-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Im
Zusammenhang mit einer weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit
von Fahrzeugen ist es allgemein bekannt, Verbrennungskraftmaschinen
mit elektrischen Maschinen zu kombinieren. Derartige Hybridantriebssysteme
kann man in serielle, parallele oder gemischte Systeme unterteilen.
Bei einem seriellen Hybridantriebssystem sind Verbrennungskraftmaschine,
Generator und Elektromotor in Reihe hintereinander geschaltet, wobei
die Verbrennungskraftmaschine keine direkte Kopplung zu einer angetriebenen
Achse aufweist und das jeweilige Fahrzeug direkt von dem Elektromotor
angetrieben wird. Bei einem parallelen Hybridantriebssystem sind
eine Verbrennungskraftmaschine und zumindest eine motorisch/generatorisch
betreibbare elektrische Maschine mit mindestens einer angetriebenen
Achse verbunden, also parallel zueinander angeordnet und das jeweilige
Fahrzeug kann mit beiden Maschinen gleichzeitig oder einzeln angetrieben
werden. Ferner bestehen Mischformen serieller und paralleler Hybridantriebssysteme.
Bei einer möglichen Mischform wird zur Leistungsverzweigung
ein Planetengetriebe eingesetzt, über das eine generatorisch
betriebene elektrische Maschine, eine motorisch betriebene elektrische
Maschine und eine Verbrennungskraftmaschine miteinander verbunden
sind. Der Einsatz eines solchen Planetengetriebes ermöglicht
es, einen Teil der Ausgangsleistung der Verbrennungskraftmaschine
direkt mechanisch an die Antriebsachse zu übertragen. Die übrige
Leistung dient zur Erzeugung elektrischer Energie durch die generatorisch
betriebene elektrische Maschine. Die motorisch betriebene elektrische
Maschine kann diese elektrische Energie wiederum zum Antrieb des Fahrzeuges
nutzen. Es ist also gleichzeitig ein serieller als auch ein paralleler
Antrieb des Fahrzeuges möglich. So kann stets die Betriebsart
gewählt werden, die die größte Gesamteffizienz
aufweist. Der Vorteil dieses Konzepts ist der hohe Fahrkomfort,
bedingt durch die stufenlose Übersetzung. Nachteil dieser
Struktur ist vor allem ein erhöhter konstruktiver Aufwand
beziehungsweise ein aufwendiges Planetengetriebe. Eine weitere Möglichkeit
einer Mischform besteht darin, eine Achse des Fahrzeuges mittels
einer parallelen Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine und einer
motorisch/generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine anzutreiben beziehungsweise
diese Achse im Sinne eines parallelen Hybridantriebssystems mit
einer Verbrennungskraftmaschine und einer motorisch/generatorisch
betreibbaren elektrischen Maschine zu verbinden und eine weitere
Achse des Fahrzeuges im Sinne eines seriellen Hybridantriebssystems
lediglich mit einer motorisch/generatorisch betreibbaren elektrischen
Maschine zu verbinden. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich
des erforderlichen Bauraumes, der zwischen Verbrennungskraftmaschine
und Getriebe eines herkömmlichen Antriebskonzeptes häufig
sehr gering bemessen ist. Wenn jedoch nur ein elektrischer Speicher
zur Versorgung der beiden elektrischen Maschinen zur Verfügung
steht, jedoch beide elektrischen Maschinen dem Speicher Energie
zuführen oder entnehmen können, ergibt sich im
Zusammenhang mit einer allgemein bekannten Lastpunktverschiebung,
also einem gezielten Verschieben des Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine hin
zu einer höheren Belastung und hin zu einem besseren Wirkungsgrad
der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Energiezufuhr zu
dem elektrischen Speicher durch den generatorischen Betrieb beider
elektrischer Maschinen oder einem rein elektrischen Antrieb des
Fahrzeuges die Frage, wie die jeweils erforderliche Belastung bei
dem generatorischen Betrieb beziehungsweise wie die Antriebsleistung
beim motorischen Betrieb auf die beiden elektrischen Maschinen verteilt
werden sollte. Mit anderen Worten besteht das Problem darin, zu
bestimmen, wie die Lade- oder Antriebsmomente am besten auf die
beiden elektrischen Maschinen verteilt werden sollten, so dass sich
eine maximale Effizienz des Hybridantriebssystems bei einer Lastpunktverschiebung
beziehungsweise dem rein elektrischen Antrieb des Fahrzeuges ergibt.
Auch wenn bisher lediglich einzelne elektrische Maschinen beschrieben
wurden, die seriell, parallel oder in gemischter Anordnung in Verbindung
mit einer Verbrennungskraftmaschine ein Fahrzeug antreiben, können
natürlich auch Einheiten elektrischer Maschinen, also Verbände
mehrerer elektrischer Maschinen jeweils seriell, parallel oder in
gemischter Anordnung in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine
zum Antrieb eines Fahrzeuges vorgesehen sein. Beispielsweise können
eine größere und eine kleinere elektrische Maschine
parallel in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine eine
Achse eines Fahrzeuges antreiben, was insbesondere dann sinnvoll
ist, wenn die beiden elektrischen Maschinen unterschiedliche Wirkungsgrade
haben, beispielsweise kann die größere elektrische
Maschine bei niedrigen Drehzahlen und hohen Momenten einen hohen
Wirkungsgrad aufweisen und die kleinere elektrische Maschine, aufgrund
ihrer geringeren Massenträgheit, bei höheren Drehzahlen.
Die größere und die kleinere elektrische Maschine
bilden dann eine erste Einheit elektrischer Maschinen und eine oder
mehrere elektrische Maschinen können seriell in Verbindung
mit einer Verbrennungskraftmaschine eine weitere Achse eines Fahrzeuges
antreiben, die dann eine zweite Einheit elektrischer Maschinen bilden.
Grundsätzlich können auch mehrere elektrische
Maschinen seriell, aber zueinander parallel geschaltet werden.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, zu bestimmen,
wie die Lade- oder Antriebsmomente auf zwei Einheiten elektrischer
Maschinen, die jeweils mindestens eine generatorisch und/oder motorisch
betriebene elektrische Maschine umfassen, verteilt werden sollten,
so dass sich eine maximale Effizienz des Hybridantriebssystems bei
einer Lastpunktverschiebung beziehungsweise dem rein elektrischen
Antrieb des Fahrzeuges ergibt.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens
zum Betrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine,
einer ersten Einheit elektrischer Maschinen, umfassend mindestens
eine elektrische Maschine und einer zweiten Einheit elektrischer
Maschinen, umfassend mindestens eine elektrische Maschine gelöst,
wobei zur Bestimmung der Aufteilung der Lade- oder Antriebsmomente
bei einer Lastpunktverschiebung oder bei rein elektrischem Fahren
auf die elektrischen Maschinen der ersten Einheit, auf die elektrischen
Maschinen der zweiten Einheit und auf die Verbrennungskraftmaschine,
die elektrischen Maschinen der ersten Einheit und die elektrischen
Maschinen der zweiten Einheit zu einer einzelnen virtuellen elektrischen
Maschine zusammengefasst werden, so dass nur noch eine Bestimmung
der Aufteilung der Lademomente bei einer Lastpunktverschiebung zwischen
virtueller elektrischer Maschine und Verbrennungskraftmaschine und
eine Aufteilung der Lademomente innerhalb der virtuellen elektrischen
Maschine oder bei rein elektrischem Fahren der Antriebsmomente innerhalb
der virtuellen elektrischen Maschine durchgeführt werden
muss. Dabei ist es von Vorteil, dass gegebenenfalls bestehende Ansätze
zur Verteilung der Lade- oder Antriebsmomente auf eine Verbrennungskraftmaschine
und eine motorisch/generatorisch betriebene elektrische Maschine
auch dann verwendet werden können, wenn mehrere elektrische
Maschinen in dem jeweiligen Antriebskonzept vorgesehen sind. Mit
anderen Worten können durch den erfindungsgemäßen
Ansatz, eine virtuelle elektrische Maschine zu bilden, welche die
gleichen Aufgaben wie eine einzige parallel zur Verbrennungskraftmaschine
angeordnete elektrische Maschine übernimmt, gegenwärtig
schon existierende Lösungsalgorithmen zur Bestimmung des
optimalen Lademoments angewendet werden. Dementsprechend wird in
einer möglichen Ausführung die zweite Einheit
elektrischer Maschinen quasi auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
transformiert und mit der ersten Einheit elektrischer Maschinen
zu einer virtuellen elektrischen Maschine zusammengefasst. Die Kurbelwelle
eignet sich erfindungsgemäß besonders gut, da
das Moment der Verbrennungskraftmaschine und der ersten Einheit
elektrischer Maschinen auch an diesem Punkt angreift. Aus Sicht
der Lastpunktberechnung besteht erfindungsgemäß nur
noch eine elektrische, nämlich die virtuelle elektrische
Maschine und es kann mit den vorhandenen Werkzeugen eines parallelen
Hybridantriebes und der virtuellen elektrischen Maschine eine Bestimmung
des optimalen Lastpunktes für die Energieerzeugung oder
die Antriebsleistung der einzelnen beteiligten Kraftmaschinen erfolgen,
wobei im weiteren Verlauf die Lade- oder Antriebsmomente so an die
erste und die zweite Einheit elektrischer Maschinen verteilt werden, dass
die Verlustleistung der elektrischen Maschinen der ersten und der
zweiten Einheit elektrischer Maschinen am geringsten ist.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und dem folgenden Ausführungsbeispiel.
-
Ausführungsbeispiel
-
Bei
einem parallelen Hybridantriebssystem sind, wie schon beschrieben,
eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) und eine Einheit elektrischer
Maschinen (E1), die zumindest eine motorisch/generatorisch betreibbare
elektrische Maschine (EM1) umfasst, mit mindestens einer angetriebenen
Achse (A1) eines Fahrzeuges verbunden, also parallel zueinander
angeordnet, wobei das Fahrzeug mit beiden Maschinen (VKM, EM1) gleichzeitig
oder einzeln angetrieben werden kann. Um eine optimale Verteilung
der Lademomente (MLPV) bei einem genoratorischen Betrieb der mindestens
einen elektrischen Maschine (EM1) oder der Antriebsmomente (MA)
beim motorischen Betrieb der mindestens einen elektrischen Maschine
(EM1) und dem Moment der Verbrennungskraftmaschine (MVKM) zu erreichen,
kann wie in 1 gezeigt vorgegangen werden.
Ein erster Schritt der Strategie ist die Interpretation des Fahrerwunsches.
Durch Soll-/Istvergleich der Geschwindigkeit (v_Soll, v_Ist) wünscht
sich der Fahrer ein Moment (MFW). Selbstverständlich kann
sich der Fahrer auch ein Moment (MFW) wünschen, das erforderlich
ist, um eine bestimmte Geschwindigkeit (v_Ist) zu erreichen. Dieses
Fahrerwunschmoment (MFW) wird in Abhängigkeit der Betriebsstrategie
auf das Moment der Verbrennungskraftmaschine (MVKM) und das Lade-
oder Antriebsmoment (MLPV, MA) der elektrischen Maschine (EM1) optimal
aufgeteilt, welches innerhalb bestimmter Momentengrenzen der elektrischen
Maschine (EM1) zu verbleiben hat. Dazu wird an jedem Arbeitspunkt,
beschrieben durch Last und Drehzahl, das Lade- oder Antriebsmoment
(MLPV, MA) bestimmt, um neben der Verbesserung des Wirkungsgrades
der Verbrennungskraftmaschine (eta_VKM) auch eine effizientere Bereitstellung
der elektrischen Energie sicherzustellen. Der Grundgedanke ist nun
die Auswertung eines differentiellen Gesamtwirkungsgrades (eta_diff_gesamt).
Durch Auswertung dieses differentiellen Gesamtwirkungsgrades (eta_diff_gesamt)
soll neben der Energieumwandlung mittels der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) auch die Energieumwandlung mittels der elektrischen Maschine
(EM1), das Laden eines elektrischen Speichers/Batterie beziehungsweise
die Entnahme von Energie aus dem elektrischen Speicher sowie die
Abdeckung der Bordnetzleistung (P_Bordnetz) effizient berücksichtigt
werden. Beispielhaft wird nun der Weg zur Ermittlung des optimalen
Lademomentes (MLPV) im Fall einer Lastpunktverschiebung (LPV) beschrieben.
Der differentielle Gesamtwirkungsgrad (eta_diff_gesamt) beschreibt
das Verhältnis der von der elektrischen Maschine (EM1)
erzeugten Leistung, die in dem elektrischen Speicher gespeichert
und vom Bordnetz benötigt wird (delta_P_erzeugt), zu der
zusätzlich von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) dazu
aufgewendeten chemischen Leistung (delta_P_chemisch_VKM) gemäß Gleichung
1: eta_diff_gesamt = delta_P_erzeugt/delta_P_chemisch_VKM (1)
-
Wird
die Verbrennungskraftmaschine (VKM) mit dem geforderten Fahrerwunschmoment
(MFW) betrieben, lässt sich die der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) zugeführte chemische Leistung (P_chemisch) aus dem
Fahrerwunschmoment (MFW), der Winkelgeschwindigkeit (omega) und
dem entsprechenden Wirkungsgrad (eta_VKM) gemäß Gleichung
2 bestimmen: P_chemisch = MFW·omega/eta_VKM(n,
MFW) (2)
-
Mit
dem zusätzlichen Moment der Lastpunktverschiebung (MLPV)
gemäß Gleichung 3 stellt sich ein neuer Lastpunkt
der Verbrennungskraftmaschine (VKM) mit dem Moment (MVKM) ein: MLPV = MVKM – MFW (3)
-
Dabei
variiert auch die der Verbrennungskraftmaschine (VKM) zugeführte
chemische Leistung (P_chemisch_LPV) gemäß Gleichung
4: P_chemisch_LPV = (MFW + MLPV)·omega/eta_VKM(n,
MVKM) (4)
-
Die
zusätzliche chemische Leistung (delta_P_chemisch_VKM),
die infolge der Verschiebung des Lastpunktes der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) zugeführt wird, kann somit gemäß Gleichung
5 aus Gleichung 2 und 4 berechnet werden: delta_P_chemisch_VKM = P_chemisch_LPV – P_chemisch (5)
-
Durch
diese Lastpunktverschiebung (LPV) steht zusätzliche mechanische
Leistung (delta_P_mechanisch_VKM) an der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) zur Verfügung. Da diese nicht zum Abdecken des Fahrerwunsches
benötigt wird, kann die Differenz aus Kurbelwellen-(MVKM) und
Fahrerwunschmoment (FWM) mit Hilfe der generatorisch betriebenen
elektrischen Maschine (EM1) in elektrische Energie gewandelt werden.
Die dadurch gewonnene elektrische Energie wird dem elektrischen Speicher
zugeführt oder steht dem Bordnetz zur Verfügung.
Je nach Wirkungsgrad des elektrischen Systems und der Leistungsanforderung
des Bordnetzes (P_Bordnetz) wird ein unterschiedlich großer
Teil der mechanischen Leistung (delta_P_mechanisch_VKM) in interne
Leistung des elektrischen Speichers (P_Speicher_0) umgesetzt, deren
Betrag sich mit Hilfe des Ausdruckes gemäß Gleichung
6 angeben lässt: P_Speicher_0
=
(MLPV·omega·eta_EM1_gen – P_Bordnetz)·eta_Lade (6)
-
Dabei
ist (omega) die Drehzahl und (eta_EM1_gen) der generatorische Wirkungsgrad
der elektrischen Maschine (EM1) und (eta_Lade) der Ladewirkungsgrad
des elektrischen Speichers. So kann gemäß Gleichung
7 die von der elektrischen Maschine (EM1) erzeugte Leistung (delta_P_erzeugt)
bestimmt werden: delta_P_erzeugt =
P_Speicher_0 + P_Bordnetz (7)
-
Durch
Einsetzen der Gleichungen 2 bis 7 in Gleichung 1 kann der differentielle
Gesamtwirkungsgrad (eta_diff_gesamt) berechnet werden, wobei der
Ladewirkungsgrad des elektrischen Speichers (eta_Lade) und der generatorische
Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (eta_EM1_gen) in Kennfeldern
hinterlegt sein kann. Die Leistungsanforderung des Bordnetzes (P_Bordnetz)
kann als konstant angenommen werden und der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine
(eta_VKM) kann beispielsweise anhand von Willans-Linien ermittelt
werden.
-
Um
in jedem möglichen Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors
das optimale Lademoment (MLPV_optimal) zu suchen, iteriert man über
alle darstellbaren Lademomente (MLPV) und wertet gemäß den in
Gleichung 1 eingesetzten Gleichungen 2 bis 7 an jedem Arbeitspunkt
für alle darstellbaren Momente aus. So lässt sich
das optimale Lademoment (MLPV_optimal) bestimmen, welches die Bedingung
gemäß Gleichung 8 erfüllt:
-
Um
nun den vorgehend beschriebenen, gegebenenfalls schon vorhandenen
Ansatz zur Verteilung der Lade- oder Antriebsmomente (MLPV, MA,
MVKM) auf eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) und eine motorisch/generatorisch
betriebene elektrische Maschine (EM1) auch dann verwenden zu können,
wenn mehrere elektrische Maschinen (EM1, EM2) in dem jeweiligen
Antriebskonzept vorgesehen sind, kann erfindungsgemäß wie
folgt verfahren werden. Angenommen, ein Antriebskon zept verfügt
neben einer Verbrennungskraftmaschine (VKM) über zwei Einheiten
elektrischer Maschinen (E1, E2) mit je einer elektrischen Maschine
(EM1, EM2), wobei die erste elektrische Maschine (EM1) und die Verbrennungskraftmaschine
(VKM) parallel eine erste Achse (A1) antreiben und die zweite elektrische
Maschine seriell ein zweite Achse (A2) antreibt, also zum Antrieb
mit der zweiten Achse (A2) und dem elektrischen Speicher verbunden
ist, beziehungsweise zur Zufuhr von elektrischer Energie zum elektrischen
Speicher im generatorischen Betrieb der zweiten elektrischen Maschine
(EM2) mit dem elektrischen Speicher und der zweiten Achse (A2) verbunden
ist. Gemäß 2 werden erfindungsgemäß die
erste elektrische Maschine (EM1) und die zweite elektrische Maschine
(EM2), hier beispielhaft für den Fall einer Lastpunktverschiebung
(LPV), zu einer virtuellen elektrischen Maschine (EV) zusammengefasst,
was natürlich auch für einen Antrieb des Fahrzeuges
mittels der beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2) gilt. Insbesondere
wird in dieser Ausführung dadurch eine einzelne virtuelle
elektrische Maschine (EV) gebildet, dass die zweite elektrische
Maschine (EM2) auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) transformiert und mit der ersten elektrischen Maschine (EM1)
zusammengefasst wird. Die Kurbelwelle eignet sich dazu besonders
gut, weil das Moment der Verbrennungskraftmaschine (MVKM) und das
Moment der ersten elektrischen Maschine (MEM1) an diesem Punkt angreift.
Dabei wird davon ausgegangen, dass bei der Transformation der zweiten
elektrischen Maschine (EM2) keine energetischen Verluste über die
Strasse, beispielsweise durch Schlupf, auftreten. Ausserdem können
die beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2) auch nicht identisch
sein. Es können beispielsweise unterschiedliche Wirkprinzipien
vorliegen. Beispielsweise kann eine elektrische Maschine permanenterregt
sein und die andere kann eine asynchrone elektrische Maschine sein.
Ausserdem können die beiden elektrischen Maschinen (EM1,
EM2) unterschiedlich dimensioniert sein. Es ergibt sich somit für
die Drehzahl (n2_KW) und das Moment (MEM2_KW) der zweiten elektrischen
Maschine (EM2) bezogen auf die Kurbelwelle unter Berücksichtigung
der Übersetzungen gemäß Gleichung 9 und
10: n2_KW = i_diff·i_G1/i_G2·n2 (9) MEM2_KW = i_G2/i_diff·i_G1·MEM2 (10)
-
Dabei
entspricht (i_diff) der Differentialübersetzung, also der Übersetzung
vom Getriebe, das der Verbrennungskraftmaschine (VKM) nachgeordnet
ist, zu der angetriebenen Achse (A1), (i_G1) der Gangübersetzung,
(i_G2) der Hinterachsübersetzung, also der Übersetzung
von der zweiten elektrischen Maschine (EM2) zu der angetriebenen
Achse (A2), (MEM2) dem Moment der zweiten elektrischen Maschine
(EM2), (MEM2_KW) dem Moment der zweiten elektrischen Maschine (EM2)
bezogen auf die Kurbelwelle, (n2) der Drehzahl der zweiten elektrischen
Maschine (EM2) und (n2_KW) der zweiten elektrischen Maschine (EM2)
bezogen auf die Kurbelwelle. Durch eine weitere Zusammenfassung
mit der ersten elektrischen Maschine (EM1) wird nun die virtuelle
elektrische Maschine (EV) aufgebaut. Es liegt nunmehr eine Parallelschaltung
beider elektrischer Maschinen (EM1, EM2) vor, die fest mit der Kurbelwelle
verbunden sind. So erhält man die Beziehung für
die Drehzahlen gemäß Gleichung 11: n_VKM = n1 = n2_KW (11)
-
Dabei
ist (n_VKM) die Drehzahl der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
(VKM) und (n1) die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine. Ausserdem
erhält man die Beziehung für das Moment gemäß Gleichung
12: MLPV_EV = MEM1 + MEM2_KW (12)
-
Dabei
entspricht (MLPV_EV) dem Lademoment oder dem Antriebsmoment der
virtuellen elektrischen Maschine (EV). Zurück zu 2,
wird quasi durch den Ansatz der virtuellen elektrischen Maschine
(EV) die Struktur einer bestehenden Strategie zur Lastpunktverschiebung
(LPV) beziehungsweise zum Antrieb des Fahrzeuges erweitert. Gemäß 2 wird
beispielhaft für die Lastpunktverschiebung (LPV) über
das Fahrerwunschmoment (MFW) das Moment der Verbrennungskraftmaschine
(MVKM) auf das Lademoment (MLPV_EV) der virtuellen elektrischen
Maschine (EV) und ein Vortriebsmoment (MVKM_V = MFW) aufgeteilt. Ferner
wird in einer Teilstrategie eine optimale Verteilung der Momente
(MEM1, MEM2) zwischen den beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2)
durchgeführt. Dazu erfolgt erfindungsgemäß die
Lösung eines Optimierungsproblems. Da die elektrischen
Maschinen (EM1, EM2) bei einem generatorischen Betrieb einen sehr
hohen Wirkungsgrad (eta_EM_gen) aufweisen, wird erfindungsgemäß als
Eingriffsmöglichkeit für eine Optimierung eine
Kombination der Verlustleistungen der elektrischen Maschinen (EM1,
EM2) durchgeführt. Mit anderen Worten wird als Zielfunktion
die Verlustleistung (P_Verlust_EV) der virtuellen elektrischen Maschine
(EV) gewählt, die durch eine Optimierung zu minimieren
ist. Diese Verlustleistung ist die Summe der Verlustleistungen (P_Verlust_EM1,
P_Verlust_EM2) der beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2). Den
weiteren Berechnungen können beispielsweise Wirkungsgradkennfelder
der beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2) zu Grunde gelegt werden.
Zur Bestimmung der Verlustleistungen (P_Verlust_EM) wird die Bilanz
gemäß Gleichung 13 angewandt: P_Verlust_EM = [1 – eta_gen(n_EM, MEM_gen)]·P_Mech_EM (13)
-
Dabei
ist (P_Verlust_EM) die Verlustleistung einer elektrischen Maschine
im generatorischen Betrieb allgemein, (n_EM) die Drehzahl, (MEM_gen)
das Drehmoment der elektrischen Maschine allgemein und (P_Mech_EM)
die zugeführte mechanische Leistung. Die wesentlichen Informationen über
das Verhalten der elektrischen Maschine stecken demnach in der Drehmoment-
und drehzahlabhängigen Wirkungsgradfunktion [eta_gen(n_EM,
MEM_gen)], die als ein durch Prüfstandsmessungen gewonnenes
Kennfeld gegeben sein können. Setzt man weiterhin für
(P_Mech_EM) gemäß Gleichung 14: P_Mech_EM = 2·π·MEM_gen·n_EM
= MEM_gen·n_EM·1/9,549 (14)an, kann
die Verlustleistung der elektrischen Maschine gemäß Gleichung
15 beschrieben werden: P_Verlust_EM
= [1 – eta_gen(n_EM, MEM_gen)]·MEM_gen·n_EM·1/9,549 (15)
-
Aus
Gleichung 15 kann weiterhin die Verlustleistung für jeden
Betriebspunkt berechnet und gemäß Gleichung 16
durch Polgnome zweiter Ordnung approximiert werden: P_Verlust_EM(n_EM, MEM_gen) = a(n_EM)·MEM_gen2 + b(n_EM)·MEM_gen + c(n_EM) (16)
-
Dabei
sind die Koeffizienten a, b und c von der Drehzahl (n_EM) der elektrischen
Maschine abhängig. Mit diesen Erkenntnissen erhält
man dann die Verlustleistungsfunktion der ersten elektrischen Maschine
(EM1) gemäß Gleichung 17: P_Verlust_EM1(n_EM1, MEM1_gen)
= a1(n_EM1)·MEM1_gen2 +
b1(n_EM1)·MEM1_gen + c1(n_EM1) (17)und die
Verlustleistungsfunktion der zweiten elektrischen Maschine (EM2)
in Verbindung mit Gleichung 10 gemäß Gleichung
18: P_Verlust_EM2(n2_KW, MEM2_KW)
=
a2(n2_KW)·MEM2_KW2 +
b2(n2_KW)·MEM2_KW + c2(n2_KW) (18)
-
Durch
Kombination der Verlustleistungen (P_Verlust_EM1, P_Verlust_EM2)
beider elektrischer Maschinen (EM1, EM2) ergibt sich nun die Verlustleistung
(P_Verlust_EV) der virtuellen elektrischen Maschine (EV) gemäß Gleichung
19: P_Verlust_EV(n_EM1, n2_KW, MEM1_gen,
MEM2_KW) =
P_Verlust_EM1(n_EM1, MEM1_gen) + P_Verlust_EM2(n2_KW,
MEM2_KW) (19)
-
Da
sich das gesamte Lademoment gemäß Gleichung 12 MLPV_EV = MEM1 + MEM2_KW (12)aus den
Momenten beider elektrischer Maschinen zusammensetzt, kann weiterhin
gemäß Gleichung 20 ein Aufteilungsfaktor (k) eingeführt
werden: k = MEM1_gen/MLPV_EV (20)
-
Mit
diesem Aufteilungsfaktor kann man die Momente beider elektrischer
Maschinen gemäß Gleichung 21 und 22 bestimmen: MEM1_gen = k·MLPV_EV (21) MEM2_KW = (1 – k)·MLPV_EV (22)
-
Setzt
man die Gleichungen 21 und 22 in Gleichung 19 ein, ergibt sich die
endgültige Form für die Verlustleistung der virtuellen
elektrischen Maschine gemäß Gleichung 23 die Zielfunktion: P_Verlust_EV(n_EM1, n2_KW, MLPV_EV, k) = [(a1(n_EM1) + a2(n2_KW))·
MLPV_EV2]·k2 +
[(b1(n_EM1) + b2(n2_KW))·MLPV_EV – 2·a2(n2_KW)·
MLPV_EV2]·k
+ a2(n2_KW)·MLPV_EV2 +
b2(n2_KW)·MLPV_EV + c1(n_EM1)
+
c2(n2_KW) (23)
-
Die
nun zu untersuchende Optimierungsaufgabe kann daher in der Form
gemäß Gleichung 24 geschrieben werden:
-
Durch
Substitution und Einführung eines Aufteilungsfaktors (k)
wurden zwei Variablen eliminiert. Daher ist die Verlustleistungsfunktion
gemäß Gleichung 24 nur noch von der Drehzahl (n_EM1,
n2_KW) und dem gesamten Lademoment (MLPV_EV) und dem Aufteilungsfaktor
(k) abhängig. Die Drehzahlen (n_EM1, n2_KW) und das Moment
(MLPV_EV) sind bekannt. Von daher wird auf die Erwähnung
der Drehzahl n2_KW in den nachfolgenden Gleichungen verzichtet,
da n_EM1 == n2_KW ist.
-
Ziel
ist es jetzt, für jeden Betriebspunkt (n_EM1 = n2_KW, MLPV_EV)
eine optimale Aufteilung des Lademomentes (MLPV_EV), also den Aufteilungsfaktor
(k), zu bestimmen, für den die Verlustleistung (P_Verlust_EV)
der virtuellen elektrischen Maschine (EV) minimiert ist. Durch Ableiten
der Verlustleistungsfunktion der virtuellen Maschine nach (k) und
Nullsetzen kann nach (k) aufgelöst werden, vergleiche Gleichungen
25 und 26:
-
Ein
Optimierungsalgorithmus kann beispielsweise erfindungsgemäß mit
folgenden Schritten durchgeführt werden:
- a)
Auswahl Getriebegang und Definition Übersetzung
- b) Fahrerwunschmoment (MFW) und Drehzahl (n) definieren
- c) minimale Verlustleistung der virtuellen elektrischen Maschine
[(P_Verlust_EV) (n, MLPV))] betriebspunktabhängig berechnen
- d) Wirkungsgrad der virtuellen elektrischen Maschine (eta_EV)
betriebspunktabhängig berechnen
- e) Aufteilungsfaktor (k) für das Lademoment (MLPV)
bestimmen
- f) generatorische Momente beider elektrischer Maschinen (MEM1_gen,
MEM2_KW) mit dem betriebspunktabhängigen Aufteilungsfaktor
(k) berechnen
- g) zurück zu Schritt a)
-
Mittels
dieses Optimierungsalgorithmus können die Aufteilungsfaktoren
(k) der virtuellen elektrischen Maschine (EV) berechnet und in einem
Kennfeld hinterlegt werden, so dass für jeden Betriebspunkt
der optimale Aufteilungsfaktor (k) ausgelesen und beim Betrieb des
Fahrzeuges eingestellt werden kann.
-
Im
weiteren Verlauf kann erfindungsgemäß weiterhin
eine Kombination der Bestimmung der Lademomentverteilung mit dem
Verfahren zur Bestimmung des optimalen Lademomentes (MLPV_optimal)
erfolgen. Auf diese Weise kann die gesamte Betriebsstrategie bei
einer Lastpunktverschiebung (LPV) beziehungsweise einer Aufteilung
von Antriebsmomenten (MA) bei rein elektrischem Fahren auf die jeweiligen
elektrischen Maschinen (EM1, EM2) optimiert werden. Eine wichtige
Schnittstelle zur Kombination dieser beiden Verfahren ist der Wirkungsgrad
der virtuellen elektrischen Maschine (eta_EV), der gemäß Schritt
d) des vorgenannten Optimierungsalgorithmus berechnet wurde und
der in einem Kennfeld hinterlegt sein kann. An dieser Stelle läßt sich
der generatorische Wirkungsgrad (eta_EM1_gen) der elektrischen Maschine
(EM1) gemäß Gleichung 6 beziehungsweise der zur
Bestimmung des differentiellen Gesamtwirkungsgrades (eta_diff_gesamt)
in Gleichung 1 eingesetzten Gleichungen 2 bis 7 durch den Wirkungsgrad
der virtuellen elektrischen Maschine (eta_EV) ersetzen, vergleiche
Gleichung 27:
-
Auf
diese Weise kann man das optimale Lademoment (MLPV_optimal) bestimmen.
Durch Einsetzen des optimalen Lademomentes (MLPV_optimal) in Gleichungen
25 und 26 kann weiterhin der entsprechende Aufteilungsfaktor (k)
für das optimale Lademoment (MLPV_optimal) bestimmt werden.
Infolgedessen können die generatorischen Momente (MEM1_gen,
MEM2_gen) der beiden elektrischen Maschinen (EM1, EM2) berechnet
werden.
-
Ein
Optimierungsalgorithmus kann beispielsweise erfindungsgemäß mit
folgenden Schritten durchgeführt werden:
- a)
Auswahl Getriebegang und Definition Übersetzung
- b) Fahrerwunschmoment (MFW) und Drehzahl (n) definieren
- c) minimale Verlustleistung der virtuellen elektrischen Maschine
[(P_Verlust_EV) (n, MLPV))] betriebspunktabhängig berechnen
- d) Wirkungsgrad der virtuellen elektrischen Maschine (eta_EV)
betriebspunktabhängig berechnen
- e) Wirkungsgrad der virtuellen elektrischen Maschine (eta_EV)
in Gleichung 27 einsetzen und das optimale Lademoment (MLPV_optimal)
nach dem Prinzip des differenziellen Gesamtwirkungsgrades (eta_diff_gesamt)
berechnen
- f) Aufteilungsfaktor (k) für das Lademoment (MLPV_optimal)
bestimmen
- g) generatorische Momente beider elektrischer Maschinen (MEM1_gen,
MEM2_gen) mit dem betriebspunktabhängigen Aufteilungsfaktor
(k) berechnen
- h) zurück zu Schritt a)
-
Hinsichtlich
eines rein elektrischen Fahrens sei ferner auf die noch nicht veröffentlichte
Patentanmeldung
DE 10 2008
007 119 der Anmelderin verwiesen, deren Inhalt hiermit
im vollen Umfang mit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen
sei. Dort ist ein Mehrgrößenregler für
ein Hybridantriebssystem offenbart. Demgemäß ergibt
sich ein Bereich, bei dem das Fahrzeug rein elektrisch betrieben
wird, wobei ein Fahrerwunschmoment vorgegeben wird, das auf die
vorhandenen elektrischen Maschinen effizient aufgeteilt wird. Mit anderen
Worten ist der in der oben genannten Patentanmeldung beschriebene
Mehrgrößenregler von der Struktur her auf ein
paralleles Hybridantriebssystem zugeschnitten, jedoch durch die
erfindungsgemäße Bildung einer virtuellen elektrischen
Maschine, kann das in der oben genannten Patentanmeldung beschriebene Verfahren
insbesondere hinsichtlich eines rein elektrischen Betriebes des
zu Grunde liegenden Fahrzeuges angewendet werden.
-
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
-
