DE102006051832A1

DE102006051832A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Momentensteuerung eines Hybridkraftfahrzeugs nach einem Startvorgang

Info

Publication number: DE102006051832A1
Application number: DE102006051832A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. Hahn
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-11-04
Also published as: DE102006051832B4; US8200382B2; US20080109125A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebdrehmoments einer Hybridantriebseinheit (10) eines Kraftfahrzeugs nach einem Startvorgang. Die Hybridantriebseinheit (10) umfasst eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei die elektrische Maschine (14) im motorischen Betrieb ein elektromotorisches Drehmoment (M_EM) bereitstellt, das zusammen mit einem Drehmoment (M_VM) der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb eine elektrische Leistung abgibt. Es ist vorgesehen, dass eine Momenten-Differenz (DeltaM) zwischen einem vorbestimmten Sollmoment (M_s) und einem aktuell angeforderten Wunschmoment (M_w) ermittelt wird und bei Einhaltung vorbestimmter Kriterien die erste Antriebsquelle (12) entsprechend dem vorbestimmten Sollmoment (M_s) betrieben wird und die elektrische Maschine (14) bei negativer Differenz (DeltaM) motorisch derart betrieben wird, dass sie ein elektromotorisches Drehmoment (M_EM) im Wesentlichen der Momenten-Differenz (DeltaM) entsprechend bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebdrehmoments einer Hybridantriebseinheit eines Kraftfahrzeugs nach einem Startvorgang, insbesondere einem Motorkaltstart. Die Hybridantriebseinheit umfasst eine erste Antriebsquelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, und zusätzlich mindestens eine, wahlweise in einem motorischen oder generatorischen Betrieb betreibbare, elektrische Maschine. Dabei liefert die elektrische Maschine im motorischen Betrieb ein elektromotorisches Drehmoment, das zusammen mit einem Moment der ersten Antriebsquelle ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit darstellt, und gibt im generatorischen Betrieb eine elektrische Leistung ab. Die Erfindung betrifft ferner ein Hybridfahrzeug mit einer entsprechenden Momentensteuerung.
Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet Kraftfahrzeuge, bei denen mindestens zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert werden, die auf unterschiedliche Energiequellen zurückgreifen, um die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, der durch die Verbrennung von Benzin- oder Dieselkraftstoffen kinetische Energie erzeugt, und einer 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 parallele Hybridkonzepte.
Die in solchen Parallelkonzepten eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. So wird etwa die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten, unterstützend zum Verbrennungsmotor, zugeschaltet. Zudem kann sie die Funktion eines Anlassermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Demgegenüber wird die E-Maschine im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung der E-Maschine beispielsweise zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Im Falle eines leistungsverzweigten Hybridkonzepts mit mehr als einer E-Maschine kann der generatorische Betrieb einer E-Maschine auch zur Speisung einer weiteren genutzt werden. Ferner wird in der Regel zumindest ein Teil einer Bremsleistung durch die generatorisch betriebene E-Maschine aufgebracht (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei ist in Hybridkonzepten generell von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.
Herkömmliche, rein verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge aber auch Hybridfahrzeuge weisen das Problem auf, dass nach einem Motorstart, insbesondere Kaltstart, ein Abgasreinigungssystem seine Betriebsbereitschaft noch nicht erreicht hat. So haben Katalysatoren beispielsweise noch nicht ihre "Anspringtemperatur", die so genannte Light-Off-Temperatur, erreicht und können somit in dieser Phase keine ausreichende Konvertierung von umweltschädlichen Abgaskomponenten gewährleisten. Ebenso benötigen Gassensoren der Abgasanlage, insbesondere Lambdasonden, eine Mindestbetriebstemperatur, um eine Regelung des Verbrennungsmotors sowie der Katalysatoren zu ermöglichen. Bestimmte Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, wie Einspritzmengen und -zeitpunkte, Zylinderfüllung, Zündwinkel etc., sind üblicherweise derart optimiert, dass einerseits die schnelle Betriebsbereitschaft des Abgasreinigungssystems erreicht wird und andererseits die vom Verbrennungsmotor produzierten Rohemissionen bestimmter Abgaskomponenten möglichst gering gehalten werden. Hierfür werden üblicherweise die vom Gesetzgeber vorgegebenen Emissionsprüfzyklen mit ihren definierten Lastanforderungen während und nach einem Fahrzeugstart zugrunde gelegt. Problematisch ist jedoch hier, dass die tatsächlichen von einem individuellen Fahrer angeforderten Lasten häufig von den theoretischen sich gemäß den vorgegebenen Geschwindigkeitsverläufen ergebenden Lasten abweichen. Dies betrifft insbesondere die Startvorgänge im normalen Straßenverkehr. Dabei weichen nicht nur die Verläufe unterschiedlicher Fahrer voneinander ab, sondern auch die einzelnen Lastanforderungen eines Fahrers bei unterschiedlichen Starts. Durch diese nicht reproduzierbaren Fahrereinflüsse ergeben sich bei jedem Motorstart unterschiedliche, nicht reproduzierbare Mengen an Roh- und Endemissionen. In extremen Fällen können bei einem identischen System bei einem Fahrer gesetzliche Abgasgrenzwerte eingehalten werden und bei einem anderen nicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Steuerung des Antriebsdrehmoments eines Hybridfahrzeugs bereitzustellen, das fahrer- und startindividuelle Einflüsse während und nach einem Fahrzeug- beziehungsweise Motorstart auf die Abgasemission reduziert oder sogar ausschaltet. Es soll ferner eine geeignete Momentensteuerungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie einer Momentensteuerung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass nach einem Startvorgang eine Momenten-Differenz zwischen einem vorbestimmten Sollmoment und einem aktuell angeforderten Wunschmoment ermittelt wird und bei Einhaltung vorbestimmter Kriterien die erste Antriebsquelle des Hybridantriebs, die insbesondere ein Verbrennungsmotor ist, (unabhängig von der tatsächlichen Lastanforderung durch den Fahrer) entsprechend dem vorbestimmten Sollmoment betrieben wird. Weiterhin sieht das Verfahren vor, die elektrische Maschine bei negativer Differenz, das heißt, das angeforderte Wunschmoment ist größer als das vorbestimmte Sollmoment, motorisch derart zu betreiben, dass die elektrische Maschine ein elektromotorisches Drehmoment, das im Wesentlichen der Momenten-Differenz entspricht, bereitstellt. Aus der Summe des elektromotorischen Drehmoments und dem (insbesondere verbrennungsmotorischen) Drehmoment der ersten Antriebsquelle ergibt sich dann das Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit, welches dem angeforderten Wunschmoment entspricht. Dabei wird – wie allgemein üblich – das vorbestimmte Sollmoment in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl aus gespeicherten Kennlinien oder -feldern vorgegeben. Fordert also der Fahrer bei einer aktuellen Drehzahl ein höheres Moment als das vorgegebene ab, so wird nicht das Drehmoment der ersten Antriebsquelle (Verbrennungsmotor) erhöht, sondern die Differenz aus dem vorbestimmten Sollmoment und dem angeforderten Moment durch die elektrische Antriebskomponente des Hybridantriebs bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit, die erste Antriebsquelle bei den einzelnen Startvorgängen mit Parametern zu betreiben, die auf geringe Rohemissionen und ein schnelles Anspringen des Abgasreinigungssystems optimiert sind und unabhängig von fahrer- und startindividuellen Einflüssen auf den Verlauf des vorbestimmten Sollmoments ausgelegt sind. Auf diese Weise wird es möglich, den Betrieb der ersten Antriebsquelle (Verbrennungsmotor) und damit des Gesamtsystems beim Startvorgang reproduzierbar hinsichtlich niedriger Abgasendemissionen zu optimieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, bei positiver Momenten-Differenz, das heißt, das angeforderte Wunschmoment ist kleiner als das vorbestimmte Sollmoment, die elektrische Maschine generatorisch zur Abgabe einer im Wesentlichen der Differenz entsprechenden elektrischen Energie zu betreiben, wobei wiederum die erste Antriebsquelle entsprechend dem vorbestimmten Sollmoment betrieben wird. Mit anderen Worten wird, wenn der Fahrer bei einer aktuellen Drehzahl ein niedrigeres Drehmoment als das Sollmoment anfordert, nicht das Drehmoment der ersten Antriebsquelle (Verbrennungsmotor) entsprechend gesenkt, sondern die überschüssige Differenz aus dem vorbestimmten Sollmoment und dem angeforderten Moment in die elektrische Antriebskomponente eingespeist, die wiederum generatorisch elektrische Energie erzeugt. Die somit erzeugte elektrische Energie kann zur Ladung eines Energiespeichers, beispielsweise der Fahrzeugbatterie oder eines zusätzlichen Energiespeichers, und/oder zur direkten Versorgung eines elektrischen Bordnetzes verwendet werden.
Bei dem in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl vorbestimmten Sollmoment kann es sich um ein konstantes Moment handeln oder um einen zeitlich veränderlichen (dynamischen) Verlauf. Es ist hier bevorzugt vorgesehen, dass das vorbestimmte Sollmoment in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl der ersten Antriebsquelle entsprechend einem standardisierten dynamischen Fahrzyklus vorbestimmt wird, insbesondere entsprechend einem (gesetzlichen) Abgasnormfahrzyklus. Zusätzlich kann gegebenenfalls das Sollmoment in Abhängigkeit von einer seit dem Start vergangenen Zeit vorbestimmt werden.
Die vorbestimmten Kriterien, bei deren Erfüllung das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, sollen einerseits sicherstellen, dass das Verfahren auf den Startvorgang beschränkt bleibt, das heißt nur bei Nichtvorliegen eines betriebsbereiten Abgasreinigungssystems eingesetzt wird. Andererseits sollen die Kriterien gewährleisten, dass das Verfahren nur bei praktikablen Rahmenbedingungen ausgeführt wird.
Zur Erfüllung der ersten Forderung umfassen die vorbestimmten Kriterien bevorzugt Kriterien zur Ermittlung einer Inaktivität des Abgasreinigungssystems des Fahrzeugs. Hierfür kann etwa das Unterschreiten einer vorbestimmten Grenztemperatur, insbesondere der Light-Off-Temperatur, durch die aktuelle Katalysatortemperatur gefordert werden. Dabei kann die aktuelle Katalysatortemperatur entweder mit Temperatursensoren gemessen, mittels geeigneter Modelle berechnet oder aus Kennfeldern entnommen werden. Ebenso kann eine integrale, seit dem Motorstart in die Abgasanlage eingetragene Wärmemenge ermittelt werden und ein Unterschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes gefordert werden. Ein weiteres Kriterium kann darin bestehen, dass der Katalysator-Light-Off, also das Anspringen der katalytischen Aktivität des Katalysators noch nicht erkannt ist. Hierfür kommen geeignete, temperaturunabhängige Auswerteverfahren zum Einsatz, die etwa von stromab des Katalysators gemessenen Konzentrationen von Abgaskomponenten Gebrauch machen. Weiterhin kann die geforderte Inaktivität des Abgasreinigungssystems indirekt dadurch ermittelt werden, dass festgestellt wird, dass eine vorbestimmte Zeitspanne nach Zündung des Verbrennungsmotors, das heißt nach Betätigung eines Zündschlüssels oder Zündschalters oder dergleichen durch den Fahrer, und/oder nach Start der ersten Antriebsquelle noch nicht abgelaufen ist. Ein weiteres Kriterium betrifft die Forderung, dass die Betriebsbereitschaft von Abgassensoren des Abgasreinigungssystems, insbesondere von Lambdasonden, noch nicht erreicht ist. Alle diese Kriterien können einzeln oder in Kombination miteinander Anwendung finden.
Zur Erfüllung der zweiten Forderung umfassen die vorbestimmten Kriterien bevorzugt Kriterien zur Ermittlung der Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Momentensteuerungsverfahrens. Geeignete Kriterien hierfür umfassen etwa die Einhaltung eines vorbestimmten Drehzahlbereichs durch die zum Fahrzeugantrieb angeforderte Drehzahl und/oder die Einhaltung eines vorbestimmten Momentenbereichs durch das zum Fahrzeugantrieb angeforderten Wunschmoment. Ferner kann gefordert werden, dass ein Ladezustand (SOC für "state of charge") des die elektrische Maschine speisenden Energiespeichers einen vorbestimmten Wert überschreitet, damit sichergestellt ist, dass das erwünschte elektromotorische Moment auch dargestellt werden kann, ohne dass der Energiespeicher unzulässig entleert wird. Darüber hinaus kann gefordert werden, dass eine aktuelle adaptierte Fahrzeughöhe über Normal Null (NN) unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Auch diese, durchführungsrelevanten Kriterien können einzeln oder in Kombination miteinander Anwendung finden sowie auch mit den oben beschriebenen, abgasrelevanten Kriterien kombiniert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Toleranzbereich für das vorbestimmte Sollmoment vorgegeben und die Momenten-Differenz zwischen dem mit dem Toleranzbereich beaufschlagten vorbestimmten Sollmoment und dem aktuell angeforderten Wunschmoment ermittelt. Beispielsweise kann der Toleranzbereich ± 15 %, insbesondere ± 10 % des Sollmomentes betragen. Gemäß dieser Ausgestaltung kommt das erfindungsgemäße Verfahren nur dann zum Einsatz, wenn etwa das angeforderte Wunschmoment um 15 % beziehungsweise um 10 % nach oben oder unten von dem Sollmoment abweicht. Auf diese Weise wird ein häufiges Umspringen von dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem herkömmlichen "Normalbetriebsmodus" vermieden.
Noch eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgesetzt wird, wenn der rechnerische Betrag der ermittelten Momenten-Differenz eine maximale vorbestimmte Differenz überschreitet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass technische Grenzen des Systems nicht überschritten werden, beispielsweise das von der elektrischen Maschine angeforderte Drehmoment – auch unter Berücksichtigung des Ladezustandes des Energiespeichers – tatsächlich darstellbar ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Momentensteuerung für ein Kraftfahrzeug mit einer Hybridantriebseinheit, welche eine erste Antriebsquelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine im motorischen Betrieb ein elektromotorisches Drehmoment bereitstellt, das zusammen mit einem Drehmoment der ersten Antriebsquelle ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit darstellt, und im generatorischen Betrieb eine elektrische Leistung abgibt. Die erfindungsgemäße Momentensteuerung umfasst einen (digitalen) Programmalgorithmus, der die zuvor erläuterten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Bevorzugt ist der Programmalgorithmus in einer Motorsteuerung hinterlegt.
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 und
2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer Ausgestaltung der Erfindung.
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 eine erste Antriebsquelle, hier einen konventionellen Verbrennungsmotor 12 (Otto- oder Dieselmotor) sowie eine elektrische Maschine 14 (=Elektromotor, E-Maschine), die beide auf die gleiche Welle wirken, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12. Die Anbindung der elektrischen Maschine 14 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann die elektrische Maschine 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 oder als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein, bei dem die Betätigung der Kupplung 20 entfällt.
Die elektrische Maschine 14, die 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 die elektrische Maschine 14 den Antriebsstrang 18 – allein oder das verbrennungsmotorische Moment M_VM des Verbrennungsmotors 12 unterstützend – unter Verbrauch von elektrischer Energie (Strom) an. Diese bezieht die elektrische Maschine 14 aus einem Energiespeicher 22, der beispielsweise eine Batterie und/oder bevorzugt ein Kondensatorspeicher sein kann. Im generatorischen Betrieb hingegen wird der Elektromotor 14 durch den Verbrennungsmotor 12 beziehungsweise einen Schubbetrieb des Fahrzeugs angetrieben und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie zur Auffüllung des Energiespeichers 22 um. Die Umschaltung der elektrischen Maschine 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 24, die gleichzeitig eine möglicherweise erforderliche Umrichtung zwischen Gleich- und Wechselstrom vornimmt.
Gemäß dem dargestellten Konzept erfolgt der Fahrzeugantrieb überwiegend durch den Verbrennungsmotor 12, der durch den als Startergenerator ausgelegten Elektromotor 14 gestartet wird. Die elektrische Maschine 14 übernimmt zudem eine Boostfunktion, indem er in Hochlastsituationen, insbesondere bei Beschleunigungen des Fahrzeugs, unterstützend zum Fahrzeugantrieb zugeschaltet wird (motorischer Betrieb). Andererseits hat die elektrische Maschine 14 in Fahrsituationen, bei denen ein Überschuss kinetischer Energie des Fahrzeugs vorliegt, eine so genannte Rekuperationsfunktion, indem sie im generatorischen Betrieb die Bewegungsenergie in kinetische Energie zur Ladung des Energiespeichers 22 umwandelt und somit gleichzeitig ein Bremsmoment bereitstellt. Ein in diesem Zusammenhang besonders geeigneter Elektromotor 14 weist eine Leistung von höchstens 50 kW, insbesondere von höchstens 30 kW, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 25 kW, speziell von etwa 20 kW auf.
In 1 ist zudem eine optionale zusätzliche Kupplung 26 angedeutet, die zwischen Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 angeordnet sein kann. Eine solche zusätzliche Kupplung 26 erlaubt die separate Abkopplung des Verbrennungsmotors 12 vom Antriebsstrang 18 beziehungsweise vom Elektromotor 14, wodurch sich grundsätzlich der Vorteil ergibt, dass bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 seine mechanischen Reibungswiderstände nicht mitgeschleppt werden müssen. Die zusätzliche Kupplung 26 bewirkt daher zwar ein zusätzliches Einsparpotential von Kraftstoff, ist jedoch mit einem zusätzlichen Kosten-, Konstruktions- und Bauraumaufwand verbunden. Das vorliegend beschriebene Verfahren kann gleichermaßen auf Hybridantriebe mit und ohne zusätzliche Kupplung 26 angewendet werden.
Die Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 24 erfolgt hier durch ein Motorsteuergerät 28, in welches eine Momentensteuerung (angedeutet mit 30) in Form eines Programmalgorithmus integriert ist. Alternativ kann die Momentensteuerung 30 auch in einer separaten Steuereinheit vorgesehen sein. In das Motorsteuergerät 28 gehen verschiedene aktuelle Betriebsparameter des Fahrzeugs ein. Insbesondere werden eine Kurbelwellendrehzahl n sowie ein Pedalwert PW eines mit 32 angedeuteten Pedalwertgebers an das Steuergerät 28 gegeben. Der Pedalwert PW gibt die Stellung eines Gaspedals wieder, das heißt das Maß, mit dem der Fahrer das Gaspedal bedient. Des Weiteren erhält oder ermittelt das Motorsteuergerät 28 Informationen, die einen Ladungszustand (SOC, state-of charge) sowie einen Alterungszustand (SOH, state-of-health) des Energiespeichers 22 charakterisieren.
In Abhängigkeit von dem Pedalwert PW und der Drehzahl n ermittelt das Steuergerät 28 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 der elektrischen Maschine 14 entsprechend an. Im Falle eines Fahrzeugs- und Motorstart, insbesondere eines Kaltstarts, kommt es – bei Erfüllung bestimmter Kriterien – dabei zur Anwendung des erfindungsgemäßen, in der Momentensteuerung 30 gespeicherten Verfahrens zur Steuerung des Antriebdrehmoments der Hybridantriebseinheit 10 ("Startmodus"), welches nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms in 2 dargestellt ist.
Das Verfahren setzt bei Schritt 100 ein, in welchem der aktuelle vom Fahrer bestimmte Pedalwert PW sowie die aktuelle Drehzahl n der Antriebswelle des Hybridantriebs 10 eingelesen werden. Anschließend wird in Schritt 102 in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten Pedalwert PW und der Drehzahl n ein dem Fahrerwunsch entsprechendes Wunschmoment M_w ermittelt. Hierfür kommen Kennlinien oder Kennfelder zum Einsatz, die in der Motorsteuerung 28 hinterlegt sind.
Im nachfolgenden Schritt 104 wird abgefragt, ob Kriterien K_A zur Ermittlung der Inaktivität eines in 1 nicht dargestellten Abgasreinigungssystems der Hybridantriebseinheit 10 erfüllt sind. Diese Kriterien K_A umfassen zumindest eines der folgenden Kriterien, welche im Einzelnen bereits oben erläutert wurden:

– Katalysatortemperatur unterschreitet eine vorbestimmte Grenztemperatur; integrale, in die Abgasanlage eingetragene Wärmemenge unterschreitet vorbestimmten Grenzwert;
– Katalysator-Light-Off noch nicht erkannt;
– vorbestimmte Zeitspanne nach Zündung des Verbrennungsmotors 12 noch nicht abgelaufen;
– vorbestimmte Zeitspanne nach Start des Verbrennungsmotors 12 noch nicht abgelaufen;
– Betriebsbereitschaft von Abgassensoren des Abgasreinigungssystems, insbesondere von Lambdasonden, noch nicht erreicht.

Letztendlich dienen die Kriterien K_A einzeln oder in Kombination miteinander der Ermittlung eines Zustandes des Abgasreinigungssystems, der durch eine (noch) nicht oder eingeschränkt vorhandene Aktivität des Abgasreinigungssystems gekennzeichnet ist, und stellen sicher, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen nur nach einem Start des Verbrennungsmotors 12 zur Anwendung gelangt.
Wird die Abfrage in Schritt 104 mit Ja beantwortet, das heißt das Abgasreinigungssystems ist nicht oder nicht ausreichend aktiv, geht das Verfahren zu Schritt 106 über, wo abgefragt wird, ob Kriterien K_D zur Ermittlung der Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Momentensteuerungsverfahrens erfüllt sind. Diese Kriterien K_D umfassen zumindest eines der folgenden Kriterien, welche ebenfalls im Einzelnen bereits oben erläutert sind:

– eine zum Fahrzeugantrieb angeforderte Drehzahl n liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs;
– das zum Fahrzeugantrieb angeforderte Wunschmoment M_w liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs;
– Ladezustand SOC des Energiespeichers 22 überschreitet einen vorbestimmten Wert;
– adaptierte aktuelle Fahrzeughöhe über NN liegt unterhalb eines vorbestimmten Wertes.

Die Kriterien K_D dienen einzeln oder in Kombination miteinander zur Sicherstellung, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der aktuellen Fahr- und Zustandssituation durchführbar ist und keine nachteiligen Einflüsse auf die Betriebssicherheit und des Fahrkomforts haben.
Wird auch die Abfrage 106 bejaht, das heißt das erfindungsgemäße Verfahren ist aktuell durchführbar, wird in Schritt 108 der erfindungsgemäße Startmodus aktiviert. In diesem wird zunächst in Schritt 110 ein Sollmoment M_s in Abhängigkeit von der in Schritt 100 eingelesenen aktuellen Drehzahl n sowie einer "Solllastanforderung" PW_s sowie optional in Abhängigkeit von der bereits seit Betriebsstart des Fahrzeugs vergangenen Zeit ermittelt. Dabei entspricht die Solllastanforderung PW_s einer vorgegebenen, für alle Startvorgänge gleichen Lastanforderung, die etwa einem typischen Durchschnittsverlauf entspricht oder einem normierten Testzyklus. Die Ermittlung des Sollmoments M_s in Abhängigkeit von der Drehzahl n und der Solllastanforderung PW_s erfolgt ebenso wie die Ermittlung des Wunschmoments M_w in Schritt 102 unter Verwendung gespeicherter Kennlinien oder Kennfeldern. Anschließend wird in Schritt 112 eine Momenten-Differenz ΔM zwischen dem zuvor bestimmten Sollmoment M_s und dem in Schritt 102 ermittelten, aktuell angeforderten Wunschmoment M_w gemäß der Gleichung ΔM = M_s – M_w ermittelt.
Dann geht das Verfahren zu Schritt 114 über, in dem abgefragt wird, ob die Momenten-Differenz ΔM kleiner oder gleich einer vorbestimmten maximalen Momenten-Differenz ΔM_max ist. Wird diese Abfrage bejaht, erfolgt in Schritt 116 die Abfrage, ob die in Schritt 112 ermittelte Momenten-Differenz ΔM größer als Null ist.
Bei Verneinung der Abfrage in Schritt 116, das heißt die Momenten-Differenz ΔM ist negativ und das angeforderte Wunschmoment M_w ist größer als das Sollmoment M_s, geht das Verfahren zu Schritt 118 über. Hier wird der Verbrennungsmotor 12 so angesteuert, dass sein erzeugtes verbrennungsmotorisches Moment M_VM dem Sollmoment M_s entspricht. Da der Verbrennungsmotor 12 somit mehr Antriebsmoment bereitstellt als vom Fahrer angefordert wird, wird die elektrische Maschine 14 generatorisch betrieben, wobei sie durch den Überschuss an Drehmoment ΔM angetrieben wird. Somit erzeugt sie elektrische Energie, die zur Ladung des Energiespeichers 22 genutzt wird. Im generatorischen Betrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 ein negatives Drehmoment der Größe –ΔM, das als Bremsmoment wird, so dass im Ergebnis das Gesamtantriebsmoment dem Wunschmoment M_w entspricht.
Bei Bejahung der Abfrage in Schritt 116, das heißt die Momenten-Differenz ΔM ist positiv und das angeforderte Wunschmoment M_w ist kleiner als das Sollmoment M_s, geht das Verfahren zu Schritt 120 über. Auch in diesem Fall wird der Verbrennungsmotor 12 so angesteuert, dass sein erzeugtes verbrennungsmotorisches Moment M_VM dem Sollmoment M_s entspricht. Da der Verbrennungsmotor 12 somit weniger Antriebsmoment bereitstellt als vom Fahrer angefordert wird, wird die elektrische Maschine 14 derart motorisch betrieben, dass sie ein positives elektromotorisches Drehmoment M_EM entsprechend der Momenten-Differenz ΔM liefert. Somit ergibt sich wiederum ein Gesamtantriebsmoment, das dem Wunschmoment M_w entspricht.
Sowohl in Schritt 118 als auch im Schritt 120 wird der Verbrennungsmotor 12 nicht entsprechend dem Wunschmoment M_w, sondern dem Sollmoment M_s entsprechend betrieben. Dies hat den Vorteil, dass sämtliche Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 12, insbesondere Zylinderfüllung, Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt(e), Zündwinkel (bei Ottomotoren), Gemischaufbereitung (homogene Ladung oder Schichtladung), Abgasrückführrate etc., hinsichtlich einer schnellen Aktivierung des Abgasreinigungssystems sowie möglichst geringer Rohemissionen des Verbrennungsmotors 12 optimiert werden können. Da der Lastverlauf nach dem Motorstart entsprechend M_s vorgegeben und somit vorbekannt ist, ist eine optimale Bedatung des Verbrennungsmotors 12 unabhängig von individuellen Fahrereinflüssen möglich. Im Ergebnis werden somit reproduzierbare Startverläufe mit ebenso reproduzierbaren Abgasendemissionen gewährleistet.
Wird eine der Abfragen 104, 106 oder 114 verneint, das heißt das Abgasreinigungssystem ist ausreichend aktiv oder das erfindungsgemäße Verfahren ist aktuell nicht durchführbar oder die Momenten-Differenz ΔM ist zu groß, geht die Routine zu Schritt 122 über, wo der erfindungsgemäße Startmodus inaktiviert wird. In diesem Fall wird das System herkömmlich betrieben, wobei der Verbrennungsmotor 12 in der Regel entsprechend dem angeforderten Wunschmoment M_w betrieben wird.

10: Hybridantriebseinheit
12: erste Antriebsquelle/Verbrennungsmotor
14: elektrische Maschine (Elektromotor)
16: Getriebe
18: Antriebsstrang
20: Kupplung oder Doppelkupplungseinheit
22: Energiespeicher/Batterie
24: Leistungselektronik
26: zusätzliche Kupplung
28: Motorsteuergerät
30: Momentensteuerung
32: Pedalwertgeber
n: Drehzahl
PW: Pedalwert (Lastanforderung)
PW_s: Solllastanforderung
M_EM: elektromotorisches Moment
M_VM: verbrennungsmotorisches Moment
M_s: vorbestimmtes Sollmoment
M_w: angefordertes Drehmoment (Wunschmoment)
ΔM: Momentendifferent (ΔM = M_s – M_w)
SOC: Ladezustand des Energiespeichers

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Antriebdrehmoments einer Hybridantriebseinheit (10) eines Kraftfahrzeugs nach einem Startvorgang, welche eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei die elektrische Maschine (14) im motorischen Betrieb ein elektromotorisches Drehmoment (M_EM) bereitstellt, das zusammen mit einem Drehmoment (M_VM) der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb eine elektrische Leistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Momenten-Differenz (ΔM) zwischen einem vorbestimmten Sollmoment (M_s) und einem aktuell angeforderten Wunschmoment (M_w)ermittelt wird und bei Einhaltung vorbestimmter Kriterien die erste Antriebsquelle (12) entsprechend dem vorbestimmten Sollmoment (M_s) betrieben wird und die elektrische Maschine (14) bei negativer Differenz (ΔM) motorisch derart betrieben wird, dass sie ein elektromotorisches Drehmoment (M_EM) im Wesentlichen der Momenten-Differenz (ΔM) entsprechend bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei positiver Momenten-Differenz (ΔM) die elektrische Maschine (14) generatorisch zur Abgabe einer im Wesentlichen der Differenz (ΔM) entsprechenden elektrischen Energie betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zur Ladung eines Energiespeichers (22) und/oder zur direkten Versorgung eines elektrischen Bordnetzes verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Sollmoment (M_s) in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl der ersten Antriebsquelle (12) entsprechend einem standardisierten Fahrzyklus vorbestimmt wird, insbesondere entsprechend einem Abgasnormfahrzyklus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer maximalen vorbestimmten Differenz (ΔM_max) durch den Betrag der ermittelten Momenten-Differenz (ΔM) das Momentensteuerungsverfahren nach Anspruch 1 ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Toleranzbereich für das vorbestimmte Sollmoment (M_s) vorgegeben wird und die Momenten-Differenz (ΔM) zwischen dem Toleranzbereich des vorbestimmten Sollmoments (M_s) und dem aktuell angeforderten Wunschmoment (M_w) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien Kriterien (K_A) zur Ermittlung einer Inaktivität eines Abgasreinigungssystems des Fahrzeugs umfassen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien (K_A) zur Ermittlung der Inaktivität eines Abgasreinigungssystems zumindest eines der folgenden Kriterien umfassen – Katalysatortemperatur unterschreitet eine vorbestimmte Grenztemperatur; – integrale, in die Abgasanlage eingetragene Wärmemenge unterschreitet vorbestimmten Grenzwert; – Katalysator-Light-Off noch nicht erkannt; – vorbestimmte Zeitspanne nach Zündung der ersten Antriebsquelle (12) noch nicht abgelaufen; – vorbestimmte Zeitspanne nach Start der ersten Antriebsquelle (12) noch nicht abgelaufen; – Betriebsbereitschaft von Abgassensoren des Abgasreinigungssystems, insbesondere von Lambdasonden, noch nicht erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien (K_D) zur Ermittlung der Durchführbarkeit des Momentensteuerungsverfahrens umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien (K_D) zur Ermittlung der Durchführbarkeit des Momentensteuerungsverfahrens zumindest eines der folgenden Kriterien umfassen – eine zum Fahrzeugantrieb angeforderte Drehzahl liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs; das zum Fahrzeugantrieb angeforderte Wunschmoment (M_w) liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs; – Ladezustand (SOC) eines Energiespeichers (22) überschreitet einen vorbestimmten Wert; – adaptierte aktuelle Fahrzeughöhe über NN liegt unterhalb eines vorbestimmten Wertes.
Momentensteuereinheit (30) für eine Hybridantriebseinheit (10) eines Kraftfahrzeugs nach einem Startvorgang, welche eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei die elektrische Maschine (14) im motorischen Betrieb ein elektromotorisches Drehmoment (M_EM) bereitstellt, das zusammen mit einem Drehmoment (M_VM) der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Antriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb eine elektrische Leistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentensteuereinheit (30) einen Programmalgorithmus zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.