DE102008021422A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Drehstellung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Drehstellung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Es ist ein Steuersystem für einen Hybridantriebsstrang vorgesehen, das die Maschinenkurbelwinkelstellung anhand von Signaleingaben von Elektromotoren des Antriebsstrangs bestimmt. Der Hybridantriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine und Elektromotoren und ein elektromechanisches Getriebe, das wahlweise zum Übertragen eines Drehmoments dazwischen betreibbar ist. Die Elektromotoren sind über eine Getriebeantriebswelle drehfest mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Steuermodule sind so ausgelegt, dass sie ein Steuerschema zum Bestimmen der Maschinenkurbelwinkelstellung ausführen. Das Steuerschema umfasst Code zum Bestimmen eines Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen der Elektromotoren. Es werden ein Versatzwinkel der Antriebswelle und eine Winkelverdrehung zwischen der Maschine und dem Getriebe bestimmt. Anhand des Versatzwinkels und der Winkelverdrehung der Antriebswelle wird ein Maschinenkurbelwinkelversatz bestimmt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung eines Hybridantriebsstrangsystems und insbesondere auf ein Steuersystem zum Bestimmen einer Drehstellung einer Brennkraftmaschine dafür.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es sind Fahrzeugvortriebsysteme, die Hybridantriebsstränge umfassen, für das Management der Antriebs- und Abtriebsdrehmomente verschiedener Drehmomenterzeugungsvorrichtungen, am häufigsten Brennkraftmaschinen und Elektromotoren, bekannt. Eine Hybridantriebsstrangarchitektur umfasst ein elektromechanisches kombiniert-leistungsverzweigtes Zweifachmodusgetriebe, das ein Antriebselement für den Empfang eines Drehmoments von einer Drehmomenterzeugungsquelle, z. B. von einer Brennkraftmaschine, und ein Abtriebselement für das Liefern eines Bewegungsdrehmoments von dem Getriebe an einen Fahrzeugendantrieb nutzt. Die Brennkraftmaschine und der erste und der zweite Elektromotor und das elektromechanische Getriebe sind wahlweise zum Übertragen eines Drehmoments dazwischen betreibbar. Der erste und der zweite Elektromotor sind über eine Antriebswelle mechanisch mit der Brennkraftmaschine gekoppelt.
  • Während des Betriebs des Hybridantriebsstrangs kann die Brennkraftmaschine einschließlich in Fällen, in denen die Maschine nicht mit Kraftstoff versorgt wird und in denen sich die Maschinenkurbelwelle nicht dreht, wahlweise deaktiviert werden. Der Drehwinkel der Kurbelwelle ist wichtig, wenn die Maschine nachfolgend neu gestartet wird, teilweise, um Drehmomentschwankungen genau vorherzusagen, die durch die Zylinderverdichtung während des Maschinenanlassens vor dem Zünden der Maschine verursacht werden. Dies ist wichtig, da die Größe der Schwankungen des Maschinenkurbelwellendrehmoments und der Zylinderverdichtung während einer ersten Drehung der Maschine am stärksten sein kann.
  • Steuersysteme für Elektromotoren enthalten üblicherweise eine Rückkopplungsvorrichtung wie etwa einen Stellungssensor, z. B. einen Drehmelder oder Resolver, zum Liefern von Daten zum Messen der Stellung und der Drehgeschwindigkeit. An einem Elektromotor, der einen Dreiphasen-Mehrpol-Synchronelektromotor umfasst, ist die präzise und genaue Messung der Stellung eines Rotors relativ zu jedem der Pole eines Stators wichtig, um eine effiziente Übertragung der Elektroenergie zu erreichen. Die Rotorstellung wird üblicherweise unter Verwendung des Drehmelders gemessen. Die Stellung des Drehmelders relativ zu dem Maschinenrotor unterliegt wegen Faktoren einschließlich Herstellungsschwankungen und -toleranzen einem Fehler. Die Korrektur des Drehmelderstellungsfehlers relativ zu dem Maschinenrotor ist korrigierbar, wobei ein Verfahren, um dies auszuführen, ausführlich in der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 11/743901 (Aktenzeichen des Anwalts Nr. GP-308283) mit dem Titel "Method and apparatus to Determine Rotational Position of an Electrical Machine" offenbart ist, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
  • Bei Verwendung von Permanentmagnet-Synchronmotoren ist die absolute Stellung innerhalb eines Polpaarteilungsabstandes erforderlich. Außerdem ist die Genauigkeit dieser Stellungsmessung entscheidend, da sie die Leis tung der Motorsteuerung, am sichtbarsten hinsichtlich Drehmomenterzeugung und Linearität, beeinflussen kann. Die Verwendung eines Drehmelders kann einen präzisen Stellungsmesswert liefern. Allerdings wird die Genauigkeit der Messung direkt durch die Anfangsausrichtung des Drehmelders während des Einbaus beeinflusst. Der Einbau des Drehmelders und die mechanische Ausrichtung können bei der Herstellung schwierig zu steuern sein und werden üblicherweise dadurch behandelt, dass in der Motorsteuerung ein selbstjustierender Startalgorithmus genutzt wird. Darüber hinaus kann die Ausrichtung des Drehmelders relativ zu der Kurbelwelle der angegliederten Brennkraftmaschine durch den Anfangseinbau verschiedener Komponenten und durch das Auftreten einer Verdrehung während des Betriebs beeinflusst werden.
  • Es besteht ein Bedarf an der Schaffung eines verbesserten Verfahrens und Systems zum präzisen und genauen Bestimmen des Drehwinkels einer Maschinenkurbelwelle zur Verwendung durch ein Hybridantriebsstrang-Steuersystem zum Erleichtern des effektiven Maschinenneustarts und aus anderen Gründen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Somit ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Steuersystem für einen Hybridantriebsstrang zu schaffen, das die Maschinenkurbelwinkelstellung anhand von Signaleingaben von Elektromotoren des Antriebsstrangs bestimmt. Der Hybridantriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine und Elektromotoren und ein elektromechanisches Getriebe, das wahlweise zum Übertragen eines Drehmoments dazwischen betreibbar ist. Die Elektromotoren sind über eine Getriebeantriebswelle und über einen Zahnradsatz drehfest mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Steuermodule sind so ausgelegt, dass sie ein Steuerschema zum Bestimmen der Maschinen kurbelwinkelstellung ausführen. Das Steuerschema umfasst Code zum Bestimmen eines Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen der Elektromotoren. Es werden ein Versatzwinkel der Antriebswelle und eine Winkelverdrehung zwischen der Maschine und dem Getriebe bestimmt. Anhand des Versatzwinkels und der Winkelverdrehung der Antriebswelle wird ein Maschinenkurbelwinkelversatz bestimmt.
  • Diese und weitere Aspekte der Erfindung gehen für den Fachmann auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen hervor.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und in Bezug auf die Anordnung von Teilen eine physikalische Form annehmen, von der eine Ausführungsform ausführlich beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, die einen Teil davon bilden und in denen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines beispielhaften Antriebsstrangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 2 und 3 Prinzipschaltbilder einer beispielhaften Steuerarchitektur und eines Antriebsstrangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Nunmehr anhand der Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung der Erfindung und nicht zu deren Beschränkung dienen, zeigen die 1, 2 und 3 eine Prinzipdarstellung eines Hybridantriebsstrangsystems, das eine Maschine 14, ein elektromechanisches Getriebe 10, ein Steuersystem und einen Endantrieb umfasst und das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert worden ist. Mechanische Aspekte des beispielhaften Getriebes 10 sind ausführlich in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 6,953,409 mit dem Titel "Two-Mode, Compound-Split, Hybrid Electro-Mechanical Transmission having Four Fixed Ratios" offenbart, das hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Das beispielhafte elektromechanische kombiniert-leistungsverzweigte Zweifachmodus-Hybridgetriebe, das die Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist in 1 gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Getriebe 10 enthält eine Antriebswelle 12, die durch die Antriebsdrehzahl NI und durch einen Drehwinkel θI charakterisiert ist und die vorzugsweise durch die Brennkraftmaschine 14 angetrieben wird. Die Maschine 14 weist eine Kurbelwelle auf, die funktional mit einer überbrück- oder verriegelbaren Drehmomentdämpfervorrichtung 20 verbunden ist, die zum Übertragen eines Drehmoments auf die Getriebeantriebswelle 12 betreibbar ist. Die verriegelbare Drehmomentdämpfervorrichtung 20 enthält vorzugsweise eine wahlweise betätigbare Kupplung C5 zum Verriegeln der Drehmomentdämpfervorrichtung 20 und somit zum Übertragen eines Drehmoments direkt zwischen der Maschine und der Antriebswelle 12 des Getriebes. Die Maschinenkurbelwellendrehung ist durch die Drehzahl, durch den Drehwinkel θE und durch ein Abtriebsdrehmoment charakterisiert.
  • Üblicherweise wird die Maschinenkurbelwellendrehung durch einen Kurbelwellenstellungssensor 11 überwacht, der einen Sensor mit variablem magnetischem Widerstand oder eine ähnliche Vorrichtung umfasst. Wenn die Dämpfervorrichtung 20 verriegelt ist, sind die Maschinendrehzahl und des Abtriebsdrehmoment effektiv gleich der Getriebeantriebsdrehzahl und dem Antriebsdrehmoment, wobei irgendwelche Differenzen einer Verdrehung der Komponenten umfassen.
  • Die Maschine 14 kann irgendeine von zahlreichen Formen von Brennkraftmaschinen wie etwa eine Ottomaschine oder eine Dieselmaschine sein, die leicht so auslegbar ist, dass sie eine Drehmomentabgabe an das Getriebe 10 in einem Bereich von Betriebsdrehzahlen von Leerlauf bei oder nahe 600 Umdrehungen pro Minute (min–1) bis über 6000 min–1 liefert. Unabhängig von dem Mittel, durch das die Maschine 14 mit dem Antriebselement 12 des Getriebes 10 verbunden ist, ist das Antriebselement 12 mittels Wellen und mechanischen Zahnrädern des Getriebes 10 ständig mit den Elektromotoren MA 56 und MB 72 gekoppelt.
  • Das Getriebe 10 nutzt drei einzelne Planetenzahnradsätze 24, 26 und 28 und vier Drehmomentübertragungsvorrichtungen, d. h. Kupplungen, C1 70, C2 62, C3 73 und C4 75, wobei die Antriebswelle 12 über einen Träger 80 mit dem ersten Planetenzahnradsatz 24 verbunden ist. Ein elektrohydraulisches Steuersystem, das vorzugsweise durch ein Getriebesteuermodul ('TCM') 17 gesteuert wird, betätigt und deaktiviert die Kupplungen. Die Kupplungen C2 und C4 umfassen vorzugsweise hydraulisch betätigte Rotationsreibungskupplungen. Die Kupplungen C1 und C3 umfassen vorzugsweise hydraulisch betätigte feststehende Vorrichtungen, die zu dem Getriebegehäuse 68 geerdet sind. Der erste und der zweite Elektromotor 56 und 72 (MA, MB) umfassen Motor/Generator-Vorrichtungen, die über die Planetenräder funktional mit dem Getriebe verbunden sind.
  • Die Getriebeabtriebswelle 64 ist funktional mit einem Fahrzeugendantrieb 90 verbunden, um ein Bewegungsdrehmoment an die Fahrzeugräder zu liefern.
  • Das Getriebe 10 empfängt im Ergebnis der Energieumwandlung von Kraftstoff oder von in einer Elektroenergie-Speichervorrichtung (ESD) 74 gespeichertem elektrischem Potenzial ein Antriebsdrehmoment von den Drehmomenterzeugungsvorrichtungen einschließlich der Maschine 14 und des MA 56 und des MB 72. Die ESD 74 ist über Gleichspannungsübertragungsleiter 27 mit einem Getriebeleistungswechselrichtermodul ('TPIM') 19 Hochspannungs-Gleichspannungs-gekoppelt. Das TPIM 19 ist ein Element des im Folgenden anhand von 2 beschriebenen Steuersystems.
  • Die Elektromotoren MA 56 und MB 72 umfassen vorzugsweise bekannte Permanentmagnet-Synchron-Motor/Generator-Dreiphasen-Wechselstrommotoren, die jeweils aus einem elektrischen Mehrpol-Stator und aus einer Rotorvorrichtung konstruiert sind. Solche Motoren sind für Antriebsstrang- und Fahrzeuganwendungen bevorzugt, da sie hohe Drehmoment-Trägheits-Verhältnisse, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte zeigen. Jeder Motor weist einen Rotor auf, der in einem Stator drehbar ist, der an einem Gehäuse des Getriebes angebracht ist. Der Motorstator für jeden Motor ist zu dem Getriebeaußengehäuse 68 geerdet und enthält einen Statorkern mit davon ausgehenden gewendeten elektrischen Wicklungen. Der Rotor für den MA 56 ist an der Abtriebswelle 60 befestigt und dreht sich damit. Der Rotor für den MB 72 ist an der Hohlwellennabe 66 befestigt.
  • Jeder der Motoren 56, 72 enthält eine Stellungserfassungsvorrichtung, die vorzugsweise eine Drehmelderbaueinheit 82, 84 zum Liefern genauer und präziser Informationen hinsichtlich der Stellung des Maschinenrotors relativ zu dem Maschinenstator umfasst. Jede Motordrehmelderbaueinheit 82, 84 ist geeignet an einem der Elektromotoren positioniert und montiert. Die Drehmelderbaueinheiten umfassen bekannte Vorrichtungen mit variablem magnetischem Widerstand einschließlich des Drehmelderstators, der funktional mit dem Motorstator verbunden ist, und eines Drehmelderrotors, der funktional mit dem Motorrotor verbunden ist. Der Drehmelderstator umfasst eine Reihe daran montierter Induktionsspulen oder Pole, die von einem Motorsteuerprozessor (MCPA oder MCPB) ein elektrisches Erregungssignal empfangen, und ein Paar Erfassungs- oder Abnehmerspulen, die eine elektrische Signalausgabe liefern. Der Drehmelderrotor umfasst eine Vorrichtung mit mehreren Ausbuchtungen oder Exzentrizitäten, die sich an dem Außenumfang befinden. Im Betrieb dreht sich der Drehmelderrotor mit dem Motorrotor. Die Abnehmerspulen werden durch das Erregungssignal erregt und geben an den Motorsteuerprozessor ein Signal mit derselben Frequenz wie der Erregungsfrequenz und mit einem Spannungspegel, der von der Nähe des mit Ausbuchtungen versehenen Drehmelderrotors zu dem Drehmelderstator abhängt, ab. Die Drehmelder 82, 84 arbeiten dadurch, dass sie die relative Stellung und Bewegung des Drehmelderrotors erfassen, der sich in dem Drehmelderstator dreht. Das Steuersystem interpretiert das durch den Drehmelderstator zurückgegebene Signal wie im Folgenden beschrieben, um die Rotorstellung zu bestimmen. Die Vorrichtung mit variablem magnetischem Widerstand ist eine von mehreren bekannten Technologien, die zur Bestimmung der Stellung verwendbar sind. Die beispielhaften Drehmelderbaueinheiten 82, 84 für MA und MB messen für jedes Paar der Pole der Statoren elektrische Drehwinkel θA und θB, die im Bereich von 0–360° elektrischer Drehung liegen. In dem beschriebenen System misst ein 10-Pol-Drehmeldersystem für jeweils 72° mechanischer Wellendrehung 360° elektrische Dre hung, was in fünf elektrische Grad Drehung für jeden mechanischen Grad Drehung übersetzt wird. Jeder Drehmelder erzeugt eine Erregungsfrequenz und misst die Rückkopplung von elektrischen Signalen über den Drehmelder, was zulässt, dass jeder Drehmelder die Stellung im Wesentlichen sofort ab dem Start der Drehung ohne Notwendigkeit zu synchronisieren misst.
  • In einem typischen Maschinensystem, das ein 58X-Kurbelrad und einen Sensor mit variablem magnetischem Widerstand verwendet, gibt es für jede unterscheidbare Sensorsignalausgabe sechs Grad mechanische Drehung. Somit hat in dieser Ausführungsform jeder Drehmelder eine Messauflösung, die dreißigmal höher als die des Kurbelerfassungssystems ist. Es ist zu erwarten, dass sich das Maschinensystem so viel wie eine vollständige Drehung dreht, um die Sensorausgabe für einen ersten Nennzylinder mit einem Maschinenort des oberen Totpunkts ('TDC'-Ort) zu synchronisieren. Somit kann die Auflösung der Winkeldrehung unter Verwendung einer Drehmeldervorrichtung eine wesentlich verbesserte Kurbelwinkelauflösung liefern, die während Maschinenneustartereignissen wirksam verwendet werden kann.
  • Nunmehr anhand von 2 und 3 sind Prinzipblockschaltbilder des Steuersystems gezeigt, das eine Steuerarchitektur umfasst, die zwischen mehreren Modulen verteilt ist. Die im Folgenden beschriebenen Elemente umfassen eine Teilmenge der Gesamtfahrzeugsteuerarchitektur und liefern eine koordinierte Systemsteuerung des hier beschriebenen Antriebsstrangsystems. Das Steuersystem synthetisiert relevante Informationen und Eingaben und führt Algorithmen zum Steuern verschiedener Stellglieder zum Erreichen von Steuerzielen einschließlich solcher Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung, Antriebsverhalten und Schutz der Hardware aus. Die beispielhafte Architektur des Steuer systems umfasst eine Anordnung von Vorrichtungen und Modulen und hebt Kommunikationsverbindungen zwischen den Steuervorrichtungen und verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangsystems und des Fahrzeugsystems hervor. Vorzugsweise umfasst das Steuersystem für das Antriebsstrangsystem die folgenden Steuervorrichtungen: Maschinensteuermodul ('ECM') 23 und ein Getriebesteuermodul ('TCM') 17. Es gibt Motorsteuermodule 33, 22 für den MA und für den MB ('MCPA', 'MCPB'). Ein Hybridsteuermodul ('HCP') 5 stellt eine allumfassende Steuerung und Koordinierung der oben erwähnten Steuermodule bereit. Vorzugsweise umfasst das TPIM 19 eine einzelne Steuermodulvorrichtung, die das HCP 5, das MCPA 33 und das MCPB 22 enthält. Der Fahrzeugkommunikationsbus 106 stellt eine erste Kommunikationsverbindung zwischen dem ECM 23, dem HCP 5, dem MCPA 33, dem MCPB 22, dem TCM 17 sowie dem Fahrzeug 1 bereit. Der Hybridkommunikationsbus 107 stellt eine zweite Kommunikationsverbindung zwischen dem ECM 23, dem HCP 5, dem MCPA 33 und dem MCPB 22 bereit. Der Fahrzeugkommunikationsbus 106 dieser Ausführungsform umfasst ein erstes Controller Area Network (CAN1) und der Hybridkommunikationsbus 107 umfasst ein zweites Controller Area Network (CAN2).
  • Um die Übermittlung von Informationen außerhalb normaler Kanäle, die durch den Fahrzeugbus 106 und durch den Hybridbus 107 ermöglicht werden, vorzugsweise mit einer schnelleren Aktualisierungsrate zu ermöglichen, enthält das beispielhafte System eine direkte elektrische Signalverbindung zwischen verschiedenen Elementen des Antriebsstrangsystems und spezifischen Steuervorrichtungen. Dies ermöglicht eine verbesserte Systemsteuerung. Das ECM 23 ist über mehrere diskrete Leitungen, die zusammen als Leitungsgruppe 35 gezeigt sind, direkt mit der Maschine 14 verbunden. Eine dieser Leitungen ist von der Leitungsgruppe 35 getrennt gesondert gezeigt, wobei sie ein Drahtkabel, d. h. eine Signalleitung 45, von dem Maschinen-Kurbelwellenstellungssensor 11 umfasst. Die Signalleitung 45 von dem Maschinenkurbelstellungssensor 11 ist direkt zu einem der Steuermodule des TPIM 19 parallel verdrahtet, um für eine verbesserte Systemsteuerung direkte Signalinformationen von dem Kurbelstellungssensor 11 zu liefern. Ferner ist das ECM 23 vorzugsweise über eine Leitungsgruppe 201 direkt mit dem Fahrzeug 1 verbindbar, um fahrzeugbezogene Eingaben einschließlich Kühlmitteltemperatur, Kühlmittelpegel und der eines Motorhaubenschalters zu übermitteln und die Steuerung einer oder mehrerer Kühlmittelströmungspumpen zu steuern. Ferner ist das HCP vorzugsweise direkt über eine Leitungsgruppe 205 mit dem Getriebe 10 verbunden, um redundante Eingaben von einem Wählhebelsensor (PRNDL-Sensor) zu haben.
  • Die Steuermodulvorrichtung des TPIM 19 umfasst vorzugsweise eine einzelne integrierte Schaltung, die die Prozessorvorrichtungen für das HCP, für das MCPA und für das MCPB enthält. Es gibt einen ersten seriellen Peripherieschnittstellenbus ('SPI') 110 zwischen dem HCP und dem MCPA und einen zweiten SPI-Bus 110 zwischen dem MCPA und dem MCPB. Jeder SPI-Bus umfasst eine synchrone serielle Vollduplexdatenverbindung, die die direkte Kommunikation zwischen den Vorrichtungen zulässt. Das MCPA kommuniziert direkt und individuell über den ersten und über den zweiten SPI-Bus 110 mit dem HCP und mit dem MCPB und erreicht somit ohne Kommunikationsverzögerungen, die über den Fahrzeugbus 106 oder über den Hybridbus 107 auftreten, schnelle Übermittlungen zwischen den Vorrichtungen. In dieser Ausführungsform werden Nachrichten üblicherweise von dem HCP über den Fahrzeugbus 107 und über den Hybridbus 106 in jeder 6,25-Millisekunden-Schleife zu dem MCPA und zu dem MCPB gesendet. Darüber hinaus werden Nachrichten über die SPI-Busse zwischen dem HCP und dem MCPA und dem MCPB gesendet. In der Ausfüh rungsform gibt es eine serielle Steuerschnittstelle (SCI) (nicht gezeigt), die die Kommunikation zwischen dem MCPA und dem MCPB bewirkt.
  • Ein typischer SPI-Bus umfasst eine serielle 4-Draht-Kommunikationsschnittstelle zur Bereitstellung einer synchronen seriellen Datenverbindung, die zwischen den Steuermodulen, die die SPI unterstützen, eine Netzverbindung mit niedriger/mittlerer Bandbreite (z. B. 1 Megabaud) unterstützt. Ein synchroner Takt verschiebt serielle Daten in Blöcken zu 8 Bits in die Mikrocontroller der Steuermodule und aus den Mikrocontrollern der Steuermodule. Der SPI-Bus ist eine Master/Slave-Schnittstelle, wobei der Master einen seriellen Takt ansteuert und die Daten in einem Vollduplexprotokoll gleichzeitig gesendet und empfangen werden. In dieser Anmeldung umfasst der Master das HCP 5. Weitere spezifische Einzelheiten der SPI-Übermittlungen sind dem erfahrenen Praktiker bekannt und werden hier nicht ausführlich diskutiert.
  • Das ECM 23 ist funktional mit der Maschine 14 verbunden und wirkt so, dass es über mehrere diskrete Leitungen, die zusammen als Leitungsgruppe 35 gezeigt sind, Daten von einer Vielzahl von Sensoren erfasst und eine Vielzahl von Stellgliedern der Maschine 14 steuert. Verschiedene Eingaben, die durch das ECM 23 überwacht werden, enthalten die Maschinenkühlmitteltemperatur, die Maschinenkurbelwellendrehzahl, den Krümmerdruck, die Umgebungslufttemperatur und den Umgebungsdruck. Verschiedene Stellglieder, die durch das ECM 23 gesteuert werden, enthalten Kraftstoffeinspritzdüsen, Zündungsmodule und Drosselsteuermodule. Das TCM 17 ist funktional mit dem Getriebe 10 verbunden und wirkt zum Erfassen von Daten von einer Vielzahl von Sensoren und zum Liefern von Befehlssignalen an das Getriebe. Vorzugsweise ist das TCM 17 über mehrere diskrete Leitungen, die zusammen als Leitungsgruppe 41 gezeigt sind, direkt mit dem Getriebe 10 verbunden.
  • Jedes der oben erwähnten Steuermodule ist vorzugsweise ein Universaldigitalcomputer, der allgemein einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit, Speichermedien, die Nur-Lese-Speicher (ROM), Schreib-Lese-Speicher (RAM), elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), d. h. nichtflüchtigen Speicher, umfassen, einen schnellen Taktgeber, eine Analog/Digital-(A/D-) und eine Digital/Analog-(D/A-)Schaltungsanordnung und eine Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnung und Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen (EA) und eine geeignete Signalaufbereitungs- und -pufferschaltungsanordnung umfasst. Jedes Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die im ROM gespeichert sind und die ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers bereitzustellen. Die Algorithmen zur Steuerung und Zustandsschätzung in jedem der Steuermodule werden üblicherweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, sodass jeder Algorithmus in jedem Schleifenzyklus wenigstens einmal ausgeführt wird. Die in den nichtflüchtigen Speichervorrichtungen gespeicherten Algorithmen werden durch eine der Zentraleinheiten ausgeführt und sind zum Überwachen von Eingaben von den Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs der jeweiligen Vorrichtung unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen betreibbar. Die Schleifenzyklen werden während andauernden Maschinen- und Fahrzeugbetriebs üblicherweise in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden (ms), ausgeführt. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Die Erfindung umfasst ein Steuerschema zum Bestimmen des Maschinenkurbelwinkels während andauernden Betriebs, von dem eine Ausfüh rungsform für den Betrieb in einem in Übereinstimmung mit der obigen Beschreibung konstruierten Antriebsstrangsystem ausgeführt werden kann. Der beispielhafte Antriebsstrang enthält die Brennkraftmaschine, die Elektromotoren und das elektromechanische Getriebe, die wahlweise zum Übertragen eines Drehmoments dazwischen betreibbar sind. Die Elektromotoren sind über die Antriebswelle drehfest mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Die Steuermodule sind so ausgelegt, dass sie auf der Grundlage von Eingaben von den Elektromotoren während des Fahrzeug- und Maschinenbetriebs das Steuerschema zum Bestimmen eines Maschinendrehwinkels (θE), der mit der Maschinenkurbelwellenstellung und mit einer Kolbenstellung, üblicherweise einer TDC-Stellung des ersten Nennzylinders korreliert ist, ausführen. Das Steuerschema enthält vorzugsweise maschinenausführbaren algorithmischen Code und Übermittlungen zwischen Steuermodulen. Der algorithmische Code ist funktional während des Maschinenanlassens, während des Starts und während andauernden Fahrzeugbetriebs, wobei er üblicherweise irgendeine Zeit enthält, in der das Fahrzeug in einer Schlüssel-ein-Betriebsart ist. Während Maschine-Aus- und Fahrzeug-Aus-Perioden werden die Maschinenwinkeldaten im nichtflüchtigen Speicher eines der Steuermodule gespeichert.
  • Im Betrieb werden die Drehstellungen des ersten und des zweiten Elektromotors auf der Grundlage von von den Drehmeldern eingegebenen Signalen bestimmt, die üblicherweise in elektrischen Grad Drehung gemessen werden. Die Drehstellung oder der Winkel der Antriebswelle 12 wird auf der Grundlage der Drehstellungen des ersten und des zweiten Elektromotors, d. h. θA und θB, bestimmt. Ein Versatz des Antriebswellenwinkels (ΔθE) wird auf der Grundlage des Winkels der Antriebswelle 12 bestimmt und umfasst eine Kombination von θA und θB. Eine Form des Versatzes wird zur Verwendung während des Betriebs des Fahrzeugs ein schließlich während andauernden Fahrzeugbetriebs und während Fahrzeugabschaltereignissen im EPROM oder in einem anderen nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Es wird eine zwischen der Maschine und den Elektromotoren des Getriebes auftretende Winkelverdrehung θT bestimmt, wobei sie eine Verdrehung der Antriebswelle 12 und der Drehmomentdämpfervorrichtung 20 umfasst. Die Winkelverdrehung, der Antriebswellenwinkel und der Versatz des Antriebswellenwinkels werden kombiniert, um ein Maß des Maschinendrehwinkels θE zu liefern. Dieses Maß des Maschinendrehwinkels θE kann, üblicherweise innerhalb 300 Mikrosekunden ab einem Maschinenstartereignis, bestimmt werden, wenn das Steuersystem während eines Maschinenneustart- oder Maschinenstartereignisses das Steuerschema das erste Mal ausführt. Dies wird nun ausführlicher beschrieben.
  • Der momentane Maschinendrehwinkel θE,CURR wird durch Addieren des Versatzes ΔθE zu dem Maschinendrehwinkel θE wie in Gleichung 1 gezeigt bestimmt: θE,CURR = θE + ΔθE; (1)wobei der Maschinendrehwinkel θE den zuletzt bestimmten Maschinenwinkel auf der Grundlage einer Signaleingabe von dem Kurbelsensor, die wie in 3 gezeigt eine festverdrahtete Eingabe in das MCPA 33 ist, umfasst. Der Maschinendrehwinkel θE kann zu irgendeiner Zeit während des Betriebs einschließlich eines Maschine-Aus-Ereignisses und eines Fahrzeugabschaltereignisses bestimmt worden sein.
  • Der Versatzwinkel ΔθE wird durch Kombinieren der Winkelverdrehung θT der Antriebswelle 12 und von ΔθI, das die Änderung der Drehstellung der Antriebswelle repräsentiert, die auf der Grundlage der Winkelstellungen der Elektromotoren bestimmt wird, wie in Gleichung 2 gezeigt bestimmt: ΔθE = θT + ΔθI (2)wobei ΔθI in Gleichung 3 bestimmt ist: ΔθI = ΔθA·K1 + ΔθB·K2. (3)
  • Die Faktoren K1 und K2 umfassen Multiplikatoren, die auf der Grundlage der mechanischen Übersetzungsverhältnisse der Planetenräder der Getriebevorrichtung und der Menge der Ausbuchtungen der Drehmelder bestimmt werden. An geeigneten Punkten in der Ausführung der obigen Berechnungen werden die elektrischen Drehwinkel θA, θB auf der Grundlage des Drehmelderentwurfs in mechanische Maschinenkurbelwinkel übersetzt.
  • Der Antriebswellenwinkel θI wird wie in Gleichung 4 gezeigt bestimmt: θI = (θA·K1) + C1 + (θB·K2) + C2. (4)
  • Unter Verwendung der Ergebnisse von Gleichung 4 kann wie in Gleichung 5 beschrieben ein Wert C3 bestimmt werden: C3 = C1 + C2. (5)
  • Der Wert C3 repräsentiert den Winkelversatz zwischen dem durch die Drehmelder gemessenen Antriebswellenwinkel und dem Maschinenkurbelwinkel und kann wie in Gleichung 6 beschrieben dargestellt werden: C3 = θE – θT – θI. (6)
  • Der Wert C3 wird während des Maschinenbetriebs andauernd bestimmt und zur Verwendung während nachfolgender Maschinen-Anlassen/Start- und -Neustartereignisse im nichtflüchtigen Speicher gesichert. Der Maschinendrehwinkel θE wird durch den Kurbelsensor andauernd gemessen und kann an einem Punkt, an dem die Maschinenkurbelwellendrehung anhält, zur nachfolgenden Verwendung bei der Maschinenabschaltung im nichtflüchtigen Speicher erfasst werden. Somit kann der momentane Maschinendrehwinkel θE,CURR zu irgendeiner Zeit während des Betriebs des Fahrzeugs und der Maschine durch Gleichung 7 bestimmt werden: θE = C3 + θT + θI, (7)wie aus der Maschineverdrehung und aus der Drehung der Elektromotoren MA und MB abgeleitet und berechnet wird. Dies enthält Perioden, während denen die Maschine während andauernden Fahrzeugbetriebs abgeschaltet ist und nachdem der Fahrzeugbetrieb unterbrochen worden ist.
  • Der Entwurf und die Anordnung des Steuersystems, insbesondere des TPIM 19, sichern den Betrieb des Systems. Die SPI-Busse 110 stellen zeitsynchronisierte Übermittlungen zwischen dem HCP und den Motorsteuermodulen MCPA und MCPB bereit. Die SCI-Schnittstelle bewirkt Übermittlungen zwischen den Motorsteuermodulen MCPA und MCPB einschließlich der Verwendung von SPI-Übermittlungen von dem HCP zum Synchronisieren der Zeit und der Zeitstempel. Das Steuermodul MCPB 22 misst eine Eingabe vom Drehmelder B 84, um θB zu bestimmen, den es einschließlich eines präzisen synchronisierten Zeitstempels an das MCPA 33 übermittelt. Das MCPA 33 misst eine Eingabe vom Drehmelder A 82, um θA zu bestimmen, und überwacht die 58X-Signaleingabe von dem direktverdrahteten Kurbelwellensensor 45, von dem der Maschinenwinkel θE abgeleitet wird. Das MCPA kompensiert und korrigiert den Zeitstempel für θB auf der Grundlage irgendwelcher Kommunikationsverzögerungen.
  • Dies enthält Einstellungen für die Drehzahl und für Zeitverzögerungen in Kommunikation mit dem HCP 5, um Latenzzeiten auszugleichen, die durch Verzögerungen bei der Messung und bei Übermittlungen eingeführt werden. Die zeitkorrigierten Messwerte für θA, θB und die 58X-Signaleingabe von dem direktverdrahteten Kurbelwellensensor 45 werden an das HCP 5 übermittelt, das das Steuerschema ausführt, um auf der Grundlage der Eingaben von den Elektromotoren den Maschinendrehwinkel (θE) zu bestimmen. Die Messwerte von θA und θB werden von elektrischen Grad in mechanische Grad der Kurbelwellendrehung umgesetzt. Die schnellen Übermittlungen zwischen den Vorrichtungen unter Verwendung der SPI-Busse dienen zum Minimieren von Messfehlern, die in Systemen, die sich nur auf LAN-Kommunikationssysteme zwischen den Steuermodulen stützen, auftreten.
  • Die Winkelverdrehung θT der Antriebswelle kann auf der Grundlage mechanischer Faktoren der Welle und der Maschine und des Getriebes und der Federkonstante der Drehmomentdämpfervorrichtung 20 geschätzt werden. Die Größe der Winkelverdrehung θT ist vorzugsweise eine anwendungsspezifische vorkalibrierte Beziehung zwischen Maschinenbetriebsfaktoren einschließlich der Maschinendrehzahl und des zwischen dem Getriebe und der Maschine übertragenen Antriebsdrehmoments TI.
  • Die Erfindung ist bisher mit spezifischem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und Änderungen daran beschrieben worden. Weitere Änderungen und Abwandlungen können Anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung einfallen. Alle solche Änderungen und Abwandlungen, sofern sie im Umfang der Erfindung liegen, sollen enthalten sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6953409 [0012]

Claims (19)

  1. Steuersystem für einen Hybridantriebsstrang, der eine Brennkraftmaschine und Elektromotoren und ein elektromechanisches Getriebe, das wahlweise betreibbar ist, um zwischen den Elektromotoren, die drehfest über eine Getriebeantriebswelle mit der Brennkraftmaschine gekoppelt sind, ein Drehmoment zu übertragen, und mehrere Steuermodule, die so ausgelegt sind, dass sie ein Steuerschema zum Bestimmen einer Maschinenkurbelwinkelstellung ausführen, umfasst, wobei das Steuerschema umfasst: Code zum Bestimmen eines Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen der Elektromotoren; Code zum Bestimmen eines Versatzwinkels der Antriebswelle; Code zum Bestimmen einer Winkelverdrehung zwischen der Maschine und dem Getriebe; und Code zum Bestimmen eines Maschinenkurbelwinkelversatzes auf der Grundlage des Versatzwinkels und der Winkelverdrehung der Antriebswelle.
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuermodule, die so ausgelegt sind, dass sie das Steuerschema ausführen, ferner umfassen: Elektromotorsteuermodule und ein Hybridsteuermodul, die so ausgelegt sind, dass sie: Signaleingaben von den Elektromotor-Stellungserfassungsvorrichtungen überwachen, die Signaleingaben zeitstempeln und die zeitgestempelten Signaleingaben übermitteln, um die Drehstellungen der Elektromotoren zu bestimmen.
  3. Steuersystem nach Anspruch 2, das ferner umfasst, dass die Elektromotorsteuermodule und das Hybridsteuermodul über serielle Peripherieschnittstellenvorrichtungen signalisierend verbunden sind.
  4. Steuersystem nach Anspruch 2, das ferner einen Maschinen-Kurbelwellenstellungssensor umfasst, der direkt und signalisierend über ein elektrisches Kabel mit einem der Motorsteuermodule oder mit dem Hybridsteuermodul verbunden ist.
  5. Steuersystem nach Anspruch 4, das ferner Code umfasst, um auf der Grundlage eines Signals von dem Kurbelwellenstellungssensor und des Maschinenkurbelwinkelversatzes den Maschinenkurbelwinkel zu bestimmen.
  6. Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Motorsteuermodule, die so ausgelegt sind, dass sie die Signaleingaben zeitstempeln und die zeitgestempelten Signaleingaben übermitteln, um die Drehstellungen der Elektromotoren zu bestimmen, umfassen: dass das Steuerschema dazu dient, die Signaleingaben von den Elektromotordrehmeldern auf Zeitverzögerungen zu kompensieren.
  7. Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Elektromotor-Stellungserfassungsvorrichtungen Drehmelder umfassen, die jeweils einen Stator, der mehrere Induktionsspulen aufweist und fest an einem Stator des Elektromotors befestigt ist, und einen mit Ausbuchtungen versehenen Drehmelderrotor, der fest an einem Rotor des Elektromotors befestigt ist, umfassen.
  8. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der Code zum Bestimmen des Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen der Elektromotoren ferner umfasst: Code zum Bestimmen der Drehstellungen der Elektromotoren auf der Grundlage von Eingaben von den Drehmeldern und Code zum Messen und Umsetzen der elektrischen Drehmelderwinkel in einen mechanischen Wellenwinkel.
  9. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der Code zum Bestimmen der Winkelverdrehung eine vorgegebene Beziehung auf der Grundlage der Antriebsdrehzahl und des Antriebsdrehmoments umfasst.
  10. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der Hybridantriebsstrang ferner eine Drehmomentdämpfervorrichtung umfasst, die zum Übertragen eines Drehmoments zwischen der Maschine und der Getriebeantriebswelle betreibbar ist; und der Code zum Bestimmen der Winkelverdrehung eine vorgegebene Kalibrierung der Drehmomentdämpfervorrichtung auf der Grundlage der Antriebsdrehzahl und des Antriebsdrehmoments umfasst.
  11. Steuersystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass das Steuermodul so ausgelegt ist, dass es den Maschinenkurbelwinkelversatz in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung speichert.
  12. Steuersystem für einen Hybridantriebsstrang, der eine Brennkraftmaschine und einen ersten und einen zweiten Elektromotor und ein elektromechanisches Getriebe, das wahlweise betreibbar ist, um zwischen dem ersten und dem zweiten Elektromotor, die drehfest über eine Getriebeantriebswelle mit der Brennkraftmaschine gekoppelt sind, ein Drehmoment zu übertragen, und mehrere Steuermodule, die so ausgelegt sind, dass sie ein Steuerschema zum Bestimmen einer Drehstellung der Maschine relativ zu einer Maschinenzy linderstellung ausführen, umfasst, wobei das Steuerschema umfasst: Code zum Bestimmen eines Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen des ersten und des zweiten Elektromotors; Code zum Bestimmen eines Versatzwinkels der Antriebswelle; Code zum Bestimmen einer Winkelverdrehung zwischen der Maschine und dem ersten und dem zweiten Elektromotor; Code zum Bestimmen eines Maschinenkurbelwinkelversatzes auf der Grundlage des Versatzwinkels und der Winkelverdrehung; und Code zum Bestimmen des Maschinenkurbelwinkels auf der Grundlage eines Signals von dem Kurbelwellenstellungssensor und des Maschinenkurbelwinkelversatzes.
  13. Steuersystem nach Anspruch 12, bei dem der Hybridantriebsstrang ferner eine Drehmomentdämpfervorrichtung umfasst, die dazu dient, ein Drehmoment zwischen der Maschine und der Getriebeantriebswelle zu übertragen; und wobei der Code zum Bestimmen der Winkelverdrehung eine vorgegebene Kalibrierung auf der Grundlage der Antriebsdrehzahl und des Antriebsdrehmoments umfasst.
  14. Verfahren zum Berechnen einer Drehstellung einer Brennkraftmaschine, die funktional mit einem Hybridantriebsstrang verbunden ist, der Elektromotoren und ein elektromechanisches Getriebe, das wahlweise dazu dient, ein Drehmoment zwischen den über eine Antriebswelle mit der Brennkraftmaschine drehfest gekoppelten Elektromotoren zu übertragen, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen von Drehstellungen der Elektromotoren; Bestimmen eines Antriebswellenwinkels auf der Grundlage der Drehstellungen der Elektromotoren; Bestimmen eines Versatzes des Antriebswellenwinkels; Bestimmen einer Winkelverdrehung zwischen der Maschine und den Elektromotoren; und Bestimmen eines Maschinenkurbelwinkelversatzes auf der Grundlage des Versatzwinkels und der Winkelverdrehung der Antriebswelle.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Überwachen von Signaleingaben von den Elektromotor-Stellungserfassungsvorrichtungen und Übermitteln der Signaleingaben zum Bestimmen der Drehstellungen der Elektromotoren.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Kompensieren der Signaleingaben von den Elektromotordrehmeldern auf Zeitverzögerungen umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Bestimmen der Drehstellungen der Elektromotoren auf der Grundlage von Signaleingaben von den funktional mit den Elektromotoren verbundenen Drehmeldern umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Umsetzen der elektrischen Drehmelderwinkel in einen mechanischen Wellenwinkel umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Speichern des Maschinenkurbelwinkelversatzes in einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung umfasst.
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