DE102006016134A1

DE102006016134A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine eines Hybridantriebs

Info

Publication number: DE102006016134A1
Application number: DE102006016134A
Authority: DE
Inventors: Kay Hindorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-11
Also published as: WO2007113123A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten oder während Bremsphasen. Der Hybridantrieb umfasst eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens einen elektrischen Antrieb. Die Verbrennungskraftmaschine und der mindestens eine elektrische Antrieb können durch eine Kupplung vom restlichen Antriebsstrang getrennt werden. Im Fahrzeug ist mindestens eine Batterie vorhanden. Die Kupplung wird bei niedrigen Geschwindigkeiten abhängig von einer Drehzahl am Getriebeeingang n_GE geöffnet, die Verbrennungskraftmaschine bei geöffneter Kupplung abhängig vom Ladezustand SOC der mindestens einen Batterie in einem Betriebspunkt betrieben, in dem sie ihr minimales Antriebsmoment M<SUB>an,min</SUB> an den mindestens einen elektrischen Antrieb abgibt.

Description

Stand der Technik
DE 102 02 531 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs. Der Hybridantrieb umfasst als Antriebsmaschinen eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eine elektrische Maschine. Die Abtriebswellen der Antriebsmaschinen sind mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbindbar. Bei einer negativen Momentenanforderung, was z. B. beim Bremsen auftritt, an den Antriebsstrang des Fahrzeugs erfolgt eine kennfeldbasierte Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine im generatorischen Betriebsmodus. Die Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine des Hybridantriebes erfolgt in Abhängigkeit von einem Soll-Bremsmoment M_{A, Soll} und einer Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Ansteuerung der wenigstens einen elektrischen Maschine wird von einem Regenerationsstrategieblock übernommen, der über eine Schnittstelle die erforderlichen Signale erhält und der über Funktionsmodule verfügt, die Steuersignale für die wenigstens eine elektrische Maschine generieren.
Bei Hybridantrieben werden mittlerweile Parallelhybridantriebe eingesetzt, die eine oder zwei Kupplungen aufweisen. Bei Parallelhybridantrieben sind die Verbrennungskraftmaschine und die mindestens eine elektrische Maschine derart angeordnet, dass sich das gesamte Antriebsmoment aus der Summe der jeweiligen Einzelmomente ergibt, abgesehen vom Leistungsbedarf von Nebenaggregaten. Eine Trennkupplung kann sich z. B. in diesem Falle zwischen den Aggregaten Verbrennungskraftmaschine und Elektromaschine einerseits und dem Getriebe andererseits befinden. Bei Parallelhybridantrieben besteht die Möglichkeit, beim Bremsen kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und in der Fahrzeugbatterie oder einem anderen Batteriespeicher einzuspeisen (Rekuperationsmodus). Aufgrund einer fehlenden zweiten Trennkupplung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Elektromaschine oder in Situationen, in denen eine solche zweite Trennkupplung nicht geöffnet werden soll, z. B. wenn die Verbrennungskraftmaschine nicht abgeschaltet werden soll, ist dieser Betriebsmodus jedoch nur so lange möglich, wie die von der Fahrgeschwindigkeit und dem Übersetzungsverhältnis abhängige Drehzahl über der Mindestdrehzahl des Verbrennungsmotors liegt und die Trennkupplung zwischen den Aggregaten einerseits und dem Getriebe andererseits demnach geschlossen bleiben kann.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Fahrzuständen eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, in denen die Fahrgeschwindigkeit so gering ist, dass bei geschlossener Trennkupplung die Mindestdrehzahl des Verbrennungsmotors unterschritten würde und gleichzeitig der Verbrennungsmotor nicht abgeschaltet werden soll oder darf, einen energieoptimalen Betrieb sicherzustellen.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, muss die Verbrennungskraftmaschine innerhalb eines Hybridantriebs, insbesondere innerhalb eines Parallelhybridantriebs, bei geringen Fahrgeschwindigkeiten und geöffneter Kupplung nicht im Leerlauf betrieben werden, sondern stattdessen kann ein minimales Antriebsmoment, das die Verbrennungskraftmaschine liefert, dazu ausgenutzt werden, um einen Energiespeicher zu laden. Durch diese Vorgehensweise wird ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch Energie in elektrischer Form gespeichert, die später zum Antreiben des Fahrzeugs mit Hybridantrieb wieder genutzt werden kann.
Die Größe des nutzbaren Drehmomentes einer Verbrennungskraftmaschine, wie z. B. eines Ottomotors, wird in erster Linie über die eingesetzte Kraftstoffmenge gesteuert. Unterhalb eines gewissen Drehmomentes wird zur weiteren Reduzierung des Drehmomentes jedoch die Kraftstoffmenge konstant gehalten und anstelle der zugemessenen Kraftstoffmenge der Zündwinkel variiert. In diesen Betriebspunkten verbraucht die Verbrennungskraftmaschine im Falle eines Ottomotors genauso viel Kraftstoff wie bei gleicher Drehzahl, jedoch höherem Drehmoment, dem minimalen Antriebsmoment. Wird die Verbrennungskraftmaschine des Parallelhybridantriebes mit mindestens einer elektrischen Maschine statt mit ihrem Leerlaufmoment bei gleichem Kraftstoffverbrauch mit dem minimalen Antriebsmoment betrieben, so kann das sich einstellende überschüssige Drehmoment von einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine aufgenommen werden und zum Laden der Fahrzeugbatterie des konventionellen Fahrzeugbordnetzes (12 Volt-Bordnetz oder 42 Volt-Bordnetz) genutzt werden oder zum Aufladen der Hochspannungsbatterie, die der mindestens einen elektrischen Maschine innerhalb des Parallelhybridantriebes zugeordnet ist, eingesetzt werden. Von diesem Betriebsmodus wird nur dann abgesehen, wenn der betreffende Energiespeicher bereits vollständig geladen ist und daher keine weitere Energie speichern kann. In diesem Falle wird die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf betrieben.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine, aufgetragen über das Antriebsmoment mit zwei ausgewählten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine und
2 eine Ausführungsvariante eines Signalflussverlaufes sowie die Eingangsparameter zur Betätigung einer Trennkupplung und zur Einstellung des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist der Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit einer Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen, aufgetragen über das Moment der Verbrennungskraftmaschine.
Die Größe des nutzbaren Drehmomentes einer Verbrennungskraftmaschine, wie z. B. eines Ottomotors, wird in erster Linie über die eingesetzte Kraftstoffmenge gesteuert. Unterhalb eines bestimmten Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine wird zur weiteren Reduzierung des Drehmomentes jedoch die Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit konstant gehalten und stattdessen der Zündwinkel an der Verbrennungskraftmaschine variiert. In dem in 1 schraffiert dargestellten Bereich 10 ist das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine nicht einstellbar. Der nicht einstellbare Bereich 10 findet seine untere Begrenzung im Schleppmoment M_Schlepp der Verbrennungskraftmaschine. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass die Verbrennungskraftmaschine im ersten Betriebspunkt ➀ einen Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit aufweist, der mit dem Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit in einem zweiten Betriebspunkt ➁ identisch ist. Der erste Betriebspunkt ➀ und der zweite Betriebspunkt ➁ unterscheiden sich dadurch voneinander, dass im zweiten Betriebspunkt ➁ ein höheres Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine, nämlich das minimale Antriebsmoment M_{an, min}, vorliegt, obwohl die Kraftstoffverbräuche pro Zeiteinheit im ersten Betriebspunkt ➀ der Verbrennungskraftmaschine und in deren zweiten Betriebs punkt ➁ identisch sind, wie aus der horizontal verlaufenden Verbrauchskennlinie 12 zwischen dem ersten Betriebspunkt ➀ und dem zweiten Betriebspunkt ➁ hervorgeht. Wird das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine M_VKM über das minimale Antriebsmoment M_{an, min} gesteigert, so steigt die Verbrauchskennlinie 12 gemäß einer Steigung 16 an, die abhängig vom Drehmomentenwunsch des Fahrers des Fahrzeugs ist.
Ist die Verbrennungskraftmaschine innerhalb eines Hybridantriebs, insbesondere eines Parallelhybridantriebs, für ein Kraftfahrzeug aufgenommen, so kann die Verbrennungskraftmaschine bei gleichem Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit statt im ersten Betriebspunkt ➀ im zweiten Betriebspunkt ➁ betrieben werden. Da die Kraftstoffverbräuche pro Zeiteinheit für die beiden Betriebspunkte ➀ und ➁ identisch sind, entsteht kein Verbrauchsnachteil, jedoch liegt im zweiten Betriebspunkt ➁ das minimale Antriebsmoment M_{an, min} vor, was als überschüssiges Drehmoment von der in diesem Falle als Generator betriebenen mindestens einen elektrischen Maschine aufgenommen werden kann. Über die in diesem Betriebsmodus als Generator betriebene elektrische Maschine kann die Fahrzeugbatterie geladen werden, sofern dies der Ladezustand der Batterie zulässt. Unter Batterie werden in diesem Zusammenhang eine 12 V- oder eine 42 V-Fahrzeugbatterie oder Hochspannungsbatterien sowie auch Kondensatoren zur kurzfristigen Energiespeicherung verstanden. Über die im Generatormodus betriebene mindestens eine elektrische Maschine können andererseits auch ohne Zwischenspeicherung von elektrischer Energie elektrische Verbraucher oder Nebenaggregate unmittelbar versorgt werden.
Der Darstellung gemäß 2 ist ein Signalflussverlauf zu entnehmen, mit dem einerseits ein Kupplungssignal generiert wird und andererseits ein Signal für ein an der Verbrennungskraftmaschine einzustellendes Moment.
Gemäß des in 2 dargestellten Signalflussverlaufes stehen als Eingangssignale die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE, das geforderte Moment am Getriebeausgang T_GE_gef sowie der Ladezustand einer Batterie SOC zur Verfügung. Eine Information über einen maximalen Ladezustand der Batterie SOC_max ist energiespeicherspezifisch und steht als wohldefiniertes Signal per se zur Verfügung.
Die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE und die von der Verbrennungskraftmaschine abhängige Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine n_min werden als Eingangssignale einer ersten Logik 22 aufgegeben, welche die Werte n_ge und n_min miteinander vergleicht. Daneben wird ein der Drehzahl am Getriebeeingang korrespondierendes Signal n_GE einem Subsystem 24 eingangsseitig aufgegeben. Dem Subsystem 24 wird darüber hinaus auch ein dem geforderten Moment am Getriebeeingang T_GE_gef eingangsseitig entsprechendes Signal aufgegeben. Ferner erhält das Subsystem 24 eine Information hinsichtlich des Batterieladezustandes SOC.
Einer zweiten Logik 26 werden eingangsseitig der Batterieladezustand in Form des Signales SOC und die Information hinsichtlich des maximalen Ladezustandes der Batterie SOC_max eingangsseitig aufgegeben.
Die erste Logik 22 prüft, ob die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE kleiner ist als die Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine n_min. Der Ausgang der ersten Logik 22 liefert demnach die Werte 1 (wahr) oder 0 (falsch). An Schaltern 34, 36 wird jeweils ein oberer Eingang durchgeschaltet, wenn an einem mittleren Eingang 1 (wahr) anliegt, oder der jeweils untere Eingang durchgeschaltet, wenn am mittleren Eingang 0 (falsch) anliegt.
Das Subsystem 24 generiert aus den Eingangsinformationen Drehzahl am Getriebeeingang n_GE, gefordertes Moment am Getriebeeingang T_GE_gef sowie dem den Ladezustand der Batterie repräsentierenden Signal SOC ein Signal für das von der Verbrennungskraftmaschine geforderte Moment T_VB_gef. Das am Subsystem 24 ausgangsseitig generierte Signal T_VB_gef wird eingangsseitig dem zweiten Schalter 36 aufgegeben, der ein Signal 32 für das einzustellende Moment der Verbrennungskraftmaschine M_Soll,
VKM durchschaltet.
Eingangsseitig stehen am ersten Schalter 34 zur Erzeugung des Kupplungssignales 30 die Signale zum Öffnen (1) und Schließen (0) der Trennkupplung an. Diese Signale werden in Abhängigkeit des Ausgangs der ersten Logik 22 durchgeschaltet. Wird durch den ersten Schalter 34 die 0 durchgeschaltet, so ist dies das Signal zum Öffnen beziehungsweise zum Geöffnetlassen der Trennkupplung zwischen den Aggregaten einerseits und dem Getriebe andererseits. Wird andererseits am ersten Schalter 34 die 1 durchgeschaltet (wahr), so ist dies das Signal zum Schließen beziehungsweise zum Geschlossenhalten der Trennkupplung zwischen den Aggregaten einerseits und dem Getriebe andererseits.
Dem zweiten Schalter 36 zur Einstellung des Momentes der Verbrennungskraftmaschine werden eingangsseitig das minimale Antriebsmoment des Ottomotors T_VB_min, welches dem in Zusammenhang mit 1 erwähnten minimalen Antriebsmoment M_{an, min} entspricht, das Ausgangssignal des Operators 28 mit UND-Verknüpfung (AND) sowie das Ausgangssignal des Subsystems 24, nämlich das geforderte Moment T_VB_gef, der Verbrennungskraftmaschine aufgegeben. Die UND-Verknüpfung liefert nur dann den Wert 1 (wahr), wenn beide Eingänge wahr, also mit Signal 1 belegt sind, anderenfalls den Wert 0 (falsch).
Unterschreitet die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE die Mindestdrehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine, so wird diese Information sowohl dem Operator 28 mit UND-Verknüpfung (AND) als auch dem Eingang des ersten Schalters 34 aufgegeben. Liegt der aktuelle Ladezustand SOC der Batterie unterhalb des maximalen Ladezustands SOC_max der Batterie, so wird diese Information bejahendenfalls von der zweiten Logik 26 ebenfalls an den Operator 28 mit UND-Verknüpfung (AND) übertragen. Wenn diese beiden Informationen eingangsseitig am Operator 28 anliegen, wird durch den zweiten Schalter 36 zur Einstellung des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine das Sollmoment der Verbrennungskraftmaschine M_{Soll, VKM} 32 auf den am zweiten Schalter 36 eingangsseitig vorliegenden Wert T_VB_min eingestellt, so dass die Verbrennungskraftmaschine mit dem minimalen Antriebsmoment M_{an, min} gemäß 1, d. h. im zweiten Betriebspunkt ➁, betrieben wird. Gleichzeitig liegt die Information über die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE nach einem Vergleich mit der Mindestdrehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine in der ersten Logik 22 auch eingangsseitig am ersten Schalter 34 für das Kupplungssignal 30 an. Für den Fall, dass die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE die Mindestdrehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine unterschreitet, wird das an dem ersten Schalter 34 anstehende Signal „0" Kupplung offen durchgeschaltet und der erste Schalter 34 erzeugt ein Kupplungssignal 30 zum Öffnen der Kupplung. Wird die Verbrennungskraftmaschine gemäß des obenstehend skizzierten Verfahrens im in 1 dargestellten zweiten Betriebspunkt ➁ betrieben, so steht das von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte minimale Antriebsmoment M_{an, min} an der in diesem Betriebszustand als Generator betriebenen mindestens einen elektrischen Maschine an und kann einerseits zum Laden der im Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit Parallelhybridantrieb vorgesehenen 12 Volt- oder 42 Volt-Batterie genutzt werden oder andererseits zum Laden der Hochspannungsbatterie für den mindestens einen elektrischen Antrieb des Hybridantriebes des Fahrzeugs eingesetzt werden. Wie aus der Darstellung aus 1 hervorgeht, erfolgt das Laden der Batterien kraftstoffverbrauchsneutral, da im Falle des Betriebsmodus' Laden die Verbrennungskraftmaschine anstelle im ersten Betriebspunkt ➀ im zweiten Betriebspunkt ➁ betrieben wird, wobei die Verbrauchskennlinie 12 zwischen den beiden genannten Betriebspunkten ➀ und ➁ horizontal verläuft und durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung das im zweiten Betriebspunkt ➁ von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte minimale Antriebsmoment M_{an, min} zum Laden ausgenutzt werden kann. Wenn die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE unter der minimalen Drehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine liegt und somit die Trennkupplung zwischen den Aggregaten einerseits und dem Getriebe andererseits geöffnet sein muss, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsstrategie der Verschiebung des Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine in diesem Fahrzustand die Bordnetzbatterie oder eine innerhalb des Parallelhybridantriebes vorgesehene Batterie geladen werden.
Unter Subsystem 24 wird im vorliegenden Zusammenhang eine Betriebsstrategie verstanden, die aus dem geforderten Getriebeeingangsmoment T_GE_gef, der aktuellen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und dem Batterieladezustand SOC ein Sollmoment der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Innerhalb des Subsystems 24 erfolgt die Ermittlung des Sollmomentes der Verbrennungskraftmaschine anhand der vorstehend erwähnten Parameter. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann das durch das Subsystem 24 ermittelte Sollmoment in bestimmten Fällen überschrieben werden und durch den Wert für T_VB_min, d. h. das minimale Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine, überschrieben werden. Das Überschreiben erfolgt jedoch nur dann, wenn die in der ersten Logik 22, in der zweiten Logik 26 und die im Operator 28 mit UND-Verknüpfung geprüften Bedingungen allesamt erfüllt sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, mit einer Verbrennungskraftmaschine und mindestens einem elektrischen Antrieb, die über mindestens eine Kupplung auf ein Fahrzeuggetriebe wirken, sowie mit mindestens einer im Fahrzeug vorhandenen Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs in einem Betriebspunkt betrieben wird, in dem sie ihr minimales Antriebsmoment M_an,
min an den im Generatormodus betriebenen mindestens einen elektrischen Antrieb abgibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verbrennungskraftmaschine abhängig von einer Drehzahl am Getriebeeingang n_GE und/oder vom Ladezustand (SOC) der mindestens einen Batterie das minimale Antriebsmoment M_{an, min} der Verbrennungskraftmaschine eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE repräsentierendes Signal mit einem eine Mindestdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine repräsentierenden Signal n_min in einer ersten Logik (22) verglichen wird und sowohl einem ersten Schalter (34) zur Erzeugung eines Kupplungssignales (30) als auch einem Operator (28) mit UND-Verknüpfung aufgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Ladezustand der mindestens einen Batterie repräsentierendes Signal (SOC) mit einem einen maximalen Ladezustand der mindestens einen Batterie repräsentierenden Signal SOC_max in einer zweiten Logik (26) verglichen wird und einem Operator (28) mit UND-Verknüpfung aufgegeben wird.
Verfahren gemäß der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingangsseitig am Operator (28) mit UND-Verknüpfung anliegenden Ausgangssignalen der ersten und zweiten Logik (22, 26) im Falle einer die Mindestdrehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine unterschreitenden Drehzahl n_GE am Getriebeeingang und im Falle eines den maximalen Ladezustand SOC_max unterschreitenden aktuellen Ladezustandes SOC der mindestens einen Batterie, ein zweiter Schalter (36) zur Erzeugung eines Drehmomentes M_Soll,
VKM für die Verbrennungskraftmaschine ein dem minimalen Antriebsmoment M_{an, min} entsprechendes Signal (32) erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (34) für das Kupplungssignal (30) ein eine Trennkupplung zwischen dem Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine und mindestens einem Elektroantrieb und dem Fahrzeuggetriebe öffnendes Signal erzeugt, für den Fall, dass die Drehzahl am Getriebeeingang n_GE die Mindestdrehzahl n_min der Verbrennungskraftmaschine unterschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Subsystem (24) abhängig von den Eingangsgrößen Drehzahl am Getriebeeingang n_GE, gefordertes Moment am Getriebeeingang T_GE_ref und dem Ladezustand (SOC) der mindestens einen Batterie ein gefordertes Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batterie durch den mindestens einen elektrischen Antrieb geladen wird, wobei der mindestens eine elektrische Antrieb mit dem minimalen Antriebsmoment M_{an, min} der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird und die Trennkupplung zum Fahrzeuggetriebe geöffnet ist.