DE102008057384A1

DE102008057384A1 - Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102008057384A1
Application number: DE102008057384A
Authority: DE
Inventors: Boris Prof. Dr. Kerner; Hubert Dr. Ing. Rehborn; Matthias Dipl.-Ing. Schlutter; Jochen Dipl.-Ing. Palmer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, wobei der Hybridantrieb mindestens einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfasst, welcher im Bremsbetrieb als Generator betrieben wird und elektrische Energie in einem Energiespeicher speichert und im Antriebsbetrieb für den Fahrzeugantrieb genutzt wird, wobei die Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors mittels einer Steuereinheit gesteuert werden. Erfindungsgemäß wird die Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer erkannten Verkehrssituation ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2006 045 824 A1 ist ein Verfahren zum Boostverhalten (10–20% schnelleres Beschleunigen) eines Hybridfahrzeugs durch eine vorliegende Betriebssituation beschrieben.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 033 720 A1 ist ein Verfahren zum Verbessern einer Kraftstoffökonomie durch Abschätzungen von Zuständen der Antriebsmotoren (Temperatur, Strom, Spannung) beschrieben.
In der Offenlegungsschrift DE 198 07 291 A1 ist eine Festlegung vorbestimmter Betriebsmodi eines Hybridantriebs durch die jeweilige Verkehrsumgebung (Stadt, Autobahn, Stau, etc.) und eine rechtzeitige Antriebsumstellung und Fahrempfehlung zum Anfahren einer Elektro-Tankstelle beschrieben.
In der Offenlegungsschrift DE 101 49 905 B4 ist ein Steuerungssystem für ein Hybrid-Elektrofahrzeug beschrieben, welches aus Geschwindigkeit und Gaspedalstellung den Leistungsbedarf vorwegnimmt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 016 109 A1 ist ein Verfahren zur Schätzung der Systemleistungsfähigkeit bei zwei Leistungsquellen (Hybrid) unter Beachtung des Fahrer-Leistungsbefehls beschrieben.
Im Stand der Technik wird durch zusätzliche Informationen (Fahreranforderung, Verkehrsumgebung, Einschätzungen des Antriebs, Betriebssituation) auf die Konfiguration des Hybridantriebs und die „Mischung" und Auswahl zwischen z. B. Ottomotor und Elektroantrieb Einfluss genommen.
Die Offenlegungsschrift DE 100 51 777 A1 beschreibt die im Schnellstraßenverkehr auftretenden Muster und deren dynamische autonome Fahrzeug-Verkehrsprognose auf Basis zeitlich-räumlicher Ganglinienmuster.
Die Offenlegungsschrift DE 100 57 796 A1 beschreibt eine fahrzeugindividuelle Verkehrszustandsprognose unter Ausnutzung einer Kommunikation der Fahrzeuge untereinander ohne eine weitergehende Infrastruktur wie z. B. eine Rechnerzentrale. Aktuell erfasste Verkehrszustandsparameter werden für eine möglichst optimale Prognose herangezogen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 041 851 A1 offenbart eine onboard Erfassung von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs auf der eigenen Fahrspur und auf benachbarten Fahrspuren für eine nachfolgende Prognose von Verkehrsparametern für jede einzelne Fahrspur, um die Wahl der richtigen Spur nicht der Intuition des Fahrers überlassen zu müssen.
Die Offenlegungsschrift 199 44 075 C2 beschreibt eine offboard Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz mit Engstellen. Danach ist es zur qualitativen Beschreibung des Verkehrszustands bekannt, diesen in verschiedene Phasen einzuteilen, z. B. in eine Phase „freier Verkehr", in der schnellere Fahrzeuge problemlos überholen können, eine Phase „synchronisierter Verkehr", in der kaum Möglichkeiten zum Überholen bestehen, jedoch noch eine hohe Verkehrsstärke vorherrscht, und eine Phase „sich bewegender breiter Stau", in der die Fahrzeuge nahezu stillstehen und auch die Verkehrstärke auf sehr niedrige Werte sinkt.
B. S. Kerner, „The Physics of Traffic", Springer, Berlin, 2004, stellt eine Drei-Phasen-Theorie des Verkehrs auf, mit der sich die möglichen Verkehrsmuster an effektiven Engstellen sehr gut erkennen, klassifizieren und vorhersagen lassen. Auf dieser Theorie basiert auch ein Verfahren namens ASDA/FOTO zur Erkennung und Vorhersage von Verkehrszuständen, welches für Verkehrsprognosen auf Schnellstraßen, Staudynamikanalysen und Verfolgung des synchronisierten Verkehrs verwendet werden kann.
B. S. Kerner, S. L. Klenov, A. Hiller, „Criterion for traffic phases in single vehicle data and empirical test of a microscopic three-phase traffic theory", J. Phys. A: Math Gen 39, S. 2001–2020 (2006), und B. S. Kerner, S. L. Klenov, A. Hiller, H. Rehborn, „Microscopic features of moving traffic jams", Physical Review E 73, 046107 (2006), schlagen ein mikroskopisches Kriterium zur Bestimmung der Verkehrsphasen im dichten Verkehr vor und untersuchen es anhand von empirischen Messdaten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, wobei der Hybridantrieb mindestens einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfasst, welcher im Bremsbetrieb als Generator betrieben wird und elektrische Energie in einem Energiespeicher speichert und im Antriebsbetrieb für den Fahrzeugantrieb genutzt wird, werden Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors mittels einer Steuereinheit gesteuert. Erfindungsgemäß wird die Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer erkannten Verkehrssituation ausgeführt.
Hierdurch wird mit einfachen Mitteln eine Erkennung einer Verkehrssituation direkt in einem einzelnen Fahrzeug ermöglicht und dies als Grundlage in eine energieeffiziente Steuerung eines Hybridantriebs einbezogen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 die möglichen Verkehrssituationen auf Schnellstraßen und den jeweiligen bevorzugten Antrieb, und
2 die möglichen Verkehrssituationen Innerorts und den jeweiligen bevorzugten Antrieb.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Beim Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs sind im Fahrzeug Mittel zur Erfassung der Verkehrssituation vorgesehen. Diese Mittel können beispielsweise eine Ortungseinheit, Informationen eines Fahrerassistenzsystems, z. B. eine Abstandsregelung, eine digitale Straßenkarte, eine Kommunikationseinheit und/oder einen Empfänger für RDS/TMC-Meldungen umfassen.
Mittels mindestens eines oder mehrerer dieser Mittel zur Erfassung der Verkehrssituation wird eine herkömmliche Verkehrszustandserkennung im Fahrzeug realisiert, wie dies in der Anmeldung mit Amtl Az DE 10 2008 003 039.2 der Anmelderin beschrieben ist, deren Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird. Diese Verkehrszustandserkennung dient der Entscheidungsunterstützung in einer Steuerung des Hybridantriebs.
Alternativ oder zusätzlich wird mittels mindestens eines dieser Mittel zur Erfassung der Verkehrssituation eine herkömmliche Erfassung einer Warteschlange und deren Längenvorhersage innerorts nach DE 199 44 075 A1 durchgeführt, deren Inhalt ebenfalls durch Verweis hierin aufgenommen wird, wobei die Dauer des Elektrobetriebs bis zu einer Kreuzung abschätzbar wird.
Des Weiteren können mittels zusätzlicher oder alternativer Mittel zur Erfassung der Verkehrssituation RDS/TMC-Meldungen von Radiosendern zur Erkennung der Verkehrssituation verwendet werden.
Die Kommunikationseinheit kann mit Vorrichtungen zur automatischen Verkehrsüberwachung und/oder mit stationären Vorrichtungen zur automatischen Verkehrsbeeinflussung und/oder mit anderen Fahrzeugen zur Erfassung der Verkehrssituation kommunizieren.
Die beschriebenen Mittel zur Erfassung der Verkehrssituation können je für sich, parallel, aber voneinander unabhängig, zusammenwirkend und/oder einander ergänzend angewandt werden.
Die Ergebnisse der Erkennung der Verkehrssituation können im Fahrzeug selbst verwertet und/oder an eine Verkehrsinfrastruktureinrichtung wie z. B. eine Verkehrszentrale oder auch andere Fahrzeuge übertragen werden.
Die Verwendung der Ergebnisse der Erkennung der Verkehrssituation im Fahrzeug selbst wird in einer Steuereinheit durchgeführt, welche die Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer erkannten Verkehrssituation steuert.
Bei der Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors wird in der Steuereinheit zwischen mindestens zwei Zuständen unterschieden, dem Boostbetrieb B_B, einem starken Beschleunigen mittels Verbrennungsmotors und Elektromotors gemeinsam, und einer Rekuperation B_L, einer Energieerzeugung im Bremsbetrieb, wobei der Elektromotor als Generator betrieben wird und elektrische Energie in einem Energiespeicher speichert.
1 zeigt die möglichen erkannten Verkehrssituationen auf Schnellstraßen und den jeweiligen bevorzugten Antrieb.
Dabei werden in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung die Ergebnisse der Erkennung der Verkehrssituation genutzt, um starke Geschwindigkeitsanstiege beim Verlassen einer erkanten Verkehrssituation, insbesondere einer erkannten Verkehrsphase „sich bewegender breiter Stau" 3 oder „synchronisierter Verkehr" 2 zu bestimmen und den Boostbetrieb B_B durchzuführen.
Alternativ können die Ergebnisse der Erkennung der Verkehrssituation genutzt werden, um ein starkes Geschwindigkeitsabsinken beim Übergang zwischen erkannten Verkehrssituationen, z. B. aus dem „freien Verkehr" 1 zum „synchronisierten Verkehr" 2 oder „sich bewegender breiter Stau" 3 und beim Übergang vom „synchronisierten Verkehr" 2 zum „sich bewegenden breiten Stau" 3, zu bestimmen und die Rekuperation B_L durchzuführen.
Des Weiteren kann die herkömmliche Verkehrszustandserkennung im Fahrzeug verwendet werden, um über eine Zu-/Einschaltung des Elektroantriebs zu entscheiden. So wird beispielsweise in einem „sich bewegenden breiten Stau" 3 häufiger als bei „synchronisiertem Verkehr" 2 mit Elektroantrieb gefahren.
Auch kann eine Antriebsempfehlung nach einem kombinierten Geschwindigkeits-Zeit-Kriterium vorgegeben werden, d. h. ein Zuschalten des Elektroantriebes erfolgt auf einer Schnellstraße nur dann, wenn ein Schwellwert von z. B. 20 km/h für mindestens 10 Sekunden unterschritten wird. Auch wird der Elektroantrieb in einem „sich bewegenden breiten Stau" 3 ein- oder zugeschaltet. Besonders innerhalb des „sich bewegenden breiten Staus" 3 wechseln sich Stillstandszustände mit kurzem Anfahren und Abbremsen ab, die für einen Elektrobetrieb günstig sind und gleichzeitig ungünstig für den Verbrennungsmotor.
Die jeweilige erkannte Verkehrssituation und eine daraus resultierende ermittelte Verkehrsphase – Details hierzu: Siehe die Anmeldung der Anmelderin mit Amtl Az DE 10 2008 003 039.2 – werden in folgender Weise als Empfehlung abgebildet:
Im erkannten „freien Verkehr" 1 wird eine hohe Motorleistung durch den Verbrennungsmotor abgegeben.
Im erkannten „synchronisierter Verkehr" 2 erfolgt der Antrieb des Fahrzeugs vorzugsweise durch den Verbrennungsmotor. Beim Beschleunigen zum freien Verkehr erfolgt ein Boostbetrieb B_B des Elektromotors zur Unterstützung des Verbrennungsmotors, wie z. B. in der DE 10 2006 045 824 A1 beschrieben.
Beim erkannten Übergang vom „synchronisierter Verkehr" 2 zum „sich bewegenden breiten Stau" 3 findet eine Umstellung auf Elektrobetrieb statt, d. h. der Elektroantrieb wird ein- und der Verbrennungsmotor ausgeschaltet.
Im „sich bewegenden breiten Stau" 3 erfolgt der Antrieb des Fahrzeugs vorzugsweise durch den Elektromotor, da nur eine geringe Antriebsleistung benötigt wird.
Beim Beschleunigen aus dem „sich bewegenden breiten Stau" 3 heraus zum „freien Verkehr" 1 oder zum „synchronisierten Verkehr" 2 wird ein Boostbetrieb B_B des Elektromotors zur Unterstützung des Verbrennungsmotors durchgeführt.
2 zeigt die möglichen Verkehrssituationen innerorts und den jeweiligen bevorzugten Antrieb.
Die Kenntnis einer städtischen Warteschlange, auch als „Stau innerorts" 4 bezeichnet, als erkannte Verkehrssituation, z. B. vor einer Kreuzung nach einem Verfahren wie DE 199 40 957 C2 , wird dazu verwendet, in Bereichen dieser Warteschlangen nur mit Elektroantrieb zu fahren. Aus der Kreuzungsposition wird auf das Ende der Warteschlange geschlussfolgert und ein Verbrennungsmotorantrieb mit möglichem Boostbetrieb B_B entsprechend vorgesehen. Die Länge dieser Warteschlange entscheidet darüber, in welcher Weise und Dauer auf Elektrobetrieb umzustellen ist.
In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform des Verfahrens wird ein solches verkehrssituationsabhängiges Zu- und Abschalten bzw. Dimensionieren des Elektroantriebs dem Fahrer in einer Weise angezeigt, dass der Zusammenhang zwischen aktuellem Verkehrszustand und Antriebsart dargestellt wird.
Auch ein bevorstehender Wechsel der Antriebsstrategie aufgrund von Informationen über die Verkehrssituation kann dem Fahrer angezeigt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer im Voraus erkannten Verkehrssituation prädiktiv.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine Optimierungsfunktion für den Betrieb von Verbrennungsmotor und Elektromotor vorgegeben, wobei als Optimierungskriterium eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades vorgegeben wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird neben Boost- und Rekuperationsbetrieb auch die Lastpunktverschiebung des Verbrenners durch Unterstützung der E-Maschine in Richtung hoher Verbrenner-Wirkungsgrad und das Laden im Stand bzw. im Zug (Gasgeben) zur Vermeidung von negativen Ladebilanzen entsprechend der Verkehrsprädiktion in Dauer und Intensität angepaßt werden müssen. Die dafür notwendigen Parametersätze müssten vorab für die jeweiligen Verkehrssituationen im Sinne des energieeffizienten Aggregateeinsatzes und Komforterhalt eruiert werden.

1: freier Verkehr
2: synchronisierter Verkehr
3: sich bewegender breiter Stau
4: Stau innerorts
B_B: Boostbetrieb
B_L: Rekuperation

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

- DE 102006045824 A1 [0002, 0039]
- DE 102007033720 A1 [0003]
- DE 19807291 A1 [0004]
- DE 10149905 B4 [0005]
- DE 102007016109 A1 [0006]
- DE 10051777 A1 [0008]
- DE 10057796 A1 [0009]
- DE 102004041851 A1 [0010]
- DE 102008003039 [0025, 0038]
- DE 19944075 A1 [0026]
- DE 19940957 C2 [0044]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- B. S. Kerner, „The Physics of Traffic", Springer, Berlin, 2004 [0012]
- B. S. Kerner, S. L. Klenov, A. Hiller, „Criterion for traffic phases in single vehicle data and empirical test of a microscopic three-phase traffic theory", J. Phys. A: Math Gen 39, S. 2001–2020 (2006) [0013]
- B. S. Kerner, S. L. Klenov, A. Hiller, H. Rehborn, „Microscopic features of moving traffic jams", Physical Review E 73, 046107 (2006) [0013]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs eines Fahrzeugs, wobei der Hybridantrieb mindestens einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfasst, welcher im Bremsbetrieb als Generator betrieben wird und elektrische Energie in einem Energiespeicher speichert und im Antriebsbetrieb für den Fahrzeugantrieb genutzt wird, wobei Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors mittels einer Steuereinheit gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer erkannten Verkehrssituation ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen eines Fahrerassistenzsystems zur Erkennung einer Verkehrssituation verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikation der Fahrzeuge untereinander erfolgt und übermittelte Informationen zur Erkennung einer Verkehrssituation verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen zur automatischen Verkehrsüberwachung mit dem Fahrzeug kommunizieren und dabei übermittelte Informationen zur Erkennung einer Verkehrssituation verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stationäre Vorrichtungen zur automatischen Verkehrsbeeinflussung mit dem Fahrzeug kommunizieren und dabei übermittelte Informationen zur Erkennung einer Verkehrssituation verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein verkehrssituationsabhängiger Wechsel der Antriebsart dem Fahrer in einer Weise angezeigt wird, die einen Zusammenhang zwischen aktueller Verkehrssituation und Antriebsart optisch darstellt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bevorstehender Wechsel der Antriebsart aufgrund von übermittelten, identifizierten und/oder ermittelten Informationen zur Erkennung einer Verkehrssituation dem Fahrer angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optimierungsfunktion für den Betrieb von Verbrennungsmotor und Elektromotor vorgegeben wird, wobei als Optimierungskriterium eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit einer im Voraus erkannten Verkehrssituation prädiktiv erfolgt.