DE102005012864A1

DE102005012864A1 - Verfahren zum Steuern von Getriebeschaltpunkten für ein Hybridfahrzeug mit primärer und sekundärer Antriebsquelle

Info

Publication number: DE102005012864A1
Application number: DE102005012864A
Authority: DE
Inventors: James Novi Potter
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: GB2412414A; US6988976B2; DE102005012864B4; GB0504273D0; US20050209046A1; GB2412414B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, das einen Verbrennungsmotor (10), eine sekundäre Antriebsquelle (14) und ein Stufenautomatikgetriebe (12) zum Antreiben einer Last aufweist, wobei das Verfahren ein Hochschalten aus einem aktuellen Gang in einen nächsten Gang steuert und die Schritte des Bereitstellens erster Schaltpunkte einer erforderlichen Motorleistung und einer entsprechenden Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist, bei denen ein Hochschalten erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor (10) die einzige Antriebsquelle wäre. Die Länge einer ersten Zeitperiode, während der Energie für die sekundäre Antriebsquelle (14) verfügbar ist, wird bestimmt. Die Länge einer zweiten Zeitperiode, innerhalb derer die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit eines ersten Schaltpunkts ansteigt, dessen entsprechende Motorleistung gleich einer Kombination der aktuell erforderlichen Motorleistungen des Verbrennungsmotors (14) und der sekundären Antriebsquelle (14) ist, wird bestimmt. Das Hochschalten erfolgt, wenn die Länge der zweiten Zeitperiode gleich groß oder größer als die Länge der ersten Zeitperiode ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Automatikgetriebes für ein Fahrzeug mit Hybrid-Antriebsstrang, in welchem sowohl ein Verbrennungsmotor als auch eine sekundäre Antriebsquelle, wie etwa ein Elektromotor, ein Hydraulikmotor, ein Druckspeicher (Akkumulator für ein unter Druck gesetztes Fluid), oder ein Schwungradgenerator Energie an die Getriebeantriebswelle liefern.
In Hybrid-Elektrofahrzeuganwendungen, in welchen eine sekundäre Antriebsquelle und ein Verbrennungsmotor jeweils Drehmoment zur Beschleunigung des Fahrzeugs liefern, sollten Getriebeschaltvorgänge bei einer Drehzahl erfolgen, die geringer ist als diejenigen Drehzahlen, welche auftreten, wenn der Antrieb ausschließlich durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird. Das Erzeugen früherer Schaltvorgänge verbessert die Effizienz im Kraftstoffverbrauch, aber es besteht die Notwendigkeit, die korrekte Kombination von Betriebsbedingungen zu bestimmen, unter denen die Schaltvorgänge erfolgen sollen, so dass diese stabil und konsistent sind. Es ist ein dynamisches Verfahren zur Bestimmung der Schaltpunkte erforderlich, da die Energiespeicherkapazität der sekundären Drehmomentvorrichtung im Vergleich zu dem Verbrennungsmotor variabel und begrenzt ist. Beispielsweise sind die Energiespeicherkapazität einer elektrischen Batterie, eines Akkumulators mit einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit, und die Trägheit eines Schwungrades begrenzt und variieren mit den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs und den Leistungsanforderungen eines Fahrers aufgrund der Straßenbedingungen und des Geländes.

Einige Hybrid-Fahrzeuge der gegenwärtigen Produktion verwenden Steuerungsstrategien für Automatikgetriebe, bei denen ein konstantes Verhältnis von der Motordrehzahl zur Fahrzeuggeschwindigkeit aufrechterhalten wird. Die sekundäre Drehmomentquelle wird als Drehmomentergänzung verwendet, um den Motor in dem besten BSFC-Zustand (BSFC = "brake specific fuel consumption" = "Bremsspezifischer Kraftstoffverbrauch") zu betreiben. BSFC ist die Kraftstoffströmungsrate pro Einheit an Nutzleistung. Sie ist ein Maß dafür, wie effizient ein Verbrennungsmotor den zugeführten Kraftstoff zur Verrichtung seiner Arbeit verwertet.

In einem Stufengetriebe, welches diskrete Drehmomentverhältnisse oder Übersetzungsraten erzeugt, sind die Zustandsänderungen nicht transparent. Die Entscheidung, einen Gang zu ändern, sollte auf Basis der Fähigkeit des Antriebsstrangs getroffen werden, im nächsten Gang für eine akzeptable Zeitperiode zu verbleiben. Anderenfalls treten "Motor-Lugging" ("Motorzerren") und "shiftbusyness" (übermäßige Schaltvorgänge) auf.

Wenn eine sekundäre Antriebsdrehmomentquelle während der Beschleunigung des Fahrzeugs aktiv ist, wird die dem Verbrennungsmotor abgeforderte Last reduziert. Eine Gangschaltungsstrategie, welche Gangschaltvorgänge auf Basis des Motordrehmoments und der Fahrzeuggeschwindigkeit initiiert, basiert auf der Annahme, dass ein Hochschalten auf Basis des Motordrehmomentbedarfs erfolgen sollte. Allerdings sind in einem Hybrid-Antriebsstrang die Anforderungen an das Verbrennungsmotordrehmoment geringer als in dem Fall, in welchem keine sekundäre Antriebsquelle den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen des Fahrzeugs unterstützt. Wenn ein Hochschalten ohne Berücksichtigung der Verfügbarkeit eines Drehmoments von der sekundären Antriebsquelle erfolgt, können jedoch die Anforderungen an das Motordrehmoment signifikant variieren, nachdem das Hochschalten begonnen hat, da weniger Drehmoment von der sekundären Antriebsquelle geliefert wird. Für den Fall, dass die Größe des Drehmoments, welches von der sekundären Drehmomentquelle geliefert wird, nach einem Hoch schalten abnimmt, tritt ein zwischenzeitliches Herunterschalten auf, wodurch das Fahrgefühl und die Fahrerzufriedenheit beeinträchtigt werden.

Um konsistente Schaltpunkte bereitzustellen und hierbei gleichzeitig sowohl die Treibstoffersparnis als auch die Leistungsfähigkeit zu maximieren, ist es bevorzugt, dass ein elektronisches Steuergerät zur Getriebesteuerung ein frühes Hochschalten ermöglicht, sofern genügend Energie für die sekundäre Antriebsquelle verfügbar ist. Wenn die sekundäre Drehmomentquelle nach Beginn des Hochschaltens Drehmoment für eine ausreichende Zeitperiode liefern kann, kann ein Hochschalten des Getriebes zu einem früheren Zeitpunkt ohne das Risiko eines zwischenzeitlichen Herunterschaltens erfolgen. Hierdurch wird die Kraftstoffökonomie verbessert. Der frühere Schaltpunkt kann entweder auf einer Hochschaltungslinie liegen, welche durch den Hybridschaltpunkt verläuft, oder dieser kann auf einer herkömmlichen, normalen Gangschaltungslinie liegen, welche das aktuelle Motordrehmoment und die Drehzahl des Fahrzeugs in Beziehung setzt. Wenn die Hybrid-Unterstützung verfügbar ist, wird das Motordrehmoment reduziert, was ein früheres Hochschalten ermöglicht. Bei herkömmlicher Schaltungssteuerung wird das erforderliche Motordrehmoment das gesamte gegenwärtig erforderliche Drehmoment sein, d.h. die Summe aus dem von dem Verbrennungsmotor gelieferten Drehmoment und dem von der sekundären Antriebsquelle gelieferten Drehmoment. Diese Drehmomentsumme ist das vom Fahrer geforderte Abtriebsmoment. Wenn ein maximales Leistungsvermögen basierend auf einer Beschleunigung, welche größer als ein kalibrierbarer Wert ist, erforderlich ist, sollte die Steuerung von Schaltvorgängen auf Basis des gesamten gegenwärtig erforderlichen Drehmoments erfolgen und frühe Hochschaltvorgänge verhindert werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung des Hochschaltens eines Getriebes bereitzustellen, welches ein frühes Hochschalten ermöglicht, die Steuerbarkeit durch Minimierung von "shift busyness" erhöht, eine konsistente Schaltpunktbestimmung liefert und in einfacher Weise in eine herkömmlichen Gangschaltpunktbestimmung und -steuerung integriert werden kann.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet, welches einen Verbrennungsmotor, eine sekundäre Antriebsquelle und ein Stufenautomatikgetriebe zum Antreiben einer Last aufweist. Das Verfahren, welches das Hochschalten des Getriebes aus einem aktuellen Gang in einen nächsten Gang steuert, umfasst das Bereitstellen erster Schaltpunkte für eine geforderte Motorleistung und eine entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit, bei welchen das Hochschalten erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor die einzige Antriebsquelle wäre. Die Länge einer ersten Zeitperiode, während der Energie für die sekundäre Antriebsquelle verfügbar ist, wird bestimmt. Ferner wird die Länge einer zweiten Zeitperiode bestimmt, während der die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit bei einem ersten Schaltpunkt ansteigt, dessen entsprechende erforderliche Motorleistung gleich einer kombinierten aktuellen geforderten Motorleistung des Verbrennungsmotors und der sekundären Antriebsquelle ist. Das Hochschalten erfolgt, wenn die Länge der zweiten Zeitperiode gleich groß oder größer als die Länge der ersten Zeitperiode ist.

Die Stabilität des Hochschaltens wird durch das Bereitstellen zweiter Schaltpunkte für ein Motor-Abtriebsmoment und eine entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit gewährleistet, bei welchen ein Herunterschalten aus dem aktuellen Gang in den nächstniedrigeren Gang erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor die einzige Antriebsquelle wäre. Der Wert eines ersten Drehmoments, welches von dem Antriebsstrang an die Last für ein Hochschalten bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit übertragen werden muss, wird aus den zweiten Schaltpunkten bestimmt. Der Wert eines zweiten Drehmoments, welches gleich der Summe der Drehmomente ist, welche aktuell von dem Verbrennungsmotor und der sekundären Antriebsquelle an die Last übertragen werden, wird bestimmt. Das Hochschalten erfolgt, wenn der Wert des zweiten Drehmoments größer als der Wert des ersten Drehmoments ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Fahrzeuges, welcher einen Verbrennungsmotor, einen Starter-Generator oder Motor, eine Eingangskupplung sowie ein Automatikgetriebe aufweist;
2 ein schematisches Diagramm, welches ein Zahnradgetriebe, Zahnradsteuerungselemente, eine Eingangskupplung, einen Elektromotor und ein Steuergerät zeigt;
3 eine Tabelle, welche den eingerückten und den ausgerückten Zustand der Kupplungen und Bremsen des Getriebes aus 2 zeigt, wobei jeder Zustand einem von dem Getriebe erzeugten Übersetzungsverhältnis entspricht;
4 die normale oder reguläre Hochschalt- und Herunterschaltlinie für eine einzige Zustandsänderung zusammen mit einer Hybrid-Hochschaltlinie;
5 ein Schaltungsdiagramm, welches ein Hochschalten entlang der Hybrid-Hochschaltlinie zeigt, welches zur Bestimmung des verfügbaren Verbrennungsmotor-Drehmoments nach dem Hochschalten verwendet wird;
6 ein Verbrennungsmotor-Drehmoment-Diagramm, welches den Hochschalt-Punkten von 5 entspricht;
7 einen Graph der Fahrzeugbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit, welcher einen oberen und einen unteren Fahrzeugbeschleu nigungsgrenzwert für die Hybrid-Schaltungssteuerung und Schaltstabilität zeigt;
8 ein schematisches Diagramm eines Antriebsstrangs, auf den die vorliegende Erfindung angewandt werden kann; und
9 einen Graph der zeitlichen Änderungsrate der Energie bzw. der Leistung, welche für die sekundäre Antriebsquelle während der Fahrzeugbeschleunigung verfügbar ist.
Unter Bezugnahme auf die Abbildungen ist in 1 ein Antriebsstrang eines durch Benzinmotor und Elektromotor angetriebenen Hybrid-Fahrzeugs dargestellt, welcher einen Verbrennungsmotor 10, ein Getriebe 12 mit mehreren Übersetzungsverhältnissen (Mehrganggetriebe), in welchem Schaltvorgänge vorgenommen werden, einen Induktionsmotor bzw. Elektromotor 14, welcher in dem Antriebspfad zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 angeordnet ist, und eine Reibungskupplung 16, welche zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Induktionsmotor 14 zum antreibbaren Kuppeln und Entkuppeln des Verbrennungsmotors 10 und des Getriebes 12 angeordnet ist, aufweist. Der Läufer bzw. Rotor des Induktionsmotors 14 ist direkt an das Drehmomentantriebselement des Mehrganggetriebes angeschlossen. Er ist außerdem an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 über eine Reibungskupplung 16 angeschlossen. Allerdings ist die sekundäre Antriebsquelle nicht auf einen Elektromotor gemäß 1, welcher von einer elektrischen Batterie mit Energie versorgt wird, beschränkt. Die sekundäre Antriebsquelle kann ein hydraulisches oder ein pneumatisches System sein, in welchem ein Fluid, welches in einem Akkumulator unter relativ hohem inneren Überdruck gespeichert ist, die Getriebeantriebswelle über eine Motorpumpe antreibt. Alternativ kann in die sekundäre Antriebsquelle auch eine mechanische Vorrichtung wie beispielsweise ein rotierendes Schwungrad oder eine ähnliche Energiespeichervorrichtung sein, die dazu in der Lage ist, eine an die Getriebeabtriebswelle angeschlossene Last anzutreiben.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Räderwerks, der Kupplungen und der Bremsen des Getriebes aus 1 sowie ein Steuerungssystem zur Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem ein Gangwechsel veranlasst werden soll. Eine Getriebeantriebswelle 22 ist an die Drehmomenteingangsseite der Reibungskupplung 16 angeschlossen. Eine sekundäre Antriebsquelle 14 ist so angeordnet, dass diese Drehmoment parallel zu dem Drehmomenteingang des Verbrennungsmotors 10 überträgt. Eine Direktkupplung (DC = "direct clutch"), welche mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, verbindet eine Getriebeantriebswelle 22 mit einem Hohlrad 24 einer ersten einfachen Planetengetriebeeinheit. Ein Sonnenrad 26 der einfachen Planetengetriebeeinheit ist über eine Vorwärtskupplung (FC= "forward clutch"), welche mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist, an die Getriebeantriebswelle 22 angeschlossen. Das Hohlrad 24 ist an ein Sonnenrad 30 einer zweiten Planetengetriebeeinheit angeschlossen. Ein Hohlrad 32 der zweiten Planetengetriebeeinheit ist an einen Planetenrad-Träger 34 der ersten Planetengetriebeeinheit angeschlossen. Ein Planetenrad-Träger 36 für die zweite Planetengetriebeeinheit wird selektiv mittels einer "Niedrig-und-Rückwärts-Bremse" (= "low-and-reverse-brake") 38 gebremst. Die Getriebeantriebswelle 22 ist über eine Rückwärtskupplung 50 ("reverse clutch") an das Sonnenrad 30 angeschlossen und wird während des Betriebs im ersten Gang betätigt. Die Bremse 38 verankert den Planetenrad-Träger 36 während des Betriebs im Rückwärtsgang.
3 zeigt eine Tabelle, welche den Zustand der Kupplungen und Bremsen des Getriebes 12 für jedes der Übersetzungsverhältnisse (Gänge) zeigt. Der erste Gang wird eingelegt, indem die Vorwärtskupplung 28 und die Bremse 38 eingerückt bzw. betätigt werden. Der zweite Vorwärtsgang wird eingelegt, indem die Vorwärtskupplung 28 und die 2/4-Band-Bremse eingerückt bzw. betätigt werden. Der direkte oder dritte Gang wird eingelegt, indem gleichzeitig die Vorwärtskupplung 28 und die Direktkupplung 20 eingerückt bzw. betätigt werden, und der vierte Gang oder Schnellgang wird eingelegt, indem die Direktkupplung 20 und die 2/4-Band-Bremse eingerückt bzw. betätigt werden. Die Rückwärtskupplung und die Bremse 38 werden eingerückt bzw. betätigt, um einen Rückwärtsantrieb zu erzeugen.
Das Hohlrad 32 dient als Drehmomentausgangselement für das Getriebe bzw. Räderwerk. Es bestimmt bzw. leitet ein Kettenrad 42, welches ein Kettenrad 44 über eine Antriebskette 46 antreibt, die mit den beiden Kettenrädern 42 und 44 in Eingriff steht. Das Kettenrad 44 treibt ein Sonnenrad 48 einer Hinterradantriebs-Getriebeeinheit an. Ein Hohlrad 50 der Hinterradantriebs-Getriebeeinheit ist verankert, und ein Planetenrad-Träger 52 liefert ein Abtriebsmoment an ein Achsdifferential-Getriebe 54, welches ein Antriebsdrehmoment an eine jede von zwei Antriebswellenhälften 56 und 58 überträgt.
Vorzugsweise ist das Steuergerät 60 als Fahrzeugsystemsteuergerät (VSC = vehicle system controller") ausgebildet, welches die Mehrzahl von Drehmomentquellen, den Verbrennungsmotor 10, die sekundäre Antriebsquelle 15 und das Getriebe 12 steuert. Allerdings kann diese Steuerung in einfacher Weise auch in ein Getriebesteuergerät oder ein Verbrennungsmotorsteuergerät integriert werden. Die Verwendung eines VSC ist deshalb bevorzugt, weil mehrere Drehmomentquellen gesteuert werden müssen und weil es bevorzugt ist, über ein Steuergerät zu verfügen, welches beide drehmomenterzeugenden Untersysteme auf Basis der Fahreranforderungen koordiniert.
Das Steuergerät 60 empfängt Signale, welche von Sensoren erzeugt wurden, und verwendet die verarbeiteten Eingangsignale, um zu bestimmen, wann ein Schaltbefehlssignal erzeugt werden soll. Basierend auf dieser Bestimmung erzeugt das Steuergerät ein Befehlssignal, welches bewirkt, dass sich der Einrück- bzw. Ausrückzustand der Reibungselemente, Reibungskupplungen und Bremsen ändert. Diese Einrückungen bzw. Ausrückungen kuppeln bzw. entkuppeln wechselweise Elemente der Planetengetriebeeinheit und bewirken Änderungen des Übersetzungsverhältnisses, und zwar sowohl Hochschalt- als auch Herunterschaltvorgänge aus dem aktuellen Gang. Das Steuergerät 60 ermittelt auch die Größe des von der sekundären Antriebsquelle 14 zu erzeugenden Drehmoments, etwa mittels Steuerung der Größe des Stroms, welcher an die Feldwindungen des Induktionsmotors anzulegen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Steuergerät 60 einen oder mehrere digitale Mikroprozessoren oder digitale Computer 62 auf, welche gemeinsam Berechnungen durchführen, Subroutinen ausführen und Algorithmen steuern. Das Steuergerät 60 erzeugt vorzugsweise einen Befehl oder ein Ausgangssignal 64, welches an eine Spule 66 übertragen wird, die ein Ventil 68 betätigt, welches eine Druckfluidquelle 70 für einen Regelkreis 72 eines Reibungselements des Getriebes, wie etwa die Direktkupplung 20 oder die Vorwärtskupplung 28, öffnet und schließt. Das von dem Steuergerät 60 erzeugte Befehlssignal wird wahlweise bzw. austauschbar als Schaltbefehl oder Kupplungsbefehl bezeichnet.
Das Steuergerät 60 liefert ein Drehmoment-Befehlsausgangssignal an den Verbrennungsmotor 10, welcher das Abtriebsmoment des Verbrennungsmotors 10 in Reaktion auf den Befehl ändert, indem er wenigstens einen Motorbetriebsparameter, wie beispielsweise eine Motorluftströmung, die Drosselklappenposition des Verbrennungsmotors 10, die Zündungszeitsteuerung, das Luft-/Kraftstoffverhältnis des Verbrennungsmotors 10 und die Treibstoffströmung verändert. Zusätzlich liefert das Steuergerät 60 ein Drehmoment-Befehlsausgangssignal an die sekundäre Antriebsquelle 14, welche das Abtriebsmoment der sekundären Antriebsquelle 14 in Reaktion auf den Befehl ändert.
Das Steuergerät 60 ist vorzugsweise als mikroprozessorbasiertes Steuergerät ausgebildet, welches eine integrierte Steuerung des Verbrennungsmotors 10, der sekundären Antriebsquelle 14 und des Getriebes 12 bereitstellt. Das Steuergerät 60 weist eine Mikroprozessor-MPU 62 auf, welche über einen Daten/Steuerungs-Bus 74 in Kommunikation mit Eingangsanschlüssen, Ausgangsanschlüssen und computerlesbaren Medien steht. Die computerlesbaren Medien können diverse Arten von flüchtigen und nicht flüchtigen Speichern, wie beispielsweise einen Direktzugriftsspeicher RAM = "Random Access Memory" 80, einen Nur-Lese-Speicher (ROM = "Read only memory") 82 oder einen Haltespeicher (KAM= "Keep alive memory") 84 aufweisen. Diese funktionellen Beschreibungen diverser Arten von flüchtigen und nicht flüchtigen Speichern können durch eine beliebige Anzahl bekannter physikalischer Vorrichtungen implementiert werden, einschließlich (jedoch nicht beschränkt auf) EPROMs, EEPROMs, PROMs, Flash-Speichern od. dgl.. Computerlesbare Medien enthalten gespeicherte Daten, welche Befehle oder Algorithmen darstellen, die von einem Mikroprozessor (MPU) durchführbar sind, um das Verfahren zum Steuern des hydraulischen Eingangsdrucks und des Motordrehmoments gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Dem Steuergerät 60 wird ein Eingangsignal zugeführt, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS) 86, die Drosselklappenposition (TP) 88, die Drehzahl der Getriebeantriebswelle (NI) 90, die Verbrennungsmotordrehzahl (NE) 92 und die Drehzahl der Getriebeabtriebswelle (NO) 94 wiedergibt.
Der Effekt der Hybridunterstützung auf Hochschaltvorgänge
Getriebeschaltbefehle erfolgen bei jedem von dem Getriebe erzeugten Übersetzungsverhältnis oder Gang in Bezug auf einen gegenwärtigen Betriebszustand, welcher durch Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Drehzahl und Drosselklappenposition definiert ist, in Relation zu einer kalibrierten Linie bzw. Eichkurve, welche auf diese Parameter bezogen ist. Das Steuergerät 60 führt wiederholt einen Steueralgorithmus aus, welcher ermittelt, ob ein Gangschaltvorgang vorgenommen werden sollte. Wenn die gegenwärtigen Betriebsbedingungen oberhalb der Linie liegen, bei welcher ein Hochschalten aus dem aktuellen Gang erfolgen sollte, wird ein Hochschaltbefehl von dem Steuergerät 60 erzeugt. Wenn die gegenwärtigen Betriebsbedingungen unterhalb der Linie liegen, bei der ein Hochschalten aus dem aktuellen Gang erfolgen sollte, wird ein Herunterschaltbefehl von dem Steuergerät 60 erzeugt.
4 zeigt die kalibrierten Linien bzw. Eichkurven, bei denen ein Hochschalt-Befehl und ein Herunterschaltbefehl von dem Steuergerät 60 auf Basis der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und Drosselklappenposition für eine einzige Zustandsänderung erzeugt werden, d.h. ein Hochschalten aus dem aktuellen Gang in den nächsthöheren Gang oder ein Herunterschalten aus dem aktuellen Gang in den nächstniedrigeren Gang. Die Linie 100 repräsentiert eine normale Hochschaltlinie, d.h. die kalibrierbare Grenzlinie, bei welcher ein Hochschalten beginnt, wenn die gegenwärtige Betriebsbedingung die Linie 100 von links nach rechts kreuzt, wenn der Verbrennungsmotor 10 die einzige Antriebsquelle ist. Die Linie 102 repräsentiert eine normale Herunterschaltlinie, d.h. die kalibrierbare Grenzlinie, bei welcher ein Herunterschalten beginnt, wenn die gegenwärtige Betriebsbedingung die Linie 102 von rechts nach links kreuzt, wenn der Verbrennungsmotor 10 die einzige Antriebsquelle ist. Die Linie 104 repräsentiert eine Hybridhochschaltlinie, d.h. die kalibrierbare Grenzlinie, bei welcher ein Hochschalten beginnt, wenn die gegenwärtige Betriebsbedingung die Linie 100 von links nach rechts kreuzt, wobei sowohl der Verbrennungsmotor 10 als auch die sekundäre Antriebsquelle 14 Leistung liefern.
Der Hinweis auf "kalibrierbar" oder "kalibriert" bezieht sich auf eine skalare Größe oder Funktion, deren Wert eine vorbestimmte Größe hat, welche frei geändert oder kalibriert werden kann, indem der Steueralgorithmus zur Erzeugung einer gewünschten Leistungscharakteristik des Antriebsstrangs verändert wird. Kalibrierte Funktionen werden im Allgemeinen in einem elektronischen Speicher 82 gespeichert, wobei ihre aktuellen Größen aus einer Tabelle unter Bezugnahme auf eine andere Variable oder eine Gruppe von Variablen, die Argumente oder Indizes der Funktion, bestimmt werden.
Das Hybridsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass Hochschaltvorgänge früher, d.h. bei 106, auftreten, als es der Fall ist, wenn nur eine Antriebsquelle mit der Getriebeantriebswelle antreibbar verbunden ist; dies unter der Voraussetzung, dass die von der sekundären Antriebsquelle 14 gelieferte Energie ausreichend ist, um einen kontinuierlichen Betrieb bis zu dem normalen Schaltpunkt zu ermöglichen. Ein normaler Schaltpunkt ist bei 108 vorgesehen. Wenn keine Anpassung der Getriebeschaltstrategie vorgenommen wird, treten Hochschaltvorgänge in einem Hybridantriebsstrang aufgrund der reduzierten Anforderungen an das Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 zu einem früheren Zeitpunkt auf. Wenn dies nicht sorgfältig gesteuert wird, kann dies zu "shift busyness" führen.
4 zeigt den Unterschied zwischen den Gangschaltplänen 100 und 102 für einen Antriebsstrang, welcher nur einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle aufweist (als "nicht-unterstützte Beschleunigung" bezeichnet), und dem Gangschaltplan 104 für einen Antriebsstrang, welcher einen Verbrennungsmotor und eine sekundäre Antriebsquelle (als "unterstützte Beschleunigung" bezeichnet) aufweist. Das Abtriebsmoment des Verbrennungsmotors 10 bei Punkt 108 ist größer als bei Punkt 106. Ein geringeres Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 ist erforderlich, um einen Befehl für ein Hochschalten an Punkt 106 zu erzeugen, als bei Punkt 108, da das Drehmoment des Verbrennungsmotors 10 durch das Drehmoment ergänzt wird, welches von der sekundären Antriebsquelle 14 geliefert wird. Daher muss dann, wenn die Zustandsänderung zu einem früheren Zeitpunkt – bei 106 – zugelassen wird, die Energiespeicherkapazität der sekundären Antriebsquelle 14 ausreichend sein, um das Drehmoment solange aufrechtzuerhalten, bis die normale Schaltlinie erreicht ist.
4 zeigt die normale Hochschaltlinie 100 und die Herunterschaltlinie 102, sowie eine Hybridhochschaltlinie 104 für eine einzige Zustandsänderung. Typischerweise liefert eine sekundäre Antriebsquelle ein maximales Drehmoment nahe bei einer Geschwindigkeit von Null von der sekundären Vorrichtung, d.h. einer Fahrzeuggeschwindigkeit von im wesentlichen Null, mit exponentiell abfallendem Drehmoment bei steigender Geschwindigkeit, nachdem die sekundäre Antriebsquelle in den Bereich konstanter Leistung übergeht. Die Drehmomentverfügbarkeit der sekundären Antriebsquelle 14 ist ferner durch die verfügbare Speicherenergie, wie beispielsweise in einer elektrischen Batterie, einem Fluid-Akkumulator, Schwungrad etc, begrenzt. Daher ist bei niedriger Geschwindigkeit zusätzliches Drehmoment verfügbar, was die Drehmomentanforderungen seitens des Verbrennungsmotors reduziert und folglich ein früheres Auftreten von Hochschaltvorgängen im Vergleich zu normalen Schaltpunkten ermöglicht. Allerdings weist dann, wenn die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl ansteigt, die sekundäre Antriebsquelle 14 eine begrenzte Drehmomentkapazität auf. Daher wird bei höheren Drehzahlen das überwiegende Drehmoment von dem Verbrennungsmotor 10 geliefert, was den Hybridschaltvorgang begrenzt. Die Gangschaltlinie 104 nähert sich bei hoher Drehzahl der normalen Schaltlinie 100 an.
Hochschaltrandbedingungen wenn sekundäres Drehmoment verfügbar ist
Wenn ein Hochschaltvorgang bei einem Hybrid-Schaltpunkt 106 auftritt und Energie für die sekundäre Antriebsquelle 14 unmittelbar nach dem Hochschalten und bevor die Herunterschaltlinie 102 von der gegenwärtigen Betriebsbedingung gekreuzt wird, erschöpft ist, findet ein sofortiges Herunterschalten statt. Wenn allerdings die Energie für die sekundäre Antriebsquelle 14 erschöpft ist, nachdem die Fahrzeuggeschwindigkeit die Herunterschaltlinie 102 kreuzt, wird der Hochschaltvorgang aufrechterhalten, aber es tritt leicht ein "Motor-Lugging" ein, wodurch sowohl das Leistungsvermögen als auch das Leistungsempfinden beeinträchtigt wird. Idealerweise sollte Energie für die Hybrid-Vorrichtung oder die sekundäre Antriebsquelle 14 verfügbar sein, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit die Fahrzeuggeschwindigkeit am Punkt 108 übersteigt. Das Steuergerät 60 veranlasst ein Hochschalten am Punkt 108, wenn die gegenwärtige Betriebsbedingung die normale Schaltlinie 100 bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht. Wenn die Energie von der sekundären Antriebsvorrichtung 14 erschöpft ist, nachdem der Punkt 108 erreicht wurde, wird der Effekt auf das Leistungsvermögen und die Schaltungsstabilität minimiert. Der Bereich 112 repräsentiert den "Motor-Lugging"-Bereich. Punkt 110 repräsentiert eine Betriebsbedingung, welche die gleiche Drosselklappenposition wie der Punkt 106 und eine Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend derjenigen an Punkt 108 aufweist.
Ein Ziel der Steuerstrategie ist es, die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung nach dem Hochschalten beizubehalten. Diese Anforderung wird aufrechterhalten, solange die Fahrzeugbeschleunigung geringer als ein kalibrierbarer Wert ist. Bei höheren Beschleunigungen führt eine Zustandsänderung zu einer reduzierten Beschleunigung. Wenn die Zustandsänderung unterbunden wird, tritt kein Hochschalt-Vorgang ein, bis eine Begrenzung der Motordrehzahl das Hochschalten hervorruft. Allerdings sollten bei höheren Beschleunigungen die Hybridschaltungssteuerung und die Schaltungsstabilität deaktiviert sein.
Obwohl eine Auftragung (map) der Drosselklappenposition in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit häufig verwendet wird, um den Schaltpunkt zu definieren und die Diskussion der Hybridschaltungsstrategie zu vereinfachen, kann die Schaltungssteuerung auch auf einer Interpretation der Fahreranforderungen beruhen, wie auch immer diese ausgedrückt werden. Eine Gangschaltungsbestimmung kann auf einer Steuervariablen basieren, wie beispielsweise einem Getriebe-Antriebs/Abtriebs-Drehmoment, einem Achsdrehmoment, einer Leistung, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Fahrzeugbeschleunigung etc. Die Fahreranforderungen können aus der Drosselklappenposition, der Gaspedalposition etc. hergeleitet bzw. interpretiert werden. Ein Ziel dieser Strategie ist es, die Zustandsänderungsbestimmung zu unterstützen, ohne Rücksicht darauf, wie die Bestimmung durchgeführt wird.
Hochschalt-Stabilität
Wenn ein Hochschalten an einem Punkt 114 auf der in 5 gezeigten Hybrid-Schaltlinie 104 erfolgt und nicht genügend Energie von der sekundären Antriebsquelle 14 verfügbar ist, um die normale Hochschaltlinie 100 beim Punkt 116 zu überqueren, ist es notwendig, zu bestimmen, ob das Hochschalten stabil sein wird. Ein Hochschalten ist stabil, wenn die Zustandsänderung ohne ein Herunterschalten auftreten kann, wenn keine Änderungen hinsichtlich der Anforderungen des Fahrers oder der Bedingungen des Fahrzeugs auftreten.
Damit das Hochschalten stabil ist, muss das bei Punkt 116 verfügbare Drehmoment größer sein als die Summe der Drehmomente, welche von dem Verbrennungsmotor 12 und der sekundären Antriebsquelle 14 bei Punkt 114 erzeugt werden. Das verfügbare Drehmoment wird vorzugsweise stromabwärts von jeglichen verfügbaren Übersetzungsverhältnissen verglichen, idealerweise an der Getriebeabtriebswelle oder der Achse. Wie aus der Auftragung des Drehmoments des Verbrennungsmotors 10 gemäß 6 ersichtlich, ist das Drehmoment bei Punkt 118 größer als das Drehmoment, welches normalerweise von dem Verbrennungsmotor 10 selbst benötigt wird, welches an Punkt 116 gezeigt ist.
Hybrid-Hochschalt-Steuerung
Sowohl für die Hybrid-Schaltungssteuerung, welche frühe Hochschalt-Vorgänge ermöglicht, als auch für die Schaltstabilität, welche Hochschalt-Vorgänge verhindert, bis das verfügbare Drehmoment in dem Hochschalt-Zustand größer oder gleich dem in dem aktuellen Gang erforderlichen Drehmoment ist, ist die Verwendung dieser Steuerstrategie auf Betriebsbedingungen beschränkt, unter denen die Fahrzeugbeschleunigung niedrig bis mäßig (moderat) ist. Wenn der Grad der Fahrzeugbeschleunigung hoch ist, werden Schaltpunkte, welche dem normalen Betrieb oder dem Hochleistungsbetrieb entsprechen, verwendet, und eine Abnahme der Fahrzeugbeschleunigung nach dem Hochschalten wird ermöglicht.
7 zeigt, dass der Bereich, auf den diese Steuerung anwendbar ist, durch einen kalibrierbaren oberen Fahrzeugbeschleunigungs-Grenzwert 120 und einen kalibrierbaren unteren Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwert 122 begrenzt ist. Der obere Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwert 120 markiert die untere Grenze des Bereichs 124, in welchem Gangschaltungszustandänderungen für den Fall "Nur-Verbrennungsmotor" ("engine only") auftreten. Der untere Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwert 122 markiert die untere Grenze des Bereichs 126, in welchem die Hybrid- und Schaltungsstabilitätskriterien anwendbar sind. Die Randbedingungen sind wie folgt:
Wenn die Fahrzeugbeschleunigung kleiner als der untere Grenzwert 122 (y1) ist, erfolgt kein Eintreten in den Hybridschaltungssteuerungsalgorithmus. Der untere Grenzwert wird nahezu gleich Null sein. Wenn die Fahrzeugbeschleunigung größer als der obere Grenzwert 120 (y2) ist, wird die Hybridschaltungslinie ignoriert, und das Hochschalten an der normalen Schaltungslinie wird nicht verhindert.
Drehmomentverfügbarkeit
Um die Drehmomentverfügbarkeit zu bestimmen, ist es notwendig, das Drehmomentverhältnis (Anzugsverhältnis) sowohl für den Verbrennungsmotor 10 als auch für die sekundäre Antriebsquelle 14 zu ermitteln. Wenn die sekundäre Antriebsquelle 14 bzw. Drehmomentvorrichtung an die Last 15 an Achsen 56, 58 angeschlossen ist, welche mit der Getriebeabtriebswelle 52 über ein konstantes Übersetzungsverhältnis antreibbar verbunden sind, dann besteht keine Notwendigkeit, das Drehmoment nach dem Hochschalten zu bestimmen. Entweder bleiben die Drehmomentanforderungen nach der Gangumschaltung die gleichen wie vor dem Schaltvorgang, oder sie machen einen Anteil des erforderlichen Drehmoments aus, bei dem das Gangschalten oder die Zustandsänderung erfolgt.
In einem Antriebsstrang, wie er in 8 gezeigt ist, bei welchem das von dem Verbrennungsmotor 10 und der sekundären Antriebsquelle 14 erzeugte Drehmoment an die Last 15 über ein Automatikgetriebe 12 über einen Drehmomentwandler 13 übertragen wird, muss das Drehmomentverhältnis des Drehmomentwandlers 13 nach Eintreten der Zustandsänderung bestimmt werden. Wenn man annimmt, dass die Umdrehungszahl der Getriebeabtriebswelle während der gesamten Zustandsänderung konstant bleibt, kann der Betriebspunkt des Drehmomentwandlers 13 nach dem Hochschalten wie folgt bestimmt werden:
Die Motordrehzahl nach der Zustandsänderung beträgt
wobei "x" der gegenwärtige bzw. aktuelle Gang und "x + 1" der Gangzustand nach dem Hochschalten ist.
Der Betriebspunkt des Drehmomentwandlers 13 nach dem Hochschalten kann unter Verwendung eines Faktors "k" bestimmt werden, welcher auf der Drehzahl der Pumpe und dem Drehmoment der Pumpe oder der Turbinendrehzahl und dem Turbinendrehmoment basieren kann. Der Faktor "k" an der Turbine ist definiert als
Die Relation zwischen der Turbinendrehzahl vor und nach dem Schalten beträgt
Das Turbinendrehmoment nach dem Schalten beträgt
Wenn man die Relationen (3) und (4) in Gleichung (2) einsetzt, beträgt der Faktor "k" nach der Zustandsänderung
Gleichung (5) kann wie folgt vereinfacht werden:
Ein Drehmomentwandler hat ein Leistungsverhalten, welches den k-Faktor, das Drehmomentverhältnis und die Effizienz als Funktion des Umdrehungsverhältnisses zeigt. Das Drehmoment- und das Drehzahlverhältnis sind die Unterschiede zwischen dem Eingang (Pumpe oder Flügelrad) und dem Ausgang (Turbine) des Drehmomentwandlers 13.
Bei Verwendung des k-Faktors in Abhängigkeit von der Drehzahlverhältnistabelle und der Turbinendrehzahl kann das Drehmomentverhältnis des Drehmomentwandlers 13 nach der Zustandsänderung mit Hilfe einer Tabelle bestimmt werden, welche eine Funktion des Drehzahlverhältnisses und der Turbinendrehzahl wiedergibt.
Wenn die sekundäre Antriebsquelle 14 in einen neuen Betriebspunkt nach dem Hochschalten schaltet, muss (da sich die sekundäre Vorrichtung stromaufwärts des Getriebes oder einer anderen Vorrichtung zum Variieren des Übersetzungsverhältnisses befindet) die Änderungsrate des Energieverbrauchs bestimmt werden. Der Energieverbrauch kann auf der gesamten Antriebskraft bzw. Leistung basieren, welche an dem neuen Betriebspunkt nach der Zustandsänderung erforderlich ist. Die Gleichgewichtsleistung nach der Zustandsänderung wird sein
Wenn die Zustandsänderung beginnt, beginnt die Hybrid-Drehmoment-Vorrichtung einen Betrieb an dem Betriebspunkt nach dem Hochschalten, so dass bei der Bestimmung der verfügbaren Energie die neuen Betriebsanforderungen berücksichtigt werden müssen, um sicherzustellen, dass die angemessene Energie verfügbar ist, um zu ermöglichen, dass die sekundäre Antriebsquelle 14 eingeschaltet bleibt, während die normale Schaltlinie an dem nicht-unterstützten Schaltpunkt überquert wird.
Nimmt man an, dass das Fahrzeug ohne jegliche Änderungen in der Gaspedalposition beschleunigt wird, wird die Ableitung des Energieverbrauchs (d.h. die Leistung) zur Verwendung bei der Bestimmung der verfügbaren Energie überwacht. Die Länge der Zeitperiode, für welche Energie von der sekundären Antriebsquelle 14 verfügbar ist, wird wie folgt berechnet:
9 zeigt einen Graph der zeitlichen Änderungsrate der verfügbaren Energie (also der Leistung) für die sekundäre Antriebsquelle 14 während der Fahrzeugbeschleunigung.
Zusätzlich wird die Fahrzeugbeschleunigung verwendet, um die notwendige Zeitperiode zu bestimmen, um von der Hybridhochschaltlinie zu der normalen (nicht unterstützten) Hochschaltlinie überzugehen.
Gleichung (9) ist nur gültig, wenn die Beschleunigung ungleich Null ist. Wenn die Beschleunigung nahe bei Null ist, wird ein Hybridhochschalten verhindert, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit nahe der normalen, nicht unterstützten Hochschaltlinie liegt.
Wenn die verfügbare Zeit größer als die minimale erforderliche Zeit ist, kann ein frühes Hochschalten ohne zusätzliche Schaltinstabilität durchgeführt werden.
Wenn die Drehmomentkapazität der sekundären Antriebsvorrichtung 14 bzw. der Drehmomentvorrichtung mit der Zeit abnimmt, muss zusätzliche Drehmomentlast an den Verbrennungsmotor 10 geliefert werden. Wenn die Drehmomentkapazität der sekundären Antriebsvorrichtung 14 bzw. der Drehmomentsvorrichtung kleiner als ein kalibrierbarer Wert oder ein kalibrierbarer Anteil ist, sollte ein Hybridhochschalten verhindert werden, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit die normale, nicht unterstützte Schaltlinie erreicht.
Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung
Die Bestimmung der aktuellen Fahrzeugbeschleunigung ist notwendig, um die Länge der Zeitperiode zu bestimmen, die erforderlich ist, um von dem Hybrid-Schaltpunkt zu dem herkömmlichen Schaltpunkt überzugehen. Um die Beschleunigung genau zu bestimmen, wird ein Verfahren verwendet, welches stabil ist und ein digitales Signal (ganzzahlige Zahnzählwerte, "integer tooth counts") verwendet. Eine weitere Randbedingung bei diesem Verfahren ist, dass eine Verzögerung in den Berechnungen minimiert wird. Es gibt zwei Verfahren, welche dieses Erfordernis erfüllen: Das Kalman-Filterverfahren, welches ein optimaler Observer ist; und das modifizierte Zentraldifferenzverfahren, welches auf einer Taylorreihenentwicklung basiert.
Es gibt mehrere Verfahren, um die Energie in einem Akkumulator zu bestimmen, wobei sämtliche dieser Verfahren davon abhängen, wie das Gas expandiert und komprimiert wurde. Am einfachsten ist es, die isothermische Energiegleichung zu verwenden, welche den höchsten Schätzwert der verfügbaren Energie liefert. Ein zweites Verfahren besteht darin, anzunehmen, dass das Gas in einem adiabatischen Prozess komprimiert wird. Der adiabatische Prozess sagt aufgrund der Erwärmung des Gases ein niedriges Energieniveau voraus. Ein drittes Verfahren besteht darin, nicht anzunehmen, dass ein bestimmter Prozess zu befolgen ist, sondern die bekannten Zustände des Akkumulators (d. h. Druck und Temperatur) zu verwenden. Die Virial-Entwicklung ist ein auf der statistischen Physik basierendes Verfahren, um die Energie in dem Akkumulator genau vorherzusagen.
Es kann schwierig sein, die Energie in einer Batterie zu bestimmen, wenn die Batterie an eine Last angeschlossen ist. Die Energie ist eine Funktion der Temperatur, der vorhandenen Speichereffekte, des Alters der Batterie, der Batteriekapazität und des inneren Widerstands der Batterie. Das einfachste Verfahren besteht darin, die Leerlaufspannung der Batterie zu verwenden. Es existiert eine lineare Beziehung zwischen dem Ladungszustand der Batterie und der Leerlaufspannung wie folgt: VOpenCircuit(t) = a1SOC(t) + a0 wobei a₀ die Batterieklemmenspannung bei SOC(t) = 0% ist, und a₁ erhalten wird, wenn man den Wert für a₀ und V_OpenCircuit bei SOC(t) = 100% kennt. Die Batterie muss von der Last abgeklemmt sein.
Zur Bestimmung des Ladungszustandes, während die Batterie an eine Last angeschlossen ist, dient die Gleichung
wobei I_t der Batteriestrom, Δt die Abtastzeit und C die gesamte Entladungskapazität der Batterie als Funktion von Strom und Temperatur sind.
Der Ladungszustand für ein Kondensator-Energiespeichersystem wird durch das Verhältnis aus der Kondensatorspannung und der maximalen verfügbaren Spannung bestimmt, oder SOC = V/V_max, wobei V die Kondensatorspannung bei 100% SOC ist. Die Ausgangsleistung des Kondensators ist das Produkt aus Spannung und Strom, oder P = VI. Da der Strom gleich der Ladung pro Zeiteinheit, oder q/Δt, ist, kann durch Einsetzen die Spannungsänderung während eines Zeitintervalls wie folgt bestimmt werden:
wobei C die Kapazität und e_c der Wirkungsgrad des Kondensators ist. Die Spannung wird aktualisiert, indem diese Spannungsänderung zu der Anfangsspannung für den Zeitabschnitt addiert wird.
Die kinetische Energie eines rotierenden Körpers, wie beispielsweise eines Schwungrades, ist gegeben durch:
wobei J das Trägheitsmoment des Schwungradsystems und ω die Winkelgeschwindigkeit des Systems sind. Wenn das Schwungrad eine Scheibe ist, beträgt die Energie:
wobei r der Radius der Scheibe und m die Masse der Scheibe ist.
Kalman-Filterverfahren zur Bestimmung der Beschleunigung
Der lineare Kalman-Filter, wenn er bei einem dynamischen Prozess verwendet wird, bei dem die Observationen linear sind und die Zufallsprozesse Gauß'sches Weisses Rauschen sind, wird einen beliebigen anderen Filter, sei er linear oder nicht-linear, ersetzen. Die Form des Kalman-Filters für die Abschätzung der Fahrzeugbeschleunigung ist:
Die Variable "u" ist die wahre Position (basierend auf einer Sensorauslesung) zuzüglich jeglichen weißen Rauschens, so dass der Wert (u-x_n) als der Fehler der Abschätzung interpretiert werden kann. Die Kalman-Filter-Verstärkungsfaktoren werden aus den Systemgleichungen und der Kovarianz-Matrix bestimmt. Die Verstärkungsfaktoren werden so gewählt, dass der Fehler der Kovarianz-Matrix minimiert wird.
Die Verstärkungsfaktor-Matrix hat die Form:
Die Variable "V" ist ein Indikator für die Zufälligkeit der gemessenen Beschleunigung; Die Variable "W" ist ein Indikator für das Zufallsrauschen bei der Durchführung der Beschleunigungsmessung. Daher wird das Verhältnis "V/W" als das Signal-Rausch-Verhältnis interpretiert. Es zeigt sich, dass sämtliche Filter-Verstärkungsfaktoren bei Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses zunehmen.
Die Gleichungen (11)–(13) können direkt integriert werden, und es ergibt sich, wenn die Anfangsbedingungen so gewählt werden, dass x₁(0), x₂(0) und x₃(0) = 0 gilt, das folgende Gleichungssystem: x1(t) = x2Δt + k1(error)Δt + x1(t - 1) (15) x2(t) = x3Δt + k2(error)Δt + x2(t - 1) (16) x3(t) = k3(error)Δt + x3(t - 1) (17)
Der Frequenzgang ("Response") des Kalman-Filters wird von den Filter-Verstärkungsfaktoren abhängen. Für den besten Frequenzgang ("Response") sollten die Verstärkungsfaktoren dynamisch eingestellt werden, was zu einer erhöhten Response führt. Insgesamt liefert das Kalman-Filterverfahren ein solides Verfahren bei der Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und -beschleunigung mit minimalen Zeitverzögerungen und minimalem Rauschen. Ferner ist der Algorithmus im Vergleich zu anderen Filterverfahren einfach zu implementieren und ermöglicht Echtzeitberechnungen, welche genau und rechnereffizient sind.
Modifiziertes Zentraldifferenzverfahren zu Bestimmung der Beschleunigung
Bei Verwendung digitaler Daten zur Bestimmung der Beschleunigung ermöglicht das modifizierte Zentraldifferenzverfahren eine genaue Beschleunigungsvorhersage mit minimalem Rauschen und minimaler Verzögerung. Das Verfahren basiert auf einer Taylor-Reihen-Entwicklung für die Impulszahl "u_t". Das Zentraldifferenzverfahren verwendet Punkte, welche auf beiden Seiten des gegenwärtigen Punk tes liegen, was zu einer Glättung des Wertes beiträgt. Für den nächsten Schritt beträgt die Impulszahl
Für den vorherigen Schritt beträgt die Impulszahl
Subtrahiert man Gleichung (19) von Gleichung (18), so ergibt sich für die erste Ableitung:
Die Definition der Ableitung ist
Die aktuelle zeitliche Ableitung ist
Zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung werden die Gleichungen (20) und (22) auf die Definition der Ableitung gemäß Gleichung (21) angewandt:
Das traditionelle Zentraldifferenzverfahren verwendet drei Punkte (u_t+1, u_t, u_t-1) und multipliziert "u_t" mit 2. Der Vorteil des traditionellen Zentraldifferenzverfahrens besteht darin, dass drei Schritte statt vier Schritten verwendet werden. Allerdings wird einer der Punkte mit 2 multipliziert, was zu dem Signal zusätzliches Rauschen hinzufügen kann. In dem modifizierten Zentraldifferenzverfahren wird Information von jedem der vier Schritte verwendet und jeder zeitliche Schritt wird gleichermaßen gewichtet, wodurch das Rauschen reduziert wird.
Durch Verwendung der Anzahl von Radumdrehungen pro Meile (bzw. Kilometer) und der Anzahl von Impulsen pro Umdrehung kann die Fahrzeugbeschleunigung in kph/s (km/h pro s) bestimmt werden.
Liste der Variabeln

Acceleration_vehicle: Fahrzeugbeschleunigung
Energy_Current: die aktuell in der Energiespeichervorrichtung (Akkumulator, Batterie, Schwungrad etc.) verfügbare Energie
Energy_Minimum: der minimale von der Energiespeichervorrichtung erlaubte Energiepegel
∂Energy_Current/∂t: die Änderungsrate des Energieverbrauchs von der Energiespeichervorrichtung (Leistungsverbrauch)
k_n: Kalman-Filter-Verstärkungsfaktoren
k Faktor: eine Leistungsgröße des Drehmomentwandlers
N_revs/km: Radumdrehungen pro km
N_pulses/rev: die Anzahl gezählter Impulse pro Umdrehung, welche zur Bestimmung der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung verwendet wird
Power: Betriebsleistung der sekundären Drehmomentvorrichtung
Ratio: Übersetzungsverhältnis für einen bestimmten Zustand
Speed Ratio: Drehzahlverhältnis des Drehmomentwandlers,
Speed_Vehicle: Fahrzeuggeschwindigkeit, bei der ein Hochschalten erfolgen kann, basierend auf dem Drehmomentbedarf des Verbrennungsmotors
t: Zeit
Time_{Energy Availability}: Zeitspanne, für die Energie in der Energiespeichervorrichtung verfügbar ist, basierend auf der aktuellen Verbrauchsrate;
Time,_minRequired: Zeitspanne, während der das Fahrzeug von der Hybrid-Schalt-Linie zur normalen (nicht unterstützten) Schalt-Linie übergeht;
u: Fahrzeuggeschwindigkeitssensorpositionsablesewert (Zählimpulse)
V: Kennwert für die Zufälligkeit der gemessenen Beschleunigung
VSC: Fahrzeugsystemsteuergerät
W: Kennwert für das Zufallsrauschen bei Durchführung der Beschleunigungsmessung
x: Aktueller Gangzustand
x₁: geschätzte Fahrzeugposition
x₂: geschätzte Fahrzeuggeschwindigkeit
x₃: geschätzte Fahrzeugbeschleunigung
x + 1: hochgeschalteter Gangzustand
y₁: unterer Beschleunigungsgrenzwert; definiert verwendbaren Steuerbereich
y₂: oberer Beschleunigungsgrenzwert; definiert verwendbaren Steuerbereich
τ_Turbine: Drehmomentwandler-Turbinendrehmoment
ω_Engine: Verbrennungsmotor-Drehzahl
ω_Pump: Drehmomentwandler-Pumpendrehzahl
ω_Turbine: Drehmomentwandler-Turbinendrehzahl

Claims

Verfahren zum Steuern des Hochschaltens eines Getriebes aus einem aktuellen Gang in einen nächsten Gang in einem Antriebsstrang eines beschleunigenden Kraftfahrzeugs, welches einen Verbrennungsmotor (10), eine sekundäre Antriebsquelle (14) und ein Stufen-Automatikgetriebe (12) zum Antreiben einer Last aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen erster Schaltpunkte für eine geforderte Motorleistung und eine entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit, bei welchen das Hochschalten erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor (10) die einzige Antriebsquelle wäre; Bestimmen der Länge einer ersten Zeitperiode, während der Energie für die sekundäre Antriebsquelle (14) verfügbar ist; Bestimmen der Länge einer zweiten Zeitperiode, während der die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit bei einem ersten Schaltpunkt ansteigt, dessen entsprechende erforderliche Motorleistung gleich einer kombinierten aktuell geforderten Motorleistung des Verbrennungsmotors (10) und der sekundären Antriebsquelle (14) ist; Vergleichen der Längen der ersten Zeitperiode und der zweiten Zeitperiode; und Durchführen des Hochschaltens, wenn die Länge der zweiten Zeitperiode gleich groß oder größer als die Länge der ersten Zeitperiode ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner folgende Schritte aufweist: Bereitstellen zweiter Schaltpunkte für ein Motorabtriebsmoment und eine entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit, bei welchen ein Herunterschalten aus dem aktuellen Gang in den nächstniedrigeren Gang erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor (10) die einzige Antriebsquelle wäre; Bestimmen, aus den zweiten Schaltpunkten, des Wertes eines ersten Drehmoments, welches von dem Antriebsstrang an die Last für ein Hochschalten bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit übertragen werden muss; Bestimmen des Wertes eines zweiten Drehmoments, welches gleich der Summe der Drehmomente ist, welche aktuell von dem Verbrennungsmotor (10) und der sekundären Antriebsquelle (14) an die Last übertragen werden; Vergleichen der Werte des ersten Drehmoments und des zweiten Drehmoments; und Durchführen des Hochschaltens, wenn der Wert des zweiten Drehmoments größer als der Wert des ersten Drehmoments ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge einer ersten Zeitperiode ferner folgende Schritte aufweist: Bestimmen eines ersten Wertes einer aktuell für die sekundäre Antriebsquelle (14) verfügbaren Energie; Bestimmen einer aktuellen zeitlichen Rate der Energie, welche von der sekundären Antriebsquelle (14) bei der aktuell erforderlichen Motorleistung verbraucht wird; und Dividieren des Wertes der ersten Energie durch die aktuelle zeitliche Rate der von der sekundären Antriebsquelle (14) verbrauchten Energie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge der zweiten Zeitperiode ferner folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer ersten Differenz zwischen der Zielfahrzeuggeschwindigkeit und der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit; Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung; und Dividieren der ersten Differenz durch die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge der zweiten Zeitperiode folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung; Bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit; und Dividieren der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Fahrzeugbeschleunigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge der zweiten Zeitperiode folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung mittels des Kalman-Filterverfahrens zur Bestimmung der Beschleunigung; Bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit; und Dividieren der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Fahrzeugbeschleunigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge der zweiten Zeitperiode folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung mittels des modifizierten Zentraldifferenzverfahrens zur Bestimmung der Beschleunigung; Bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit; und Dividieren der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit durch die Fahrzeugbeschleunigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestimmung der Länge der zweiten Zeitperiode folgende Schritte aufweist: Wiederholtes Bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit in häufigen Intervallen; Bestimmen der zeitlichen Änderungsrate der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen den Intervallen; und Dividieren der zeitlichen Änderungsrate der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen den Intervallen durch die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Länge der zweiten Zeitperiode folgende Schritte aufweist: Bestimmen eines Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwerts; Vergleichen einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung und des Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwerts; und Durchführen des Hochschaltens, während die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung gleich oder größer als der Fahrzeugbeschleunigungsgrenzwert ist, wenn eine aktuell erforderliche Motorleistung und eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit einem der ersten Schaltpunkte entsprechen.
Verfahren zum Steuern des Hochschaltens eines Getriebes in einem Antriebsstrang eines beschleunigenden Kraftfahrzeugs, welches einen Verbrennungsmotor (10), eine sekundäre Antriebsquelle (14) und ein Stufen-Automatikgetriebe zum Antreiben einer Last aufweist, aus einem aktuellen Gang in einen nächsten Gang mit Hilfe eines elektronischen Steuergerätes (60), welches mit dem Verbrennungsmotor (10) und dem Getriebe (12) in Datenkommunikation steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: Eingeben eines Basisdatensatzes in das Steuergerät (60), wobei der Basisdatensatz zumindest erste Schaltpunkte einer erforderlichen Motorleistung und einer entsprechenden Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist, bei welchen ein Hochschalten erfolgen würde, wenn der Verbrennungsmotor (10) die einzige Antriebsquelle wäre; wiederholtes Eingeben in häufigen Intervallen in das Steuergerät (60) eines ersten Wertes der Energie, welche aktuell für die sekundäre Antriebsquelle (14) verfügbar ist, einer aktuellen zeitlichen Rate der Energie, welche von der sekundären Antriebsquelle (14) bei der aktuell erforderlichen Motorleistung verbraucht wird, einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, und einer aktuell erforderlichen Motorleistung zumindest teilweise auf Basis der Position eines Gaspedals; wiederholtes Berechnen in dem Steuergerät (60) in häufigen Zeitintervallen der Änderungsrate der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen den Intervallen, der Länge einer ersten Zeitperiode, während der Energie für die sekundäre Antriebsquelle (14) verfügbar ist, und der Länge einer zweiten Zeitperiode, während der die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine Zielfahrzeuggeschwindigkeit bei einem ersten Schaltpunkt ansteigt, dessen entsprechende erforderliche Motorleistung gleich der kombinierten aktuell erforderlichen Motorleistung des Verbrennungsmotors (10) und der sekundären Antriebsquelle (14) ist; Vergleichen der Längen der ersten Zeitperiode und der zweiten Zeitperiode in dem Steuergerät (60); und Erzeugen eines Befehls zum Hochschalten aus dem aktuellen Gang in den nächsten Gang, wenn die Länge der zweiten Zeitperiode gleich groß oder größer als die Länge der ersten Zeitperiode ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner folgende Schritte aufweist: Eingeben eines Basisdatensatzes in das Steuergerät (60), wobei der Basisdatensatz ferner zweite Schaltpunkte eines Motorabtriebsmoments und einer entsprechenden Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist, an denen ein Herunterschalten in den nächstniedrigeren Gang aus dem aktuellen Gang auftreten würde, wenn der Verbrennungsmotor (10) die einzige Antriebsquelle wäre; Bestimmen, aus den zweiten Schaltpunkten, des Wertes eines ersten Drehmoments, welches von dem Antriebsstrang an die Last zu übertragen ist, damit ein Hochschalten bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgen kann; Bestimmen des Wertes eines zweiten Drehmoments, welches gleich der Summe der Drehmomente ist, die aktuell an die Last von dem Verbrennungsmotor (10) und von der sekundären Antriebsquelle (14) übertragen werden; Vergleichen der Werte des ersten Drehmoments und des zweiten Drehmoments; und Erzeugen eines Befehls zum Hochschalten aus dem aktuellen Gang in den nächsten Gang, wenn der Wert des zweiten Drehmoments größer als der Wert des ersten Drehmoments ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Schritt des Berechnens der Länge einer ersten Zeitperiode ferner folgende Schritte aufweist: Wiederholtes Eingeben in das Steuergerät (60) in häufigen Zeitintervallen des Wertes einer ersten Energie, welche aktuell für die sekundäre An triebsquelle (14) verfügbar ist, und einer aktuellen zeitlichen Rate der Energie, welche von der sekundären Antriebsquelle (14) bei der aktuell erforderlichen Motorleistung verbraucht wird; und Berechnen in dem Steuergerät (60) in häufigen Zeitintervallen der Länge der ersten Zeitperiode mittels Dividieren des Wertes der ersten Energie durch die aktuelle zeitliche Rate der Energie, welche von der sekundären Antriebsquelle (14) verbraucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Berechnung der Länge der zweiten Zeitperiode ferner folgende Schritte aufweist: Berechnen in dem Steuergerät (60) in häufigen Zeitintervallen einer ersten Differenz zwischen der Zielfahrzeuggeschwindigkeit und der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, und einer aktuellen Fahrzeugbeschleunigung; und Dividieren der ersten Differenz durch die aktuelle Fahrzeugbeschleunigung.