DE102007007436A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges, umfassend einen Verbrennungsmotor (2), mindestens eine Elektro-Maschine (3), ein Automatikgetriebe (5), einen elektrischen Energiespeicher (4) und mindestens ein Steuergerät (7, 8, 10), wobei der Verbrennungsmotor (2) und die Elektro-Maschine (3) in Parallelschaltung angeordnet sind und so gleichzeitig ein Antriebsmoment erzeugen können, wobei bei einer Änderung einer Momentenanforderung M_wunsch ein aktuell drehzahlabhängiges darstellbares Moment M_aktuell des Verbrennungsmotors (2) erfasst wird und mit der Momentenanforderung M_wunsch verglichen wird, wobei bei Momentenanforderungen M_wunsch oberhalb des aktuell darstellbaren Moments M_aktuell des Verbrennungsmotors (2) und unterhalb eines drehzahlabhängigen vorab definierten Stationärwertes M_stationär die sich zeitlich ändernde Drehmomentdifferenz durch elektromotorischen Betrieb der Elektro-Maschine (3) ausgeglichen wird und eine angeforderte Getrieberückschaltung unterdrückt oder eine Anforderung für eine Getrieberückschaltung unterlassen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges mit einem Automatikgetriebe und Parallelschaltung von Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine.
  • Bei Hybridfahrzeugen werden zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und mindestens einer Elektro-Maschine, weshalb Hybridfahrzeuge heute überwiegend mit einer solchen Kombination ausgestattet werden. Die Anbindung der Elektro-Maschine an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. So kann diese über eine Kupplung bzw. direkt mit der Kurbelwelle des Motors verbunden oder über einen Riemenantrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein.
  • Als elektrische Energiespeicher werden bei Hybridfahrzeugen häufig zyklenfeste Batterien in NiMH- oder Li-Ionen-Technik eingesetzt. Die Lebensdauer der Batterie ist u. a. über die durchgesetzte (d. h. ein- und ausgespeicherte) Energie sowie die Leistung bzw. den Energiehub während des Lade- bzw. Entladevorgangs begrenzt. Eine starke Zyklisierung führt somit zu einer verringerten Lebensdauer. Alternativ können auch Kondensatoren als Energiespeicher verwendet werden.
  • Die erzielbare Verbrauchsabsenkung bei Hybridfahrzeugen resultiert entscheidend aus einer geeigneten Steuerungsstrategie. Die Grundfunktionen dabei sind die Energierückgewinnung aus Verzögerungsphasen (Rekuperation), der Start-Stopp-Betrieb sowie der rein elektromotorische Antrieb in Bereichen mit nur geringen verbrennungsmotorischen Wirkungsgraden.
  • Darüber hinaus wird die Elektro-Maschine im Antriebsstrang häufig auch zur Verbesserung der Fahrleistungen des Hybridfahrzeugs eingesetzt. So kann die Momentenabgabe von Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine auch parallel erfolgen, um das maximale Drehmoment der gesamten Antriebseinheit zu steigern (Boostbetrieb). Hierbei ist es zur Darstellung eines reproduzierbaren Fahrverhaltens wichtig, die Boostfunktion bei vergleichbaren Randbedingungen möglichst immer mit gleicher Performance darzustellen. Insbesondere hohe abgerufene elektrische Leistungen führen aber zu einer raschen Entleerung des Energiespeichers an den unteren zulässigen SOC-Wert (state of charge) und erfordern somit nachfolgend auch entsprechende Ladephasen, um bei mehrmaligem aufeinander folgendem Boostbetrieb Funktionseinschränkungen durch einen unzulässig niedrigen Ladezustand zu vermeiden.
  • Sinnvoll ist es daher, eine Einschränkung des Boostbetriebes vorzunehmen. Dies kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass die Boostfunktion insbesondere im unteren Drehzahlbereich genutzt wird, in dem der Verbrennungsmotor deutlich weniger Moment zur Verfügung stellen kann. Beispielsweise könnte damit – abhängig von der Leistungsfähigkeit der Elektro-Maschine – eine nahezu konstante Drehmomentkurve über der Drehzahl dargestellt werden. Typischerweise würde versucht werden, diese Drehmomentunterstützung in Boostbetrieb aufgrund des angestrebten reproduzierbaren Fahrverhaltens über einen längeren Zeitraum, z. B. mindestens 30 s, darzustellen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges mit einem Automatikgetriebe und Parallelschaltung von Verbrennungsmotor und Elektro-Maschine zu schaffen, mittels derer das instationäre Drehmomentverhalten unter Berücksichtigung des Verbrauchs verbessert wird.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges einen Verbrennungsmotor, mindestens eine Elektro-Maschine, ein Automatikgetriebe, einen elektrischen Energiespeicher und mindestens ein Steuergerät, wobei der Verbrennungsmotor und die Elektro-Maschine in Parallelschaltung angeordnet sind und so gleichzeitig ein Antriebsmoment erzeugen können, wobei bei einer Änderung einer Momentenanforderung ein aktuell drehzahlabhängiges darstellbares Moment des Verbrennungsmotors erfasst wird und mit der Momentenanforderung verglichen wird, wobei bei Momentenanforderungen oberhalb des aktuell darstellbaren Momentes des Verbrennungsmotors und unterhalb eines drehzahlabhängigen vorab definierten Stationärwertes die sich zeitlich ändernde Drehmomentdifferenz durch elektromotorischen Betrieb der Elektro-Maschine ausgeglichen wird und eine angeforderte Getrieberückschaltung unterdrückt oder eine Anforderung für eine Getrieberückschaltung unterlassen wird.
  • Der Erfindung liegen dabei folgende Vorüberlegungen zugrunde:
    Der Elektroantrieb eignet sich insbesondere auch dazu, das instationäre Drehmomentverhalten zu verbessern, da das elektromotorische Drehmoment typischerweise sehr schnell (z. B. innerhalb von 10 bis 50 ms) aufgebracht werden kann. Hier lässt sich insbesondere in Kombination mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren (bevorzugt abgasturboaufgeladenen Motoren) ein vorteilhaftes Verhalten darstellen. Dabei wird das Elektro-Maschinenmoment genutzt, um im dynamischen Betrieb den Unterschied zwischen dem stationär erreichbaren und dem tatsächlich vorliegenden Moment auszugleichen.
  • Nachteilig bei der Nutzung der Elektro-Maschine zur Boostunterstützung ist die Energiebilanz, falls die elektrische Energie hierfür durch (zeitlich vor- und/oder nachgelagerten) Generatorbetrieb erzeugt werden muss. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der zweifachen Energiewandlung mit Zwischenspeicherung im Energiespeicher die Vortriebsleistung energetisch deutlich ungünstiger erzeugt wird als allein über den Verbrennungsmotor.
  • Vorteilhaft an dem höheren Drehmomentangebot im unteren Drehzahlbereich ist, dass bei kurzzeitig erhöhten Momentenanforderungen nicht sofort eine Getrieberückschaltung erfolgen muss, um das gewünschte Radmoment (ohne zusätzlichen elektrischen Boost) zu erreichen. Da durch die Rückschaltung der Verbrennungsmotor mit höherer Drehzahl betrieben wird, stellt sich hierdurch natürlich auch ein (spezifisch) höherer Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors ein. Wird anschließend die Momentenanforderung wieder auf einen geringeren Wert zurückgenommen, erfolgt nachfolgend entsprechend den Getriebeschaltkennlinien auch wieder eine Hochschaltung.
  • Hierbei ist weiter zu berücksichtigen, dass die Getriebeschaltungen (z. B. durch Kupplungsschlupf, Wandlerverlusten, momentenreduzierenden Eingriffen) verlustbehaftet sind, so dass es bei nur kurz erforderlichen elektromotorischen Drehmomentunterstützungen durchaus wieder sinnvoll sein kann, Getrieberückschaltungen zu unterdrücken. Da sehr häufige Gangwechsel bei Automatikgetrieben zudem als unkomfortabel empfunden werden, bietet die elektromotorische Boostunterstützung hier die Möglichkeit einer Komforterhöhung. Diesbezüglich bieten sich insbesondere Fahrsituationen an, in denen eine Momentenanforderung im Bereich des instationären Boosts oder auch im Kennfeldbereich darunter vorliegt, da hier nach einer (u. a. drehzahlabhängigen) Verzögerungszeit der Verbrennungsmotor in der Lage ist, das angeforderte Moment wieder allein zur Verfügung zu stellen. Für einen abgasturboaufgeladenen Verbrennungsmotor liegen die Verzögerungszeiten zur Erreichung von 90% des angeforderten Drehmomentwertes typischerweise in einem Bereich von 2 bis 5 s.
  • Erfindungsgemäß werden daher unnötige Getriebeschaltungen verhindert, ohne den elektrischen Energiespeicher der Elektro-Maschine zu stark zu belasten, da nur bei Momentenanforderungen unterhalb des Stationärwertes auf die Getrieberückschaltung verzichtet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stationärwert gleich der drehzahlabhängigen stationären Volllast des Verbrennungsmotors gewählt.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird der Stationärwert oberhalb der stationären Volllast des Verbrennungsmotors gewählt. Dabei kann dies ein fester Drehmomentwert über der Volllast sein oder aber eine prozentuale Erhöhung zur stationären Volllast des Verbrennungsmotors. Vorzugsweise liegt der drehzahlabhängige Stationärwert dabei maximal 20%, weiter vorzugsweise 10% und am bevorzugtesten um maximal 5% über dem drehzahlabhängigen, stationären Volllastwert der Brennkraftmaschine.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vor der Zuschaltung der Elektro-Maschine überprüft, ob die Drehmomentdifferenz durch die Elektro-Maschine darstellbar ist. Ist das nicht der Fall, beispielsweise wegen einem nicht ausreichenden Ladezustand des Energiespeichers oder einer zu hohen Temperatur von Hybridkomponenten, wird gemäß dem vorliegenden Radmomentenwunsch (Momentenanforderung) vorzugsweise eine Rückschaltung zugelassen bzw. angefordert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektromotorische Zuschaltung zeitlich begrenzt. Vorzugsweise ist dabei die elektromotorische Zuschaltung auf maximal 10 s, weiter vorzugsweise maximal 8 s und besonders bevorzugt auf maximal 5 s beschränkt, nach deren Ablauf eine Rückschaltung zugelassen wird, um unerwünscht lange elektromotorische Boostphasen zu vermeiden.
  • Die Getrieberückschaltung kann in diesem Zusammenhang sowohl eine Einfach- wie auch Mehrfachrückschaltungen bedeuten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Automatikgetriebe als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet.
  • Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise als aufgeladener, weiter vorzugsweise als abgasturboaufgeladener Motor ausgebildet.
  • Das Verfahren kann durch Implementierung geeigneter Funktionen in einem Hybridsteuergerät, einem Motorsteuergerät oder einem Getriebesteuergerät umgesetzt werden. Dabei können die Steuergeräte auch teilweise oder komplett in einem großen Steuergerät zusammengefasst sein. Die Rückschaltunterdrückung im Getriebesteuergerät kann dann beispielsweise durch geeignete Anpassung der drehzahl-, fahrpedal- und/oder momentenabhängigen Schaltkennlinien, durch direkte Anforderung einer Schaltunterdrückung über ein Signal aus dem Motor- oder Hybridsteuergerät oder durch ein Signal aus dem Motor- oder Hybridsteuergerät, welches die drehzahl-, fahrpedal- und/oder momentenabhängigen Schaltkennlinien im resultierenden Zeitbereich geeignet verschiebt, erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Parallel-Hybridantriebes und
  • 2 Drehmomentverläufe über der Drehzahl.
  • Der Hybridantrieb 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2, eine Elektro-Maschine 3, einen Energiespeicher 4, der vorzugsweise als Batterie ausgebildet ist, ein Getriebe 5, ein Anfahrelement 6 (beispielsweise Doppelkupplung oder Wandler), ein Motorsteuergerät 7 und ein Getriebesteuergerät 8. Die Anbindung der Elektro-Maschine 3 an die Motorkurbelwelle kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, wobei hier die Anbindung über eine Kupplung 9 dargestellt ist. Alternativ kann die Elektro-Maschine auch direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sein oder über einen Riemenantrieb bzw. ein Getriebe angekoppelt sein. Die Steuerung des Verbrennungsmotors 2 erfolgt über das Motorsteuergerät 7 und des Getriebes 5 über das Getriebesteuergerät 8. Des Weiteren ist der Elektro-Maschine 3 ein nicht dargestelltes Steuergerät sowie ein Umrichter zugeordnet. Gegebenenfalls kann darüber hinaus ein separates Hybrid-Steuergerät 10 vorgesehen sein. Die Steuergeräte 7, 8 und 10 sowie das nicht dargestellte Steuergerät der Elektro-Maschine sind über ein Bussystem 11, beispielsweise einen CAN- oder FlexRay-Bus, miteinander verbunden. In einem der Steuergeräte 7, 8 und 10 ist nun ein Verfahren implementiert, mittels dessen über einen Boost-Betrieb das instationäre Drehmomentverhalten verbessert werden kann. Unter Boost-Betrieb wird dabei verstanden, dass sowohl der Verbrennungsmotor 2 als auch die Elektro-Maschine 3 motorisch antreiben.
  • In der 2 sind verschiedene Momentenverläufe M über der Drehzahl n dargestellt. Dabei stellt die Kurve 20 den Momentenverlauf über der Drehzahl für die Elektro-Maschine 3 dar. Die Kurve 21 stellt die stationäre Volllast des Verbrennungsmotors 2 dar. Das maximale Antriebsmoment M_max ist dabei als gestrichelte waagerechte Linie eingezeichnet, wobei die Kurve 22 als Summe der Kurven 20 und 21 das maximale Antriebsmoment über der Drehzahl n darstellt. Die Kurve 23 stellt den Verlauf des Drehmoments M eines aufgeladenen Verbrennungsmotors 2 ca. eine Sekunde nach Volllastanforderung dar. Der Bereich 24 stellt dabei den instationären Boostbetrieb dar und der Bereich 25 stellt den quasistationären Boostbetrieb dar.
  • Zur Erläuterung des Verfahrens wird nun nachfolgend angenommen, dass der stationäre Wert M_stationär gleich den stationären Wert für Volllast des Verbrennungsmotors 2 ist (Kurve 21). Der aktuelle Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors 2 ist durch das Wertepaar M_aktuell/n_aktuell bestimmt. Wird nun ein Moment M_wunsch angefordert, das zwischen den Werten M_aktuell und M_stationär liegt, so wird die Differenz berechnet zwischen M_wunsch und M_aktuell und dieses Differenzmoment M_wunsch – M_aktuell durch die Elektro-Maschine 3 aufgebracht, wobei die Drehzahl n konstant bleibt. Mit der Zeit steigt das aufbringbare Moment des Verbrennungsmotors 2 an, d. h. M_aktuell wandert senkrecht nach oben.
  • Im gleichen Maße wie M_aktuell steigt, sinkt das Moment der Elektro-Maschine 3. Hierdurch kann dem Fahrer das angeforderte Moment M_wunsch unmittelbar ohne Verzögerung zur Verfügung gestellt werden.
  • Entsprechend arbeitet das Verfahren, wenn M_stationär über der Kurve 21 liegt, beispielsweise 5% darüber. Dann kann eine Getrieberückschaltung vermieden werden, obwohl die Momentenanforderung M_wunsch knapp oberhalb der Kurve 21 liegt, also eigentlich eine Drehzahlerhöhung erfolgen müsste, wenn diese Differenz nicht durch die Elektro-Maschine 3 aufgebracht werden würde. Der die Kurve 21 übersteigende Wert M_stationär ist dabei unter dem Gesichtpunkt, möglichst Rückschaltungen des Getriebes zu verhindern und gleichzeitig aber nicht den Energiespeicher 4 zu stark zu entladen, geeignet zu wählen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges, mittels eines Verbrennungsmotors (2), einer Elektro-Maschine (3), einem Automatikgetriebe (5), einem elektrischen Energiespeicher (4) und mindestens einem Steuergerät (7, 8, 10), wobei der Verbrennungsmotor (2) und die Elektro-Maschine (3) in Parallelschaltung angeordnet sind und gleichzeitig ein Antriebsmoment erzeugen können, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Erfassen einer Änderung einer Momentenanforderung M_wunsch, b) Erfassen eines aktuell drehzahlabhängigen darstellbaren Momentes M_aktuell des Verbrennungsmotors, c) Vergleichen der Momentenanforderung M_wunsch mit dem aktuell darstellbaren Moment M_aktuell des Verbrennungsmotors, wobei bei Momentenanforderungen M_wunsch oberhalb des aktuell darstellbaren Momentes M_aktuell des Verbrennungsmotors (2) und unterhalb eines drehzahlabhängigen vorab definierten Stationärwertes M_stationär die sich zeitlich ändernde Drehmomentdifferenz (M_wunsch – M_aktuell) durch elektromotorischen Betrieb der Elektro-Maschine (3) ausgeglichen wird und d) Unterdrücken einer angeforderten Getrieberückschaltung oder Unterlassen einer Anforderung für eine Getrieberückschaltung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stationärwert M_stationär gleich der drehzahlabhängigen stationären Volllast des Verbrennungsmotors (2) gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stationärwert M_stationär oberhalb der stationären Volllast des Verbrennungsmotors (2) gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zuschaltung der Elektro-Maschine (3) überprüft wird, ob die Drehmomentdifferenz durch die Elektro-Maschine (3) darstellbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung der Elektro-Maschine (3) zeitlich begrenzt wird.
  6. Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeuges, umfassend einen Verbrennungsmotor (2), mindestens eine Elektro-Maschine (3), ein Automatikgetriebe (5), einen elektrischen Energiespeicher (4) und mindestens ein Steuergerät (7, 8, 10), wobei der Verbrennungsmotor (2) und die Elektro-Maschine (3) in Parallelschaltung angeordnet sind und so gleichzeitig ein Antriebsmoment erzeugen können, wobei bei einer Änderung einer Momentenanforderung M_wunsch ein aktuell drehzahlabhängiges darstellbares Moment M_aktuell des Verbrennungsmotors (2) erfasst wird und mit der Momentenanforderung M_wunsch verglichen wird, wobei bei Momentenanforderungen M_wunsch oberhalb des aktuell darstellbaren Momentes M_aktuell des Verbrennungsmotors (2) und unterhalb eines drehzahlabhängigen vorab definierten Stationärwertes M_stationär die sich zeitlich ändernde Drehmomentdifferenz durch elektromotorischen Betrieb der Elektro-Maschine (3) ausgeglichen wird und eine angeforderte Getrieberückschaltung unterdrückt oder eine Anforderung für eine Getrieberückschaltung unterlassen wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stationärwert M_stationär gleich der drehzahlabhängigen stationären Volllast des Verbrennungsmotors (2) gewählt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stationärwert M_stationär oberhalb der stationären Volllast des Verbrennungsmotors (2) gewählt wird.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zuschaltung der Elektro-Maschine (3) überprüft wird, ob die Drehmomentdifferenz durch die Elektro-Maschine (3) darstellbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorische Zuschaltung zeitlich begrenzt wird.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatikgetriebe (5) als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) als aufgeladener Motor ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdrückung einer Getrieberückschaltung in einem Getriebesteuergerät (8) durch Anpassung der drehzahl-, fahrpedal- und/oder momentenabhängigen Schaltkennlinien erfolgt oder dem Getriebesteuergerät (8) ein Signal zur Schaltunterdrückung von einem anderen Steuergerät (7, 10) übermittelt wird.
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