DE102006007983A1 - Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der mehrere Zylinder aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor im parallelen Hybridbetrieb betrieben werden. Es ist vorgesehen, dass im Teillastbereich des Verbrennungsmotors mindestens ein Zylinder abgeschaltet wird, wobei eine Änderung verbrennungsmotorischer Leistung und/oder verbrennungsmotorischer Leistungsanforderung zumindest teilweise durch den Elektromotor ausgeglichen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, der mehrere Zylinder aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor im parallelen Hybridbetrieb betrieben werden.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs ist bekannt. Bei großer Leistungsanforderung, wie zum Beispiel beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam, wobei der Verbrennungsmotor des Hybridantriebs bei gleicher maximaler Beschleunigung gegenüber einem konventionellen Antrieb kleiner dimensioniert sein kann. Die Verkleinerung des Verbrennungsmotors kompensiert dabei teilweise das zusätzliche Gewicht des Hybridantriebs. Da der Verbrennungsmotor im oberen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment liefert, während der Elektromotor im niedrigen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment liefert, ergänzt bei diesem Verfahren der Elektromotor den Verbrennungsmotor. Eine Verbrauchsoptimierung findet dadurch statt, dass ein Betrieb des Verbrennungsmotors in Arbeitsbereichen niedriger Effizienz möglichst vermieden wird. Die Kombination beider Motoren im Hybridantrieb kann insbesondere in einer Leerlaufphase und bei einem anschließenden Anfahren zur Kraft stoffverbrauchseinsparung genutzt werden. Dazu wird der Verbrennungsmotor in der Leerlaufphase abgeschaltet und das Fahrzeug beim anschließenden Anfahren bis zum Start des Verbrennungsmotors vom Elektromotor alleine beschleunigt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs zeichnet sich dadurch aus, dass im Teillastbereich des Verbrennungsmotors mindestens ein Zylinder abgeschaltet wird, wobei eine Änderung verbrennungsmotorischer Leistung und/oder verbrennungsmotorischer Leistungsanforderung zumindest teilweise durch den Elektromotor ausgeglichen wird. Der im Teillastbereich betriebene Verbrennungsmotor weist einen niedrigeren Wirkungsgrad auf als bei einem Betrieb in einem Arbeitspunkt knapp unterhalb des maximalen Drehmoments. Dies gilt auch für jeden einzelnen Zylinder. Durch die Zylinderabschaltung (Zylinderausblendung) im Teillastbereich muss eine geringere Anzahl nicht abgeschalteter (aktiver) Zylinder eine höhere spezifische Leistung erbringen, damit der Verbrennungsmotor die gleiche Gesamtleistung erzielt. Da der einzelne Zylinder mit zunehmender Leistungsanforderung effektiver arbeitet, arbeitet auch der Verbrennungsmotor insgesamt effektiver. Der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors wird durch die Zylinderabschaltung verbessert und der Verbrennungsmotor wird kraftstoffsparender betrieben. Beim Abschalten des Zylinders kommt es zu Beeinträchtigungen der Fahrdynamik, wie zum Beispiel kurzfristigen Leistungseinbußen des Verbrennungsmotors. Diese Beeinträchtigungen werden zumindest teilweise durch elektromotorische Leistung des Elektromotors kompensiert. Auch bei größeren Änderungen der Leistungsanforderung, wie zum Beispiel bei einer Kickdown-Anforderung auf Fahrerwunsch, kann der Elektromotor die fehlende verbrennungsmotorische Leistung zumindest teilweise ausgleichen, bis alle Zylinder des Verbrennungsmotors wieder aktiv sind.
  • Es ist zweckmäßig, dass bei kleinerer Leistungsanforderung an den Hybridantrieb eine größere Zahl an Zylindern abgeschaltet wird als bei größerer Leistungsanforderung, wobei die nicht abgeschalteten Zylinder effizienter arbeiten. Je nach Leistungsanforderung und Anteil der verbrennungsmotorischen Leistung an der Gesamtleistung des Hybridantriebs wird die Anzahl der nicht abgeschalteten Zylinder derart gewählt, dass diese in einem Arbeitsbereich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Dieser Arbeitsbereich und insbesondere der Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad liegt knapp unterhalb des Bereiches mit maximalem Drehmoment.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Betriebsparameter der nicht abgeschalteten Zylinder derart gewählt ist, dass die verbrennungsmotorische Leistung – bei möglichst hohem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors – an die Leistungsanforderungen angepasst ist. Da sich durch die Zylinderabschaltung unter Ausnutzung hoher spezifischer Leistung der einzelnen Zylinder ein gestuftes Leistungsspektrum des Verbrennungsmotors ergibt, müssen für eine feinere Leistungsabstufung bestimmte Betriebsparameter der nicht abgeschalteten Zylinder angepasst werden um eine kontinuierliche oder zumindest eine annähernd kontinuierliche Leistungsänderung des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise bestimmen die Betriebsparameter Kraftstoffzufuhr und/oder Verbrennungsluftzufuhr und/oder Zündzeitpunkt. Die Betriebsparameter zur Beeinflussung dieser Größen sind zum Beispiel Einspritzdauer des Kraftstoffs, Drosselklappenwinkel beim Ansaugrohr oder Winkeleinstellung der Zündung.
  • Insbesondere bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren kann der Zündzeitpunkt unabhängig von anderen Betriebsparametern gewählt werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Elektromotor derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass bei einem unruhigen Lauf des Verbrennungsmotors die daraus resultierenden Leistungsschwankungen von dem Elektromotor kompensiert werden. Die durch die explosiansartige Verbrennung und die unterschiedliche Leistungsabgabe bei unterschiedlichen Arbeitstakten des Verbrennungsmotors resultierenden Leistungsschwankungen werden durch das Abschalten des Zylinders weiter erhöht, da die Abstimmung von Drehmomentänderungen innerhalb eines Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors nicht mehr gegeben ist und der Verbrennungsmotor unruhiger läuft. Gleichzeitig kann eine Schwingungskompensation durch den Elektromotor erfolgen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Teillastbetrieb zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Zylinder, insbesondere zyklisch, abgeschaltet werden. Um ein Auskühlen der abgeschalteten Zylinder und eine ungleichmäßige Wärmeentwicklung im Motorblock zu vermeiden, kann die vom Verbrennungsmotor zu leistende Arbeit auf unterschiedliche Zylinder verteilt werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zum Aufladen eines dem Elektromotor zugeordneten elektrischen Speichers durch einen elektrischen Generator genutzt wird. Insbesondere im Stadtverkehr trägt die Rückgewinnung der Energie (Rekuperation) stark zur Minderung des Kraftstoffverbrauchs bei. Die Umwandlung von kinetischer Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie kann auch in solchen Fällen genutzt werden, bei denen ein herkömmlicher Antrieb im Schubbetrieb arbeitet.
  • Vorzugsweise erfolgt der Ausgleich der Änderung verbrennungsmotorischer Leistung durch den Elektromotor nur bei einem Ladezustand des elektrischen Speichers oberhalb einer vorgegebenen Ladungsschwelle. Der Ladezustand des elektrischen Speichers genießt bei diesem Verfahren höchste Priorität. Liegt der Ladezustand über einer oberen Schwelle, wird das Verfahren angewendet, wobei der Ladezustand in einem Bereich gehalten wird, bei dem die durch Rekuperation gewonnene elektrische Energie effektiv gespeichert werden kann.
  • Bevorzugt ist der elektrische Speicher eine wiederaufladbare Batterie. Bei einer solchen Batterie kann die durch Rekuperation gewonnene und in elektrische Energie umgewandelte Energie einfach gespeichert werden. Eine solche Batterie ist einfach handhabbar, sicher und weist ein für ein Kraftfahrzeug akzeptables Verhältnis aus Speicherkapazität und Eigengewicht auf.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Elektromotor den elektrischen Generator bildet. Kann der Elektromotor auch im generatorischen Betrieb arbeiten, so spart dies einen separaten Generator und ein zusätzliches Getriebe, das Räder und Generator verbindet, sowie zusätzliche elektrische Leitungen, die den elektrischen Speicher mit dem Generator verbinden.
  • Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Zylinder Ventile aufweisen, wobei die Ventile des abgeschalteten Zylinders so gestellt werden, dass die auftretenden Verluste durch Gastransport und/oder mechanische Arbeit verringert werden.
    •
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Ablaufplan für einen Ablauf eines Verfahrens zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs und
  • 2 die Zusammensetzung von Antriebsleistung verschiedener Betriebssituationen des Hybridantriebs in einem Vergleich.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist ein Ablaufplan für einen Verfahrensablauf zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs und in 2 daraus resultierenden Betriebssituationen und die Zusammensetzung von deren Antriebsleistung gezeigt. Der nicht dargestellte Hybridantrieb besteht zum Beispiel aus einem Verbrennungsmotor, der mehrere Zylinder aufweist, mindestens einem Elektromotor, einem auf die Antriebsräder wirkenden Getriebe und mindestens einem, dem Elektromotor zugeordneten elektrischen Speicher, wobei ein Abtriebsstrang des Verbrennungsmotors und ein Abtriebsstrang des Elektromotors mit einem Getriebeeingangsstrang des Getriebes über jeweils eine steuerbare Kupplung so kuppelbar sind, dass der Verbrennungsmotor und/oder der Elektromotor die Antriebsräder antreibt.
  • Bei dem in 1 gezeigte Verfahrensablauf wird von einem Startpunkt 1, bei dem sich der Hybridantrieb in einem beliebigen Betriebszustand befinden kann, gestartet und zu dem Programmpunkt 2 verzweigt. Bei Programmpunkt 2 wird überprüft, ob der Ladezustand des elektrischen Speichers oberhalb einer vorgegebenen Ladungsschwelle ist. Ist dies nicht der Fall, wird entlang des mit dem Buchstaben n (nein) gekennzeichneten Pfades zum Programmpunkt 3 verzweigt, bei dem das Verfahren abbricht. Ist beim Programmpunkt 2 der Ladezustand oberhalb der vorgegebenen Ladungsschwelle, so wird entlang des mit j (ja) gekennzeichneten Pfades zum Programmpunkt 4 verzweigt. Beim Programmpunkt 4 wird überprüft, ob sich der Verbrennungsmotor mit seinem Arbeitspunkt im Teillastbereich befindet. Ist dies nicht der Fall, so wird entlang des mit dem Buchstaben n gekennzeichneten Pfades zu einem Programmpunkt 5 verzweigt, bei dem das Verfahren zur Verbrauchsoptimierung abbricht.
  • Andernfalls wird entlang des mit dem Buchstaben j gekennzeichneten Pfades zu einem Programmpunkt 6 verzweigt. Bei Programmpunkt 6 erfolgt eine Abfrage, ob der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors bezogen auf die verbrennungsmotorische Leistung minimal ist. Ist dies nicht der Fall, so wird entlang des Pfades, der mit dem Buchstaben n gekennzeichnet ist, auf den Programmpunkt 7 verzweigt, bei dem eine bestimmte Anzahl von Zylindern abgeschaltet werden. Diese Anzahl ergibt sich aus einer vorher bestimmten Kennlinie. Die verbrennungsmotorische Leistung 9 bleibt annähernd konstant, wobei geringe Änderungen der verbrennungsmotorischen Leistung 9 (zum Beispiel Leistungsschwankungen durch unruhigen Lauf) durch den Elektromotor ausgeglichen werden. Ist bei der Abfrage des Programmpunkts 6 der spezifische Kraftstoffverbrauch minimal, so wird entlang des mit dem Buchstaben j gekennzeichneten Weges zum Programmpunkt 8 verzweigt. Beim Programmpunkt 8 erfolgt ein Abschalten von Zylindern in Verbindung mit einer Anpassung von Betriebsparametern, wie zum Beispiel Drosselklappenstellung, Einspritzdauer und/oder Winkeleinstellung der Zündung an die Leistungsanforderungen, wobei die elektrische Maschine größere Leistungsänderungen des Verbrennungsmotors ausgleicht. Ein weiterer Betriebsparameter kann zum Beispiel auch eine (optimale) Getriebeübersetzung eines automatischen Getriebes (zum Beispiel Automatic Transmission AT oder Continous Variable Transmission CVT) sein. Nachdem einer der Programmpunkte 3, 5, 7, 8 des Verfahrensablauf durchlaufen ist, wird auf den Startpunkt 1 zurückverwiesen (im Ablaufplan nicht gezeigt).
  • Es ergeben sich folgende Betriebssituationen gemäß der Programmpunkte 3, 5, 7, 8: Beim Programmpunkt 3 ist der Ladezustand des elektrischen Speichers unzureichend, sodass das Verfahren zur Verbrauchsoptimierung nicht angewendet werden kann. Liegt der Ladezustand des elektrischen Speichers jedoch oberhalb der vorgegebenen Ladungsschwelle (Programmpunkt 4), ist der elektrische Antrieb für eine Anwendung des Verfahrens bereit. Die Ladungs schwelle ist so gewählt, dass der elektrischen Speicher bei einem Ladezustand gehalten wird, bei dem die durch Rekuperation gewonnene Energie im elektrischen Speicher optimal gespeichert werden kann. Beim Programmpunkt 5 wird der Verbrennungsmotor nicht im Teillastbereich betrieben, sodass das Verfahren zur Verbrauchsoptimierung nicht angewendet werden kann, da – zum Beispiel beim Volllastbetrieb – eine derart hohe Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor herrscht, dass eine Zylinderabschaltung nicht möglich ist. Beim Programmpunkt 7 befindet sich der Verbrennungsmotor im Teillastbereich, wobei eine Zylinderabschaltung realisiert ist und nur geringe Änderungen der verbrennungsmotorischen Leistung 9 auftreten, die, zumindest teilweise, durch den Elektromotor ausgeglichen werden. Beim Programmpunkt 8 befindet sich der Verbrennungsmotor ebenfalls im Teillastbetrieb, wobei eine Zylinderabschaltung realisiert ist. Zusätzlich sind die Betriebsparameter der nicht abgeschalteten Zylinder derart gewählt, dass sich ein verbrennungsmotorisches Verbrauchsoptimum erreichen lässt, wobei die verbrennungsmotorische Leistung 9 jedoch stark verringert ist. Die elektrische Maschine gleicht den Leistungsverlust aus, wobei eine konstante oder annähernd konstante Gesamtleistung 13 des Hybrid-Antriebs erreicht wird. Um dies zu erreichen, muss zuvor mit einem Optimierungsalgorithmus der Anteil der Leistungen von dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor im Hinblick auf einen minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch berechnet werden.
  • In 2 werden die Anteile von verbrennungsmotorischer Leistung 9, elektromotorischer Antriebsleistung 10, elektrogeneratorischer Leistung 11 und Ausgleichsleistung 12 an der Gesamtleistung 13 für vier Betriebssituationen des Hybridantriebs angegeben. Bei der ersten Betriebssituation 14, die durch einen rein verbrennungsmotorischen Antrieb gekennzeichnet ist, setzt sich die Gesamtleistung 13 aus der verbrennungsmotorischen Leistung 9 und der elektrogeneratorischen Leistung 11 zusammen, wobei die elektrogeneratorische Leistung 11 als Leistungsanforderung die verbrennungsmotorische Leistung 9 auf die Gesamtleistung 13 reduziert. Diese erste Betriebssituation 14 herrscht zum Beispiel vor, wenn der Ladezustand des elektrischen Speichers auf einen Wert unterhalb einer kritischen Ladungsschwelle abgesunken ist, bei dem ein Betrieb des Elektromotors unmöglich ist. Die erste Betriebssituation 14 ist auch von dem konventionellen Antrieb bekannt. Die zweite Betriebssituation 15 ist durch einen Hybridantrieb gekennzeichnet, bei dem sich die verbrennungsmotorische Leistung 9 und die elektromotorische Antriebsleistung 10 zur Gesamtleistung 13 des Hybridantriebs addieren. Eine derartige Betriebssituation 15 ist zum Beispiel gegeben, wenn keiner der Zylinder des Verbrennungsmotors abgeschaltet ist. Die dritte Betriebssituation 16 ist durch einen Hybridantrieb gekennzeichnet, bei dem mindestens ein Zylinder abgeschaltet ist und Änderungen der verbrennungsmotorischen Leistung und/oder Änderungen der verbrennungsmotorischen Leistungsanforderung durch die Ausgleichsleistung 12 des Elektromotors kompensiert werden. Die Ausgangsleistung 12 dient zur Schwingungskompensation von Schwingungen des Verbrennungsmotors. Die verbrennungsmotorische Leistung 9 ist konstant. Die Gesamtleistung 13 des Hybridantriebs setzt sich bei der dritten Betriebssituation 16 aus verbrennungsmotorischer Leistung 9, Ausgleichsleistung 12 und elektromotorischer Antriebsleistung 10 zusammen, wobei die gegenüber der zweiten Betriebssituation 15 verringerte verbrennungsmotorische Leistung 9 durch die zusätzliche Ausgleichsleistung 12 des Elektromotors ausgeglichen wird. Diese Betriebssituation 16 herrscht beim Programmpunkt 7 des Verfahrensablaufs aus 1 vor. Bei der vierten Betriebssituation 17, die ebenfalls durch Hybridantrieb, Zylinderabschaltung und Ausgleich gekennzeichnet ist, ist zusätzlich mindestens ein Betriebsparameter der nicht abgeschalteten Zylinder des Verbrennungsmotors angepasst. Diese Betriebssituation 17 herrscht beim Programmpunkt 8 des Verfahrensablaufs vor. Gegenüber der dritten Betriebssituation 16 ergibt sich zum Beispiel eine verringerte verbrennungsmotorische Leistung 9, die durch eine entsprechend höhere elektromotorische Antriebsleistung 10 kompensiert wird, wo bei verbrennungsmotorische Leistungen 9, elektromotorische Antriebsleistung 10 und Ausgleichsleistung 12 in ihrer Summe die Gesamtleistung 13 ergeben. Die Ausgleichsleistung 12 in der Betriebssituation 17 ist durch eine erhöhte Schwingungskompensation größer als in Betriebssituation 16.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Verbrauchsoptimierung eines Hybridantriebs, insbesondere eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, der mehrere Zylinder aufweist, und mit mindestens einem Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor im parallelen Hybridbetrieb betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich des Verbrennungsmotors mindestens ein Zylinder abgeschaltet wird, wobei eine Änderung verbrennungsmotorischer Leistung und/oder verbrennungsmotorischer Leistungsanforderung zumindest teilweise durch den Elektromotor ausgeglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinerer Leistungsanforderung an den Hybridantrieb eine größere Zahl an Zylindern abgeschaltet wird als bei größerer Leistungsanforderung, wobei die nicht abgeschalteten Zylinder effizienter arbeiten.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Betriebsparameter der nicht abgeschalteten Zylinder derart gewählt ist, dass die verbrennungsmotorische Leistung – bei möglichst hohem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors – an die Leistungsanforderungen angepasst ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter Kraftstoffzufuhr und/oder Verbrennungsluftzufuhr und/oder Zündzeitpunkt bestimmen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren der Zündzeitpunkt unabhängig von anderen Betriebsparametern ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass bei einem unruhigen Lauf des Verbrennungsmotors die daraus resultierenden Leistungsschwankungen von dem Elektromotor kompensiert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Zylinder, insbesondere zyklisch, abgeschaltet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zum Aufladen eines, dem Elektromotor zugeordneten elektrischen Speichers durch einen elektrischen Generator genutzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleich durch den Elektromotor nur bei einem Ladezustand des elektrischen Speichers oberhalb einer vorgegebenen Ladungsschwelle erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher eine wiederaufladbare Batterie ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor den elektrischen Generator bildet.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder Ventile aufweisen, wobei die Ventile des abgeschalteten Zylinders so gestellt werden, dass die auftretende Verluste durch Gastransport und/oder mechanische Arbeit verringert werden.
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