DE102006036443A1

DE102006036443A1 - Vorrichtung zum Steuern eines Hybridantriebs

Info

Publication number: DE102006036443A1
Application number: DE102006036443A
Authority: DE
Inventors: Jochen Fassnacht; Kay Hindorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2008-02-07
Also published as: WO2008015049A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (210) zur Steuerung eines Hybridantriebs (110; 112) eines Fahrzeugs unter Optimierung einer Minimierungsgröße. Der Hybridantrieb (110; 112) umfasst mindestens einen Verbrennungsmotor (116) und mindestens eine Elektromaschine (120) mit mindestens einer Elektromotorfunktion (132) und mindestens einer Generatorfunktion (134) zum Aufladen mindestens eines Energiespeichers (122). Die Vorrichtung (210) ist eingerichtet, um für verschiedene vorgegebene elektrische Leistungen der Elektromaschine (120), für verschiedene vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeiten und für verschiedene vorgegebene Abtriebsleistungen des Hybridantriebs (110; 112) Verbrennungsmotorzieldrehzahlen, Verbrennungsmotorleistungen und die Minimierungsgröße zu ermitteln. Mittels eines Ladereglers (224) wird dann unter Berücksichtigung einer benötigten Bordnetzleistung des Fahrzeugs und eines bekannten Zusammenhangs zwischen Minimierungsgröße und Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers (122) ein Arbeitspunkt (228) des Hybridantriebs (110; 112) gewählt und der Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers (122) gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Hybridantriebs unter Verwendung einer optimierten Ladestrategie. Derartige Vorrichtungen lassen sich insbesondere einsetzen in Hybridfahrzeugen mit CVT (Continuous Variable Transmission) oder ECVT (Electric CVT).
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieben bekannt. Hybridantriebe weisen üblicherweise mindestens eine Verbrennungsmaschine und mindestens eine Elektromaschine auf. Die mindestens eine Elektromaschine kann während des Betriebs individuell zu- und abgeschaltet werden. Weiterhin ist ein zusätzlicher Energiespeicher vorgesehen, bei welchem es sich üblicherweise um eine oder mehrere Batterien und/oder Akkumulatoren handelt. Aus dem Energiespeicher wird die Elektromaschine mit elektrischer Energie versorgt. Umgekehrt kann aus der Elektromaschine elektrische Energie rückgewonnen werden und, beispielsweise bei einer so genannten Bremsenergie-Rekuperation, wieder in dem Energiespeicher abgespeichert werden.
Eine besondere Schwierigkeit beim Betrieb von Hybridfahrzeugen stellt die Regelung des Ladezustands des Energiespeichers dar. DE 103 46 313 A1 zeigt ein Verfahren zur Regelung des Ladezustands eines Hybridantriebs. Der Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor und mindestens eine Elektromaschine, die mit dem Antrieb des Fahrzeugs koppelbar oder gekoppelt sind. Gemäß diesem Verfahren wird ein Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs geregelt.
Bei Hybridfahrzeugen mit CVT (Continuous Variable Transmission) oder ECVT (Electric CVT) kommt zu dem Freiheitsgrad des Ladezustands bzw. der Ladeleistung des Energiespeichers noch ein weiterer Freiheitsgrad, nämlich eine voll variable Übersetzung, hinzu. Damit das Hybridfahrzeug diesen Energiespeicher und das voll variable Getriebe optimal zur Verbrauchsreduzierung und/oder Schadstoffreduzierung nutzen kann, muss eine entsprechende Betriebsstrategie entwickelt werden. Bisher aus dem Stand der Technik be kannte Betriebsstrategien mit CVT oder ECVT, welche in kommerziellen Fahrzeugen bereits eingesetzt werden, verwenden so genannte Laderegler, welche eingesetzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers auf einen konstanten Sollwert zu regeln. Dabei wird eine wirkungsgradoptimale Übersetzung und Verbrennungsmotordrehzahl eingesetzt.
Insgesamt gestaltet sich eine Optimierung eines Systems mit zwei Freiheitsgraden (z.B. Ladeleistung und Übersetzung) rechnerisch aufwendig, Ressourcen-intensiv und in der Praxis äußerst komplex. Bei einer Änderung der Freiheitsgrade zeigt sich, dass die Wirkungsgrade der einzelnen Aggregate stark gekoppelt sind, was eine Berechnung des Systems zusätzlich erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridantriebs vorgeschlagen, welche die bekannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Hybridantrieb-Steuerungen weitgehend vermeidet. Die vorgeschlagene Steuerung ermöglicht einen Fahrbetrieb unter Optimierung einer oder mehrerer Minimierungsgrößen, wie beispielsweise der Energiekosten und/oder einer Schadstoffemission (beispielsweise einer Stickoxid- und/oder Kohlendioxid- und/oder Kohlenmonoxidemission) oder einer Kombination dieser Minimierungsgrößen. Dabei werden die beiden Freiheitsgrade, nämlich Auf- und Entladevorgang des mindestens einen Energiespeichers und Arbeitspunkt des Hybridantriebs, optimiert eingestellt.
Der Hybridantrieb umfasst mindestens einen Verbrennungsmotor und mindestens eine Elektromaschine. Je nach Aufbau des Hybridantriebs kann diese Elektromaschine unterschiedlich ausgestaltet sein. In jedem Fall umfasst diese mindestens eine Elektromaschine jedoch mindestens eine Elektromotorfunktion und mindestens eine Generatorfunktion zum Aufladen mindestens eines Energiespeichers.
Ein Grundgedanke der Erfindung beruht darin, dass die Steuerung berücksichtigt, wie die elektrische Energie erzeugt und verteilt wird. Dieser Freiheitsgrad, welche Energie von welcher Quelle (also Verbrennungsmotor oder Batterie) bereitgestellt wird, ist selbstredend nur im hybridischen Fahrmodus, also bei laufendem Verbrennungsmotor, vorhanden. Denn nur in diesem hybridischen Fahrmodus können der elektrische Energiespeicher und der Verbrennungsmotor alternativ eingesetzt werden. Die dem elektrischen Energiespeicher (z.B. eine oder mehrere Batterien und/oder Akkumulatoren) entnommene elektrische Ener gie muss diesem zuvor zugeführt (Ladevorgang) worden sein, und sie muss in der Regel später, nach Verbrauch, wieder zugeführt werden.
Beim elektrischen Fahren ist in der Regel der Verbrennungsmotor vollständig ausgeschaltet, so dass die gesamte elektrische Energie von dem elektrischen Energiespeicher ausgebracht werden muss. Umgekehrt wird beim so genannten Rekuperationsprozess die Batterie wieder geladen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass zunächst für verschiedene vorgegebene elektrische Leistungen der Elektromaschine, für verschiedene vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeiten und für verschiedene vorgegebene Abtriebsleistungen des Hybridantriebs Verbrennungsmotorzieldrehzahlen, Verbrennungsmotorleistungen und die relevante Minimierungsgröße ermittelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass diese Größen als Kennlinienfelder in einer oder mehreren Tabellen, insbesondere in einer oder mehreren elektronischen Tabellen, beispielsweise Look-Up-Tables, hinterlegt sind. Alternativ, jedoch aufgrund des höheren Ressourcenbedarfs weniger bevorzugt, kann auch unmittelbar eine Berechnung dieser Größen aus den vorgegebenen Parametern erfolgen.
Anschließend wird mittels eines Ladereglers unter Berücksichtigung einer benötigten Bordnetzleistung des Fahrzeugs (beispielsweise einer für eine Heckscheibenheizung, Radio, Beleuchtung etc. benötigten Leistung) des Fahrzeugs und mittels eines bekannten Zusammenhangs zwischen der Minimierungsgröße und dem Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers ein Arbeitspunkt des Hybridantriebs gewählt und der Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers gesteuert.
Die vorgeschlagene Vorrichtung bietet unter anderem den Vorteil, dass ein optimaler Betriebspunkt des Gesamtsystems eingestellt werden kann, ohne dass eine Online-Berechnung unter Einsatz hoher Rechenleistung und komplexer Optimierungen sowie hohen Speicherbedarfs erforderlich wäre. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine Optimierung des Energieverbrauchs, oder, alternativ oder zusätzlich, eine Reduzierung von Schadstoffen. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann durch Anpassung entsprechender Software-Module auch vergleichsweise einfach in bereits existierenden Systemen eingesetzt werden, ohne dass größere Modifikationen der Hardware erforderlich wären.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1A einen Parallelhybrid-Triebstrang mit nachgeschaltetem CVT-Getriebe;
1B einen leistungsverzweigenden Hybrid-Triebstrang;
2 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Steuern eines Hybridantriebs;
3 ein Beispiel der Einstellung von Ladezuständen eines Energiespeichers des Hybridantriebs; und
4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Steuern eines Hybridantriebs gemäß 1B.
Ausführungsvarianten
In den 1A und 1B sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Triebsträngen von Hybridantrieben dargestellt. Während 1A einen Parallelhybrid 110 mit nachgeschaltetem CVT-Getriebe 114 zeigt, ist in 1B ein leistungsverzweigender Hybrid 112 dargestellt.
Der Parallelhybrid 110 in 1A weist einen Verbrennungsmotor 116 (abgekürzt VM) auf, welcher aus einem Kraftstofftank 118 mit Kraftstoff versorgt wird. Die pro Zeiteinheit vom Kraftstofftank 118 gelieferte Kraftstoff-Energiemenge wird in 1A (wie auch in 1B) mit P_tank bezeichnet.
Weiterhin weist der Parallelhybrid 110 gemäß 1A in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Elektromaschine 120 und einen elektrischen Energiespeicher 122 auf, wobei im Folgenden angenommen sei, dass es sich hierbei um eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs handelt. Ohne Beschränkung der Möglichkeiten der Ausgestaltung des elektrischen Energiespeichers 122 werden die Begriffe „Batterie" und „elektrischer Energiespeicher" im Folgenden synonym verwendet.
Ein Abtrieb 124 des Verbrennungsmotors 116 ist in dem Parallelhybrid 110 gemäß 1A über eine erste Kupplung 126 mit der Elektromaschine 120 verbunden. Die Abtriebsleis tung des Verbrennungsmotors 116 ist mit P_VM bezeichnet. Die Elektromaschine 120 wiederum ist über eine zweite Kupplung 128 und eine Getriebeeingangswelle 130 mit dem CVT-Getriebe 114 verbunden. Über die Getriebeeingangswelle 130 wird eine Abtriebsleistung an das CVT-Getriebe 114 übertragen, welche in 1A mit P_AG bezeichnet wird.
In dem Parallelhybrid 110 gemäß der Darstellung in 1A übernimmt die Elektromaschine gleichzeitig zwei Funktionen: Eine Elektromotorfunktion, welche in 1A symbolisch mit Bezugsziffer 132 bezeichnet ist, sowie eine Generatorfunktion, welche mit 134 bezeichnet ist. Während die Elektromotorfunktion 132, wie oben beschrieben, auf die Getriebeeingangswelle 130 wirkt, stellt die Generatorfunktion 134 (beispielsweise im Rekuperations-Betrieb oder bei Antrieb der Elektromaschine 120 durch den Verbrennungsmotor 116) eine elektrische Leistung zur Verfügung, welche in 1A mit P_EMAel bezeichnet ist. Diese elektrische Gesamtleistung der Elektromaschine 120 wird im Folgenden, unabhängig von der Ausgestaltung der Elektromaschine 120, als P_el bezeichnet.
Diese elektrische Leistung P_el wird dem elektrischen System 136 des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, welches in 1A und in 1B symbolisch mit 136 bezeichnet ist. Dieses elektrische System 136 ist einerseits verbunden mit der Batterie 122, an welche eine elektrische Leistung P_batt übermittelt wird, bzw. welcher die Leistung P_batt entnommen wird. Weiterhin ist das elektrische System 136 mit den elektrischen Verbrauchern verbunden, welche in den 1A und 1B symbolisch mit Bezugsziffer 138 bezeichnet sind. Die elektrischen Verbraucher entnehmen dem elektrischen System 136 eine Leistung, welche in 1A mit P_VR bezeichnet ist und beispielsweise eine Heckscheibenheizung oder andere Verbraucher eines Kraftfahrzeugs versorgen.
Weiterhin sind in 1A noch die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten symbolisch aufgeführt, wobei η_VM den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 116 bezeichnet, η_EMA den Wirkungsgrad der Elektromaschine 120, η_CVT den Wirkungsgrad des CVT-Getriebes 114 und η_Batt den Wirkungsgrad der Batterie 122. Die von dem gesamten Getriebestrang, abtriebsseitig von dem CVT-Getriebe 114 abgegebene Leistung ist in 1A mit P_AB bezeichnet.
In dem in 1B dargestellten leistungsverzweigenden Hybrid 112 ist ebenfalls wieder ein Kraftstofftank 118, ein Verbrennungsmotor 116 und eine Batterie 122 vorgesehen. Im Gegensatz zu dem Parallelhybrid 110 gemäß 1A sind zwei elektrische Maschinen 132, 134 verbaut. Die Elektromaschine 120 umfasst hier zwei Komponenten 132, 134, von denen die Komponente 134 hauptsächlich im Generatormodus und die Komponente 132 als Motor, insbesondere während des hybridischen Fahrens betrieben wird. Beide Aggregate 134, 132 sind mit dem elektrischen System 136 des Kraftfahrzeugs verbunden.
Im Gegensatz zum Triebstrang gemäß 1A ist in dem leistungverzweigenden Hybrid 112 gemäß 1B der Verbrennungsmotor 116 über seinen Abtrieb 124 nicht direkt mit der Elektromaschine 120 verbunden, sondern mit einem Planetengetriebe 140. Auch die Elektromotorfunktion 132 ist antriebsseitig mit diesem Planetengetriebe 140 verbunden, und stellt antriebsseitig wiederum, analog zu 1A, die Leistung P_AB zur Verfügung.
Auch die Generatorfunktion 134 (in 1B mit Gen bezeichnet) ist mit dem Planetengetriebe 140 verbunden. Die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten sind wieder mit η bezeichnet, wobei η_EM den Wirkungsgrad der Elektromotorfunktion 132 bezeichnet, und η_G den Wirkungsgrad der Generatorfunktion 134.
Da in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1B zwei elektrische Maschinen 132, 134 verbaut sind, setzt sich die gesamte, vom elektrischen System 136 entnommene bzw. an dieses abgegebene elektrische Leistung P_el in diesem Fall zusammen aus der von der Generatorfunktion 134 an das elektrische System 136 übergebenen Leistung P_Gel und der von der Elektromotorfunktion 132 dem elektrischen System 136 entnommenen Leistung P_EMel: Pel = PGel + PEMel (1)
Dabei ist gegebenenfalls auf entsprechende Vorzeichen der Leistungen zu achten, so dass eine Leistungsentnahme negativ zu werten ist.
Die Problematik der in den 1A und 1B dargestellten Triebstränge besteht nunmehr darin, eine Ladestrategie der Batterie 122 zu entwickeln, welche einerseits stets einen ausreichenden Ladezustand (im Folgenden mit SOC (State of Charge) bezeichnet) der Batterie 122 herstellt und andererseits eine oder mehrere Minimierungsgrößen optimiert. Im Folgenden sei ohne Beschränkung des Umfangs der Erfindung angenommen, dass eine Ladestrategie verfolgt wird, welche Energiekosten minimiert. Da der in 1B dargestellte Triebstrang in Form eines leistungsverzweigenden Hybrids 112 sich bei vielen kommerziellen Hybridantrieben in der dargestellten oder einer ähnlichen Form in der Praxis durchgesetzt hat, sei die Betriebsstrategie im Folgenden anhand dieses leistungsverzweigenden Hybrids 112 erläutert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Kerngedanke dieser Strategie auch für anderer Arten von Hybridantrieben anwendbar ist, beispielsweise für den in 1A dargestellten Antrieb.
Ein Kerngedanke der erfindungsgemäßen Betriebsstrategie besteht darin, die elektrische Gesamtleistung P_el der Elektromaschine 120 (also in 1B die in Formel (1) dargestellte Summenleistung der Aggregate 132, 134) als Basis zu wählen. Dabei wird ein optimales Übersetzungsverhältnis für verschiedene elektrische Leistungen des Getriebes (in 1A die Leistung P_EMAel = P_el, in 1B die Summenleistung P_el) bei festliegender Fahrzeuggeschwindigkeit anhand der benötigten Verbraucherleistungen (P_VR) im Bordnetz ermittelt. Mit einem (in der Regel nachgeschalteten) Laderegler (siehe unten) wird dann anhand bekannter Energiekosten, Ladezustandes SOC der Batterie 122 und der benötigten elektrischen Bordnetzleistung eine Ladeleistung P_batt der Batterie ermittelt. Die verschiedenen zulässigen elektrischen Grenzleistungen des Getriebes lassen sich aus der aktuell benötigten elektrischen Verbraucherleistung P_VR und den zulässigen Batterielade- und -entladeleistungsgrenzen, P_Batt,max und R_Batt,min ermitteln.
Das Prinzip der Steuerung des Hybridantriebs sei im Folgenden anhand der in 2 symbolisch und ausschnittsweise dargestellten Vorrichtung 210 erläutert.
In einem ersten Schritt wird aus einem Beschleunigungssignal (in 2 mit ACC_Ped bezeichnet) und einer Fahrzeuggeschwindigkeit V_VEH ein erforderliches Drehmoment T_AB berechnet. Der für diese Drehmoment-Berechnung erforderliche Algorithmus (in 2 mit 212 bezeichnet) ist dem Fachmann bekannt und in kommerziellen Motorsteuerungsgeräten integriert.
Eine Grundkomponente der Vorrichtung 210 gemäß 2 stellt eine elektronische Tabelle 214 (beispielsweise eine Lookup-Table) dar. In dieser Tabelle 214 (wobei es sich um eine mehrdimensionale Tabelle handelt) sind jeweils entsprechende Verbrennungsmotorzieldrehzahlen N_VMTarget und somit Übersetzungsverhältnisse des Getriebes (n_VM/n_ab), Energiekosten C des Verbrennungsmotors 116 und Verbrennungsmotorleistungen P_VM eingetragen als Funktion einer Fahrzeuggeschwindigkeit V_Veh, benötigter Abtriebsleistung P_AB und elektrischer Leistung P_el des Getriebes eingetragen. Diese Größen lassen sich über die bekannten Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten bei verschiedenen Betriebspunkten zuvor berechnen und (z. B. werksseitig oder bei einer Inspektion, oder auch in bestimmten Zeitabständen durch die Motorsteuerung) in der Tabelle 214 eintragen. Durch diese Kombination ist es nicht nötig, die Wirkungsgrade aller Komponenten der Antriebe einzeln zu speichern und dann die erforderlichen Größen online, d.h. im Betrieb des Kraftfahrzeugs, auszurechnen.
Die in 2 dargestellte Betriebsstrategie ist derart ausgestaltet, dass die aktuell benötigte Abtriebsleistung P_AB (welche sich mittels des benötigten Abtriebs-Drehmoments T_AB und der Fahrzeuggeschwindigkeit V_Veh durch eine einfache Multiplikation 216 berechnen lässt), die Fahrzeuggeschwindigkeit V_veh sowie elektrische Gesamtleistungen an die Tabelle 214 übergeben werden. Während es sich bei der Abtriebsleistung P_AB und der Fahrzeuggeschwindigkeit V_Veh um aktuelle Werte handelt, werden hinsichtlich der elektrischen Gesamtleistung P_el eine Anzahl (d.h. ein Vektor, verschiedene Stützstellen) elektrischer Gesamtleistungen übergeben. Diese elektrischen Leistungswerte (in 2 mit P_el1 ... P_elx bezeichnet) liegen zwischen einer maximalen möglichen Batterieladeleistung P_Battmax und einer maximalen möglichen Batterieentladeleistung P_Battmin, wobei jeweils die aktuellen Bordnetzverbraucherleistungen P_VR berücksichtigt werden. Beispielsweise kann in äquidistanten Schritten zwischen diesen Grenzen P_Battmax und P_Battmin der Vektor P_el1 ... P_elx erstellt werden, was in Figur symbolisch mit dem Bezugszeichen 218 bezeichnet ist. Dieser Vektor, welcher an die Tabelle 214 übergeben wird, beinhaltet somit eine Vielzahl von möglichen Stützstellen für die elektrische Gesamtleistung P_el.
Die Gesamtheit der an die Tabelle 214 übergebenen Eingangsgrößen, also die Abtriebsleistung P_AB, die Fahrzeuggeschwindigkeit V_Veh und der Stützstellen-Vektor der elektrischen Gesamtleistung P_el1 ... P_elx ist in 2 symbolisch mit Bezugsziffer 220 bezeichnet.
Die Vorrichtung 210 ist derart ausgestaltet, dass für die übergebenen Eingangsgrößen 220 aus der Tabelle 214 entsprechend die Energiekosten C[V_Veh, P_AB, P_el], die Verbrennungsmotorzieldrehzahl n_VM,target [V_Veh, P_AB, P_el] und die Verbrennungsmotorleistung P_VM[V_Veh, P_AB, P_el] ausgelesen und als Arbeitsgrößen 222 an einen Laderegler 224 übergeben werden. Da es sich bei der Komponente P_el1 ... P_elx der Eingangsgrößen 220 um einen Vektor handelt, sind auch die Arbeitsgrößen 222 jeweils Vektoren, da beispielsweise nicht ein einzelner Wert der Energiekosten C übergeben wird, sondern für jede Stützstelle P_el des Vektors P_el1 ... P_elx jeweils ein Energiekosten-Wert C.
Der Laderegler 224 ist derart ausgebildet, dass dieser die optimale Ladeleistung (d.h. einen optimalen Wert P_el) zum Aufladen der Batterie 122 mit einer Aufladungsleistung P_Batt ermittelt.
Der Betriebspunkt ist definiert durch eine Ladeleistung, einer elektrischen Verbrauchsleistung, einer Drehzahl des Verbrennungsmotors, einem Drehmoment des Verbrennungsmotors und einem Übersetzungsverhältnis. Über diese Parameter sind die Arbeitspunkte der anderen Aggregate mitbestimmt. Der Laderegler sucht aus den angegebenen C[V_VM, P_AB, P_EL], n_VM,target [V_VM, P_AB, P_EL] und P_VM[V_VM, P_AB, P_EL] den jeweils optimalen Arbeitspunkt heraus und übergibt eine Leistung des Verbrennungsmotors 116 und eine Zieldrehzahl des Verbrennungsmotors 116 an das System, und wirkt – um ein Beispiel zu nennen – auf das Getriebe bzw. das dort herrschende Übersetzungsverhältnis oder die Steuerung des Verbrennungsmotors 116 ein. Im vorliegenden Falle existieren mehrere Möglichkeiten, auf die mit dem Verbrennungsmotor 116 gekoppelten Aggregate direkt einzuwirken, wobei die anderen mit dem Verbrennungsmotor 116 gekoppelten Aggregate sich entsprechend zur Änderung des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 116 einstellen. Bei der Auswahl des Arbeitspunktes wird die elektrische Verbraucherleistung, die Energiekosten der elektrischen Energie bei Entnahme aus der Batterie und der Ladezustand SOC der Batterie mit berücksichtigt.
Bei dieser Einstellung des Betriebspunkts ist der im Laderegler ablaufende Algorithmus derart ausgestaltet, dass dieser erfindungsgemäß die augenblickliche Bordnetzleistung P_VR berücksichtigt, sowie den Ladezustand SOC der Batterie 122 und des aktuellen Batterieenergiepreis C_EBatt der Batterie 122. Diese Umgebungsgrößen SOC, C_EBatt und P_VR sind in 2 symbolisch mit der Bezugsziffer 226 bezeichnet.
Die Berücksichtigung des Preises der elektrischen Energie der Batterie 122, C_EBatt, kann im Laderegler oder in einem separaten Modul (Hardware- und/oder Software-Modul) erfolgen. Hierbei können verschiedene Ansätze gewählt werden. Ein hier gewählter Ansatz bezeichnet beispielsweise den mittleren elektrischen Batterieenergiepreis C_EBatt anhand der Erzeugungskosten. Bei jedem Ladevorgang der Batterie 122 wird die neu erzeugte Energie mit dem entsprechenden Preis, welcher beispielsweise voreingestellt werden kann oder regelmäßig aktualisiert werden kann, gewichtet. Bei einer Rekuperation, bei welcher beispielsweise beim Bremsen Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, kostet diese Energie nichts. Insgesamt kann der mittlere elektrische Batterieenergiepreis dann folgendermaßen berechnet werden:
dabei bezeichnen:

C_EBatt,alt:: den mittleren Energiepreis der in der Batterie 122 gespeicherten Energie vor dem Ladevorgang;
C_EBatt:: den mittleren Energiepreis der in der Batterie 122 gespeicherten Energie nach dem Ladevorgang;
E_Batt,alt:: die Energiemenge in der Batterie 122 vor dem Ladevorgang;
E_Batt,L:: die Energiemenge beim Ladevorgang; und
C_EBatt,L:: den mittleren Preis der Energie, welche beim aktuellen Ladevorgang in die Batterie 122 gespeichert wird.

Bei jedem Entladevorgang bleibt der mittlere Energiepreis der gespeicherten Energie in der Batterie 122 erhalten, es wird allerdings die gespeicherte Energiemenge reduziert. Diese neue Energiemenge wird dann beim neuen Ladevorgang als E_Batt,alt weiter verwendet.
Anhand des Preises für die in der Batterie 122 gespeicherte elektrische Energie und des Preises für die Verbrennungsmotorenergie und anhand der nötigen Triebstrangleistung P_AB, des Ladezustands SOC und der elektrischen Bordnetzanforderungen P_VR muss dann der Laderegler 224 einen entsprechenden Betriebspunkt wählen. Die Wahl des Betriebspunkts anhand der Kosten erfolgt dergestalt, dass die Kosten der mit dem Verbrennungsmotor 116 zu erzeugenden Energie mit den Kosten der Energie der Batterie 122 in diesem speziellen Arbeitspunkt summiert werden, wonach der im Laderegler 224 ablaufende Algorithmus das Minimum dieser summierten Kosten über den gesamten Bereich der möglichen Arbeitspunkte ermittelt. Dieser Arbeitspunkt wird dann als günstigster Arbeitspunkt ausgewählt. Die variierende Größe ist somit die augenblickliche Leistung des Verbrennungsmotors P_VMSoll bzw. die von der Batterie 122 abgegebene Leistung P_Batt. Diese zu variierenden Größen stellen den Arbeitspunkt dar, welcher von dem Laderegler 224 eingestellt wird, und welcher in 2 symbolisch mit der Bezugsziffer 228 bezeichnet ist. Auch die Zieldrehzahl N_VMTarget ist Bestandteil dieses Arbeitspunkts.
Diese Wahl des Arbeitspunkts 228 erfolgt dergestalt, dass gewisse Ladezustands-Grenzen (SOC-Grenzen) der Batterie 122 eingehalten werden. Vorteilhafterweise erfolgt dies dergestalt, dass die vorgegebenen SOC-Grenzen nicht periodisch angefahren werden, da eine ständige Schwankung des Ladezustands in der Regel unerwünscht ist. Eine Möglichkeit für eine gleichmäßigere Einstellung des Ladezustands besteht darin, eine zweistufige Bereichsbegrenzung zu verwenden. Dies ist symbolisch in 3 dargestellt. Während die Achse 310 die (in Pfeilrichtung ansteigenden) Ladezustände aufzeigt, stellt der Bereich 312 den Maximalbereich dar. Oberhalb des oberen Grenzpunktes 314 ist ein weiteres Aufladen der Batterie 122 „verboten", wohingegen unterhalb des unteren Grenzpunktes 316 ein weiteres Entladen der Batterie 122 „verboten" ist. Neben diesem Maximalbereich 312 wird ein in dem Maximalbereich 312 enthaltener Sollbereich 318 festgelegt. Während der Ladereg ler 324 so programmiert ist, dass der Maximalbereich 312 in keinem Augenblick verlassen wird, verläuft der Normalbetrieb derart, dass der Ladezustand sich innerhalb des Sollbereichs 318 bewegt. Innerhalb dieses Bereichs erfolgt die Wahl des Betriebspunkts anhand optimierter Kosten. Lediglich im Rekuperationsbetrieb bzw. bei starkem Beschleunigen („Boost") kann dieser Sollbereich 318 verlassen werden, jedoch lediglich bis hin zu den Grenzpunkten 314 bzw. 316.
Eine weitere Möglichkeit zum Einstellen eines Ladezustands innerhalb vorgegebener Grenzen stellt das „Verkippen" einer Kostenkennlinie (d.h. einer Auftragung der Kosten über den möglichen Arbeitspunkten mit der Batterieleistung oder Verbrennungsmotorleistung als Parameter) um den Punkt eines neutralen Ladens anhand einer SOC-Abweichung vom Sollwert bzw. Sollbereich dar. Je stärker die Abweichung ist, umso stärker wird die Kennlinie in die entsprechende Richtung geneigt, so dass der Energiepreis mit dem Ladewunsch gewichtet wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, alle lokalen Minima der Kostenfunktion in Erwägung zu ziehen. Anschließend wählt der Laderegler 224 das in Bezug auf die Ladezustands-Abweichung vom Sollwert bzw. Sollbereich günstigste Minimum als Betriebszustand.
Die oben beschriebenen Konzepte gehen dabei stets vom hybridischen Fahren, also vom Fahren mit eingeschaltetem Verbrennungsmotor 116, aus. Der Laderegler 224 kann nach Durchrechnen bzw. nach Vergleichen der verschiedenen Möglichkeiten zur Einstellung des Arbeitspunktes auch zu dem Schluss kommen, dass es günstiger wäre, das hybridische Fahren zu verlassen und rein elektrisch zu fahren. Dies wird dann entsprechend eingestellt.
Die Integration der Vorrichtung 210 bzw. die Erweiterung dieser Vorrichtung 210 für die Steuerung eines gesamten Hybridantriebs ist in 4 beispielhaft für den in 1B dargestellten leistungsverzweigenden Hybridstrang 112 dargestellt. Die vom Laderegler 224 generierte Information über die optimale, einzustellende Leistung des Verbrennungsmotors 116 ist in 4 mit P_VMSoll bezeichnet. Diese Information wird an die Verbrennungsmotorsteuerung, welche in 4 symbolisch mit der Bezugsziffer 410 bezeichnet ist, weitergegeben. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Übermittlung an ein konventionelles Motorsteuerungsgerät (englisch Engine Control Unit, ECU) handeln.
In Schritt 412 wird aus der vom Laderegler 224 berechneten Zieldrehzahl N_VMTarget und der aktuellen Drehzahl der Elektromotorfunktion 132 die Solldrehzahl N_GSoll anhand linearer, formelmäßiger Zusammenhänge der Drehzahlen berechnet. Diese Solldrehzahl N_GSoll wird dann im Vergleichsschritt 414 mit der aktuellen Drehzahl N_GIst verglichen und als Eingangsgröße für einen PI-Regler verwendet. Dieser PI-Regler erzeugt ein Soll-Drehmoment T_GSoll, mit welchem eine Generatorsteuerung 418 beaufschlagt wird. Um dieses Solldrehmoment T_GSoll einzustellen, wird in Schritt 420 entsprechend das Abtriebsmoment des Planetengetriebes 140 hin zum Generator 134 berechnet und in einem weiteren Vergleichsschritt 422 mit dem Abtriebsmoment T_AB im Abtrieb des Leistungsverzweigenden Hybrids 112 verglichen. Da die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 116 bereits durch den Laderegler fest vorgegeben sind und da das erforderliche Abtriebsmoment T_AB und die Fahrzeuggeschwindigkeit V_Veh ebenfalls vorgegeben sind, lässt sich aus diesem Vergleich 422 in Schritt 424 das erforderliche Drehmoment der Elektromotorfunktion 132 berechnen. Dieses Elektromotormoment T_EMSOll wird wiederum an eine Elektromotorsteuerung übergeben, was in 4 symbolisch mit Bezugsziffer 426 dargestellt ist. Auf diese Weise kann kostenoptimiert die erforderliche Abtriebsleistung P_AB aufgebracht werden.

Claims

Vorrichtung (210) zur Steuerung eines Hybridantriebs (110; 112) eines Fahrzeugs unter Optimierung einer Minimierungsgröße, wobei der Hybridantrieb (110; 112) mindestens einen Verbrennungsmotor (116) und mindestens eine Elektromaschine (120) mit mindestens einer Elektromotorfunktion (132) und mindestens einer Generatorfunktion (134) zum Aufladen mindestens eines Energiespeichers (122) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (210) eingerichtet ist, um für verschiedene vorgegebene elektrische Leistungen der Elektromaschine (120) oder eine Summenleistung mehrerer verbauter elektrischer Maschinen (132, 134), für verschiedene vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeiten und für verschiedene vorgegebene Abtriebsleistungen des Hybridantriebs (110; 112) Verbrennungsmotorzieldrehzahlen, Verbrennungsmotorleistungen und die Minimierungsgröße zu ermitteln, und um mittels eines Ladereglers (224) unter Berücksichtigung einer benötigten Bordnetzleistung des Fahrzeugs und eines bekannten Zusammenhangs zwischen Minimierungsgröße und Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers (122) einen Arbeitspunkt (228) des Hybridantriebs (110; 112) zu wählen und den Aufladevorgang des mindestens einen Energiespeichers (122) zu steuern.
Vorrichtung (210) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierungsgröße mindestens eine der folgenden Größen oder eine Kombination der folgenden Größen umfasst: einen Energiepreis; eine Schadstoffemission, insbesondere eine Stickoxid- und/oder Kohlenoxidemission.
Vorrichtung (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsmotorzieldrehzahlen, Verbrennungsmotorleistungen und Minimierungsgrößen für eine Vielzahl verschiedener elektrischer Leistungen der Elektromaschine (120), für eine Vielzahl verschiedener Fahrzeuggeschwindigkeiten und für eine Vielzahl verschiedener Abtriebsleistungen des Hybridantriebs (110; 112) in einer Tabelle (214), insbesondere in einer elektronischen Tabelle, insbesondere in einer Lookup-Table, hinterlegt sind.
Vorrichtung (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen elektrischen Leistungen der Elektromaschine (120) eine Mehrzahl von Leistungen zwischen einer maximalen möglichen Energiespeicherentladeleistung und einer maximalen möglichen Energiespeicherladeleistung umfassen.
Vorrichtung (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb (110; 112) ein Parallelhybrid (110), insbesondere ein Parallelhybrid mit nachgeschaltetem CVT-Getriebe, und/oder einen leistungsverzweigenden Triebstrang (112) umfasst.
Vorrichtung (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler (224) eingerichtet ist, um die Minimierungsgröße für eine Vielzahl von möglichen Arbeitspunkten (228) zu ermitteln und um anschließend einen Arbeitspunkt (228) mit minimalem Wert der Minimierungsgröße zu wählen.
Vorrichtung (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler (224) eingerichtet ist, um weiterhin einen Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (122) zu berücksichtigen.
Vorrichtung (210) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der möglichen Ladezustände des mindestens einen Energiespeichers (122) in einen Maximalbereich (312) und einen in dem Maximalbereich (312) enthaltenen Sollbereich (318) eingeteilt ist, wobei der Laderegler (224) derart ausgestaltet ist, dass der Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (122) im Betrieb des Hybridantriebs (110; 112) stets innerhalb des Maximalbereichs (312) eingestellt wird.
Vorrichtung (210) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler (224) eingerichtet ist, um den Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers (122) im Normalbetrieb des Hybridantriebs (110; 112) innerhalb des Sollbereichs (318) einzustellen und lediglich ab einer vorgegebenen Mindestbeschleunigung und/oder bei Rekuperation des Hybridantriebs (110; 112) den Ladezustand außerhalb des Sollbereichs (318) einzustellen.
Vorrichtung (210) gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler (224) eingerichtet ist, um eine Abweichung des Ladezustands des mindestens einen Energiespeichers (122) von mindestens einem Sollwert und/oder mindestens einem Sollbereich (318) bei der Auswahl des Arbeitspunktes (228) zu berücksichtigen.