DE102006019031A1

DE102006019031A1 - Verfahren zur Momentensteuerung einer Hybridantriebseinheit sowie Hybridantriebseinheit

Info

Publication number: DE102006019031A1
Application number: DE102006019031A
Authority: DE
Inventors: Ekkehardt Dr.-Ing. Pott; Matthias Holz; Michael Dr.-Ing. Zillmer; David Prochazka
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-10-31
Also published as: US20070278021A1; US8250864B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Momentensteuerung einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12) sowie mindestens eine wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14) umfasst, wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (22) gespeist wird und ein positives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) des Verbrennungsmotors (12) ein Gesamtantriebsmoment (M_H) der Hybridantriebseinheit (10) darstellt. Die Erfindung betrifft ferner die Hybridantriebseinheit (10) mit einer entsprechenden Momentensteuerung (30). Es ist vorgesehen, dass bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein verbrauchsoptimiertes verbrennungsmotorisches Maximalmoment (M_VM,max,op), die elektrische Maschine (14) motorisch mit einem elektromotorischen Moment (M_EM) betrieben wird, wobei ein elektromotorisches Maximalmoment (M_EM,max) in Abhängigkeit von mindestens einem Zustandsparameter des Energiespeichers (22) vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Momentensteuerung einer Hybridantriebseinheit, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine entsprechende Hybridantriebseinheit. Die Hybridantriebseinheit umfasst einen Verbrennungsmotor sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine. Im motorischen Betrieb wird die elektrische Maschine durch einen Energiespeicher gespeist und liefert ein positives elektromotorisches Moment, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment des Verbrennungsmotors ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit darstellt.
Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet Kraftfahrzeuge, bei denen mindestens zwei Antriebsquellen 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 elektrischen Maschine, 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 vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Parallelkonzepte.
Die in solchen Parallelkonzepten eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. Im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb wird die E-Maschine 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. Demgegenüber wird die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten, unterstützend zum Verbrennungsmotor zugeschaltet (Boost-Funktion), das heißt es wird eine Momentenaddition des verbrennungsmotorischen und des elektromotorischen Moments durchgeführt. Zudem kann die E-Maschine die Funktion eines Anlassermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Darüber hinaus befinden sich auch leistungsverzweigte Hybridkonzepte im Einsatz, bei denen zwei E-Maschinen und der Verbrennungsmotor über ein Planetenradgetriebe gekoppelt werden und der Leistungsfluss auch geteilt nach elektrischer und mechanischer Leistung erfolgen kann. Generell ist in Hybridkonzepten von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.
Die unterstützende Zuschaltung der E-Maschine, insbesondere bei 1-Wellen-Parallelhybriden, erfolgt zur Verbesserung der Fahrleistung üblicherweise bei niedrigen Motordrehzahlen und gleichzeitig hoher Lastanforderung durch den Fahrer. Bei hohen Drehzahlen hingegen wird zumeist keine Leistungsaddition durchgeführt, um den Energiespeicher nicht zu erschöpfen und um unabhängig vom Ladezustand desselben ein reproduzierbares Fahrverhalten zu erzielen. Verbrennungsmotoren mit Ladeluftverdichtern, insbesondere Turboladern oder Kompressoren, weisen in der Regel ein sehr geringes spezifisches Moment (Einheit Nm/dm³ Hubraum) bei niedrigen Drehzahlen auf, typischerweise unterhalb von 2000 min^–1, wohingegen im mittleren und hohen Drehzahlbereich hohe spezifische Momente erreicht werden. Dieser Effekt wird auch als "Turboloch" bezeichnet. Zur Glättung dieses "Turbolochs" ist bekannt, ebenfalls den motorischen Betrieb der E-Maschine zu nutzen. Bei Drehzahlen weit oberhalb von 2000 min¹ ist für einen harmonischen Drehmomentverlauf – anders als bei Saugmotoren – nur eine geringe elektromotorische Momentenunterstützung erforderlich.
Problematisch bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, aber auch Saugmotoren, ist, dass die Energiespeicher der elektrischen Maschine nicht über alle Zustandsbereiche eine gleichmäßige Lade- und Entladeleistung erbringen. Beispielsweise führt ein niedriger Ladezustand (SOC, für "state of charge") oder eine Alterung (SOH, für "state of health") des Energiespeichers zu deutlich verringerten Entladeleistungen bei der Versorgung der elektrischen Maschine für ihren motorischen Betrieb. Dies führt bei hohen Lastanforderungen, insbesondere im mittleren Drehzahlbereich, zu einem schlecht reproduzierbaren Gesamtmoment und Fahrverhalten des Hybridfahrzeugs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Steuerung zur Momentenkoordination von Verbrennungsmotor und E-Maschine vorzuschlagen, die einerseits maximale Fahrleistungen, das heißt ein maximales Moment, sicherstellt und andererseits höchstmögliche Reproduzierbarkeit bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch bietet. Es soll ferner eine geeignete Momentensteuerung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Hybridantriebseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass – jedenfalls in vorbestimmten Drehzahlbereichen – bei Vorliegen eines Wunschmomentes, das größer ist als ein verbrennungsmotorisches Maximalmoment, welches hinsichtlich eines geringen Kraftstoffverbrauchs optimiert ist, die elektrische Maschine unterstützend motorisch mit einem positiven elektromotorischen Moment betrieben wird. Das bedeutet, dass erst bei einem durch den Fahrer angeforderten Wunschmoment, welches das verbrauchsoptimierte Maximalmoment des Verbrennungsmotors übersteigt, die elektrische Maschine zur Erzeugung des hohen Gesamtantriebsmomentes zugeschaltet wird. Dabei bedeutet "verbrauchsoptimierte verbrennungsmotorisches Maximalmoment" ein normalerweise nicht zu überschreitendes maximales Drehmoment, das durch den Verbrennungsmotor dargestellt werden kann, wenn dieser in Abhängigkeit von einem aktuellen Lastpunkt mit Betriebsparametern (wie etwa Zündpunkt, Einspritzparametern, insbesondere auch Luftverhältnis und anderen) betrieben wird, die auf einen größtmöglichen Wirkungsgrad und damit geringen Kraftstoffverbrauch optimiert sind. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass ein nicht zu überschreitendes elektromotorisches Maximalmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von mindestens einem Zustandsparameter des die elektrische Maschine speisenden Energiespeichers vorgegeben wird. Auf diese Weise entsteht ein variables elektromotorisches Maximalmoment, das auf einen aktuellen Energiespeicherzustand abgestimmt ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein maximales Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit, das heißt das durch die Summe aus elektro- und verbrennungsmotorischem Moment darzustellende maximale Gesamtmoment, zumindest in einem vorbestimmten Drehzahlbereich, im Wesentlichen auf ein verbrauchsunabhängiges verbrennungsmotorisches Maximalmoment des Verbrennungsmotors ausgelegt wird. Im Gegensatz zu dem verbrauchsoptimierten Moment entspricht das verbrauchsunabhängige (oder verbrauchsignorierende) verbrennungsmotorische Maximalmoment einem ohne Rücksicht auf einen erhöhten Kraftstoffverbrauch allein durch den Verbrennungsmotor maximal darstellbares Drehmoment. Insbesondere wird das maximale Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit auf zumindest 90 %, vorzugsweise auf zumindest 95 % des verbrauchsunabhängigen verbrennungsmotorischen Maximalmoments vorbestimmt. Somit ergibt sich zumindest in dem vorbestimmten Drehzahlbereich ein Differenzmoment zwischen dem verbrauchsoptimierten und dem verbrauchsunabhängigen verbrennungsmotorischen Maximalmoment, das in Abhängigkeit von dem Zustand des Energiespeichers entweder durch die elektrische Maschine (bei optimalem Energiespeicherzustand) oder durch den Verbrennungsmotor (bei schlechtestmöglichem Energiespeicherzustand) dargestellt wird. Bei Zwischenzuständen des Energiespeichers wird dieses Differenzmoment durch eine entsprechende Kombination aus elektromotorischem. und verbrennungsmotorischem Moment dargestellt. Auf diese Weise wird stets ein konstantes maximales Gesamtmoment und damit ein sehr reproduzierbares Fahrverhalten sichergestellt. Der vorgegebene Drehzahlbereich umfasst vorteilhaft Drehzahlen oberhalb von 1600 min^–1, insbesondere oberhalb von 1800 min^–1 und besonders bevorzugt oberhalb von 2000 min^–1. Insbesondere bei aufgeladenen Motoren wird unterhalb der genannten Drehzahlschwelle das so genannte Turboloch im Wesentlichen vollständig durch ein elektromotorisches Moment kompensiert.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kommen als Zustandsparameter des Energiespeichers jegliche Größen in Frage, die eine Lade- und/oder Entladeleistung des Energiespeichers beeinflussen. Dabei ist vorgesehen, dass wenn der mindestens eine Zustandsparameter einer abnehmenden Lade- und/oder Entladeleistung entspricht, das vorgegebene elektromotorische Maximalmoment der elektrischen Maschine entsprechend abgesenkt wird. Als derartig geeignete Zustandsparameter kommen in Frage ein Ladezustand (SOC), ein Alterungszustand (SOH), eine Energiespeichertemperatur (TE) und/oder eine Körperschallanregung des Energiespeichers. Vorzugsweise wird demnach das maximale elektromotorische Moment mit abnehmendem Ladezustand, zunehmendem Alterungszustand, sehr hohen oder sehr niedrigen Energiespeichertemperaturen und/oder starker Körperschallanregung verringert. Hierfür können entweder entsprechende Schwellenwerte vorgegeben werden oder das elektromotorische Maximalmoment kann proportional mit den genannten Größen variiert werden.
Ist das Wunschmoment größer als eine Summe aus dem verbrauchsoptimierten verbrennungsmotorischen Maximalmoment und dem variablen elektromotorischen Maximalmoment, wird der Verbrennungsmotor mit einem Moment betrieben, das größer als das verbrauchoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment ist (selbstverständlich aber kleiner als sein verbrauchsunabhängiges Maximalmoment). Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, zumindest einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors gegenüber seiner wirkungsgradoptimalen Einstellung zu verstellen. Mit anderen Worten wird unabhängig vom Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsmotor mit Betriebsparametern bedatet, die auf ein maximales Drehmoment optimiert sind. Beispielsweise können hierfür Zündwinkel, Einspritzmenge, Einspritzzeitpunkt, Luftverhältnis, Steuerzeiten der Ein- und/oder Auslassventile verstellt werden. Denkbar ist darüber hinaus, Parameter zu verstellen, die einen Einfluss auf die Art der Luftkraftstoffladung im Verbrennungsraum des Motors haben. Beispielsweise kann die Position einer im Einlassrohr angeordneten Ladungsbewegungsklappe beeinflusst werden. Im Falle von Kompressormotoren, die über einen Kompressorantrieb mit variabler Übersetzung verfügen, kann das Übersetzungsverhältnis angehoben werden, sofern die Maximaldrehzahl des Kompressors nicht überschritten wird. Auch diese Maßnahme ist wegen der mit der Drehzahl überproportional ansteigenden Antriebsleistung des Kompressors nicht verbrauchsoptimal, führt aber zu einem höheren Drehmoment.
Die Erfindung betrifft ferner eine Hybridantriebseinheit, die über eine Momentensteuerung vertilgt, welche die beschriebenen Verfahrensschritte durchführt. Die Momentensteuerung kann vorteilhaft auch in einem üblichen Motorsteuergerät integriert sein und in Form eines Programmalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens vorliegen.
Bei dem Verbrennungsmotor handelt es sich bevorzugt um einen aufgeladenen Motor, der über einen Ladeluftverdichter, insbesondere einen Abgasturbolader oder einen variablen Kompressor; mit komprimierter Ladeluft versorgt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hybridantriebseinheit,
2 Verläufe verbrennungsmotorischer Drehmomente sowie eines Gesamtantriebsmoments eines Hybridantriebs nach 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung und
3 ein Ablaufdiagramm zur Momentensteuerung eines Hybridantriebs nach 1 nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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. In 1 ist zudem eine optionale zusätzliche Kupplung 22 angedeutet, die zwischen Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 angeordnet sein kann. Eine solche zusätzliche Kupplung 22 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 22 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 22 angewendet werden.
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 24, 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 24 oder zur Versorgung eines nicht dargestellten Bordstromnetzes um. Die Umschaltung des Elektromotors 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 26, 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 24 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.
Die Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 26 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), einen Alterungszustand SOH (state-of-health) sowie eine Speichertemperatur TE des Energiespeichers 24 charakterisieren. Darüber hinaus kann über geeignete Sensoren auch eine Körperschallanregung des Energiespeichers 24 ermittelt und an das Steuergerät 28 gegeben werden.
In Abhängigkeit von dem Pedalwert PW und der aktuellen 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 vorliegenden Gesamtantriebsmoment M_H der Hybridantriebseinheit 10 übersteigt, das heißt bei Lastanforderungen und bevorzugt bei Volllastanforderungen, etwa in Beschleunigungssituationen, kommt die vorliegende Erfindung zum Einsatz, deren bevorzugte Ausführung anhand der 2 und 3 dargestellt ist.
In 2 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand von drehzahlabhängigen Verläufen des spezifischen (hubraumbezogenen) Drehmomentes M der Verbrennungskraftmaschine sowie des Hybridantriebs insgesamt dargestellt. Hierin stellt die durchgezogene Linie das verbrauchsoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment M_VM,max,op dar. Wie bereits oben ausgeführt, handelt es sich hierbei um das durch den Verbrennungsmotor 12 allein darstellbare maximale Drehmoment, wenn dieser mit Betriebsparametern bedatet wird, die auf einen optimalen Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch ausgelegt sind. Typisch für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor sind die relativ niedrigen spezifischen Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen n. Die Ursache hierfür sind die bei niedrigen Drehzahlen unzureichenden Abgasmassenströme, die zu einer entsprechenden Komprimierung der Ansaugluft nicht ausreichen. Im mittleren Drehzahlbereich (hier oberhalb von 2000 min^–1) werden hingegen hohe spezifische Momente erreicht.
Der gestrichelt dargestellte Verlauf zeigt das verbrauchsunabhängige verbrennungsmotorische Maximalmoment, das erzielt werden kann, wenn der Verbrennungsmotor 12 ohne Berücksichtigung des Kraftstoffverbrauchs hinsichtlich eines maximalen Drehmoments bedatet wird (M_VM,max). Es ist erkennbar, dass im niedrigen Drehzahlbereich unterhalb von 2000 min^–1 das verbrauchsoptimierte und das verbrauchsignorierende Maximalmoment kaum voneinander abweichen, während oberhalb von 2000 min^–1 das maximal erzielbare Drehmoment um zirka 10–15 % gesteigert werden kann, wenn der Verbrennungsmotor verbrauchsignorierend betrieben wird. Diese Momentendifferenz ΔM kann durch Verstellung verschiedener Betriebsparameter des Verbrennungsmotors dargestellt werden, die unter Inkaufnahme von Mehrverbräuchen leistungsverbessernd verstellt werden. In diesem Sinne können etwa Zündwinkel, Einspritzmenge und damit auch das Luftverhältnis, Einspritzzeitpunkt und -dauer, Ventilsteuerzeiten beeinflusst werden sowie Parameter, die eine Gemischladung beeinflussen. Im Falle eines aufgeladenen Verbrennungsmotors 12 mit variablem Kompressor kann darüber hinaus das Übersetzungsverhältnis der Kompressorübersetzung angehoben werden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zumindest im mittleren Drehzahlbereich, beispielsweise oberhalb von 2000 min^–1, ein maximal mit dem Hybridantrieb 10, das heißt aus der Summe von verbrennungsmotorischem und elektromotorischem Moment, darstellbares Gesamtmoment entsprechend dem allein mit dem Verbrennungsmotor 12 verbrauchsunabhängig erzielbaren Maximalmoment M_VM,max ausgelegt wird. Dementsprechend zeigt das maximale Gesamtmoment M_H,max der Hybridantriebseinheit 10 oberhalb von 2000 min^–1 einen praktisch identischen Verlauf mit dem verbrauchsunabhängigen verbrennungsmotorischen Maximalmoment M_VM,max. Unterhalb der Drehzahlschwelle liegt das maximal darstellbare Gesamtmoment M_H,max hingegen oberhalb des verbrennungsmotorischen Maximalmoments M_VM,max. Diese Differenz in den niedrigen Drehzahlbereichen (Turboloch) wird allein durch das elektromotorische Moment M_EM ausgefüllt. Hingegen wird die Momentendifferenz ΔM im mittleren und hohen Drehzahlbereich erfindungsgemäß variabel entweder allein durch die E-Maschine 14 oder allein durch den Verbrennungsmotor 12 oder anteilsmäßig aus beiden dargestellt. Insbesondere wird das maximal mit der E-Maschine darstellbare Moment M_EM,max in Abhängigkeit von verschiedenen Zustandsparametern des Energiespeichers 24 vorbestimmt. Bei einem optimalen Zustand des Energiespeichers 24 und damit größtmöglichen Lade- und Entladeleistungen desselben kann das Differenzmoment ΔM vollständig durch die E-Maschine 14 geleistet werden. Im anderen Extremfall, wenn nämlich der Energiespeicher 24 seinen schlechtestmöglichen Zustand aufweist, wird das Differenzmoment ΔM allein durch den Verbrennungsmotor 12 dargestellt, der in diesem Fall mit seinem verbrauchsignorierenden Maximalmoment M_VM,max betrieben wird. Weist der Energiespeicher 24 hingegen einen mittleren Zustand mit mittleren Lade- und Entladeleistungen auf, so wird das Differenzmoment ΔM aus einer Mischung aus verbrennungsmotorischem Moment M_VM und elektromotorischem Moment M_EM erzeugt, wobei ein Proportionalitätsfaktor α in Abhängigkeit von den Zustandsparametern des Energiespeichers 24 vorgegeben wird.
Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Summenmomentes bei Hybridfahrzeugen wird gewährleistet, dass das maximale vorbestimmte Moment M_H,max stets gewährleistet werden kann. Daraus resultiert ein sehr reproduzierbares, angenehmes und sicheres Fahrverhalten. Auf der anderen Seite werden maximale Leistungen bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch sichergestellt, da das Differenzmoment ΔM nach Möglichkeit immer vollständig durch die elektrische Maschine 14 bereitgestellt wird, so dass der Verbrennungsmotor 12 mit seiner verbrauchsoptimierten Bedeutung betrieben werden kann, insbesondere dann, wenn die elektrische Energie zuvor durch Rekuperation gewonnen wurde beziehungsweise wenn der Energiespeicher einen sehr hohen Ladezustand SOC aufweist.
Einen bevorzugten Verfahrensablauf zur Steuerung des elektromotorischen und verbrennungsmotorischen Moments ist in 3 schematisch dargestellt. Hier beginnt das Verfahren in Block 100, wo der Pedalwert PW des Pedalwertgebers 32 (vergleiche 1) in die Momentensteuerung 30 der Motorsteuerung 28 eingelesen wird. Hieraus wird in Block 102 ein angefordertes Wunschmoment M_W ermittelt. Hierfür werden in bekannter Weise Kennfelder herangezogen, die in dem Motorsteuergerät 28 gespeichert sind. Anschließend geht das Verfahren zu Block 104 über, wo abgefragt wird, ob das Wunschmoment M_W größer als das verbrauchsoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment M_VM,max,op ist. Wird diese Frage verneint, das heißt die Lastanforderung liegt unterhalb des verbrauchsoptimierten Maximalmoments M_VM,max,op, geht das Verfahren zu Block 106 über. In Block 106 wird das verbrennungsmotorische Moment M_VM entsprechend dem Wunschmoment MW eingestellt, während das elektromotorische Moment M_EM auf 0 gesetzt wird. Mit anderen Worten wird die E-Maschine 14 ausgestellt (oder generatorisch betrieben) und das Wunschmoment EM allein durch den Verbrennungsmotor 12 mit verbrauchsoptimierter Bedatung bereitgestellt.
Wird die Abfrage in Block 104 andererseits bejaht, das heißt das Wunschmoment W MW ist größer als das verbrauchsoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment M_VM,max,op, geht das Verfahren zu Block 108 über, wo das Differenzmoment ΔM aus der Differenz des angeforderten Wunschmoments M_W und dem verbrauchsoptimierten Maximalmoment M_VM,max berechnet wird. In dem anschließenden Block 110 wird abgefragt, ob das Differenzmoment ΔM das elektromotorische Maximalmoment M_EM,max übersteigt. Dabei wird das elektromotorische Maximalmoment M_EM,max aus Block 112 als Funktion von Zustandsparametern des Energiespeichers 24, insbesondere Ladezustand SOC, Alterungszustand SOH, Temperatur TE und anderen, eingelesen. Dabei kann die Vorbestimmung des elektromotorischen Maximalmomentes entweder in einer unabhängigen Routine erfolgen oder innerhalb des in 3 dargestellten Verfahrensablaufs integriert werden.
Wird die Abfrage in Block 110 verneint, das heißt das Differenzmoment ΔM ist kleiner oder gleich dem elektromotorischen Maximalmoment M_EM,max, geht das Verfahren zu Block 114 über, wo das verbrennungsmotorische Moment M_VM auf das verbrauchsoptimierte Maximalmoment M_VM,max,op gesetzt wird und das elektromotorische Moment M_EM auf das Differenzmoment ΔM. In diesem Fall wird also das den verbrauchsoptimierten Betrieb des Verbrennungsmotors übersteigende Differenzmoment ΔM allein durch den E-Motor 14 dargestellt.
Wird die Abfrage in Block 110 hingegen bejaht, das heißt das Differenzmoment ΔM übersteigt das elektromotorische Maximalmoment M_EM,max, so geht das Verfahren zu Block 116 über. In Block 116 wird das elektromotorische Moment M_EM als Produkt aus dem Anteilsfaktor α (mit = 0...1) und dem Differenzmoment ΔM festgelegt. Ferner wird das verbrennungsmotorische Moment M_VM als Summe des elektromotorischen Maximalmoments und dem Produkt aus dem Proportionalitätsfaktor 1-α und dem Differenzmoment ΔM gebildet. Dabei werden das verbrennungsmotorische sowie das elektromotorische Moment selbstverständlich auf die jeweiligen Höchstmomente begrenzt. Im Ergebnis kann das verbrennungsmotorische Moment M_VM Werte zwischen M_VM,max,op und M_VM,max annehmen und das elektromotorische Moment M_EM Werte zwischen 0 (bei schlechtestmöglichem Speicherzustand) und dem elektromotorischem Maximalmoment M_EM,max (bei bestem Speicherzustand). Der Proportionalitätsfaktor α wird als Funktion der Zustandsparameter des Energiespeichers 24 aus Block 118 ermittelt.

10: Hybridantriebseinheit
12: Verbrennungsmotor
14: elektrische Maschine
16: Getriebe
18: Antriebsstrang
20: Kupplung
22: zusätzliche Kupplung
24: Energiespeicher/Batterie
26: Leistungselektronik
28: Motorsteuergerät
30: Momentensteuerung
32: Pedalwertgeber
n: Drehzahl
PW: Pedalwert
M_EM: elektromotorisches Moment
M_EM,max: elektromotorisches Maximalmoment
M_VM: verbrennungsmotorisches Moment
M_VM,max: verbrauchsunabhängiges (= verbrauchsignorierendes) verbrennungsmotorisches Maximalmoment
M_VM,max,op: verbrauchsoptimales verbrennungsmotorisches Maximalmoment
M_H: Gesamtantriebsmoment des Hybridantriebs
M_H,max: maximales Gesamtantriebsmoment
M_W: angefordertes Wunschmoment
ΔM: Differenzmoment zwischen M_W und M_VM,max,op
α: Proportionalitätsfaktor
TE: Energiespeichertemperatur

Claims

Verfahren zur Momentensteuerung einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12), sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14) umfasst, wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (24) gespeist wird und ein positives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) des Verbrennungsmotors (12) ein Gesamtantriebsmoment (M_H) der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein verbrauchoptimiertes verbrennungsmotorisches Maximalmoment (M_VM,max,op), die elektrische Maschine (14) motorisch mit einem elektromotorischen Moment (M_EM) betrieben wird, wobei ein elektromotorisches Maximalmoment (M_EM,max) in Abhängigkeit von mindestens einem Zustandsparameter des Energiespeichers (24) vorbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal darstellbares Gesamtantriebsmoment (M_H,max) der Hybridantriebseinheit (10) zumindest in einem vorbestimmten Drehzahlbereich auf ein verbrauchsunabhängiges verbrennungsmotorisches Maximalmoment (M_VM,max) des Verbrennungsmotors (12) ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Drehzahlbereich Drehzahlen oberhalb von 1600 min^–1, insbesondere oberhalb von 1800 min^–1, vorzugsweise oberhalb von 2000 min^–1 umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbestimmung des elektromotorischen Maximalmoments (M_EM,max) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Zustandsparameter derart erfolgt, dass mit abnehmender Lade- und/oder Entladeleistung des Energiespeichers (24) das elektromotorische Maximalmoment (M_EM,max) abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zustandsparameter des Energiespeichers (24) aus mindestens einem der Parameter, umfassend Ladezustand (SOC), Alterungszustand (SOH), Energiespeichertemperatur (TE) und Körperschallanregung des Energiespeichers (24), ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorische Maximalmoment (M_EM,max) mit abnehmendem Ladezustand (SOC) und/oder zunehmendem Alterungszustand (SOH) des Energiespeichers (24) und/oder bei sehr hohen oder sehr niedrigen Energiespeichertemperaturen (TE) und/oder starker Körperschallanregung verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM), das größer als das verbrauchoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment (M_VM,max,op) ist, betrieben wird, wenn das Wunschmoment (M_W) größer ist als eine Summe aus dem verbrauchoptimierten verbrennungsmotorischen Maximalmoment (M_VM,max,op) und dem maximalen elektromotorischen Moment (M_EM,max).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betreiben des Verbrennungsmotors (12) mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM), das größer als das verbrauchsoptimierte verbrennungsmotorische Maximalmoment (M_VM,max,op) ist, zumindest ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (12) gegenüber einer wirkungsgradoptimalen Einstellung verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (12) zumindest einen der folgenden Parameter umfasst, Zündwinkel, Einspritzmenge, Einspritzzeit, Luftverhältnis, Ventilsteuerzeiten, ladungsbeeinflussende Parameter und Übersetzungsverhältnis eines variablen Kompressors.
Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12), sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14) umfasst, wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (24) gespeist wird und ein positives elektromotorisches Moment (M_EM) liefert, das zusammen mit einem verbrennungsmotorischen Moment (M_VM) des Verbrennungsmotors (12) ein Gesamtantriebsmoment (M_N) der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, gekennzeichnet durch eine Momentensteuerung (30), die bei Vorliegen eines Wunschmomentes (M_W), das größer ist als ein verbrauchoptimiertes verbrennungsmotorisches Moment (M_VM,max,op), die elektrische Maschine (14) motorisch mit einem elektromotorischen Moment (M_EM) betreibt und ein elektromotorisches Maximalmoment (M_EM,max) in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter des Energiespeichers (24) vorgegeben ist.
Momentensteuerung (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentensteuerung (30) einen Programmalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Momentensteuerung (30) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12), insbesondere über einen Turbolader oder einen Kompressor, mit einer komprimierten Ladeluft versorgt wird.