu können.
  • Hingegen erfordert eine eher ökonomisch ausgerichtete Fahrweise es, die Batterie bei Bedarf sinnvoll weit zu leeren, um in passenden Betriebssituationen des Fahrzeugs diese durch kostenlose Rekuperationsenergie auffüllen zu können. Letztere steht beispielsweise dann zur Verfügung, wenn sich das Fahrzeug in einer antriebslosen Vorwärtsfahrt befindet, während welcher eine der Elektromaschinen des Fahrzeugs von den Fahrzeugantriebsrädern über das Getriebe generatorisch angetrieben wird.
  • Bei einem Hybrid-Antriebsstrang mit mehreren zuschaltbaren Antriebsmotoren ist daher eine optimale Aufteilung der Energiequellen und Energiesenken im Fahrzeugantriebsstrang zu gewährleisten, die auch den Wunsch des Fahrers nach einer dynamischen, einer ökonomischen oder einer dazwischen liegenden Betriebsweise des Fahrzeugs sinnvoll berücksichtigt.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges vorzuschlagen, bei denen die Leistungsverteilungssteuerung für die in den Antriebsstrang eingebundenen Antriebsaggregate gegenüber dem Stand der Technik so durchgeführt wird, dass ein vom Fahrer angefordertes Soll-Antriebsdrehmoment des Fahrzeugs sowie ein optimaler Ladezustand der elektrischen Batterie erreicht wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich für die Steuerungsvorrichtung aus den Merkmalen des Hauptanspruchs und für das Steuerungsverfahren aus den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils zugeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung betrifft gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges, welcher wenigstens zwei Antriebsmotoren, mindestens eine Kupplung und ein Getriebe aufweist. Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung verfügt dabei über folgende Bestandteile:
    • – eine Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes aus einer den aktuellen Drehmomentwunsch des Fahrers signalisierenden Größe oder aus der Soll-Drehmomentvorgabe einer automatischen Soll-Drehmomentbestimmungseinrichtung,
    • – eine Einrichtung zur Ermittlung eines Sportlichkeitskennwertes,
    • – eine Einrichtung zur Festlegung eines Soll-Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges in Abhängigkeit von dem ermittelten Soll-Antriebsdrehmoment und dem Sportlichkeitskennwert,
    • – eine Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zwischen den wenigstens beiden Antriebsmotoren in Abhängigkeit von dem festgelegten Soll-Ladezustand derart, dass das angeforderte Soll-Antriebsdrehmoment realisierbar ist und der Soll-Ladezustand des Energiespeichers eingehalten wird, und
    • – eine Einrichtung zur Erzeugung und Weiterleitung von Steuerungs- und Regelungssignalen für die wenigstens beiden Antriebsmotoren, die wenigstens eine Kupplung sowie das Getriebe.
  • Die Antriebsmaschinen, für die die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung Steuerungs- und Regelungssignale erzeugt, sind als eine Brennkraftmaschine und als wenigstens eine Elektromaschine ausgebildet. Die vorzugsweise zwei Elektromaschinen im Antriebsstrang sind so aufgebaut, dass eine Elektromaschine elektromotorisch oder generatorisch mit relativ hoher Leistung und die andere Elektromaschine elektromotorisch oder generatorisch mit relativ geringer bis mittlerer Leistung betreibbar und damit als so genannter Startergenerator ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise die elektromotorisch und generatorisch betreibbare erste Elektromaschine ist mit einer Ölpumpe antriebsverbunden, mit welcher der Ölbedarf bzw. Hydraulikdruckbedarf der einzelnen Antriebsstrangkomponenten insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine sowie während Phasen im Fahrbetrieb mit relativ geringer Leistungsanforderung im Zug oder im Schub mit abgeschalteter Brennkraftmaschine befriedigbar ist.
  • Die Ölpumpe ist mittels einer ersten Kupplung auch mit der Brennkraftmaschine verbindbar, so dass zu deren Antrieb im verbrennungsmotorischen Betrieb des Fahrzeugs die Elektromaschine nicht gesondert laufen muss. Die zweite Elektromaschine ist mit der Eingangswelle des Getriebes antriebstechnisch verbunden. Über eine zweite Kupplung ist die Antriebswelle der Brennkraftmaschine ebenfalls mit der Getriebeeingangswelle verbindbar, so dass die Getriebeeingangswelle gemeinsam und gleichzeitig von der Brennkraftmaschine und der zweiten Elektromaschine antreibbar ist.
  • Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist vorzugsweise zudem so ausgebildet, dass der Sportlichkeitskennwert durch eine Schaltstellung eines Sportlichkeitsschalters oder eines Getriebewählhebels oder durch einen Messwert ermittelbar ist, welcher die Fahrpedalbeschleunigung kennzeichnet. Bekanntermaßen lässt sich aus dem aktuellen Wert der Fahrpedalbeschleunigung ermitteln, ob der das Fahrzeug gerade steuernde Fahrer durch ruhige Fahrpedalbewegungen eher eine ökonomische Fahrweise oder wegen einer hektischen Fahrpedalauslenkung eine eher dynamische Fahrweise bevorzugt.
  • Zudem umfasst die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung auch eine Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes, also demjenigen Antriebsdrehmoment des Fahrzeugs, welches der Fahrer aktuell wünscht. Dieses Soll-Antriebsdrehmoment kann beispielsweise das Soll-Abtriebsdrehmoment an den Fahrzeugrädern oder aber auch dasjenige sein, welches an der Getriebeabtriebswelle messbar wäre.
  • Zur Bestimmung dieses Soll-Antriebsdrehmomentes sowie eines Soll-Übersetzungsverhältnisses (Sollgang) für das Getriebe ist die genannte Einrichtung der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung mit elektronischen Festwertspeichern ausgestattet und mit Sensor- und/oder Datenleitungen verbun den, über die dieser Einrichtung Informationen über folgende Größen zuleitbar sind:
    Die Fahrpedalauslenkung, aus deren zeitlichen Ableitung die Fahrpedalauslenkgeschwindigkeit und die Fahrpedalbeschleunigung ermittelbar ist, der Ist-Gang und der Ziel-Gang des Getriebes, die ungenutzte Speicherkapazität des Energiespeichers, welcher beispielsweise als Batterie oder Hochleistungskondensator (supercap) ausgebildet ist, das Ist-Drehmoment, das Ziel-Drehmoment und das bei der aktuellen Drehzahl eines Antriebsmotors maximal mögliche Drehmoment.
  • Des weiteren umfasst die Steuerungs- und Regelungseinrichtung für den Parallel-Hybrid-Antriebsstrang bevorzugt eine Einrichtung zur Bestimmung des Ist-Zustandes des Antriebsstranges, mit der über Sensor- und/oder Datenleitungen die aktuellen Zustände von Aktuatoren der wenigstens einen Kupplung, der Antriebsmotoren und des Getriebes erfassbar sind.
  • Daneben ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung von der Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes über das Soll-Antriebsdrehmoment und über den Sportlichkeitskennwert informierbar ist, sowie von der Einrichtung zur Bestimmung des Ist-Zustandes des Antriebsstranges ein Wert über den Ist-Zustandes des Antriebsstranges zuleitbar ist.
  • Zudem ist es Bestandteil der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung, dass der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zusätzlich aus elektronischen Festwertspeichern und über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zuleitbar sind:
    Die minimale und maximale Speicherkapazität des genannten elektrischen Energiespeichers, das maximal mögliche Antriebsdrehmoment der wenigstens einen Elektromaschine, die aktuelle elektrische Leistung der wenigstens einen Elektromaschine, ein Getriebe-Gangwechselstaus (also ob aktuell ein Übersetzungsänderungsvorgang im Getriebe stattfindet oder nicht), der aktuelle Betriebszustand einer Einrichtung zur Steuerung und Reglung einer dem Startergenerator (erste Elektromaschine) zugeordneten ersten Kupplung, und diejenige minimale Drehzahl der ersten Elektromaschine, mit der die Ölpumpe den aktuellen Ölbedarf bzw. Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang abdecken kann.
  • In Weiterbildung dieser Vorrichtung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung derartig aufgebaut ist, dass diese in Abhängigkeit von wenigstens einer der zugeführten Größen folgende Größen über Daten- und/oder Steuerleitungen abgeben kann: Die Soll-Drehzahlen und Soll-Drehmomente sowie Betriebsarten für die Brennkraftmaschine und die wenigstens eine Elektromaschine, einen Schaltverhinderungsbefehl an eine Schaltverhinderungseinrichtung, und einen Betriebszustand-Sollwert an eine Einrichtung zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten ersten Elektromaschine sowie an eine Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Elektromaschine.
  • Außerdem ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung bevorzugt eine Entscheidungseinrichtung vorhanden, welche die Soll-Vorgaben der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung mit den Ausgangsgrößen der Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung sowie der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators abgleichen und dann an eine Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung weiterleitet, wenn nicht ein Zustandswechsel in der Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung und/oder der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators zu anderen Soll-Drehzahlen, Soll-Drehmomenten sowie anderen Betriebsarten für die Brennkraftmaschine und die wenigstens eine Elektromaschine führen.
  • Gemäß einer anderen Ausbildung dieser Steuerungs- und Regelungsvorrichtung für den Hybrid-Antriebsstrang ist vorgesehen, dass die genannte Entscheidungseinrichtung derartig aufgebaut ist, dass diese bei ihrer Entscheidungsfindung die Daten und/oder Signale der nachfolgenden Einrichtungen entsprechend der folgenden Priorisierungsreihenfolge bewertet:
    • – Informationen der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators.
    • – Informationen der Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung.
    • – Informationen der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  • Dies bedeutet, dass der Betrieb der Ölpumpe mittels der ersten Elektromaschine im Antriebsstrang Vorrang hat, sofern diese Ölpumpe nicht wie üblich von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Sofern durch die Ölpumpe eine ausreichende Ölmenge pro Zeiteinheit bzw. ein ausreichender Hydraulikdruck, beispielsweise durch Versorgung eines Druckmittelspeichers, aufgebaut ist, haben die Steuerungs- und Regelungsvorgaben durch die Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung Vorrang, da diese im geschlossenen Zustand den rein verbrennungsmotorischen Betrieb oder den kombinierten Betrieb (also elektromotorisches boosten des Antriebsdrehmomentes der Brennkraftmaschine), sowie im geöffneten Zustand den rein elektromotorischen Betrieb mit der zweiten Elektromaschine ermöglichen. Erst wenn diese übergeordneten Vorgaben hinsichtlich der gewünschten Betriebsart des Antriebsstrangs berücksichtigt sind, erfolgt eine Aufteilung der Antriebsleistung gemäß den Vorgaben der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  • In Weiterbildung der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird es zudem als vorteilhaft beurteilt, wenn die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung derartig ausgebildet ist, dass diese ausgehend von den zugeführten Größen die Drehzahlen und Drehmomente als Sollwerte für die Brennkraftmaschine und für die wenigstens eine Elektromaschine abgeben kann.
  • Zudem ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung zur Berücksichtigung von Zusatzdrehmomenten der Elektromaschinen und zur Berücksichtigung von durch unterschiedliche Antriebsstrangzustände auftretenden Masseneffekte bei der Ermittlung der Sollwerte für die Brennkraftmaschine und die Sollwerte für die wenigstens eine Elektromaschine ausgebildet ist.
  • Außerdem ist die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung so aufgebaut, dass diese zur Aufnahme und Verarbeitung von Steuersignalen des Getriebesteuergeräts geeignet ist, mit denen während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes die Antriebsmotoren des Antriebsstranges hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehmomentabgabe gesteuert werden.
  • Schließlich ist die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung derartig ausgebildet, dass mit dieser während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes die Drehzahl und die Drehmomentabgabe der Antriebsmotoren an die Massenverhältnisse der gerade aktiven Hybrid-Antriebsstrang-Konfiguration anpassbar sind.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges mit wenigstens zwei Antriebsmotoren, mindestens einer Kupplung und einem Getriebe. Gemäß der Erfindung ist bei einem solchen Antriebs strang vorgesehen, dass der Antriebsdrehmomentwunsch des Fahrers derart in Soll-Antriebsdrehmomente für die eine Brennkraftmaschine und die wenigstens eine Elektromaschine aufgeteilt und eine solche Antriebsart gewählt wird, dass der Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers optimal an die aktuell eher dynamische oder eher ökonomische Fahrweise des Fahrers angepasst ist.
  • Gemäß einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
    • a) Feststellen des aktuellen Soll-Antriebsdrehmomentes aus einer den aktuellen Drehmomentwunsch des Fahrers signalisierenden Größe oder aus der Soll-Drehmomentvorgabe einer automatischen Soll-Drehmomentbestimmungseinrichtung,
    • b) Ermitteln eines Sportlichkeitskennwertes, welcher angibt, ob der Fahrer eine eher dynamische oder eine eher ökonomische Fahrweise wünscht,
    • c) Festlegung eines Soll-Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Soll-Antriebsdrehmoment und von dem Sportlichkeitskennwert,
    • d) Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zwischen den wenigstens zwei Antriebsmotoren in Abhängigkeit von dem festgelegten Soll-Ladezustand derart, dass das angeforderte Soll-Antriebsdrehmoment realisierbar ist und der gerade bestimmte Soll-Ladezustand des Energiespeichers eingehalten wird,
    • e) Erzeugung und Weiterleitung von Steuerungs- und Regelungssignalen für die wenigstens zwei Antriebsmotoren, die wenigstens eine Kupplung sowie das Getriebe.
  • Durch diese Betriebsweise wird erreicht, dass der Ladezustand des Energiespeichers des Antriebsstrangs, in aller Regel also eine elektrische Batterie oder elektrische Kondensatoren, immer an die gewünschte dynamische oder ökonomische Fahrweise des Fahrers angepasst ist.
  • So wird der Antriebsstrang des Fahrzeugs bei einer eher dynamischen Fahrweise im wesentlichen so betrieben, dass bei Bedarf eine Antriebsmomentunterstützung der Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine möglich ist (boosten). Daher wird so oft wie möglich und nötig dafür Sorge getragen, dass durch einen generatorischen Betrieb der ersten Elektromaschine und/oder durch einen generatorischen Betrieb der zweiten Elektromaschine der Energiespeicher immer gut gefüllt ist, indem die wenigstens eine Elektromaschine als Generator betrieben wird. Dieser generatorische Betrieb erfolgt daher auch während des verbrennungsmotorischen Antriebs des Fahrzeugs.
  • Sofern der Wunsch nach einer eher Kraftstoff sparenden und emissionsarmen Betriebsweise des Hybridfahrzeuges ermittelt wird, so wird der Ladezustand des Energiespeichers in wesentlichen im mittleren bis unteren Ladezustandbereich gehalten, um vorzugsweise während des Fahrzeugbetriebs beispielsweise in Schubbetriebsphasen mit stillgesetzter und aus dem Antriebsstrang ausgekuppelter Brennkraftmaschine den Energiespeicher mit Rekuperationsenergie soweit elektrisch aufzuladen, dass anschließend entweder ein rein elektrischer Antrieb des Fahrzeuges möglich ist, oder die Brennkraftmaschine hinsichtlich des Gesamtantriebsdrehmomentes des Fahrzeugs, beispielsweise bei ungünstigen Betriebspunkten mit hohem Kraftstoffverbrauchswerten, unterstützt werden kann.
  • Gemäß dem vorgestellten Verfahren ist daher der Wert des Soll-Ladezustandes des Energiespeichers für ein bestimmtes Soll-Antriebsdreh-moment bei einem konstanten Sportlichkeitskennwert für alle Fahrsituationen eine Kon stante. Dies bedeutet, dass abweichend von den bekannten Steuerungs- und Regelungsverfahren nicht die aktuelle Fahrsituation den Ladezustand des Fahrzeugs bestimmt, sondern dass der Ladezustand für alle Fahrsituationen als Konstante vorgegeben wird, deren Wert sich im wesentlichen danach richtet, welches Antriebsdrehmoment der Fahrer aktuell wünscht und welche Fahrweise dieser gerade bevorzugt.
  • Sofern sich der Antriebsdrehmomentwunsch und/oder der Sportlichkeitskennwert ändert, wird auch der Wert für den Ladezustand des Energiespeichers angepasst. Dies führt letztlich dazu, dass die Komponenten des Antriebsstrangs so gesteuert und geregelt werden, dass der vorgegebene Sollwert für den neuen Ladezustand erreicht wird.
  • In diesem Zusammenhang wird auch das weitere Verfahrensmerkmal für vorteilhaft gehalten, gemäß dem der Sportlichkeitskennwert in solchen Grenzen erzeugbar ist, dass mit diesem ein derartiger Soll-Ladezustand des elektrischen Energiespeichers einstellbar ist, welcher ein vollständiges Entladen bzw. ein vollständiges Befüllen des Energiespeichers in elektromotorischen, verbrennungsmotorischen und in kombinierten Antriebsphasen nur soweit zulässt, dass dieser Energiespeicher dabei keinen Schaden nimmt.
  • Die Bestimmung des Sportlichkeitskennwertes erfolgt verfahrensgemäß durch eine Messung der Schaltstellung eines Sportlichkeitsschalters oder eines Getriebewählhebels. Es ist aber auch möglich, diesen Sportlichkeitskennwert aus Sekundärgrößen zu berechnen, zu denen beispielsweise die Messung oder Berechnung der Fahrpedalbeschleunigung über einen vorbestimmten Zeitraum sowie deren anschließende Auswertung gehört.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Steuerungs- und Regelungsverfahrens ist vorgesehen, dass das Soll-Antriebsdrehmoment bestimmt wird durch die Messung und/oder Berechnung wenigstens folgender Größen: Die Fahrpedalauslenkung, den Ist-Gang und den Ziel-Gang des Getriebes, die aktuell ungenutzte Speicherkapazität des Energiespeichers, das Ist-Drehmoment und das Zieldrehmoment der Antriebsmotoren, sowie das maximal mögliche Drehmoment wenigstens eines der Antriebsmotoren bei der gerade aktuellen Motordrehzahl.
  • Mit Hilfe der vorgenannten Größen wird vorzugsweise auch ein Sollgang für das Getriebe bestimmt, der anschließend über eine Schaltverhinderungseinrichtung einem Getriebesteuerungsgerät oder einem Getriebesteuerungsmodul zugeleitet wird.
  • Des weiteren ist vorgesehen, dass die Ist-Zustände von Aktuatoren der wenigstens einen automatisch betätigbaren Kupplung, des wenigstens einen Antriebsmotors und des Getriebes bestimmt werden. Das Getriebe ist dabei bevorzugt ein Automatgetriebe, dessen Übersetzungsänderungsvorgänge mit Hilfe vorzugsweise druckmittelbetätigbarer Aktuatoren einstellbar sind.
  • Zur Vorbereitung der Einstellung der Betriebsstellung der jeweiligen Kupplung, der Antriebsmaschinen und des Getriebes wird verfahrensgemäß einer Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung das Soll-Antriebsdrehmoment, der Sportlichkeitskennwert sowie der Ist-Zustand des Antriebsstranges mitgeteilt.
  • Zudem ist vorgesehen, dass der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung aus Festwertspeichern, über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zugeleitet werden:
    Die minimale und maximale Speicherkapazität des Energiespeichers, das maximal mögliche Antriebsdrehmoment der wenigstens einen Elektromaschine, die aktuelle elektrische Leistung der wenigstens einen Elektromaschine, den Getriebe-Gangwechselstaus, den aktuellen Betriebszustand einer Einrichtung zur Steuerung und Reglung einer zweiten Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der rein elektromotorisch betreibbaren Elektromaschine, sowie diejenige minimale Drehzahl der ersten elektromotorisch und generatorisch betreibbaren Elektromaschine, mit der die Ölpumpe den aktuellen Ölbedarf bzw. Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang abdecken kann.
  • Gemäß eines weiteren Merkmals des Steuerungs- und Regelungsverfahrens kann vorgesehen sein, dass von der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung in Abhängigkeit von wenigstens einer der zugeführten Größen folgende Größen über Daten- und/oder Steuerleitungen an die genannten Einrichtungen abgegeben werden:
    Die Weiterleitung der Soll-Drehzahlen und Soll-Drehmomente sowie Betriebsarten für die Brennkraftmaschine und die wenigstens eine Elektromaschine an eine Entscheidungseinrichtung, einen Schaltverhinderungsbefehl an die Schaltverhinderungseinrichtung, einen Betriebszustand-Sollwert an eine Einrichtung zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten ersten Elektromaschinen sowie an eine Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Elektromaschine.
  • Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Entscheidungseinrichtung die Soll-Vorgaben der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung mit den Ausgangsgrößen der Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung und der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators abstimmt und dann an eine Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung weiterleitet, wenn nicht aktuell eingetretene Zustandswechsel in der Einrichtung zur Steue rung der zweiten Kupplung und/oder der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators zu anderen Soll-Drehzahlen, Soll-Drehmomenten und/oder anderen Betriebsarten für die Brennkraftmaschine und die wenigstens eine Elektromaschine führen.
  • Ein weiteres Merkmal des Steuerungs- und Regelungsverfahrens ist, dass die Entscheidungseinrichtung nach folgender Priorisierungsreihenfolge arbeitet:
    • – Vorrang haben die Signale der Einrichtung zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators.
    • – Nachfolgende Entscheidungsprioriät haben die Signale der Einrichtung zur Steuerung der zweiten Kupplung, welche der zweiten Elektromaschine zugeordnet ist.
    • – Die letzte Entscheidungspriorität haben die Signale der Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  • Durch diese Priorisierung wird insbesondere erreicht, dass vorrangig die Ölpumpe betrieben wird, so dass beispielsweise zur Steuerung der Aktuatoren an den Komponenten des Hybridantriebsstranges schnell und jederzeit ein ausreichend hoher Hydraulikdruck anliegt sowie eine ausreichend große Ölmenge zur Verfügung steht.
  • Ein weiterer Bestandteil des Steuerungs- und Regelungsverfahrens ist, dass im Anschluss an eine gegebenenfalls erfolgte Getriebedrehmomentanpassung die ermittelten Drehzahlen und Drehmomente als Sollwerte für die Brennkraftmaschine und als Sollwerte für die wenigstens eine Elektromaschine an dieselben oder an diesen zugeordnete Steuerungsgeräte weitergeleitet werden.
  • Bei der Getriebedrehmomentanpassung wird berücksichtigt, dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Antriebsstrangbetriebsweise (rein elektromotorisch, rein brennkraftmotorisch, brennkraftmotorisch und generatorisch, brennkraftmotorisch und elektromotorisch) Zusatzdrehmomente und Masseneffekte der jeweils in den Antriebsstrang eingekuppelten Komponenten bei der Ermittlung der Sollwerte für die Brennkraftmaschine und der Sollwerte für die wenigstens eine Elektromaschine berücksichtigt werden.
  • Zudem ist vorgesehen, dass zur Getriebedrehmomentanpassung Steuerungssignale des Getriebesteuergeräts verarbeitet werden, mit deren Hilfe während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes die Antriebsmotoren hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehmomentabgabe gesteuert werden. Als Beispiel sei hier die an sich bekannte Drehzahlreduzierung der Antriebsmaschine genannt, wenn bei einem Automatgetriebe eine Ganghochschaltung durchgeführt wird.
  • Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Getriebedrehmomentanpassung während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes die Drehzahl und Drehmomentabgabe der Antriebsmotoren an die Massenverhältnisse der gerade aktiven Hybrid-Antriebsstrang-Konfiguration anpassbar sind.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer der Beschreibung beigefügten Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt darin
  • 1 einen schematisch dargestellten Parallel-Hybrid-Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Antriebsmaschine,
  • 2 einen Antriebsstrang wie in 1, jedoch mit zwei elektrischen Antriebsmaschinen,
  • 3 ein Systemmodell des Antriebsstrangs gemäß 1,
  • 4 ein Systemmodell des Antriebsstrangs gemäß 2, sowie
  • 5 eine Funktionsstruktur einer Steuerungs- und Regelungsvorrichtung für die Antriebsstränge gemäß 1 und 2.
  • Wie den Figuren entnehmbar ist, kann die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung sowie das Steuerungs- und Regelungsverfahren gemäß der Erfindung bei unterschiedlich aufgebauten Parallel-Hybrid-Antriebsträngen für Kraftfahrzeuge mit Vorteil genutzt werden. So zeigt 1 einen solchen Antriebsstrang 1 mit einer Brennkraftmaschine VM, einer Elektromaschine EM und einem Automatgetriebe 7, wobei letzteres beispielhaft als das an sich bekannte Stufenautomatikgetriebe 6HP26 aus dem Produktionsprogramm der Anmelderin ausgebildet ist. Auf dessen Aufbau braucht daher nicht näher eingegangen werden. Ausserdem kann anstelle eines Stufenautomatgetriebes auch ein automatisiertes Schaltgetriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe oder andere Arten von automatischen Stufengetrieben oder Stufenlosgetrieben zum Einsatz kommen.
  • Ein von der Brennkraftmaschine VM erzeugtes Drehmoment wird über deren Kurbelwelle 3 in diesem Ausführungsbeispiel an einen Drehschwingungsdämpfer 4 weitergegeben, der durch den Betrieb der Brennkraftmaschine VM erzeugte Drehungleichförmigkeiten in bekannter Weise dämpft und das Antriebsdrehmoment sodann über dessen Ausgangsbauteil 5 weiterleitet. Dem Drehschwingungsdämpfer 4 ist eine aktuatorbetätigbare Kupplung K2 antriebstechnisch nachgeordnet, deren Ausgangsseite mit der Antriebswelle einer Elektromaschine EM2 sowie mit der Eingangswelle 6 des Automatgetriebes 7 drehverbunden ist. Ein solcher Parallel-Hybrid-Antriebsstrang ist an sich bekannt und wird daher hinsichtlich seiner Betriebsweise nachfolgend nur kurz beschrieben.
  • Im rein verbrennungsmotorischen Betrieb treibt die Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine VM bei geschlossenerer Kupplung K2 die Getriebeeingangswelle 6 an. Von einem Steuergerät 20 gesteuert werden in Fahrzeugbetrieb im Automatgetriebe 7 unterschiedliche Übersetzungsstufen eingestellt, wodurch unterschiedliche Antriebsdrehmomente und Antriebsdrehzahlen an der Getriebeabtriebswelle realisierbar sind.
  • Im rein elektromotorischen Betrieb ist die Kupplung K2 geöffnet und die Elektromaschine EM2 treibt, gespeist von einem elektrischen Energiespeicher 28 und gesteuert von einem Steuerungsgerät 12, die Getriebeeingangswelle 6 mit einem gewünschten Antriebsdrehmoment an. Auch bei dieser Betriebsart arbeitet das Getriebe 7 wie oben beschrieben.
  • In einer dritten Betriebsart treiben die Brennkraftmaschine VM und die Elektromaschine EM2 die Getriebeeingangswelle 6 bei geschlossener Kupplung K2 gemeinsam an, so dass beispielsweise auch ein Fahrzeug mit einer vergleichsweise leistungsschwachen und verbrauchsarmen Brennkraftmaschine VM in bestimmten Betriebssituationen mit einem deutlich erhöhten Antriebsdrehmoment betreibbar ist.
  • In einer vierten Betriebsart ist die Brennkraftmaschine VM bei rollendem Fahrzeug und geöffneter Kupplung K2 abgeschaltet, so dass die Elektromaschine EM2 von den Antriebsrädern des Fahrzeugs über das Getriebe 7 angetrieben wird. Die Elektromaschine EM2 arbeitet in dieser Betriebsart als Generator, so dass die erzeugte elektrische Energie vorteilhaft in den Energiespeicher 28 leitbar ist.
  • 2 zeigt einen Parallel-Hybrid-Antriebstrang 2 für ein Kraftfahrzeug mit ähnlichem Aufbau wie der gemäß 1. Im Unterschied dazu ist eine weitere Elektromaschine EM1 vorhanden, die ebenfalls von dem Energiespei cher 28 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Bei diesem Antriebsstrang 2 arbeitet die Elektromaschine EM1 als Startergenerator entweder als Elektromotor oder als Generator. Die Elektromaschine EM2 kann, wie bei Antriebsstrang 1, ebenfalls als Elektromotor oder als Generator arbeiten. Zudem treibt die Elektromaschine EM1 bei Bedarf die Antriebswelle 9 einer Ölpumpe 8 an, mit welcher u.a. der in dem Antriebsstrang 2 benötigte Hydraulikdruck für die dort installierten druckmittelbetätigbaren Aktuatoren erzeugbar ist.
  • Zu diesem zweiten Antriebsstrang 2 gehört auch eine weitere Kupplung K1, deren Eingangsbauteil mit dem Ausgang 5 des Drehschwingungsdämpfers 4 in Antriebsverbindung steht. Der Ausgang dieser Kupplung K1 steht in Drehverbindung mit der Antriebswelle 9 der Ölpumpe 8 und der Antriebswelle der Elektromaschine EM1.
  • Im Unterschied zur Betriebsweise des Antriebsstranges 1 gemäß 1 kann mit dem Antriebstrang 2 gemäß 2 die Ölpumpe 8 unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine VM und einer Antriebsbewegung des Fahrzeugs mittels der Elektromaschine EM1 angetrieben werden. Dies ist vor allen deshalb von Vorteil, weil für einen schnellen Start des Fahrzeugs beispielsweise nach einer längeren Betriebspause nicht erst durch das Anlassen und den Betrieb der Brennkraftmaschine VM der notwendige Hydraulikdruck zur Betätigung der Aktuatoren für die Kupplungen K1 und K2 sowie für die Aktuatoren des Getriebes 7 aufgebaut werden muss.
  • Zudem erlaubt dieser Antriebsstrang 2, bei dem die Elektromaschine EM1 bevorzugt leistungsschwächer ausgelegt ist als die Elektromaschine EM2, den Antrieb der Ölpumpe 8 auch in solchen Betriebsphasen des Fahrzeugs, in denen die Brennkraftmaschine VM abgeschaltet und vom Antriebsstrang 2 abgekoppelt ist, sowie die Elektromaschine EM2 generatorisch arbeitet und einen elektrischen Strom in den Energiespeicher 28 speist.
  • Außerdem ist es möglich, beide Elektromaschinen EM1 und EM2 als Startergeneratoren auszubilden, so dass bei geschlossenen Kupplungen K1 und K2 bei verbrennungsmotorischem Antrieb mittels beider Elektromaschinen in einer Schnellladephase der elektrische Energiespeicher 28 aufgeladen werden kann.
  • Schließlich ist es in einer weiteren Betriebsart möglich, die Brennkraftmaschine VM sowie die beiden Elektromotoren EM1 und EM2 bei geschlossenen Kupplungen K1 und K2 ein gemeinsames Drehmoment erzeugen zu lassen, welches auf die Getriebeeingangswelle 6 wirkt, sowie in einer letzten Betriebsart sinnvoll, die Elektromaschine EM1 bei geschlossener Kupplung K1 und geöffneter Kupplung K2 als Startermotor für die Brennkraftmaschine VM zu nutzen.
  • Die Erfindung betrifft das Zusammenwirken der Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine VM, der Elektromaschinen EM1 bzw. EM2, der Kupplungen K1 bzw. K2 und des Automatgetriebes 7 derart, dass einerseits das von einem Fahrzeugführer gewünschte Antriebsdrehmoment an den Fahrzeugantriebsrädern wirksam ist, und dass dieses Antriebsdrehmoment durch Zusammenwirken der Antriebsmotoren VM, EM1 und EM2 in der Weise realisiert wird, dass das Fahrzeug emissionsarm, kraftstoffsparend und in der vom Fahrer aktuell gewünschten Betriebsweise (eher dynamisch oder eher ökonomisch) betrieben wird.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend Systemmodelle der oben beschriebenen Antriebsstränge 1 und 2 erläutert, die in vereinfachter Form das Zusammenwirken der Antriebsstrangkomponenten mit diesen zugeordneten Steuerungsvorrichtungen darstellen.
  • So zeigt 3 ein solches Systemmodell für den in 1 dargestellten Antriebsstrang 1. Auch hier sind die Hauptkomponenten des Hybrid-Antriebsstranges eingezeichnet, zu denen die Brennkraftmaschine VM mit ihrem Massenträgheitsmoment ΘVM, die Kupplung K2, die Elektromaschine EM2 mit ihrem Massenträgheitsmoment ΘEM2, das Getriebe 7, ein Differentialgetriebe 18 und die Fahrzeugantriebsräder, symbolisiert durch deren Massenträgheitsmoment ΘRad gehören.
  • Wie diese Darstellung verdeutlicht, erzeugt die Brennkraftmaschine VM ein Antriebsdrehmoment M_VM, welches bei geschlossener Kupplung K2 als Kupplungsdrehmoment M_K2 an die Eingangsseite der Elektromaschine EM2 weitergeleitet wird. Sofern diese nicht nur leer mitdreht, sondern als Elektromotor wirksam ist, erzeugt die Elektromaschine EM2 ein Antriebsdrehmoment M_EM2, welches zusammen mit dem Antriebsdrehmoment M_VM der Brennkraftmaschine VM ein Antriebsdrehmoment M_GE an der Getriebeeingangswelle 6 bildet. Nach übersetzungsbezogener Wandlung im Getriebe 7 und im Differentialgetriebe 18 liegt dann an den Fahrzeugrädern das gewünschte Antriebsmoment des Fahrzeugs an.
  • Wie 3 außerdem verdeutlicht, wird die Brennkraftmaschine VM von einer Steuerungsvorrichtung 10, die Kupplung K2 von einer Steuerungsvorrichtung 14, die Elektromaschine EM2 von einer Steuerungsvorrichtung 12 und das Getriebe 7 von einer Steuerungsvorrichtung 20 in deren Betriebsweise gesteuert und geregelt. Zusätzlich kann an den Fahrzeugrädern eine aktuatorbetätigbare Bremsvorrichtung 19, beispielsweise in Form der Betriebsbremse des Fahrzeugs, vorgesehen sein, welche gesteuert von einem Steuergerät 21 ansteuerbar ist.
  • Zudem ist erkennbar, dass die Elektromaschine EM2 beispielsweise über das Steuergerät 12 mit dem elektrischen Bordnetz 15 des Fahrzeugs sowie über unvermeidliche Leitungswiderstände 16, 17 mit einem elektrischen Energiespeicher 28 verbunden ist, aus den und in den die Elektromaschine EM2 einen elektrischen Strom leiten kann.
  • Wie 4 zeigt, unterscheidet sich das Systemmodell für den in 2 dargestellten Antriebsstrang 2 vom oben erläuterten Systemmodell gemäß 3 vor allem dadurch, dass auch für die zusätzliche Kupplung K1 und die weitere Elektromaschine EM1 jeweils eine Steuerungsvorrichtung 11 bzw. 13 vorgesehen ist. Des weiteren ist erkennbar, dass die Elektromaschine EM1 ein Massenträgheitsmoment ΘEM1 aufweist, welches bei geschlossener Kupplung K1 summativ in den Gesamtantriebsstrang eingeht. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch die beiden Kupplungen K1 und K2, der Drehschwingungsdämpfer 4 sowie andere Antriebsstrangkomponenten wie auch die zugehörigen Antriebswellen jeweils ein Massenträgheitsmoment aufweisen, welche jedoch aus Vereinfachungsgründen in den bereits genannten Massenträgheitsmomenten enthalten sein sollen.
  • Insbesondere die beiden 3 und 4 verdeutlichen, dass der Steuerungs- und Regelungsaufwand für solche Hybrid-Antriebsstränge vergleichsweise hoch ist. Dies trifft vor allem dann zu, wenn eine an den Fahrleistungswünschen des Fahrers oder einer diesbezüglichen automatischen Antriebsmomentvorgabevorrichtung, wie etwa eine Geschwindigkeitsregelvorrichtung oder eine Abstandsregelvorrichtung, orientierte Steuerung und Regelung der Antriebsstrangkomponenten erfolgen soll, welche zudem auch eine möglichst kraftstoffsparende und emissionsarme Betriebsweise des Fahrzeugs ermöglicht. Durch die Erfindung wird daher eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung beziehungsweise ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung vorgestellt, welche die genannten Aufgaben lösen und die erwähnten Randbedingungen berücksichtigen soll.
  • So zeigt 5 die Funktionsstrukturen für ein Steuerungs- und Regelungsverfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben desselben gemäß der Erfindung, bei der diese Funktionsstrukturen für den Antriebsstrang gemäß 1 und 3 in schraffierten Funktionsblöcken dargestellt sind. Die unschraffierten Funktionsblöcke sind zusätzlich für den Antriebsstrang gemäß 2 und 4 notwendig.
  • Wie schon angedeutet wurde, kann die Erfindung als Steuerungs- und Regelungsverfahren realisiert sein, welches in mehreren dezentralen Computern betrieben wird. Es ist aber auch möglich, dass die erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsverfahren in einem einzigen Computer durch Nutzung einzelner Speicher, Ein-/Ausgangsbereiche, Berechnungsmodule und Vergleichsmodule realisiert ist, wobei dem oder den Computern die notwendigen Sensorinformationen über die Messwerte von einzelnen Sensoren oder Fahrzeugkomponenten zugeleitet sowie von diesen Befehle zur Betätigung von Aktuatoren ausgelöst werden.
  • Gemäß 5 verfügt die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung gemäß der Erfindung über eine Einrichtung 22, 23 zur Ermittlung eines vom Fahrer gewünschten oder von einer anderen Vorrichtung vorgegebenen Soll-Antriebsmomentes fahr_soll_m und eines Sportlichkeitskennwertes kSport. Die Funktionen dieser Einrichtung können aber auch durch eine gesonderte Einrichtung 22 zur Ermittlung des Soll-Antriebsmomentes fahr_soll_m und eine Einrichtung 23 zur Ermittlung des Sportlichkeitskennwertes fahr_soll_m verwirklicht sein.
  • Der Einrichtung 22, 23 zur Ermittlung des Soll-Antriebsmomentes fahr_soll_m und des Sportlichkeitswertes kSport werden eine Reihe von Konstanten, Sensorinformationen und/oder Zwischenwerten aus anderen Steuerungsvorrichtungen zugeführt, zu denen beispielsweise der Winkelwert einer Fahr pedalauslenkung, dessen Auslenkgeschwindigkeit und/oder dessen Auslenkbeschleunigung gehören. Die fahrpedalbezogenen Werte sind hier zusammengefasst unter dem Begriff „Fahrpedal". Darüber hinaus wird dieser Einrichtung 22, 23 das gerade aktuelle Übersetzungsverhältnis istgang des Getriebes sowie das vom Fahrer gewünschte oder von einer gesonderten Einrichtung (Getriebesteuergerät) automatisch vorgegebene neue Übersetzungsverhältnis zielgang zugeleitet. Als weitere Größen werden zugeleitet: das Ist-Antriebsdrehmoment fahr_ist_m des Fahrzeugs, das Soll-Antriebsdrehmoment fahr_ziel_m des Fahrzeugs, das bei der aktuellen Drehzahl maximal mögliche Antriebsdrehmoment fahr_max_m(w_ist) des Fahrzeugs und die elektrische Leistungsreserve cap_energiereserve des elektrischen Energiespeichers 28.
  • Aus den vorgenannten Größen erzeugt die Einrichtung 22, 23 den aktuellen Soll-Antriebsmomentwert fahr_soll_m und den aktuellen Sportlichkeitswert kSport, die einer Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zugeleitet werden. Zudem erzeugt diese Einrichtung 22, 23 einen Wert namens sollgang für ein neues Getriebeübersetzungsverhältnis, welcher als Zwischenwert in einer Schaltverhinderungseinrichtung 29 zwischengespeichert wird.
  • Darüber hinaus wird in einer Einrichtung 26 zur Istzustandsbestimmung mit Hilfe folgender Informationen der Istzustand des Fahrzeugs oder zumindest des Antriebsstrangs 1 bzw. 2 bestimmt: Die aktuellen Zustände k1_zu_b und k2_kfl_b von Aktuatoren der wenigstens einen Kupplung K1 bzw. K2, den Betriebszustand vm_laeuft_b (läuft oder steht) der Brennkraftmaschine VM und den Betriebszustand getr_kfl_b des Getriebes 7.
  • Diese Einrichtung 26 zur Istzustandsbestimmung des Antriebsstrangs gibt nach der Auswertung der vorgenannten Informationen eine Größe pas_z an die Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung ab, welche dort zu Bestimmung weiterer Zwischengrößen genutzt wird.
  • Zudem ist vorgesehen, dass die Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung aus Festwertspeichern und/oder über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zugeleitet bekommt: Die minimale Speicherkapazität cap_min_p und die maximale Speicherkapazität cap_max_p des Energiespeichers 28, das maximal mögliche Antriebsdrehmoment em2_max_m der wenigstens einen Elektromaschine EM1 bzw. EM2, die aktuelle elektrische Leistung em2_el_p der wenigstens einen Elektromaschine EM1 bzw. EM2, den Getriebe-Gangwechselstaus getr_aktiv_b_(Sperre), den aktuellen Betriebszustand k2manager_z der Kupplung K2 zwischen der Brennkraftmaschine VM und der Elektromaschine EM2, und diejenige minimale Drehzahl oel_min_n der ersten Elektromaschine EM1, mit welcher die Ölpumpe 8 den Ölbedarf und den Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang 2 abdecken kann.
  • Die Aufgabe der Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung lässt sich in zwei Teilbereich aufgliedern. In einem sogenannten Leistungsmanager wird aus den genannten Größen (insbesondere aber durch das Soll-Antriebsdrehmoment fahr_soll_m und den Sportlichkeitswert kSport) die Leistungsverteilung hinsichtlich der im Antriebsstrang eingebundenen Antriebsmaschinen festgelegt. Darüber hinaus werden auch die Betriebsarten der Antriebsmaschinen hinsichtlich der Drehmomentvorgabe und der Antriebsdrehzahl bestimmt.
  • Eine zweite Funktion dieser Einrichtung 24 ist es, zu bestimmen, welcher Zustand des Antriebssystems für die benötigte Leistung der optimale wäre. Hierzu werden die zugehörigen Randbedingungen der unterschiedlichen Antriebsarten, wie rein verbrennungsmotorisch, rein elektromotorisch, verbren nungs- und elektromotorisch, rein generatorisch oder generatorisch mit Betrieb der Brennkraftmaschine einzeln darauf geprüft, wie sich unter den gegebenen Randbedingungen eine optimale Betriebsweise realisieren lässt. Ist die optimale Betriebsart für die vorgegebenen Randbedingungen gegeben, so wird diese als Sollzustand festgelegt und für eine neue Sollzustandsveränderung solange gesperrt, bis entweder der Istzustand gleich dem Sollzustand geworden ist, oder aber eine zwischenzeitliche Veränderung des Istzustandes (zum Beispiel durch Getriebewählhebeleingriffe, die den Getriebekraftfluss verändern) erfolgt.
  • Aus den vorgenannten Größen ermittelt die Einrichtung 24 demnach zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung folgende Größen, die über Daten- und/oder Steuerleitungen an die nachfolgend ebenfalls genannten Steuerungs- und Regelungseinrichtungen abgegeben werden:
    Die Soll-Drehzahlen „Solldrehzahlen" und Soll-Drehmomente „Sollmomente" sowie die Betriebsarten „Sollmodi" für die Brennkraftmaschine VM und die wenigstens eine Elektromaschine EM1 bzw. EM2 an eine Entscheidungseinrichtung 31 zur Priorisierung des Betriebs wenigstens einer der beiden Elektromaschinen EM1 und EM2 sowie der Brennkraftmaschine VM, einen Schaltverhinderungsbefehl „Schaltverhinderung" an die Schaltverhinderungseinrichtung 29, und einen Betriebszustand-Sollwert pas_soll_z an die Einrichtung 25 zur Steuerung einer als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine EM1, sowie an die Einrichtung 30 zur Steuerung der zweiten Kupplung K2 zwischen der Brennkraftmaschine VM und der zweiten Elektromaschine EM2. Diese Einrichtung 30 zur Steuerung der zweiten Kupplung K2 gibt diesbezüglich Steuerungsvorgaben K2_soll_z und K2_soll_m an ein Steuerungsmodul 37 für die Kupplung K2 ab.
  • Durch die Schaltverhinderungseinrichtung 29 wird der Wert für den Sollgang in diesem Fall als Sollgang gemäß 5 an eine Getriebesteuerungseinrichtung 36 weitergeleitet, wenn kein entgegenstehender Schaltverhinderungsbefehl vorliegt.
  • Wie 5 weiter entnehmbar ist, erzeugt die Einrichtung 25 zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine EM1 auch den Wert oel_min_n für diejenige minimale Drehzahl dieser Elektromaschine EM1, mit welcher die Ölpumpe 8 den Ölbedarf bzw. Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang 2 abdecken kann. Zudem werden die Steuerungsvorgaben K1_soll_z und K1_soll_m zur Festlegung des Betätigungszustandes der Kupplung K1 an einen Steuerungsmodul 32 zu Betätigung der Kupplung K1 abgegeben.
  • Dadurch ermöglicht es die Einrichtung 25 zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine EM1 die Ölversorgung im Antriebsstrang 2 sicherzustellen, einen Schwungstart der Brennkraftmaschine VM bei stehendem oder rollendem Fahrzeug auszuführen, das Synchronisieren und Trennen der Elektromaschine EM1 und der Brennkraftmaschine VM durchzuführen, die Kraftflusskopplung zwischen der Brennkraftmaschine VM und der Elektromaschine EM1 zu überwachen, sowie die Steuerung der Soll-Leistung der Elektromaschine EM1 sowohl im generatorischen als auch im elektromotorischen Betrieb zu gewährleisten.
  • In der Entscheidungseinrichtung 31, deren Aufgaben auch auf einzelne Entscheidungseinrichtungen EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio verteilt sein kann, werden sodann die Soll-Vorgaben der Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung sowie der Einrichtung 25 zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine EM1 mit den Aus gangsgrößen der Einrichtung 30 zur Steuerung der zweiten Kupplung K2 abgestimmt.
  • Die in dieser Einrichtung 31 erfolgende Priorisierung legt fest, dass die Soll-Vorgaben der Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung immer dann erste Priorität haben, wenn nicht Zustandsänderungen in der Einrichtung 30 zur Steuerung der Kupplung K2 und/oder der Einrichtung 25 zur Steuerung der als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten Elektromaschine EM1 zu davon abweichenden anderen Soll-Drehzahlen „Solldrehzahlen", Soll-Drehmomenten „Sollmomente" sowie anderen Betriebsarten „Sollmodi" für die Brennkraftmaschine VM und die wenigstens eine Elektromaschine EM1, EM2 führen.
  • Die Entscheidungseinrichtung 31 arbeitet dabei bevorzugt nach folgender Priorisierungsreihenfolge:
    • – Beurteilung der Signale der Einrichtung 25 zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators EM1.
    • – Beurteilung der Signale der Einrichtung 30 zur Steuerung der zweiten Kupplung K2.
    • – Beurteilung der Signale der Einrichtung 24 zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  • Sodann erfolgt eine Weiterleitung von priorisierten Entscheidungen zur Antriebsstrangsteuerung an eine Einrichtung 27 zur Getriebedrehmomentanpassung. Dieses Steuerungsmodul hat die Aufgabe, der Getriebesteuerung 20 bzw. deren Aktuatoren die aus konventionellen Antriebssträngen bekannten Schnittstellenwerte zu liefern, wie zum Beispiel das Motordrehmoment und die Motordrehzahl der jeweiligen Antriebsmaschinen. Hierzu werden ggf. vorliegende Zusatzdrehmomente der Elektromotoren EM1 und EM2 sowie die durch unterschiedliche Antriebsstrangzustände auftretenden Masseneffekte entsprechend berücksichtigt. Dadurch ergeben sich für die Getriebesteuerung bzw. ein konventionelles Getriebesteuerungsgerät an sich bekannte Eingangsgrößen hinsichtlich des an der Getriebeeingangswelle 6 anliegenden Drehmoments und der Getriebeeingangsdrehzahl.
  • Durch diese Vorgehensweise wird der Softwareentwicklungsaufwand sowie Applikationsaufwand für einen diesbezüglichen Hybrid-Antriebsstrang vorteilhaft gering gehalten, da die im konventionellen Getriebesteuerungsgerät abgespeicherte Software unabhängig davon, ob ein Hybridanstriebsstrang gemäß 1 oder 2 realisiert ist, weitgehend unverändert gelassen werden kann.
  • Zudem sei erwähnt, dass die Einrichtung 27 zur Getriebedrehmomentanpassung auch die Aufgabe übernimmt, die von der Getriebesteuerung während der Übersetzungsänderungsvorgänge ausgegebenen Steuerbefehle egs_eingriff_m an die Brennkraftmaschine bzw. zusätzlich an die Elektromaschinen EM1 und EM2, beispielsweise zwecks einer Antriebsdrehzahlreduzierung der Getriebeeingangswelle während eines Hochschaltvorgangs, derart anzupassen, dass die bei den jeweiligen Betriebsweisen der Antriebsstränge 1 bzw. 2 auftretenden unterschiedlichen Masseneffekte bei der Ermittlung der Sollwerte VM-Vorgaben für die Brennkraftmaschine VM und der Sollwerte EM1-Vorgaben, EM2-Vorgaben für Elektromaschinen EM1, EM2 hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehmomentabgabe berücksichtigt werden.
  • Die Einrichtung 27 zur Getriebedrehmomentanpassung gibt die genannten Vorgabewerte EM1-Vorgaben, VM-Vorgaben, EM2-Vorgaben und Getr-Vorgaben an gesonderte Steuerungsmodule 33, 34, 35 und 36 für die Ansteuerung von Aktuatoren, welche die Vorgabewerte zu konkreten Steuerungsbefehlen an die Brennkraftmaschine VM, das Getriebe 7 und die beiden Elektroma schinen EM1, EM2 verarbeiten. So kann in dem Steuerungsmodul 34 beispielsweise der Befehl für den Start und das Abschalten der Brennkraftmaschine VM erzeugt werden.
  • Ebensolche Steuerungsmodule 32 und 37 sind für die beiden Kupplungen K1 und K2 vorhanden. Die Vorgabewerte stammen dabei wie schon weiter oben erwähnt von der Einrichtung 25 zur Steuerung des Startergenerators (Elektromaschine EM1 mit zugeordneter Kupplung K1) bzw. von der Einrichtung 30 zur Steuerung der zweiten Kupplung K2. In diesen Steuerungsmodulen 32, 37 wird bevorzugt die Umsetzung von Soll-Gleitmomentwerten in physikalische Stellgrößen wie Kupplungsstellweg und Kupplungsbetätigungsdruck vorgenommen. Sind zusätzliche Zustandsänderungen bei den Kupplungsaktuatoren durchzuführen (z.B. Leerwegüberwindung und Anlegen der Kupplung, beispielsweise mit Rampensteuerungsfunktionen), so werden diese in den Kupplungssteuerungsmodulen 32 und 37 ebenfalls selbsttätig vorgenommen.
  • Alle Steuerungsmodule 32 bis 37 erzeugen auch bereits erwähnte Zustandsgrößen, welche den gerade vorliegenden Betätigungszustand der Aktuatoren definieren und als Gesamtheit den Gesamt-Antriebsstrangzustand definieren.
  • Die obigen Ausführen verdeutlichen, dass eine erfindungsgemäß ausgebildete Steuerungs- und Regelungseinrichtung bzw. ein diesbezügliches Steuerungs- und Regelungsverfahren sehr kostengünstig und flexibel ohne großen Änderungsaufwand in unterschiedlichen Hybrid-Antriebssträngen 1, 2 einsetzbar ist. Dabei kann die bereits vorhandene Steuerungs- und Regelungssoftware für eine Brennkraftmaschine und ein Automatgetriebe weitergenutzt werden, ohne dass Schnittstellenprobleme zu erwarten wären.
  • Von besonderem Vorteil beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungseinrichtung bzw. eines diesbezüglichen Steuerungs- und Regelungsverfahrens ist jedoch, dass abweichend von bekannten technischen Lösungen hier der aktuell vorliegende Wunsch des Fahrers hinsichtlich des Fahrzeugantriebsmomentes und der gerade gewünschten Betriebsweise des Fahrzeugs, also eher dynamisch oder eher ökonomisch, in die Steuerung und Regelung der Antriebsstrangkomponenten mit einbezogen wird. Zudem wird der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 28 des Fahrzeuges sowie dessen Entladung und Aufladung abhängig von den o.g. Randbedingungen gemacht. Dadurch wird für jede Betriebsart, ob nun eher dynamisch oder eher ökonomisch, der jeweils optimale Ladezustand des Energiespeichers erreicht.
    • 1
    Antriebsstrang mit einer Elektromaschine
    2
    Antriebsstrang mit zwei Elektromaschinen
    3
    Kurbelwelle
    4
    Drehschwingungsdämpfer
    5
    Ausgang des Drehschwingungsdämpfers
    6
    Getriebeeingangswelle
    7
    Automatgetriebe
    8
    Ölpumpe
    9
    Antriebswelle der Ölpumpe
    10
    Steuergerät Brennkraftmaschine
    11
    Steuergerät Elektromaschine EM1
    12
    Steuergerät Elektromaschine EM2
    13
    Steuergerät Kupplung K1
    14
    Steuergerät Kupplung K2
    15
    Bordnetz des Fahrzeugs
    16
    Leitungswiderstand
    17
    Leitungswiderstand
    18
    Differentialgetriebe
    19
    Bremsvorrichtung
    20
    Getriebesteuergerät
    21
    Bremssteuergerät
    22
    Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes
    23
    Einrichtung zur Ermittlung eines Sportlichkeitskennwertes
    24
    Einrichtung zur Festlegung einer Antriebsleistungsverteilung
    25
    Einrichtung zur Steuerung des Startergenerators (EM1)
    26
    Einrichtung zur Ermittlung des Ist-Zustandes der Antriebsstrang
    konfiguration
    27
    Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung
    28
    Energiespeicher, elektrische Batterie
    29
    Schaltverhinderungseinrichtung
    30
    Einrichtung zur Steuerung der Kupplung K2
    31
    Entscheidungseinrichtung
    32
    Kupplungssteuerungsmodul K1
    33
    Steuerungsmodul für Elektromaschine EM1
    34
    Steuerungsmodul für Brennkraftmaschine VM
    35
    Steuerungsmodul für Elektromaschine EM2
    36
    Steuerungsmodul für das Getriebe
    37
    Kupplungssteuerungsmodul K2
    EM1
    Elektromotor
    EM2
    Elektromotor
    VM
    Brennkraftmaschine
    K1
    Kupplung
    K2
    Kupplung
    ΘVM
    Massenträgheitsmoment der Brennkraftmaschine
    ΘEM1
    Massenträgheitsmoment der Elektromaschine 1
    ΘEM2
    Massenträgheitsmoment der Elektromaschine 2
    ΘRad
    Massenträgheitsmoment der Fahrzeugräder
    kSport
    Sportlichkeitskennwert
    fahr_soll_m
    Soll-Antriebsdrehmoment
    Fahrpedal
    Fahrpedalauslenkung
    istgang
    Ist-Gang
    zielgang
    Ziel-Gang
    cap_energiereserve
    ungenutzte Speicherkapazität des Energiespeichers
    fahr_ist_m
    Ist-Drehmoment
    fahr_ziel_m
    Ziel-Drehmoment
    fahr_max_m[w_ist]
    bei aktueller Drehzahl eines Antriebsmotors maximal
    mögliches Drehmoment
    sollgang
    Sollgang des Getriebes
    pas_z
    Ist-Zustand des Antriebsstranges
    cap_min_p
    minimale Speicherkapazität des Energiespeichers
    cap_max_p
    maximale Speicherkapazität des Energiespeichers
    em2_max_m
    maximal mögliches Antriebsdrehmoment von EM2
    em2_el_p
    aktuelle elektrische Leistung Elektromaschine EM2
    getr_aktiv_b_[Sperre]
    Getriebe-Gangwechselstaus
    k2manager_z
    aktueller Betriebszustand Kupplung K2
    oel_min_n
    minimale Drehzahl einer ersten Elektromaschine
    EM1, mit der eine Ölpumpe den Ölbedarf im An
    triebsstrang abdecken kann
    Solldrehzahlen
    Soll-Drehzahlen der Antriebsmaschinen
    Sollmomente
    Soll-Drehmomente der Antriebsmaschinen
    Sollmodi
    Betriebsarten
    Schaltverhinderung
    Schaltverhinderungsbefehl
    pas_soll_z
    Betriebszustand-Soll-Wert
    EM1-Prio
    Entscheidungseinrichtung
    EM2-Prio
    Entscheidungseinrichtung
    VM-Prio
    Entscheidungseinrichtung
    VM_Vorgaben
    Sollwerte für die Brennkraftmaschine
    EM1-Vorgaben
    Sollwerte für die Elektromaschine EM1
    EM2-Vorgaben
    Sollwerte für die Elektromaschine EM2
    Getr-Vorgaben
    Sollwerte für das Automatgetriebe
    egs_eingriff_m
    Steuersignale des Getriebesteuergeräts zum Motor
    eingriff
    K1_soll_z
    Steuerungsvorgabe für Kupplung K1
    K1_soll_m
    Steuerungsvorgabe für Kupplung K1
    K2_soll_z
    Steuerungsvorgabe für Kupplung K2
    K2_soll_m
    Steuerungsvorgabe für Kupplung K2
    k1_zu_b
    Zustandskennwert der Kupplung K1
    k2_zu_b
    Zustandskennwert der Kupplung K2
    M_VM
    Antriebsdrehmoment der Brennkraftmaschine
    M_K2
    Antriebsdrehmoment an der Kupplung K2
    M_EM2
    Antriebsdrehmoment der Elektromaschine EM2
    M_GE
    Antriebsdrehmoment an der Getriebeeingansgwelle
    vm_laeuft_b
    Betriebszustand der Brennkraftmaschine
    getr_kfl_b
    Betriebszustand des Getriebes

Claims (33)

  1. Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges (1, 2) eines Kraftfahrzeuges mit wenigstens zwei Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2), mindestens einer Kupplung (K1, K2) und einem Getriebe (7), – mit einer Einrichtung (22) zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes (fahr_soll_m) aus einer den aktuellen Drehmomentwunsch des Fahrers signalisierenden Größe oder aus der Soll-Drehmomentvorgabe einer automatischen Soll-Drehmomentbestimmungseinrichtung, – mit einer Einrichtung (23) zur Ermittlung eines Sportlichkeitskennwertes (kSport), – mit einer Einrichtung zur Festlegung eines Soll-Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers (28) des Fahrzeuges in Abhängigkeit von dem ermittelten Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m) und dem Sportlichkeitskennwert (kSport), – mit einer Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zwischen den wenigstens beiden Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) in Abhängigkeit von dem festgelegten Soll-Ladezustand derart, dass das angeforderte Soll Antriebsdrehmoment realisierbar ist und der Soll-Ladezustand des Energiespeichers eingehalten wird, und zur Bestimmung für das Vorgegebene Soll Antriebsdrehmoment und die bestgeeignetste Soll-Antriebsstrang-Konfiguration für den vorgegebenen Sportlichkeitskennwert, und – mit einer Einrichtung (27) zur Erzeugung und Weiterleitung von Steuerungs- und Regelungssignalen für die wenigstens beiden Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2), die wenigstens eine Kupplung (K1, K2) sowie das Getriebe (7).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmaschinen des Antriebsstrangs als Brennkraftmaschine (VM) und als wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) ausgebildet sind, wobei letztere elektromotorisch oder generatorisch betreibbar sind, und dass im Falle von zwei Elektromaschinen eine Ölpumpe (8) mit einer Elektromaschine (EM1) antriebsverbunden ist, die sowohl elektromotorisch als auch generatorisch betreibbar ist, und dass diese Elektromaschine (EM1) über eine erste Kupplung (K1) mit der Brennkraftmaschine (VM) sowie letztere über eine zweite Kupplung (K2) mit der Getriebeeingangswelle (6) verbindbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sportlichkeitskennwert (kSport) durch eine Schaltstellung eines Sportlichkeitsschalters oder eines Getriebewählhebels oder durch einen Messwert ermittelbar ist, welcher die Fahrpedalbeschleunigung kennzeichnet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes aus Festwertspeichern sowie über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zuleitbar ist: Fahrpedalauslenkung (Fahrpedal), Ist-Gang (istgang) und Ziel-Gang (zielgang) des Getriebes, ungenutzte Speicherkapazität des Energiespeichers (cap_energiereserve), Ist-Drehmoment (fahr_ist_m), Zieldrehmoment (fahr_ziel_m), bei aktueller Drehzahl eines Antriebsmotors (VM) maximal mögliches Drehmoment (fahr_max_m[w_ist]).
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einrichtung (22) zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes ein Sollgang (sollgang) für das Getriebe (7) bestimmbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (26) zur Bestimmung des Ist-Zustandes des Antriebsstranges (1, 2) vorhanden ist, mit der über Sensor- und/oder Datenleitungen die aktuellen Zustände von Aktuatoren der wenigstens einen Kupplung (K1, K2), der Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) und des Getriebes (7) erfassbar sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung von der Einrichtung (22, 23) zur Ermittlung eines Soll-Antriebsdrehmomentes über das Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m) und über den Sportlichkeitskennwert (kSport) sowie von der Einrichtung (26) zur Bestimmung des Ist-Zustandes des Antriebsstranges (1, 2) über den Ist-Zustand (pas_z) des Antriebsstranges informierbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung aus Festwertspeichern und über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zuleitbar ist: Die minimale und maximale Speicherkapazität (cap_min_p, cap_max_p) des Energiespeichers (28), das maximal mögliche Antriebsdrehmoment (em2_max_m) der wenigstens einen Elektromaschine (EM1, EM2), die aktuelle elektrische Leistung (em2_el_p) der wenigstens einen Elektromaschine (EM1, EM2), den Getriebe-Gangwechselstaus (getr_aktiv_b [Sperre]), den aktuellen Betriebszustand (k2manager_z) der Einrichtung (30) zur Steuerung und Reglung einer zweiten Kupplung (K2), und diejenige minimale Drehzahl (oel_min_n) der ersten Elektromaschine (EM1), mit der eine Ölpumpe (8) den Ölbedarf und den Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang (1, 2) abdecken kann.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung (24) derartig ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit von wenigstens einer der zugeführten Größen folgende Größen über Daten- und/oder Steuerleitungen abgeben kann: Soll-Drehzahlen (Solldrehzahlen) und Soll-Drehmomente (Sollmomente) sowie Betriebsarten (Sollmodi) für die Brennkraftmaschine (VM) und die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2), einen Schaltverhinderungsbefehl (Schaltverhinderung) an eine Schaltverhinderungseinrichtung (29), und einen Betriebszustand-Sollwert (pas_soll_z) an eine Einrichtung (25) zur Steuerung einer als Oelpumpen-Startergenerator ausgebildeten ersten Elektromaschinen (EM1) sowie an eine Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) zwischen der Brennkraftmaschine (VM) und der zweiten Elektromaschine (EM2).
  10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entscheidungseinrichtung (31; EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio) vorhanden ist, die die Soll-Vorgaben der Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung mit den Ausgangsgrößen der Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) und der Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (8) abstimmt und dann an eine Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) weiterleiten kann, wenn nicht Zustandswechsel in der Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) und/oder der Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (8) zu anderen Soll-Drehzahlen (Solldrehzahlen), Soll-Drehmomenten (Sollmomente) sowie anderen Betriebsarten (Sollmodi) für die Brennkraftmaschine (VM) und die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) führen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidungseinrichtung (31; EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio) derartig aufgebaut ist, dass diese nach folgender Priorisierungsreihenfolge arbeitet: – Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (8), – Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2), – Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) derartig ausgebildet ist, dass diese ausgehend von den zugeführten Größen die ermittelten Drehzahlen und Drehmomente als Sollwerte (VM-Vorgaben) für die Brennkraftmaschine (VM) sowie als Sollwerte (EM1-Vorgaben, EM2-Vorgaben) für die Elektromaschinen (EM1, EM2) erzeugen und weiterleiten kann.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) zur Berücksichtigung von Zusatzdrehmomenten der Elektromaschinen (EM1, EM2) und zur Berücksichtigung von durch unterschiedliche Antriebsstrangzustände auftretende Masseneffekte bei der Ermittlung der Sollwerte (VM_Vorgaben) für die Brennkraftmaschine (VM) und der Sollwerte (EM1-Vorgaben, EM2-Vorgaben) für Elektromaschinen (EM1, EM2) ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) zur Aufnahme und Verarbeitung von Steuersignalen (egs_eingriff_m) des Getriebesteuergeräts (20) ausgebildet ist, mit denen während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes (7) die Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehmomentabgabe gesteuert werden.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) derartig ausgebildet ist, dass mit dieser während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes (7) die Drehzahl und Drehmomentabgabe der Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) an die Massenverhältnisse der gerade aktiven Hybrid-Antriebsstrang-Konfiguration anpassbar sind.
  16. Verfahren zur Steuerung und Regelung von Komponenten eines Hybrid-Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges mit wenigstens zwei Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2), mindestens einer Kupplung (K1, K2) und einem Getriebe (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsdrehmomentwunsch des Fahrers derart in Soll-Antriebsdrehmomente für die eine Brennkraftmaschine (VM) und die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) aufgeteilt sowie eine solche Antriebsart gewählt wird, dass der Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers (28) optimal an die aktuell eher dynamische oder eher ökonomische Fahrweise des Fahrers angepasst ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Feststellen des aktuellen Soll-Antriebsdrehmomentes (fahr_soll_m) aus einer den aktuellen Drehmomentwunsch des Fahrers signalisierenden Größe oder aus der Soll-Drehmomentvorgabe einer automatischen Soll-Drehmomentbestimmungseinrichtung, b) Ermitteln eines Sportlichkeitskennwertes (kSport), c) Festlegung eines Soll-Ladezustandes eines Energiespeichers (28) des Fahrzeuges in Abhängigkeit von dem ermittelten Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m) und dem Sportlichkeitskennwert (kSport), d) Festlegung der Antriebsleistungsverteilung zwischen den wenigstens zwei Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) in Abhängigkeit von dem festgelegten Soll-Ladezustand derart, dass das angeforderte Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m) realisierbar ist und der Soll-Ladezustand des Energiespei chers (28) eingehalten wird, und Bestimmung der für das vorgegebene Soll-Antriebsdrehmoment und für den vorgegebenen Sportlichkeitskennwert bestgeeignetsten Soll-Antriebsstrang-Konfiguration, und e) Erzeugung und Weiterleitung von Steuerungs- und Regelungssignalen für die wenigstens zwei Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2), die wenigstens eine Kupplung (K1, K2) sowie das Getriebe (7).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Soll-Ladezustandes bei vorgegebenen Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m) und konstantem Sportlichkeitskennwert (kSport) für alle Fahrsituationen eine Konstante ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sportlichkeitskennwert (kSport) in solchen Grenzen erzeugbar ist, dass mit diesem ein Soll-Ladezustand des Energiespeichers (28) einstellbar ist, welcher ein schadloses vollständiges Entladen bzw. ein vollständiges Befüllen des Energiespeichers (28) in elektromotorischen, verbrennungsmotorischen und in kombinierten Antriebsphasen zulässt.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sportlichkeitskennwert (kSport) aus einer Schaltstellung eines Sportlichkeitsschalters oder eines Getriebewählhebels oder durch einen Messwert, welcher die Fahrpedalbeschleunigung kennzeichnet, ermittelt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Soll-Antriebsdrehmomentes bestimmt wird aus wenigstens folgenden Größen: Fahrpedalauslenkung (Fahrpedal), Ist-Gang (istgang) und Ziel-Gang (zielgang) des Getriebes (7), ungenutzte Speicherkapazität des Energiespeichers (cap_energiereserve), Ist-Drehmoment (fahr_ist_m), Zieldrehmo ment (fahr_ziel_m), bei aktueller Drehzahl eines Antriebsmotors (VM) maximal mögliches Drehmoment (fahr_max_m[w_ist]).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der in Anspruch 21 genannten Größen ein Sollgang (sollgang) für das Getriebe (7) bestimmt wird.
  23. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Zustände von Aktuatoren der wenigstens einen Kupplung (K1, K2), des wenigstens einen Antriebsmotors (VM, EM1, EM2) und des Getriebes (7) bestimmt werden.
  24. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung das Soll-Antriebsdrehmoment (fahr_soll_m), der Sportlichkeitskennwert (kSport) sowie der Ist-Zustand (pas_Z) des Antriebsstranges mitgeteilt werden.
  25. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung aus Festwertspeichern und über Sensor- und/oder Datenleitungen Informationen über folgende Größen zugeleitet werden: Die minimale und maximale Speicherkapazität (cap_min_p, cap_max_p) des Energiespeichers (28), das maximal mögliche Antriebsdrehmoment (em2_max_m) der wenigstens einen Elektromaschine (EM1, EM2), die aktuelle elektrische Leistung (em2_el_p) der wenigstens einen Elektromaschine (EM1, EM2), den Getriebe-Gangwechselstaus (getr_aktiv_b [Sperre]), den aktuellen Betriebszustand (k2manager_z) einer Einrichtung (30) zur Steuerung und Reglung einer zweiten Kupplung (K2) zwischen der Brennkraftmaschi ne (VM) und einer Elektromaschine (EM2), sowie diejenige minimale Drehzahl (oel_min_n) einer ersten Elektromaschine (EM1), mit der eine Ölpumpe (8) den Ölbedarf und Hydraulikdruckbedarf im Antriebsstrang (2) abdecken kann.
  26. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung in Abhängigkeit von wenigstens einer der zugeführten Größen folgende Größen über Daten- und/oder Steuerleitungen an die genannten Einrichtungen abgibt: Soll-Drehzahlen (Solldrehzahlen) und Soll-Drehmomente (Sollmomente) sowie Betriebsarten (Sollmodi) für die Brennkraftmaschine (VM) und die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) an eine Entscheidungseinrichtung (31; EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio), einen Schaltverhinderungsbefehl (Schaltverhinderung) an eine Schaltverhinderungseinrichtung (29), einen Betriebszustand-Soll-Wert (pas_soll_z) an eine Einrichtung (25) zur Steuerung einer als Ölpumpen-Startergenerator ausgebildeten ersten Elektromaschinen (EM1), und an eine Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) zwischen der Brennkraftmaschine (VM) und der zweiten Elektromaschine (EM2).
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidungseinrichtung (31; EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio) die Soll-Vorgaben der Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung mit den Ausgangsgrößen der Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) und der Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (EM1) vergleicht und an eine Einrichtung zur Getriebedrehmomentanpassung (27) dann weiterleitet, wenn nicht Zustandswechsel in der Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2) und/oder in der Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (EM1) zu anderen Soll-Drehzahlen (Solldrehzahlen), Soll-Drehmomenten (Sollmomente) sowie anderen Betriebsarten (Sollmodi) für die Brennkraftmaschine (VM) und die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) führen.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidungseinrichtung (31; EM1-Prio, EM2-Prio, VM-Prio) nach folgender Priorisierungsreihenfolge arbeitet: – Vorrang haben die Signale der Einrichtung (25) zur Steuerung des Ölpumpen-Startergenerators (EM1), – Nachfolgende Entscheidungspriorität haben die Signale der Einrichtung (30) zur Steuerung der zweiten Kupplung (K2), – Die letzte Entscheidungspriorität haben die Signale der Einrichtung (24) zur Festlegung der Antriebsleistungsverteilung.
  29. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Getriebedrehmomentanpassung die ermittelten Drehzahlen und die Drehmomente als Sollwerte (VM-Vorgaben) für die Brennkraftmaschine (VM) und als Sollwerte (EM1-Vorgaben, EM2-Vorgaben) für die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) von der Einrichtung (27) zur Anpassung des Getriebedrehmoments ausgegeben werden.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Getriebedrehmomentanpassung Zusatzdrehmomente der Antriebsmaschinen (VM, EM1, EM2) und durch unterschiedliche Antriebsstrangzustände auftretende Masseneffekte bei der Ermittlung der Sollwerte (VM_Vorgaben) für die Brennkraftmaschine (VM) und der Sollwerte (EM1-Vorgaben, EM2-Vorgaben) für die wenigstens eine Elektromaschine (EM1, EM2) berücksichtigt werden.
  31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass zur Getriebedrehmomentanpassung Steuersignale (egs_eingriff_m) des Getriebesteuergeräts (20) verarbeitet werden, mit deren Hilfe während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes (7) die Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) hinsichtlich ihrer Drehzahl und Drehmomentabgabe gesteuert werden.
  32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Getriebedrehmomentanpassung während Übersetzungsänderungsvorgänge des Getriebes (7) die Drehzahl und Drehmomentabgabe der Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) an die Massenverhältnisse der gerade aktiven Hybrid-Antriebsstrang-Konfiguration anpassbar sind.
  33. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (27) zur Getriebedrehmomentanpassung die Vorgabewerte (EM1-Vorgaben, VM-Vorgaben, EM2-Vorgaben, Getr-Vorgaben) an gesonderte Steuerungsmodule (33, 34, 35, 36) abgibt, die Aktuatoren an den Antriebsmotoren (VM, EM1, EM2) und dem Automatgetriebe (7) mit konkreten Stellbefehlen ansteuern.
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