DE102005047940A1

DE102005047940A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Momentensteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs

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Publication number: DE102005047940A1
Application number: DE102005047940A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.-Ing. Zillmer; Matthias Holz; Ekkehard Dr.-Ing. Pott; David Prochazka
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US20070162200A1; CN1974286A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Momentensteuerung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12) sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) ein positives beziehungsweise negatives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10) darstellt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein aktuell bereitgestelltes Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10), DOLLAR A (a) in einer anfänglichen Boostphase (B) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein dynamisches, positives, elektromotorisches Moment (M_EM) aufgeprägt wird, das während der Boostphase (B) ein Maximum durchläuft und (b) in einer zweiten Phase (S, L) für eine vorgebbare Dauer ein vorgebbares, im Wesentlichen konstantes, positives oder negatives elektromotorisches Moment (M_EM) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) aufgeprägt wird, so dass das resultierende Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) zumindest annähernd dem Wunschmoment (M_W) entspricht, wobei Vorzeichen und/oder Höhe des elektromotorischen Moments (M_EM) in Abhängigkeit von dem Wunschmoment (M_W) vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsmomentes eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit, die einen Verbrennungsmotor und zusätzlich mindestens eine, wahlweise in einem motorischen oder generatorischen Betrieb betreibbare, elektrische Maschine umfasst, wobei die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb ein negatives und im motorischen Betrieb ein positives elektromotorisches Moment liefert und das elektromotorische Moment zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit darstellt. Die Erfindung betrifft ferner ein Hybridfahrzeug mit einer entsprechenden Momentensteuerung.

Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet Kraftfahrzeuge, bei denen mindestens zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert werden, die auf unterschiedliche Energiequellen zurückgreifen, um die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, der durch die Verbrennung von Benzin- oder Dieselkraftstoffen kinetische Energie erzeugt, und einer Elektromaschine, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umsetzt. Heutige Hybridfahrzeuge sind deshalb überwiegend mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer oder mehreren elektrischen Maschinen ausgestattet. Es lassen sich zwei verschiedene Hybridkonzepte unterscheiden. Bei den so genannten seriellen Hybridkonzepten erfolgt der Fahrzeugantrieb ausschließlich über die elektrische Maschine, während der Verbrennungsmotor über einen separaten Generator den elektrischen Strom für die Aufladung eines, die E-Maschine speisenden Energiespeichers beziehungsweise für die direkte Speisung der E-Maschine erzeugt. Demgegenüber werden heute zumindest in PKW-Anwendungen parallele Hybridkonzepte bevorzugt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die E-Maschine dargestellt werden kann.

Die in solchen Parallelkonzepten eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. So wird etwa die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten, unterstützend zum Verbrennungsmotor, zugeschaltet. Zudem kann sie die Funktion eines Anlassermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Demgegenüber wird die E-Maschine im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung der E-Maschine beispielsweise zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Im Falle eines leistungsverzweigten Hybridkonzepts mit mehr als einer E-Maschine kann der generatorische Betrieb einer E-Maschine auch zur Speisung einer weiteren genutzt werden. Ferner wird in der Regel zumindest ein Teil einer Bremsleistung durch die generatorisch betriebene E-Maschine aufgebracht (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei ist in Hybridkonzepten generell von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.

Ziel der Steuerung der so genannten Boost-Funktion, das heißt der unterstützende parallele Einsatz der elektrischen Maschine, um beispielsweise das Gesamtantriebsmoment des Hybridantriebs zu steigern, ist einerseits eine möglichst deutliche Fahrleistungsverbesserung zu erzielen, andererseits aber auch ein reproduzierbares Fahrverhalten ohne negative Auswirkungen auf des Fahrverhalten darzustellen, beispielsweise in Form unerwünschter Momentenschwankungen oder "Momentensenken". Die Boost-Funktion erfordert hohe elektrische Leistungen des elektrischen Energiespeichers der E-Maschine. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit des Energiespeichers – der Energieinhalt eines elektrischen Energiespeichers entspricht typischer Weise nur einem Bruchteil der im Kraftstofftank gespeicherten Energie – sind geeignete Strategien zum Einsatz dieser Boost-Funktion erforderlich. Dabei stellen gerade Energiespeicher mit geringem Energiegehalt, beispielsweise Kondensatorspeicher, besonders hohe Anforderungen an die Steuerung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Steuerung zur Momentenkoordination von Verbrennungsmotor und E-Maschine vorzuschlagen, dass einen effizienten und bedarfsorientierten Einsatz des unterstützenden, elektromotorischen Antriebsmoments der E-Maschine bei einer Momentenanforderung durch den Fahrer sicherstellt. Es soll ferner eine geeignete Momentensteuerung zur Durchführung des Verfahrens bereit gestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie einer Momentensteuerung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei einer Momentenanforderung durch den Fahrer, das heißt bei Vorliegen eines Wunschmoments, das größer ist, als ein aktuell bereit gestelltes Antriebsmoment der Antriebseinheit,

(a) in einer anfänglichen Boostphase dem verbrennungsmotorischen Moment ein dynamisches positives elektromotorisches Moment aufgeprägt wird, welches während der Boostphase ein Maximum durchläuft, und
(b) in einer zweiten Phase für eine vorgebbare Dauer ein vorgebbares im Wesentlichen konstantes positives oder negatives elektromotorisches Moment dem verbrennungsmotorischen Moment aufgeprägt wird, so dass das resultierende Gesamtantriebsmoment zumindest annähernd dem Wunschmoment entspricht, wobei Vorzeichen und/oder Höhe des elektromotorischen Moments in Abhängigkeit von dem Wunschmoment vorgegeben wird.

Durch die erfindungsgemäße Aufprägung des dynamischen positiven Drehmoments der E-Maschine auf das aufsteuernde verbrennungsmotorische Moment während der anfänglichen Boost-Phase wird ein schneller und relativ gleichmäßiger Hochlauf des Gesamtantriebsmomentes erzielt. Indem das elektromotorische Moment ein Maximum durchläuft, das heißt während der Boost-Phase einen zunächst aufsteigenden und dann einen absteigenden Verlauf aufweist, wird das überproportional ansteigende Drehmoment des Verbrennungsmotors im Wesentlichen linear glättend ergänzt. Dadurch, dass in der zweiten Phase Vorzeichen und/oder Höhe des elektromotorischen Moments in Abhängigkeit von dem Wunschmoment, insbesondere in Abhängigkeit von einer Differenz des Wunschmoments und dem von dem Verbrennungsmotor geleisteten Antriebsmoment, vorgegeben wird, erfolgt ein besonders bedarfsgerechter Einsatz der elektrischen Maschine, der Rücksicht auf den begrenzten Energieinhalt des Energiespeichers nimmt.

Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff "Aufprägung des elektromotorischen Moments" die Addition eines positiven (motorischen) Drehmoments der elektrischen Maschine zu dem Drehmoment des Verbrennungsmotors verstanden beziehungsweise die Verminderung des Gesamtantriebsmoments durch Subtraktion des negativen "Rekuperationsmomentes" der E-Maschine, wenn diese generatorisch betrieben wird.

Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass die E-Maschine aufgrund ihrer typischen Drehmomentcharakteristik vorwiegend im unteren Drehzahlbereich, die typischer Weise in ausgeführten Hybridantrieben bis zu einer Drehzahlgrenze von etwa 3000 bis 3500 min^–1 reicht, zu einer effektiven Fahrleistungssteigerung genutzt werden kann. Demgegenüber weisen Verbrennungsmotoren bei unteren Drehzahlen relativ niedrigere Drehmomente auf. Dies gilt insbesondere für aufgeladene Verbrennungsmotoren, die über einen Turbolader mit komprimierter Verbrennungsluft versorgt werden. Diese weisen insbesondere im dynamischen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, typischer Weise unterhalb von 2000 bis 3000 min^–1, ein so genanntes "Turboloch" auf, welches ideal durch das elektromotorische Moment kompensiert werden kann. Die vorliegende Erfindung kann daher besonders vorteilhaft im Falle aufgeladener Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Prinzipiell ist sie jedoch auch für jeden anderen Verbrennungsmotor in Kombination mit einer elektrischen Maschine vorteilhaft einsetzbar.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung werden im Wesentlichen drei Boost-Funktionen in drei unterschiedlichen Szenarios unterschieden. Im ersten Fall liegt ein sehr hoher Pedalwert eines Pedalwertgebers (Gaspedal) von mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 %, vorzugsweise etwa 100 %, vor und gleichzeitig ein Wunschmoment, das größer als das maximale verbrennungsmotorische Moment ist, insbesondere ein maximales Wunschmoment. In diesem ersten Szenario, das beispielsweise bei Überholmanövern bei bereits hohem Geschwindigkeitsniveau gegeben ist, wird ein möglichst hoher und möglichst langanhaltender Unterstützungseinsatz der E-Maschine angestrebt.

Im zweiten Szenario liegt ebenfalls ein Wunschmoment vor, welches das maximale verbrennungsmotorische Moment übersteigt, jedoch ist hier das Gaspedal nicht vollständig durchgetreten, das heißt, der Pedalwert unterschreitet die für das erste Szenario genannten Grenzwerte. In diesem Fall erfolgt ebenfalls in der anfänglichen Boost-Phase, sowie in der anschließenden zweiten Phase, eine hohe bis maximale Unterstützung des Gesamtantriebsmoments durch die E-Maschine, jedoch wird die Gesamtdauer der elektromotorischen Unterstützung gegenüber dem ersten Szenario verkürzt.

Gemäß dem dritten Szenario schließlich liegt ebenfalls eine Momentenanforderung durch den Fahrer vor, jedoch ist das resultierende Wunschmoment geringer als das maximale verbrennungsmotorische Moment. Typischerweise entspricht der Pedalwert in solchen Situationen einem relativ niedrigen Wert, beispielsweise unterschreitet er eine Schwelle von 50 %, vorzugsweise von 40 %, besonders bevorzugt von 30 % des Maximalpedalwerts. In dieser Phase erfolgt in der anfänglichen Boost-Phase ebenfalls eine dynamische Unterstützung durch die E-Maschine, wenn auch mit einem geringeren unterstützenden Moment. Da anschließend das angeforderte Wunschmoment allein durch den Verbrennungsmotor aufgebracht werden kann, erfolgt keine weitere Unterstützung durch die E-Maschine, indem sie entweder momentenfrei beziehungsweise deaktiviert geschaltet wird oder bei Bedarf generatorisch betrieben wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Phase als Unterstützungsphase durchgeführt, das heißt, die elektrische Maschine wird motorisch mit einem positiven elektromotorischen Moment betrieben, falls das Wunschmoment größer oder gleich einem maximalen verbrennungsmotorischen Moment ist. Dieser Fall ist in den ersten beiden der geschilderten Fallsituationen gegeben. Ist auf der anderen Seite das Wunschmoment kleiner als das maximale verbrennungsmotorische Moment (Szenario 3), wird die zweite Phase als Ladungsphase durchgeführt, in welcher die elektrische Maschine generatorisch mit einem negativen elektromotorischen Moment betrieben wird, oder als neutrale Phase, in der die E-Maschine momentenfrei beziehungsweise deaktiviert geschaltet wird. Dies erfolgt in Abhängigkeit von einem Ladungs- und/oder Alterungszustand des Energiespeichers, sowie von einem aktuellen Bordnetzbedarf.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dauer der zweiten Phase und/oder die Höhe des elektromotorischen Moments während dieser in Abhängigkeit von einem Ladungszustand SOC (state-of-charge) und/oder einem Alterungszustand SOH (state-of-health) des elektrischen Energiespeichers der E-Maschine und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl einer insbesondere gemeinsamen Kurbelwelle der Hybridantriebseinheit vorgegeben wird. Auf diese Weise wird der elektromotorische Einsatz einerseits auf das durch den Fahrer Gewünschte abgestimmt und andererseits durch den Zustand des Energiespeichers, das heißt des Möglichen, beschränkt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht für den Fall vor, dass das Wunschmoment größer als das maximale verbrennungsmotorische Moment ist, insbesondere maximal ist, und gleichzeitig ein Pedalwert von 90 bis 100 %, vorzugsweise 95 bis 100 % und besonders bevorzugt etwa 100 % beträgt, dass im Anschluss an die zweite Phase eine neutrale Phase durchgeführt wird, in welcher die elektrische Maschine mit einem Nullmoment betrieben beziehungsweise deaktiviert wird. Auf diese Weise wird das gelieferte maximale verbrennungsmotorische Moment passiv durch die elektrische Maschine unterstützt, in dem kein Bremsmoment der generatorisch betriebenen E-Maschine das Gesamtantriebsmoment reduziert.

Die erfindungsgemäße Momentensteuerung ist ein digitaler Programmalgorithmus, der vorzugsweise in einer Hybridsteuerung oder in einer erweiterten Motor- oder Getriebesteuerung hinterlegt ist, der im Falle einer Momentenanforderung die zuvor ausgeführten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren erläutert. Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hybridantriebseinheit;

2 zeitliche Verläufe eines verbrennungsmotorischen und elektromotorischen Drehmoments, eines Gesamtantriebsmoments eines Hybridantriebs nach 1 sowie eines Wunschmoments gemäß der vorliegenden Erfindung bei maximaler Momentenanforderung und maximalem Pedalwert (Volllast);

3 zeitliche Verläufe der Drehmomente wie in 2 bei maximaler Momentenanforderung und einem nicht maximalen Pedalwert (Hochlast) und

4 zeitliche Verläufe der Drehmomente wie in 2 bei Teillast.

In 1 ist mit 10 insgesamt eine parallele Hybridantriebseinheit eines im Einzelnen nicht weiter dargestellten Hybridfahrzeugs bezeichnet. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt wahlweise oder gleichzeitig durch einen konventionellen Verbrennungsmotor 12 (Otto- oder Dieselmotor) sowie einen Elektromotor 14 (elektrische Maschine, E-Maschine), die beide auf die gleiche Welle wirken, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12. Der Verbrennungsmotor 12 wird über einen nicht dargestellten Lader, insbesondere einen Abgasturbolader, mit komprimierter Ladeluft versorgt. Die Anbindung des Elektromotors 14 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann der Elektromotor 14 direkt oder über eine Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden sein oder über einen Riemenantrieb, beispielsweise einen Zahnriemen, oder ein Getriebe oder einer anderen kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 sind über ein Getriebe 16 mit einem angedeuteten Antriebsstrang 18 verbunden. Die Entkopplung der Antriebswellen des Verbrennungsmotors 12 beziehungsweise des Elektromotors 14 vom Getriebe 16 erfolgt über eine Kupplung 20, die durch Betätigung eines nicht dargestellten Kupplungspedals durch den Fahrer geöffnet werden kann und bei Nicht-Betätigung geschlossen ist. Das Getriebe 16 kann alternativ als Automatikgetriebe ausgebildet sein, bei dem die Betätigung der Kupplung 20 entfällt. Insbesondere kann das Getriebe 16 als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt sein, bei dem die Ansteuerung und Betätigung der beiden Kupplungen automatisch erfolgt.
Der Elektromotor 14, der beispielsweise ein Drehstrom-Asynchronmotor oder -Synchronmotor ist, kann wahlweise im Motorbetrieb mit einem positiven oder im Generatorbetrieb mit einem negativen elektromotorischen Moment M_EM betrieben werden. Im motorischen Betrieb treibt der Elektromotor 14 den Antriebsstrang 18 – allein oder das verbrennungsmotorische Moment M_VM des Verbrennungsmotors 12 unterstützend – unter Verbrauch von elektrischer Energie (Strom) an. Diese bezieht der Elektromotor 14 aus einem Energiespeicher 22, der beispielsweise eine Batterie und/oder bevorzugt ein Kondensatorspeicher sein kann. Im generatorischen Betrieb hingegen wird der Elektromotor 14 durch den Verbrennungsmotor 12 beziehungsweise einen Schubbetrieb des Fahrzeuges angetrieben und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie zur Auffüllung des Energiespeichers 22 um. Die Umschaltung des Elektromotors 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 24, die gleichzeitig eine möglicherweise erforderliche Umrichtung zwischen Gleich- und Wechselstrom vornimmt.
Gemäß dem dargestellten Konzept erfolgt der Fahrzeugantrieb überwiegend durch den Verbrennungsmotor 12, der durch den als Startergenerator ausgelegten Elektromotor 14 gestartet wird. Der Elektromotor 14 übernimmt zudem eine Boostfunktion, indem er in Hochlastsituationen, insbesondere bei Beschleunigungen des Fahrzeugs, unterstützend zum Fahrzeugantrieb zugeschaltet wird (motorischer Betrieb). Andererseits hat der Elektromotor 14 in Fahrsituationen, bei denen ein Überschuss kinetischer Energie des Fahrzeugs vorliegt, eine so genannte Rekuperationsfunktion, indem er im generatorischen Betrieb die Bewegungsenergie in kinetische Energie zur Ladung des Energiespeichers 22 umwandelt und somit gleichzeitig ein Bremsmoment bereitstellt. Ein in diesem Zusammenhang besonders geeigneter Elektromotor 14 weist eine Leistung von höchstens 50 kW, insbesondere von höchstens 30 kW, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 25 kW, speziell von etwa 20 kW auf.
In 1 ist zudem eine optionale zusätzliche Kupplung 26 angedeutet, die zwischen Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 angeordnet sein kann. Eine solche zusätzliche Kupplung 26 erlaubt die separate Abkopplung des Verbrennungsmotors 12 vom Antriebsstrang 18 beziehungsweise vom Elektromotor 14, wodurch sich grundsätzlich der Vorteil ergibt, dass bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 seine mechanischen Reibungswiderstände nicht mitgeschleppt werden müssen. Die zusätzliche Kupplung 26 bewirkt daher zwar ein zusätzliches Einsparpotential von Kraftstoff, ist jedoch mit einem zusätzlichen Kosten-, Konstruktions- und Bauraumaufwand verbunden. Das vorliegend beschriebene Verfahren kann gleichermaßen auf Hybridantriebe mit und ohne zusätzliche Kupplung 26 angewendet werden.
Die Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 24 erfolgt hier durch ein Motorsteuergerät 28, in welches eine Momentensteuerung (angedeutet mit 30) in Form eines Programmalgorithmus integriert ist. Alternativ kann die Momentensteuerung 30 auch in einer separaten Steuereinheit vorgesehen sein. In das Motorsteuergerät 28 gehen verschiedene aktuelle Betriebsparameter des Fahrzeugs ein. Insbesondere werden eine Kurbelwellendrehzahl n sowie ein Pedalwert PW eines mit 32 angedeuteten Pedalwertgebers an das Steuergerät 28 gegeben. Der Pedalwert PW gibt die Stellung eines Gaspedals wieder, das heißt das Maß, mit dem der Fahrer das Gaspedal bedient. Des Weiteren erhält oder ermittelt das Motorsteuergerät 28 Informationen, die einen Ladungszustand (SOC, state-of-charge) sowie einen Alterungszustand (SOH, state-of-health) des Energiespeichers 22 charakterisieren.
In Abhängigkeit von dem Pedalwert PW und der Drehzahl n ermittelt die Momentensteuerung 30 aus abgespeicherten Kennfeldern ein aktuelles Wunschmoment M_W und steuert sowohl das verbrennungsmotorische Moment M_VM des Verbrennungsmotors 12 als auch das elektromotorische Moment M_EM des Elektromotors 14 entsprechend an. Insbesondere in Phasen, in denen das angeforderte Wunschmoment M_W einem aktuell vorliegendem Gesamtantriebsmoment M_Fzg der Hybridantriebseinheit 10 übersteigt, das heißt bei Lastanforderungen, etwa in Beschleunigungssituationen, kommt die vorliegende Erfindung zum Einsatz. Dabei kommt es in Abhängigkeit des ermittelten Wunschmomentes M_W zu einer Fallunterscheidung, die zu unterschiedlichen Strategien führt, welche in den 2 bis 4 anhand der Verläufe der verschiedenen Momente dargestellt sind.
In 2 ist eine Situation dargestellt, in der zum Zeitpunkt t₀ der Pedalwertgeber 32 einen Pedalwert PW von 100 % anzeigt, das heißt das Gaspedal maximal betätig ist ("Vollgas"). In Abhängigkeit des Pedalwertes und einer nicht dargestellten aktuellen Motordrehzahl n ermittelt die Motorsteuerung 28 ein maximales Wunschmoment (M_W = M_Wmax), das stets größer ist als ein maximal zulässiges verbrennungsmotorisches Moment M_VMmax. In dieser Vollgassituation wird das verbrennungsmotorische Moment M_VM durch einen maximalen Boost der elektrischen Maschine 14 unterstützt. Hierfür wird in einer anfänglichen Boostphase B der Verbrennungsmotor 12 mit maximaler Geschwindigkeit bis zu seinem maximalen Moment M_VMmax hochgefahren. Gleichzeitig wird die elektrische Maschine 14 während der Boostphase B dynamisch betrieben, wobei diese zunächst möglichst schnell hochgefahren und anschließend wieder heruntergesteuert wird, so dass dem verbrennungsmotorischen Moment M_VM ein dynamisches, ein Maximum durchlaufendes, positives, elektromotorischen Moment M_EM aufgeprägt wird. Im Ergebnis liegt ein maximal schnell und im Wesentlichen linear ansteigendes Gesamtantriebsmoment M_Fzg des Hybridantriebs 10 vor, das bereits während der Boostphase B das angeforderte Wunschmoment M_W erreicht.
Die Boostphase B endet, wenn der Verbrennungsmotor 12 sein maximales Moment M_VMmax erreicht hat (Zeitpunkt t₁). Dann wird in eine anschließende Unterstützungsphase S umgeschaltet, während der Verbrennungsmotor 12 weiter bei seinem maximalen Moment M_VMmax betrieben wird und durch ein ebenfalls zumindest annähernd konstantes positives Moment M_EM der elektrischen Maschine 14 unterstützt wird. Die Höhe des unterstützenden elektromotorischen Momentes M_EM wird dabei in erster Linie so gewählt, dass das resultierende Gesamtantriebsmoment M_Fzg im Wesentlichen dem Wunschmoment M_W entspricht. Daneben wird das Moment V_EM sowie die Dauer der quasi-statischen Unterstützungsphase S in Abhängigkeit von der Drehzahl n sowie dem aktuellen Ladungs- und Alterungszustand SOC, SOH des Energiespeichers 22 vorgegeben. Liegt etwa ein geringes Speicherniveau vor oder ist die Speicherkapazität durch eine starke Alterung bereits beeinträchtigt, so wird eine tendenziell kürzere Dauer der Unterstützungsphase vorgegeben. Bei sehr geringer verfügbarer elektrischer Energie des Speichers 22 kann auch ein geringeres Moment M_EM angesteuert werden – in Kauf nehmend, dass das Wunschmoment M_W nicht vollständig realisiert werden kann.
Nach Ablauf der vorgegebenen Dauer der Unterstützungsphase S zum Zeitpunkt t₂ wird das elektromotorische Moment M_EM während einer ersten Absteuerungsphase D1 mit einer definierten Momentenänderung abgesteuert, bis ein zumindest nahezu Null-Moment erreicht ist. Dies erfolgt durch Verringerung und schließlich Abschaltung der Erregung mittels des Leistungsumrichters. Während der anschließenden neutralen Phase N wird das Null-Moment der elektrischen Maschine 14 aufrechterhalten und somit der Verbrennungsmotor 12 passiv unterstützt. In dieser Phase N wird der Verbrennungsmotor 12 durch die elektrische Maschine 12 weder unterstützt noch belastet. Zu erwähnen ist, dass bei permanent erregten Synchronmaschinen in der Regel kein Null-Moment eingestellt werden kann, sondern sich dabei ein geringes Schleppmoment einstellt, welches vorliegend jedoch unter dem Begriff Null- Moment subsummiert wird. Die neutrale Phase N wird vorzugsweise nur im Falle maximaler Lastanforderung durchgeführt, beispielsweise bei kurzen Beschleunigungen bei bereits hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Als Kriterium zur Durchführung der neutralen Phase N ist dementsprechend ein hohes Wunschmoment M_W vorgesehen, das insbesondere größer als das maximale verbrennungsmotorische Moment M_VMmax ist, vorzugsweise nahe oder gleich dem maximalen Wunschmoment M_Wmax. Gleichzeitig muss ein Pedalwert PW von mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 %, vorzugsweise ein maximaler Pedalwert von etwa 100 % vorliegen. Auch die Dauer der neutralen Phase N kann in Abhängigkeit von SOC und/oder SOH des Energiespeichers 22 vorgegeben werden.
Am Ende der neutralen Phase N wird zum Zeitpunkt t₄ in einer weiteren Absteuerungsphase D2 das Moment M_EM mit einer definierten Momentenänderung auf einen negativen Wert abgesteuert, das heißt die elektrische Maschine 14 wird generatorisch betrieben. Dabei wird während der anschließenden Ladephase L das generatorische Moment M_EM so gewählt, dass ein Bordnetzbedarf gerade gedeckt wird, das heißt der Energiespeicher 22 mangels überschüssiger Energie nicht geladen wird. Auf diese Weise wird einerseits die elektrische Bordversorgung gewährleistet und andererseits das somit erzeugte Bremsmoment minimiert. Abhängig von dem Ladungszustand SOC des Energiespeichers 22 und/oder einer konventionellen Bordnetzbatterie, sowie den vorliegenden Anforderungen des Energiemanagements, kann im weiteren Verlauf das negative elektromotorische Moment M_EM noch weiter abgesenkt werden, um ein Aufladung des Energiespeichers 22 und/oder der Batterie zu bewirken.
Auch in der in 3 dargestellten Situation liegt ein Wunschmoment M_W vor, das das maximale verbrennungsmotorische Moment M_VMmax übersteigt, insbesondere liegt ein maximales Wunschmoment M_Wmax vor. Anders als in 2 ist der Pedalwert PW jedoch kleiner als 100 % und beträgt hier 80 % des maximalen Pedalwertes. In diesem Fall werden die Boostphase B und die anschließende Unterstützungsphase S wie anhand 2 erläutert ausgeführt. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Fall wird hier jedoch keine neutrale Phase N mit passiver Unterstützung durchgeführt, da der Pedalwert unterhalb der oben genannten Schwelle von 90 %, insbesondere von 95 %, vorzugsweise von 100 % liegt. Vielmehr wird im Anschluss an die Unterstützungsphase S in einer Absteuerungsphase D das Moment M_EM der elektrische Maschine 14 mit einem definierten Gradienten bis zu einem negativen (generatorischen) Moment abgesteuert. In der Ladephase L wird – analog zu 2 – das elektromotorische Moment M_EM entsprechend dem aktuellen, durch das Energiemanagement angeforderten Bordnetzbedarf bestimmt. Auch hier kann anschließend eine weitere Absenkung des elektromotorischen Momentes M_EM erfolgen, um eine Aufladung des Energiespeichers 22 zu sichern.
In der Fahrsituation gemäß 4 liegt eine Teillastsituation vor, das heißt das bei t₀ angeforderte Wunschmoment M_W liegt unterhalb des maximalen verbrennungsmotorischen Momentes M_VM und der Pedalwert PW ist relativ niedrig (beispielsweise 20 %). Um das Wunschmoment dennoch in möglichst kurzer Zeit darzustellen, wird das relativ träge Moment M_VM des Verbrennungsmotors 12 in der anfänglichen Boostphase B wiederum durch ein dynamisches, ein Maximum durchlaufendes, elektromotorisches Moment M_EM unterstützt. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Situationen genügt in diesem Fall jedoch ein geringeres Boostmoment der elektrischen Maschine 14. Die Boostphase B dauert mindestens so lange, bis das angeforderte Moment M_W erreicht ist. Da bei der vorliegenden Teillastsituation das gesamte Wunschmoment M_W durch den Verbrennungsmotor 12 dargestellt werden kann, ist im Anschluss an die Boostphase B keine weitere elektromotorische Unterstützung notwendig. Daher wird zum Zeitpunkt t₁ das Moment M_EM mit einer definierten Rate auf einen negativen Wert abgesteuert (Generatorbetrieb). Das in der anschließenden Ladephase L angesteuerte Moment M_EM kann in Abhängigkeit des SOC und/oder SOH des Energiespeichers 22 entweder zur Deckung des aktuellen Bordnetzbedarfs gewählt werden (entsprechend 2 und 3) oder zur Aufladung des Energiespeichers 22 noch weiter abgesenkt werden. Um das somit erzielt Bremsmoment zu kompensieren wird das verbrennungsmotorische Moment M_VM während der Ladephase L entsprechend hochgefahren. Im Anschluss an die Ladephase L erfolgt in einer Hochsteuerungsphase H eine Hochsteuerung des elektromotorischen Moments M_EM bis zum Nullmoment und eine entsprechende Absteuerung des verbrennungsmotorischen Momentes M_VM. Ist hingegen zum Zeitpunkt t₁ der Energiespeicher 22 voll geladen oder überschreitet der Ladungszustand eine vorgebare Schwelle und liegt keine oder nur eine geringe Bordnetzanforderung vor, so kann auf die Ladephase L vollständig verzichtet werden und aus der Boostphase B direkt in die neutrale Phase N, in welcher die elektrische Maschine 14 abgeschaltet ist, umgeschaltet werden.
Die drei vorstehend beschriebenen Strategien lassen sich in folgender Tabelle zusammenfassen.

10: Hybridantriebseinheit
12: Verbrennungsmotor
14: Elektromotor
16: Getriebe
18: Antriebsstrang
20: Kupplung oder Doppelkupplungseinheit
22: Energiespeicher/Batterie
24: Leistungselektronik
26: zusätzliche Kupplung
28: Motorsteuergerät
30: Momentensteuerung
32: Pedalwertgeber
n: Drehzahl
PW: Pedalwert
M_EM: elektromotorisches Moment
M_VM: verbrennungsmotorisches Moment
M_VMmax: maximales verbrennungsmotorisches Moment
M_Fzg: Gesamtantriebsmoment
M_W: Wunschmoment
M_Wmax: maximales Wunschmoment
B: Boostphase
S: Unterstützungsphase
N: neutrale Phase
L: Ladephase
D: Absteuerungsphase
H: Hochsteuerungsphase

Claims

Verfahren zur Momentensteuerung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12), sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) ein positives beziehungsweise negatives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10) darstellt, und wobei bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein aktuell bereitgestelltes Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10), (a) in einer anfänglichen Boostphase (B) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein dynamisches, positives, elektromotorisches Moment (M_EM) aufgeprägt wird, das während der Boostphase (B) ein Maximum durchläuft, und (b) in einer zweiten Phase (S, L) für eine vorgebbare Dauer ein vorgebbares, im Wesentlichen konstantes, positives oder negatives elektromotorisches Moment (M_EM) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) aufgeprägt wird, so dass das resultierende Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) zumindest annähernd dem Wunschmoment (M_W) entspricht, wobei Vorzeichen und/oder Höhe des elektromotorischen Moments (M_EM) in Abhängigkeit von dem Wunschmoment (M_W) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Wunschmoment (M_W) größer oder gleich einem maximalen verbrennungsmotorischen Moment (M_VMmax) des Verbrennungsmotors (12) ist, die zweite Phase als Unterstützungsphase (S) durchgeführt wird, in welcher die elektrische Maschine (14) motorisch mit einem positiven elektromotorischen Moment (M_EM) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Wunschmoment (M_W) kleiner als das maximale verbrennungsmotorische Moment (M_VMmax) des Verbrennungsmotors (12) ist, die zweite Phase als Ladungsphase (L) durchgeführt wird, in welcher die elektrische Maschine (14) generatorisch mit einem negativen elektromotorischen Moment (M_EM) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der zweiten Phase (S, L) und/oder die Höhe des elektromotorischen Momentes (M_EM) während der zweiten Phase (S, L) in Abhängigkeit von einem Ladungszustand (SOC) und/oder einem Alterungszustand (SOH) eines elektrischen Energiespeichers (22) der elektrischen Maschine (14) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der zweiten Phase (S, L) und/oder die Höhe des elektromotorischen Momentes (M_EM) während der zweiten Phase (B) in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl einer insbesondere gemeinsamen Kurbelwelle der Hybridantriebseinheit (10) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Wunschmoment (M_W) größer oder gleich einem maximalen verbrennungsmotorischen Moment (M_VMmax) des Verbrennungsmotors (12) ist, die Boostphase (B) bis zum Erreichen des maximalen verbrennungsmotorischen Momentes (M_VMmax) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Wunschmoment (M_W) kleiner als das maximale verbrennungsmotorische Moment (M_VMmax) des Verbrennungsmotors (12) ist, die Boostphase (B) zumindest bis zum Erreichen eines im Wesentlichen dem Wunschmoment (M_W) entsprechenden Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Wunschmoment (M_W) größer als das maximale verbrennungsmotorische Moment (M_VMmax) ist, insbesondere wenn gleichzeitig ein Pedalwert (PW) eines Pedalwertgebers 90 bis 100 %, vorzugsweise 95 bis 100 % beträgt, im Anschluss an die zweite Phase eine neutrale Phase (N) durchgeführt wird, in der die elektrische Maschine (14) zumindest näherungsweise mit einem Nullmoment betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Boostphase (B) das verbrennungsmotorische Moment (M_VM) und das elektromotorische Moment (M_EM) derart gesteuert werden, dass ein zumindest annähernd maximaler Anstieg des Gesamtantriebsmomentes (M_Fzg) resultiert.
Momentensteuerung (30) eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12), sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) ein positives beziehungsweise negatives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10) darstellt, wobei die Momentensteuerung (30) bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein aktuell bereitgestelltes Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) der Antriebseinheit (10), (a) in einer anfänglichen Boostphase (B) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) ein dynamisches, positives, elektromotorisches Moment (M_EM) aufprägt, das während der Boostphase (B) ein Maximum durchläuft, und (b) in einer zweiten Phase (S, L) für eine vorgebbare Dauer ein vorgebbares, im Wesentlichen konstantes, positives oder negatives elektromotorisches Moment (M_EM) dem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) aufprägt, so dass das resultierende Gesamtantriebsmoment (M_Fzg) zumindest annähernd dem Wunschmoment (M_W) entspricht, wobei Vorzeichen und/oder Höhe des elektromotorischen Moments (M_EM) in Abhängigkeit von dem Wunschmoment (M_W) vorgegeben wird.
Momentensteuerung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12), insbesondere über einen Abgasturbolader, mit einer komprimierten Ladeluft versorgt wird.