DE102005027940B4

DE102005027940B4 - Steuerungsvorrichtung und -verfahren zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102005027940B4
Application number: DE102005027940A
Authority: DE
Inventors: Chris John Teslak; Ron P. Ann Arbor Kepner; Peter Chalk; Chuanchi Steve Tang; Cliff Robert Carlson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: GB0513513D0; GB2415669A; US20060000208A1; US7082757B2; DE102005027940A1; GB2415669B

Abstract

Steuerungsvorrichtung zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug mit folgenden Merkmalen:
einem Hochdruckspeicher (40) und einem Niederdruckbehälter (36)
einer Pumpe/Motor-Einheit (26), die in Antriebsverbindung mit Rädern (12, 14) des Hybridfahrzeugs ist und einen variablen Hubraum zum Pumpen von Fluid zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Niederdruckbehälter (36) sowie einen Einlass (90) und einen Auslass (112) aufweist,
einem ersten Schaltkreis für den Pumpenbetrieb, der den Einlass (90) mit dem Niederdruckbehälter (36) und den Auslass (112) mit dem Hochdruckspeicher (40) verbindet,
einem zweiten Schaltkreis für den Motorbetrieb, der den Einlass (90) mit dem Hochdruckspeicher (40) und den Auslass (112) mit dem Niederdruckbehälter (36) verbindet, und
einer Steuereinrichtung (74) zum Schalten zwischen Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb und zum Reduzieren des Hubraumes der Pumpe/Motor-Einheit (26) vor dem Schalten zwischen Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Schaltkreis für den Motorbetrieb zwei Pfade aufweist, wobei
der erste...

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Steuerungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Eine Steuerungsvorrichtung und ein Steuerungsverfahren der eingangs genannten Art sind in der DE 36 19 187 C2 beschrieben.
Bei einem Hydraulik-Hybridfahrzeug mit hydraulischer Antriebshilfe (HPA) wird Energie von generatorischer Bremsung oder von einem Motor in einem hydropneumatischen Speicher gespeichert, und die Umkehr zwischen mechanischen Antrieb und hydraulischen Antrieb wird durch eine Hochdruckpumpe/motor-Einheit mit einem variablen Hubraum erreicht. Ein HPA-System unter Verwendung gespeicherter Energie aus generatorischer Bremsung zur Unterstützung der Beschleunigung des Fahrzeuges reduziert die Belastung des Motors und den Kraftstoffverbrauch.
Wegen der hohen Leistungsdichte, die bei derartigen Hydrauliksystemen verfügbar ist, ist es möglich, einen bedeutenden Teil der Bremsenergie mit einem HPA-System zurück zu gewinnen, das aus einer einzelnen Pumpe/Motor-Einheit und Druckspeichern besteht. Bei einem Fahrzeug von 7000 lb. und einer Pumpe/Motor-Einheit mit einem maximalen Hubraum von 150 ccm kann ein HPA-System 72% der verfügbaren Bremsenergie im Stadtzyklus der Umweltschutzbehörde (EPA) zurückgewinnen. Die Pumpe/Motor-Einheit arbeitet über lange Zeiträume mit größeren Hubräumen und einer relativ hohen durchschnittlichen Zykluseffizienz von 88%. Bei einer Rückführung von 56% der Bremsenergie an die Antriebsräder (72% beim Bremsen zurück gewonnen und 88% Übertragungseffizienz sowohl im Pumpen- als auch im Motorbetrieb) ist es möglich, 56% der kinetischen Energie des Fahrzeuges (oder 75% der Geschwindigkeit) während der Beschleunigung unter Vernachlässigung der Straßenbelastungsreibung zurück zu gewinnen. Im EPA-Stadtzyklus war es möglich, beim Bremsen aus 30 mph das Hydrauliksystem zu füllen und dann unter Verwendung nur der gespeicherten Energie aus dem HPA-System wieder angemessen auf etwa 22 mph zu beschleunigen.
Eine hydraulische oder pneumatische Pumpe/Motor-Einheit arbeitet in einem Pumpenbetriebsmodus und einem Motorbetriebsmodus. Wenn die Betriebsmodi bei einem Hydraulik-Hybridfahrzeug zwischen Motorbetrieb und Pumpenbetrieb geändert werden, müssen die Einlass- und Auslassöffnungen der Pumpe/Motor-Einheit durch Ändern des Zustandes mehrerer Ventile in einem Hydrauliksystem zwischen Verbindungen mit Hoch- und Niederdruckquellen geschaltet werden. Dieses Schalten erzeugt eine plötzliche Freigabe von Energie, was eine große Stoßbelastung auf das System bewirken kann. Das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung minimiert den großen Stoß, der mit diesem Schalten unter Hochgeschwindigkeitsdruck verbunden ist.
Im Pumpenbetriebsmodus wird Hydraulikfluid von einem Niederdruckbehälter zu einem Hochdruckspeicher bewegt. Der Pumpenauslassdruck steigt, wie sich die Pumpe dreht, und öffnet sehr schnell ein Rückschlagventil, um zu beginnen, Fluid in den Hochdruckspeicher zu drücken. Im Motorbetriebsmodus treibt Fluid, das den Hochdruckspeicher verlässt, die Pumpe/Motor-Einheit in Rotation an und kehrt zu dem Niederdruckbehälter zurück.
Während des Pumpen- oder Motorbetriebs kann der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit unabhängig gesteuert werden, um das Volumen von Fluid zu variieren, das bei jeder Umdrehung des Rotors der Pumpe/Motor-Einheit zwischen deren Einlass- und Auslassöffnungen bewegt wird. Beim Schalten von Pumpenbetrieb in Motorbetrieb ist es notwendig, den Hochdruckspeicher mit der Einlassöffnung oder der Auslassöffnung der Pumpe/Motor-Einheit zu verbinden und den Niederdruckbehälter mit der anderen der beiden Öffnungen zu verbinden.
Hochdrucksolenoidventile führen dieses Schalten durch, welches sorgfältig geschehen muss, um gefährliche oder unangenehme Situationen für den Fahrer oder andere Fahrzeuginsassen zu verhindern. Zum Beispiel öffnet beim Schalten von Pumpenbetrieb in Motorbetrieb ein Ventil, um zu ermöglichen, dass Hochdruckfluid zu der Einlassöffnung der Pumpe/Motor-Einheit strömt. Es gibt eine sofortige Druckerhöhung in der Hydraulikleitung, was eine laute Stoßwelle verursacht, die sich zu der Pumpe/Motor-Einheit hin verbreitet und die Bauteile zum Schwingen bringen kann. Außerdem werden, wenn die Pumpe/Motor-Einheit einen positiven Hubraum ungleich Null hat, die Räder des Fahrzeuges von dem Drehmoment angetrieben, das von der Pumpe/Motor-Einheit übertragen wird, wodurch das Fahrzeug plötzlich und unerwartet bewegt wird.
Um diese Probleme zu verhindern, wird ein Proportionalventil, dessen Auslass an die Taumelscheibe der Pumpe/Motor-Einheit angelegt wird, um die Größe des Hubraumes der Pumpe/Motor-Einheit festzulegen, derart gesteuert, dass es keinen Hubraum beim Schalten zwischen Pumpenbetrieb und Motorbetrieb gibt. Es gibt einen Hydraulikschaltkreis, der von dem Hochdruckspeicher zu der Einlassöffnung führt. Dieser Hydraulikschaltkreis hat sein eigenes Solenoidventil, und noch wichtiger eine Begrenzung, welche die Strömung begrenzt. Wenn ein Schalten in den Motorbetrieb eintritt, wird dieses Niedrigdurchflussmengenventil zuerst geöffnet, so dass der Druck in den Leitungen und an der Einlassöffnung relativ langsam ansteigt. Nachdem der Druck auf ein ausreichendes Niveau angestiegen ist, wird das Ventil in dem Hauptströmungspfad geöffnet. Wenn nach dem Motorbetrieb für einen vorbestimmten Zeitraum der Druck in dem Hochdruckspeicher nicht ausreichend ist, um eine zweckmäßige Arbeit auszuführen, wird die Pumpe/Motor-Einheit in einem Nichtmotorbetriebsmodus gesetzt, um Kavitation zu verhindern, welche sehr laut ist und Hydraulikbauteile beschädigen kann. Das Schalten muss vor dem Auslassen des Speicherdruckes eintreten, um zu verhindern, dass Geräusche und Vibrationen auf die Insassen des Fahrzeuges übertragen werden. In diesem Falle wird das Proportionalventil zur Steuerung des Hubraumes mit einer gesteuerten Rate auf Null heruntergefahren, bevor die Modussteuerventile geschaltet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuerungsvorrichtung und ein Steuerungsverfahren zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug zu schaffen, mit denen die beim Schalten vom Pumpenbetrieb in den Motorbetrieb auftretende Stoßbelastung reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Steuerungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie mit einem Steuerungsverfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Schema eines Antriebsstranges für ein Hydraulik-Hybridmotorfahrzeug, das in einem generatorischen Bremsmodus und einem Antriebshilfsmodus arbeitet;
2 ein Schema eines Bremspedals für die Verwendung bei der Steuerung des generatorischen Bremsmodus des Antriebsstranges aus 1;
3 ein Schema eines Hydrauliksystems für das Fahrzeug, das die Pumpe/Motor-Einheit, den Hochdruckspeicher, den Niederdruckbehälter, die Steuerventile und die diese verbindenden Hydraulikleitungen zeigt;
4 ein Diagramm der Logik zur Steuerung des generatorischen Bremsung in einem Totzonenbereich der Bremspedalposition; und
5 ein Logikdiagramm zur Steuerung des Hydrauliksystems aus 3.
Mit Bezug auf die Zeichnung ist in 1 ein Hydraulik-Hybridantriebsstrang 10 für den Antrieb von Hinterrädern 12 und Vorderrädern 14 eines Motorfahrzeuges gezeigt. Eine Antriebsquelle 16, wie ein Verbrennungsmotor, ist in Antriebsverbindung mit einem Getriebe 18, vorzugsweise einem Automatikgetriebe, das mehrere Verhältnisse der Drehzahl des Motors und einer Abtriebswelle 20 erzeugt. Geeignete alternative Getriebe sind jene, die manuell betrieben werden und kontinuierlich oder stufenlos variable Übersetzungsverhältnisse mit Kettenantrieb, Riemenantrieb oder Fahrantriebmechanismen erzeugen. Die Getriebeabtriebswelle 20 ist über eine hintere Antriebswelle 22, hintere Achswellen und einen hinteren Differentialmechanismus kontinuierlich in Antriebsverbindung mit den Hinterrädern 12. Ein Verteilergetriebe 24 transferiert einen Teil des von der Abtriebswelle 20 übertragenen Drehmoments an eine vordere Antriebswelle 28, welche über einen vorderen Differentialmechanismus und vordere Achswellen in Antriebsverbindung mit den Vorderrädern 14 ist. Das Fahrzeug kann daher im Allrad- oder Vierradantriebsmodus arbeiten.
Eine hydraulische Pumpe/Motor-Einheit 26 mit einem variablen Hubraum ist ständig in Antriebsverbindung mit der Getriebeabtriebswelle 20 und der hinteren Antriebswelle 22. Wenn ein Drehmoment in einem positiven Drehmomentrichtungs sinn, d.h. von dem Motor auf die Räder übertragen wird, treibt der Motor 16 über das Getriebe 18 und die Abtriebswelle 20 die Pumpe/Motor-Einheit 26 und über die Antriebswelle 22 die Hinterräder 12 an. Wenn das Drehmoment in der negativen Drehmomentrichtung, d.h. von den Rädern auf den Motor übertragen wird, treiben die Hinterräder 12 über die hintere Antriebswelle 22 und das Verteilergetriebe 24 die Pumpe/Motor-Einheit 26 an. Eine Klauenkupplung, die in dem Verteilergetriebe 24 angeordnet ist, erzeugt eine lösbare Antriebsverbindung zwischen der Pumpe/Motor-Einheit 26 und der vorderen Antriebswelle 28. Ein Niederdruckbehälter 36, der Hydraulik- und Pneumatikfluid mit relativ niedrigem Druck enthält, ist über Rückschlagventile und Fluidleitungen 38 mit der Pumpe/Motor-Einheit 26 verbunden, wie mit Bezug auf 3 beschrieben ist. Gleichermaßen ist ein Hochdruckspeicher 40, der Hydraulik- oder Pneumatikfluid mit relativ hohem Druck enthält, über Rückschlagventile und Fluidleitungen 42 mit der Pumpe/Motor-Einheit 26 verbunden.
Wenn das Fahrzeug mit der hydraulischen Antriebshilfe beschleunigt wird, treibt das Fluid in dem Hochdruckspeicher 40 die Pumpe/Motor-Einheit 26 an, und die Räder 12, 14 werden von der Pumpe/Motor-Einheit 26 drehend angetrieben, welcher dann als ein Fluidmotor arbeitet. Während des Betriebs im generatorischen Bremsmodus wird das Fahrzeug zumindest teilweise durch Rückgewinnen von kinetischer Energie des Fahrzeuges in der Form von Hydraulikdruckfluid, das in dem Hochdruckspeicher 40 enthalten ist, abgebremst. Im generatorischen Bremsmodus pumpt die Pumpe/Motor-Einheit 26 Fluid von dem Niederdruckbehälter 36 in den Hochdruckspeicher 40. Die Räder 12 treiben die Pumpe/Motor-Einheit 26 über die hintere Achswelle und hintere Antriebswelle 22 an, und die Pumpe/Motor-Einheit 26 pumpt Fluid von dem Niederdruckbehälter 36 über eine Druckdifferenz zwischen dem Pumpen einlass, der mit dem Niederdruckbehälter 36 verbunden ist, und dem Pumpenauslass, der mit dem Hochdruckspeicher 40 verbunden ist. Das in den Hochdruckspeicher 40 eintretende Fluid komprimiert Stickstoff, der in einer Blase in dem Hochdruckspeicher 40 enthalten ist, und der Hochdruckspeicher 40 wird mit Druck beaufschlagt.
Mit Bezug auf 2 verzögert bei einem herkömmlichen Fahrzeug, wenn das Fußbremspedal 50 betätigt wird, das Fahrzeug infolge der Reibungsbremsung, d.h. des Reibkontaktes der Bremsklötze oder der Bremsbacken an den Scheiben oder Trommeln der Radbremse. Die kinetische Energie des Fahrzeuges wird durch diesen Reibkontakt in Wärme umgewandelt, welche abgeführt wird. Bei einem generatorischen Bremssystem mit paralleler Totzone ist ein Raum 52 zwischen Verbindungsstangen 54, 56 angeordnet, welche einen Hauptbremszylinder 58 und das Fußbremspedal 50 miteinander verbinden. Der Raum 52 bewirkt, dass sich das Bremspedal aus der in 2 gezeigten Ruheposition über einen ersten Abschnitt dessen vollständiger Verstellung bewegt, bevor Hydraulikbremsdruck in dem Hauptbremszylinder 58 infolge der Bewegung des Kolbens 60 innerhalb des Hauptbremszylinders 58 erzeugt wird. Dies verzögert die Anwendung der Radreibungsbremsen, wenn das Pedal verstellt wird. Der Bereich der Bremspedalverstellung, in dem keine Reibungsbremsung auftritt, der so genannte „Totzonenbereich", umfasst vorzugsweise etwa 30% des vollständigen Bereichs der Bremspedalverstellung, die beginnt, wenn das Bremspedal in Ruhelage und nicht verstellt ist.
Eine Zugfeder 68, die an einem Bremshebel 64 zwischen dem Drehpunkt 66 und dem Pedal 50 befestigt ist, schafft eine Kraft, die von dem Fahrer des Fahrzeuges erfasst wird und der Bremspedalverstellung in dem Totzonenbereich widersteht. Die Kraft der Feder 68, die beim Drücken des Bremspedals 50 erzeugt wird, kompensiert das Fehlen einer Hydraulikdruck kraft entgegen der Pedalverstellung und der Kolbenbewegung in dem Hauptbremszylinder, wenn das Pedal in dem Totzonenbereich ist. Ein Bremskraftverstärker 76 enthält einen Kolben 78, welcher von Motorvakuum betätigt wird, um die Kraft zu erhöhen, die durch Drücken des Bremspedals 50 auf die Verbindungsstange 54 ausgeübt wird.
Ein Bremspedalpositionswandler 70 erzeugt ein elektronisches Signal 72 als Eingabe in eine Steuereinrichtung 74, welche die Position des Bremspedals 50 darstellt. Die Steuereinrichtung 74 arbeitet unter Steuerung eines Mikroprozessors, welcher eine programmierte Steuerlogik zur Steuerung des Hydrauliksystems aus 3 und des Fahrzeugantriebsstranges ausführt. Die Steuereinrichtung 74 empfängt Eingabesignale, die von anderen Sensoren erzeugt werden, die den Fluiddruck an verschiedenen Stellen in dem Hydrauliksystem, den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit, die Größe eines variablen Taumelscheibenwinkels, der den Hub der Pumpe/Motor-Einheit ändert, die Verstellung des Gaspedals 44 und des Bremspedals 64, verschiedene Eingaben, die von dem Fahrer des Fahrzeuges erzeugt werden, und Eingaben des Antriebsstrangsystems darstellen. Die Steuereinrichtung 74 gibt Befehlssignale aus, die von solenoidbetätigten Hydrauliksteuerventilen des Hydrauliksystems empfangen werden, was bewirkt, dass die Ventile verschiedene Betriebszustände des Systems und Wechsel dieser Zustände erzeugen.
Der Druck in dem Hydraulikbremssystem 80, welcher die Reibungsbremsen betätigt, ändert sich wie die Änderung des Drucks in dem Hauptbremszylinder 58 infolge der Verschiebung des Kolbens 60 in dem Zylinder, wenn das Bremspedal 50 gedrückt und gelöst wird. Wenn das Bremspedal 50 genügend über den Totzonenbereich hinaus gedrückt wird, um den Raum 52 zu schließen, drückt der Bremssystemdruck die Bremsklötze 82 in Reibkontakt mit der Bremsscheibe 84, an welcher ein Rad 12 befestigt ist.
Zusätzlich zu den Reibungsbremsen wird das Fahrzeug auch durch ein generatorisches Bremssystem gebremst. Wenn das Bremspedal 50 gedrückt wird, werden die Betriebszustände der hydraulischen Pumpe/Motor-Einheit 26 zwischen einem Pumpenbetriebszustand und einem Motorbetriebszustand in Antwort auf die von der Steuereinrichtung 74 erzeugten Befehlssignale geändert.
Das Modusventil 88 wird von einem Solenoid 86 in Antwort auf die Befehlssignale von der Steuereinrichtung 74 zwischen dem in 3 gezeigten Schließzustand und einem Öffnungszustand geschaltet. Ein Niedrigdurchflussmengenventil 92 wird von einem Solenoid 94 in Antwort auf die von der Steuereinrichtung 74 erzeugten Befehlssignale zwischen dem in 3 gezeigten Schließzustand und einem Öffnungszustand geschaltet.
Vorzugsweise ist die Pumpe/Motor-Einheit 26 eine Schrägachseneinheit mit variablem Hubraum, deren maximaler Hubraum 150 ccm pro Umdrehung beträgt und von Ifield Technology, Inc. im Handel erhältlich ist. Bei einem Spitzendruck von etwa 5000 psi. erzeugt die Pumpe/Motor-Einheit ein Bremsmoment im Pumpenbetriebsmodus oder ein Beschleunigungsmoment im Motorbetriebsmodus an der Antriebswelle 22 von ungefähr 600 ft-lb. Der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 wird durch Änderung der Winkelneigung einer Taumelscheibe variiert. Systemfluid in einem Druckbereich von 2500–5000 psi. wird verwendet, um den Taumelscheibenwinkel zu steuern. Ein PID-Regelungssystem erzeugt ständig ein Befehlssignal, das anstrebt, die Differenz zwischen dem momentanen Taumelscheibenwinkel und dem Winkel zu minimieren, welcher der gewünschten Größe des von der Pumpe/Motor-Einheit 26 erzeugten Drehmoments entspricht.
Ein Vierwege-Taumelscheibensteuerventil 96, auch als Proportionalventil bezeichnet, ändert den variablen Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 in Antwort auf die von der Steuereinrichtung 74 ausgegebenen Befehle. Ein Solenoid 98 ändert den Zustand des Ventils 96 zwischen drei Zuständen, nämlich einer Mittelposition, in welcher der Einlass und der Auslass des Ventils 96 voneinander getrennt sind, einer linken Position, in welcher sich die Winkelneigung der Taumelscheibe und der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 verringern, und einer rechten Position, in welcher sich der Taumelscheibenwinkel und der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 erhöhen. Das Proportionalventil 96 wird von dem Solenoid 98 in Antwort auf die Befehlssignale von der Steuereinrichtung 74 zwischen seinen Zuständen geschaltet.
Tellerrückschlagventile 100, 102 bewegen sich aus der Position in 3 nach rechts, um eine Hydraulikverbindung zwischen dem Niederdruckbehälter 36 und dem Einlass 90 der Pumpe/Motor-Einheit 26 über die Leitungen 104, 106, 108, 110 zu öffnen. Die Tellerrückschlagventile 100, 102 bewegen sich aus der Position in 3 nach links, um eine Hydraulikverbindung zwischen dem Auslass 112 der Pumpe/Motor-Einheit 26 und dem Niederdruckbehälter 36 über die Leitungen 124, 116, 106, 104 zu öffnen. Ein Tellerventil 118 bewegt sich aus der Position in 3 nach rechts, um eine Hydraulikverbindung zwischen dem Hochdruckspeicher 40 und dem Einlass 90 der Pumpe/Motor-Einheit 26 über die Leitungen 114, 120, 110 zu öffnen. Ein Tellerventil 122 bewegt sich aus der Position in 3 nach links, um eine Hydraulikverbindung zwischen dem Auslass 112 der Pumpe/Motor-Einheit 26 und dem Hochdruckspeicher 40 über die Leitungen 124, 126, 113, 114 zu öffnen. Die Tellerventile 118 und 122 sind in den in 3 gezeigten Positionen geschlossen.
Ein Absperrventil 128, das von einem Solenoid 130 in Antwort auf Befehlssignale von der Steuereinrichtung 74 gesteuert wird, öffnet und schließt abwechselnd eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher 40 und einem Einlass des Ventils 96.
Beim Betrieb öffnet zum Einstellen des Hydrauliksystems in den Pumpenbetriebsmodus das Absperrventil 128 eine Verbindung von dem Hochdruckspeicher 40 zu dem Proportionalventil 96, welches in den Zustand nach rechts bewegt wird, in dem das Solenoid 98 mit variabler Kraft bereit ist, den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 durch Erhöhung des Taumelscheibenwinkels zu erhöhen. Die Tellerrückschlagventile 100, 102 werden nach rechts bewegt, um den Niederdruckbehälter 36 über die Hydraulikleitungen 104, 106, 108, 110 mit dem Einlass 90 der Pumpe/Motor-Einheit 26 zu verbinden. Das Tellerventil 118 schließt die Leitung 120 von dem Hochdruckspeicher 40, jedoch öffnet das Tellerventil 122 die Leitung 126 zu dem Hochdruckspeicher 40 über die Leitung 114, wenn die Pumpe/Motor-Einheit 26 umgekehrt arbeitet und der Druck an dem Auslass 112 den Druck in dem Hochdruckspeicher 40 überschreitet. Diese Schritte vollenden einen Hydraulikschaltkreis von dem Niederdruckbehälter 36 zu der Pumpe/Motor-Einheit 26 und über diese, und von der Pumpe/Motor-Einheit 26 zu dem Hochdruckspeicher 40. Vorzugsweise ist das an das Solenoid 98 angelegte Steuersignal ein elektrischer Strom im Bereich von 0–2 A. Der Taumelscheibenwinkel und der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 ändern sich proportional zu der Größe des Stromsignals an dem Solenoid 98.
Der Pumpenhubraum ist direkt auf das Drehmoment bezogen, das notwendig ist, um den Pumpenrotor bei einem vorgegebenen Hydraulikdruck zu drehen. Wenn das Bremspedal 50 in dem Totzonenbereich ist, arbeitet das System im Pumpenmodus, und die Fahrzeugbremsung wird vollständig mit der Pumpe 26 durchgeführt. Wenn das Bremspedal über den Totzonenbereich hinaus verstellt wird, wird die Fahrzeugbremsung durch Kombination von generatorischer Bremsung und Reibungsbremsung im richtigen Verhältnis durchgeführt, um die von dem Fahrer des Fahrzeuges gewünschte Verzögerungsrate zu erreichen.
Vor dem Schalten des Hydrauliksystems aus dem Pumpenbetriebsmodus in den Motorbetriebsmodus bewirkt zuerst das Proportionalventil 96, dass der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 Null wird, so dass eine Kavitation der Pumpe/Motor-Einheit während des Übergangs verhindert wird. Ebenso wird die Proportionalsteuerung verhindert, d.h. wenn die Steuereinrichtung bestimmt, dass ein positiver Taumelscheibenwinkel gewünscht wird, um die Anforderungen des Antriebsstrangsystems zu erfüllen, hält die Steuereinrichtung den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 trotzdem auf Null, bis der Übergang des Systems in den Motorbetriebsmodus vollendet ist. Das Absperrventil 128 wird auf einen Befehl von der Steuereinrichtung 74 mit dessen betätigenden Solenoid 130 geschlossen. Dann wird das Niedrigdurchflussmengenventil 92 geöffnet, welches die Tellerrückschlagventile 100, 102 nach links drückt, wodurch die Leitung 106 von der Leitung 108 geschlossen wird und die Leitung 116 über die Leitungen 104, 106 zu dem Niederdruckbehälter 36 geöffnet wird. Dies öffnet eine Hydraulikverbindung zwischen dem Niederdruckbehälter 36 und dem Auslass 112 der Pumpe/Motor-Einheit 26. Bei dem so angeordneten Hydrauliksystem ist der Hochdruckspeicher 40 über die Leitung 114, eine Drosselstelle 132, das Niedrigdurchflussmengenventil 92 und die Leitungen 108, 110 mit dem Einlass 90 verbunden. Das Niedrigdurchflussmengenventil 92 wird für einen Zeitraum von etwa 200 ms geöffnet, bis das System von dem Hochdruckspeicher 40 ausreichend mit Druck beaufschlagt ist. Die Steuereinrichtung 74 weist einen Rückwärtszähl-Timer auf, welcher in etwa 200 ms abläuft, nachdem der Übergang zum Pumpenbetriebsmodus beginnt.
Wenn der Rückwärtszähl-Timer abgelaufen ist, schließt das Niedrigdurchflussmengenventil 92, und das Modusventil 88 öffnet zu dem Speicherdruck, welcher das Tellerventil 118 nach rechts bewegt, wodurch eine Verbindung mit hoher Durchflussmenge zwischen dem Hochdruckspeicher 40 und dem Einlass 90 der Pumpe/Motor-Einheit 26 über die Leitung 114, das Tellerventil 118 und die Leitungen 120, 110 öffnet. Diese Schritte vollenden den Übergang in den Motorbetriebsmodus. Anschließend erlaubt die Steuereinrichtung 74 eine Proportionalsteuerung, und der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 folgt der Eingabe von dem Gaspedal, welche die gewünschten Erhöhungen und Reduzierungen des Raddrehmoments darstellt.
Mit Bezug auf 4 wird, nachdem der Fahrer des Fahrzeuges das Bremspedal drückt, die Weite, bis zu der das Bremspedal gedrückt wird, die so genannte „Bremspedalposition" 150, verwendet, um die momentan gewünschte Fahrzeugverzögerungsrate 152 zu bestimmen. Der Bremssystemhydraulikdruck 154 an den Radbremsen wird mit der Bremspedalposition 150 verwendet, um die entsprechende Fahrzeugverzögerungsrate infolge der Anwendung der Reibungsbremsen 156 zu bestimmen. Der Profilwiderstand an dem Fahrzeug 158 infolge von Reifenreibung und Luftreibung und die Wirkungen der Motorbremsung werden verwendet, um die Fahrzeugverzögerung infolge dieser Faktoren zu bestimmen. Die Fahrzeugverzögerungsraten 152, 156, 158 werden durch Summierung 160 mathematisch addiert, um eine Nettofahrzeugverzögerungsrate 162 zu erhalten.
Bei 164 wird die Fahrzeugmasse mit der Nettofahrzeugverzögerungsrate 162 multipliziert, um die Größe der Kraft zu erhalten, welche bei Ausübung auf das Fahrzeug die Nettofahrzeugverzögerungsrate 162 ergeben würde.
Diese Kraft wird bei 166 in ein äquivalentes Raddrehmoment 168 unter Verwendung der Reifengröße und eines nominellen Reibungskoeffizienten zwischen den Reifen und der Straßenfläche umgewandelt. Bei 170 wird das zur Beibehaltung der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit erforderliche Raddrehmoment berechnet. Durch Summierung 172 wird die Größe der Differenz zwischen den Drehmomenten 168 und 170 berechnet, um die Änderung des Raddrehmoments 174 zu bestimmen, das notwendig ist, um das Fahrzeug mit der gewünschten Verzögerungsrate 152 aus der momentanen Geschwindigkeit zu stoppen.
Bei 176 wird dieses Differenzdrehmoment 174 durch die Achsübersetzung geteilt, um die Größe des Drehmoments 178 zu bestimmen, die von dem Drehmoment abgezogen werden muss, das von der Antriebswelle 28 auf die Pumpe/Motor-Einheit 26 übertragen wird, um die gewünschte Fahrzeugverzögerungsrate 152 zu erlangen. Dann wird bei 180 der dem Drehmoment 178 entsprechende Pumpenhubraum berechnet. Die Steuereinrichtung 74 erzeugt ein Befehlssignal, das an das Solenoid 98 des Proportionalventils 96 übertragen wird, um die Winkelposition der Taumelscheibe zu ändern und den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 auf den bei 180 berechneten Pumpenhubraum zu ändern.
Die Bremshaltesteuerung verwendet das Hydraulikantriebssystem zum Abbremsen eines gestoppten Fahrzeuges gegen Kriechen, wenn das Automatikgetriebe 18 in Gang ist, trotzdem es wenig oder gar keine kinetische Energie des Fahrzeuges zum Rückgewinnen durch generatorische Bremsung gibt. Die Bremshaltesteuerung bestimmt, ob (1) das Getriebe 18 in Gang ist, d.h. ob ein vom Fahrer des Fahrzeuges gesteuerter Gangwahlhebel im Fahrbereich ist, (2) das Bremspedal 50 gedrückt ist, und (3) das Fahrzeug gestoppt ist oder eine Geschwindigkeit hat, die gleich oder geringer als eine niedrige Referenzgeschwindigkeit ist. Die Position des Gangwahlhebels wird vom Fahrer des Fahrzeuges durch Bewegen eines Wählschalters zwischen den Bereichen Vorwärtsfahrt, Parken, Neutral und Rückwärtsfahrt, die als PRNDL-Positionen bezeichnet werden, gesteuert.
Wenn diese Bedingungen zutreffend sind, und vorausgesetzt, das Gaspedal 44 ist nicht gedrückt, wird die Bremshaltesteuerung aktiviert. Das Modusventil 88 wird in Antwort auf ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 74 durch das Solenoid 86 in die Pumpenposition gestellt. Das Absperrventil 128 wird durch das Solenoid 130 betätigt, wodurch der Hochdruckspeicher 40 mit dem Einlass des Taumelscheibensteuerventils 96 verbunden wird, so dass durch den Betrieb des Solenoids 98 in Antwort auf Befehle von der Steuereinrichtung 74 der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 vorzugsweise linear auf deren maximalen Hubraum vergrößert werden kann. Der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 wird derart vergrößert, dass die Größe des von der Pumpe/Motor-Einheit 26 auf die Räder 12 übertragenen negativen Drehmoments größer als die Größe des von dem Motor über das Getriebe 18 und dessen Drehmomentwandler auf die Räder 12 übertragenen positiven Drehmoments ist. In dieser Weise werden die Fahrzeugräder 12 ausreichend abgebremst, so dass das Fahrzeug infolge der Wirkung des leerlaufenden Motors, der ein Drehmoment über den Drehmomentwandler des Automatikgetriebes auf die Räder überträgt, nicht kriecht. Diese Steuerung erfordert einen minimalen Kraftaufwand am Bremspedal, um das Fahrzeug in einem Leerlaufzustand gestoppt zu halten.
Die Steuereinrichtung 74 bestimmt die Größe des von dem Motor erzeugten Drehmoments auf der Basis der Motordrehzahl, der Motordrosselposition, des Luftmassenstromes und anderer einschlägiger Motorparameter. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes und die Achsübersetzung werden dann verwendet, um das von dem leerlaufenden Motor auf die Räder übertragene Drehmoment durch Berechnung zu bestimmen. Dieses Drehmoment ist mit dem Drehmoment 170 aus 4 vergleichbar. Der Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26, die genügend negatives Drehmoment an den Rädern erzeugt, um auf das Leerlaufdrehmoment zu reagieren, wird wie mit Bezug auf Schritt 178 beschrieben bestimmt. Dann erzeugt die Steuereinrichtung ein Befehlssignal, das an das Solenoid 98 des Proportionalventils 96 übertragen wird, um die Winkelposition der Taumelscheibe und den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 auf einen Hubraum zu ändern, der etwas größer als der bei 178 berechnete Pumpenhubraum ist.
Mit Bezug auf 5 prüft nach der Initialisierung bei 200 die Steuerung, die von der Steuereinrichtung 74 ausgeführt wird, zuerst bei 202, ob alle Ventile geschlossen sind. Dann wird bei 204 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Bedingungen für den Eintritt in den Pumpenbetriebsmodus erfüllt sind. Der Pumpenbetriebsmodus wird eingegeben, wenn die Steuereinrichtung einen Bedarf für erhöhtes Drehmoment bestimmt, die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer als etwa 30–40 mph ist, der Druck im Hochdruckspeicher geringer als eine vorbestimmte Größe ist, und andere ähnliche Bedingungen des Antriebsstrangsystems erfüllt sind. Wenn diese Bedingungen logisch wahr sind, wird bei 206 von der Steuereinrichtung 74, die ein Befehlssignal an deren betätigenden Solenoid 130 ausgibt, das Absperrventil 128 in dessen Zustand EIN gesetzt. Das Proportionalventil 96 wird bei Schritt 208 durch Änderung der Größe des dem Solenoid 98 zugeführten Stromes in seine gewünschte Hubraumgröße versetzt, und bei 210 wird eine vollständige Proportionsteuerung ausgelöst. Wenn die Bedingungen für den Austritt aus dem Pumpenbetriebsmodus vorliegen, wird bei 212 das Proportionalventil 96 heruntergefahren, um bei 214 den Hubraum der Pumpe/Motor-Einheit 26 auf Null zu bringen. Die Bedingungen für den Austritt aus dem Pumpenbetriebsmodus sind im Wesentlichen entgegengesetzt zu den entsprechenden Bedingungen für den Eintritt in den Pumpenbetriebsmodus.
Wenn die Bedingungen für den Eintritt in den Pumpenbetriebsmodus logisch falsch sind, wird bei 216 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Bedingungen für den Eintritt in den Motorbetriebsmodus logisch wahr sind. Wenn dies zutrifft, wird bei 218 die Proportionalsteuerung verhindert, das Absperrventil 128 wird bei 220 durch Ausgeben eines Befehlssignals an dessen betätigenden Solenoid 130 in dessen Zustand EIN gesetzt, das Niedrigdurchflussmengenventil 92 wird bei 222 in dessen Zustand EIN gesetzt, und der Niedrigdurchflussmengen-Timer wird gesetzt. Die Bedingungen für den Eintritt in den Motorbetriebsmodus umfassen einen Antriebsstrangzustand, für welchen ein von der Pumpe/Motor-Einheit erzeugtes Drehmoment erwünscht ist, um die Fahrzeugräder anzutreiben, das Vorliegen einer ausreichenden Größe von Fluiddruck und Volumen in dem Hochdruckspeicher, die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Bereich von 0–30 mph, und zusätzliche Antriebsstrangsystemzustände. Bei 224 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Niedrigdurchflussmengen-Timer abgelaufen ist. Wenn dies zutrifft, wird bei 226 das Modusventil 88 in dessen Zustand EIN gesetzt, und das Niedrigdurchflussmengenventil 92 wird auf AUS geschaltet. Als nächstes wird bei 228 eine vollständige Proportionalsteuerung ermöglicht. Bei 230 wird eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Bedingungen für den Austritt aus dem Motorbetriebsmodus logisch wahr sind. Wenn dies zutrifft, beginnt bei 232 das Proportionalventil 96, den Hubraum des Motors und das von der Pumpe/ Motor-Einheit 26 ausgegebene Drehmoment auf Null herunterzufahren. Wenn das Proportionalventil die lineare Absenkung des Hubraumes der Pumpe/Motor-Einheit auf Null beendet hat, wie durch einen positiven Test bei 234 angezeigt ist, wird bei 236 das Modusventil 88 geschlossen.

Claims

Steuerungsvorrichtung zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug mit folgenden Merkmalen: einem Hochdruckspeicher (40) und einem Niederdruckbehälter (36) einer Pumpe/Motor-Einheit (26), die in Antriebsverbindung mit Rädern (12, 14) des Hybridfahrzeugs ist und einen variablen Hubraum zum Pumpen von Fluid zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Niederdruckbehälter (36) sowie einen Einlass (90) und einen Auslass (112) aufweist, einem ersten Schaltkreis für den Pumpenbetrieb, der den Einlass (90) mit dem Niederdruckbehälter (36) und den Auslass (112) mit dem Hochdruckspeicher (40) verbindet, einem zweiten Schaltkreis für den Motorbetrieb, der den Einlass (90) mit dem Hochdruckspeicher (40) und den Auslass (112) mit dem Niederdruckbehälter (36) verbindet, und einer Steuereinrichtung (74) zum Schalten zwischen Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb und zum Reduzieren des Hubraumes der Pumpe/Motor-Einheit (26) vor dem Schalten zwischen Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltkreis für den Motorbetrieb zwei Pfade aufweist, wobei der erste Pfad aufgrund einer Drosselstelle (132) eine niedrigere Durchflussmengenkapazität als der zweite Pfad aufweist und ein von der Steuereinrichtung (74) ansteuerbares Niedrigdurchflussmengenventil (92) stromabwärts der Drosselstelle (132) angeordnet ist, und der zweite Pfad parallel zu dem ersten Pfad angeordnet ist und ein von der Steuereinrichtung (74) ansteuerbares Modusventil (88) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Motor (16), der in Antriebsverbindung mit den Rädern (12, 14) und der Pumpe/Motor-Einheit (26) ist, für den Antrieb der Pumpe/Motor-Einheit (26), um Fluid während des Pumpenbetriebs von dem Niederdruckbehälter (36) zu dem Hochdruckspeicher (40) zu pumpen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltkreis ferner ein erstes Rückschlagventil (122) aufweist, das eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Auslass (112) bei einer ersten vorbestimmten Druckdifferenz über dem ersten Rückschlagventil (122) öffnet und die Verbindung bei einer geringeren Druckdifferenz als der ersten Druckdifferenz über dem ersten Rückschlagventil (122) schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Schaltkreis ferner einen dritten Pfad aufweist, der parallel zu dem ersten und dem zweiten Pfad angeordnet ist und ein zweites Rückschlagventil (118) aufweist, das eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Einlass (90) bei einer zweiten vorbestimmten Druckdifferenz über dem zweiten Rückschlagventil (118) öffnet und die Verbindung bei einer geringeren Druckdifferenz als der zweiten Druckdifferenz über dem zweiten Rückschlagventil (118) schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Proportionalventil (96), das auf die Steuereinrichtung (74) anspricht und mit dem Hochdruckspeicher (40) verbunden ist, und das einen ersten Zustand, in welchem der Hubraum erhöht ist, und einen zweiten Zustand aufweist, in welchem der Hubraum verringert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner aufweisend: ein Absperrventil (128), das auf die Steuereinrichtung (74) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Proportionalventil (96) anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltkreis ferner ein drittes Rückschlagventil (102) aufweist, das eine Verbindung zwischen dem Niederdruckbehälter (36) und dem Einlass (90) für den Pumpenbetrieb öffnet und die Verbindung für den Motorbetrieb schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Schaltkreis ferner ein viertes Rückschlagventil (100) aufweist, das eine Verbindung zwischen dem Niederdruckbehälter (36) und dem Auslass (112) für den Motorbetrieb öffnet und die Verbindung für den Pumpenbetrieb schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (74) einen Rückwärtszähl-Timer mit einem vorbestimmten Zeitraum aufweist, der mit dem Öffnen des ersten Pfades beginnt, wobei die Steuereinrichtung (74) den ersten Pfad nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (74) ferner den Hubraum während des Pumpenbetriebs und des Motorbetriebs steuert.
Steuerungsverfahren zum Schalten eines Pumpe/Motor-Betriebsmodus für ein Hydraulik-Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen aus momentanen Bedingungen, ob die Pumpe/Motor-Einheit (26) in Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb eintreten soll, Abwechselndes Eintreten in oder Austreten aus Pumpenbetrieb oder Motorbetrieb, Erhöhen und Variieren des Hubraumes während beider Betriebsmodi, und Verringern des Hubraumes der Pumpe/Motor-Einheit (26) auf Null vor dem Austreten aus dem jeweiligen Betriebsmodus, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Öffnen und Schließen des ersten Pfades während des Motorbetriebs durch Ansteuern des Niedrigdurchflussmengenventils (92) mittels der Steuereinrichtung (74), Starten eines Rückwärtszähl-Timers mit einem vorbestimmten Zeitraum auf das Öffnen des ersten Pfades, und Schließen des ersten Pfades nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes mit nachfolgendem Öffnen des Modusventils (88) im zweiten Pfad mittels der Steuereinrichtung (74), wodurch eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher (40) und dem Einlass (90) der Pumpe/Motor-Einheit (26) öffnet.