DE102009047954A1

DE102009047954A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges

Info

Publication number: DE102009047954A1
Application number: DE102009047954A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Rieling; Guido Wachsmuth; Dennis KÖNIG
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2010-08-19
Also published as: DE102009038553A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges mit - einer steuerbaren Momentenquelle, - einer steuerbaren Übersetzungseinheit und - einem Abtrieb, umfassend die Vorgabe einer an den Abtrieb anzulegenden Wunschleistung, wobei weiter diest sind: a) Messen einer aktuellen Abtriebsdrehzahl, b) Ermitteln einer aktuellen Effektivübersetzung, c) Berechnen eines Momentenvorgabewertes als ein Quotient aus einerseits der Wunschleistung und andererseits einem Produkt aus der in Schnitt (a) aktuellen gemessenen Abtriebsdrehzahl und der in Schnitt (b) ermittelten aktuellen Effektivübersetzung und d) Ansteuern der Momentenquelle mit dem Momentenvorgabewert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges mit

– einer steuerbaren Momentenquelle,
– einer steuerbaren Übersetzungseinheit und
– einem Abtrieb,

Stand der Technik
Insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ergibt sich oft die Situation, dass mit definierter Antriebs- bzw. Rekuperationsleistung gefahren werden soll. Ein wichtiger Sonderfall ist, dass das Fahrzeug auf der „Leistungshyperbel” fährt, d. h. dass die Radleistung oder allgemeiner ausgedrückt die am Abtrieb anliegende Leistung konstant gehalten werden oder einem vorgegebenen Verlauf folgen soll. Eine solche abtriebsleistungsgeregelte Betriebsart ist grundsätzlich bekannt und wird in denjenigen Betriebsphasen, in denen das Fahrzeug ohne äußere Störungen und mit fester Übersetzung fährt, umgesetzt.
In schwierigen Fahrsituationen, wenn der Antriebsstrang Störungen, insbesondere Schaltvorgängen in der Übersetzungseinheit, z. B. einem gestuften Getriebe, ausgesetzt ist, versagen die bekannten Betriebsverfahren, sodass sich regelmäßig Leistungssprünge am Abtrieb einstellen, die vom Fahrer als komfortmindernd empfunden werden können.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges zur Verfügung zu stellen, mit dem auch in schwierigen Fahrsituationen ein vorgegebener Verlauf der Abtriebsleistung eingehalten werden kann.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass weiter die folgenden, iterativ durchgeführten Schritte umfasst sind:

a) Messen einer aktuellen Abtriebsdrehzahl,
b) Ermitteln eine r aktuellen Effektivübersetzung,
c) Berechnen eines Momentenvorgabewertes als ein Quotient aus einerseits der Wunschleistung und andererseits einem Produkt aus, der in Schritt (a) gemessenen aktuellen Abtriebsdrehzahl und der in Schritt (b) ermittelten aktuellen Effektivübersetzung und
d) Ansteuern der Momentenquelle mit dem Momentenvorgabewert.

Die Erfindung hat die Wirkung, dass die Momentenquelle in bewährter Weise momentengesteuert wird, wobei der jeweilige Momentenvorgabewert, der dieser Steuerung zugrundegelegt wird, aus aktuellen Betriebsparametern derart berechnet wird, dass sich im Ergebnis am Abtrieb, insbesondere an den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeugs der gewünschte Leistungsverlauf einstellt. Im einfachsten Fall entspricht der gewünschte Leistungsverlauf einem Konstanthalten der Abtriebsleistung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch geeignet, beliebig vorgegebene Leistungsverläufe am Abtrieb zu realisieren. In welcher Weise dabei die Wunschleistung jeweils festgelegt wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung. Beispielsweise kann die gewünschte Abtriebsleistung unmittelbar aus einem Fahrerwunsch, beispielsweise repräsentiert durch einen Stellwinkel oder eine Betätigungsgeschwindigkeit oder -beschleunigung eines Gaspedals ermittelt werden. Alternativ kann der gewünschte Leistungsverlauf von einem Steuergerät gemäß vorgegebenen Regeln anhand einer mittels geeigneter Sensoren erfassten Fahrsituationen bestimmt werden.
Um von der an den Abtrieb anzulegenden Wunschleistung zu dem Momentenvorgabewert, welcher der Ansteuerung der Momentenquelle zugrundegelegt wird, zu gelangen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, welches die Ermittlung einer „virtuellen Antriebsdrehzahl” einbezieht. Die virtuelle Antriebsdrehzahl wird hier definiert als ein Produkt aus der aktuellen Abtriebsdrehzahl und der aktuellen Effektivübersetzung des Antriebsstranges. Die Abtriebsdrehzahl ist leicht zu ermitteln und wird für eine Reihe von Sicherheits-, Anzeige- und Steuerungsaufgaben ohnehin ermittelt. Diesen Parameter in eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verantwortliche Steuerungseinheit, insbesondere ein Steuergerät, einzuspeisen, stellt keinen oder höchstens kaum zusätzlichen Aufwand dar.
Komplizierter ist dagegen die Ermittlung der aktuellen Effektivübersetzung. Wesentliches Element der Effektivübersetzung ist die in der steuerbaren Übersetzungseinheit, insbesondere dem Getriebe, eingestellte Übersetzung. Gegebenenfalls enthält der Antriebsstrang jedoch weitere Übersetzungsstufen, zum Beispiel in einem Differential, die ebenfalls, typischerweise durch Multiplikation, berücksichtigt werden können. Die in der steuerbaren Übersetzungseinheit, insbesondere dem Getriebe, realisierte Übersetzung ist im Fall eines eingelegten, festen Ganges einfach zu berechnen. Sie ermittelt sich beispielsweise aus dem Verhältnis der Zähnezahlen beteiligter Zahnräder oder bei anderen Getriebearten auf dem Fachmann grundsätzlich bekannte Weise und ist bevorzugt für jeden Gang an geeigneter Stelle in einem Speicher hinterlegt. In schwierigen Situationen, z. B. bei einem Schaltvorgang, kann die Ermittlung der im Getriebe realisierten Übersetzung jedoch komplexer sein. Hierauf soll weiter unten näher eingegangen werden.
Sind die aktuelle Abtriebsdrehzahl und die aktuelle Effektivübersetzung ermittelt, kann durch Produktbildung die virtuelle Antriebsdrehzahl berechnet werden. Der Momentenvorgabewert für die Ansteuerung der Momentenquelle ergibt sich dann erfindungsgemäß aus einem Quotienten aus der gewünschten Abtriebsleistung und der virtuellen Antriebsdrehzahl. Bei dieser Berechnung ändert sich der Momentenvorgabewert mit jeder Änderung der Wunschleistung und ebenso mit jeder Änderung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Effektivübersetzung. Letzteres ist insbesondere bei einem Schaltvorgang wichtig, da hierdurch trotz der erheblichen Änderungen, die die Übersetzung zwischen dem gehenden Gang und dem kommenden Gang und insbesondere in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Gängen erfährt, die Radleistung weiter dem gewünschten Leistungsverlauf am Abtrieb folgen kann.
Typischerweise wird die steuerbare Übersetzungseinheit ein steuerbares, gestuftes Getriebe sein, dessen effektive Momentenübersetzung zu vorgegebenen Zeitpunkten messbar ist. Der Begriff des steuerbaren Getriebes umfasst insbesondere automatisierte sowie Automatikgetriebe, bevorzugt in der Ausbildungsform als sogenannte Doppelkupplungsgetriebe. Unabhängig von der Bauart enthält der Schaltvorgang jeweils Phasen der Momentenübernahme und der Drehzahlanpassung zwischen dem gehenden und dem kommenden Gang. Dieser Übergang wird durch ein geeignetes Kupplungsmanagement realisiert. Die in einem solchen Zwischenstadium tatsächlich realisierte Übersetzung zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle wird dabei durch die Kupplungskapazitäten der beteiligten Getriebekupplungen bestimmt. In welcher Weise die einzelnen Kupplungskapazitäten die resultierende Übersetzung beeinflussen, ist abhängig von der speziellen Bauart des Getriebes, kann jedoch in jedem einzelnen Fall vom Fachmann leicht nachvollzogen werden. Die Kupplungskapazitäten ihrerseits hängen von der Stellung der einzelnen Kupplungselemente zueinander ab. Diese wiederum lassen sich durch ihre Stellwege und/oder Stelldrücke (im typischen Fall von hydraulischen Kupplungen) bestimmen. Für jedes Getriebe kann der Fachmann daher in einfacher Weise einen Zusammenhang zwischen den Stellwegen bzw. Stelldrücken der Kupplungen und deren Kupplungskapazitäten und somit auch der tatsächlich momentan realisierten Übersetzung des Getriebes herstellen. Die Stelldrücke und Stellwege sind auf einfache Weise mittels bekannter Sensoren ermittelbar. Typischerweise werden sie ohnehin ermittelt und in die Steuergeräte zur Getriebeansteuerung eingespeist. Die erfindungsgemäße Ermittlung der aktuellen Effektivübersetzung des Antriebsstrangs aus bei typischen Getrieben ohnehin gemessenen Parametern stellt also keinen konstruktiven Zusatzaufwand dar. Die Erfindung stellt daher eine neuartige Kombination von ohnehin ermittelten Werten und deren neuartige Nutzung dar.
Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist es, die vorgegebene Wunschleistung während des Schaltvorgangs des Getriebes konstant zu halten. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die vorgegebene Wunschleistung während des Schaltvorgangs des Getriebes monoton steigt oder monoton abnimmt. In jedem Fall ist es günstig, einen „sanften” Verlauf der Wunschleistung vorzusehen, da Sprünge in der Abtriebsleistung stets als unkomfortabel wahrgenommen werden und es die Erfindung gerade erlaubt, einen wunschgemäßen Leistungsverlauf am Abtrieb auch tatsächlich zu realisieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Drehzahl- und Momentenverlaufs während eines Schaltvorgangs im Rekuperationsbetrieb bei konstanter Rekuperationsleistung,
2 eine Darstellung des Vorgangs von 1 in Auftragung des Momentes gegen die Drehzahl.
Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Ebene der tatsächlich anliegenden Drehzahlen und Momente soll nachfolgend an einem besonders wichtigen Beispiel, nämlich der Schubrückschaltung im Rekuperationsbetrieb bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug erläutert werden.
Es sein angenommen, dass die elektrische Maschine des Fahrzeugs mit dem Abtrieb über ein steuerbares, gestuftes Getriebe in Wirkverbindung stehe. Im Fall eines Hybridfahrzeuges kann zusätzlich eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein, die zum Zwecke eines parallelhybriden Betriebs der elektrischen Maschine vorgeschaltet sein kann. In diesem Fall würden die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine gemeinsam als eine Momentenquelle wirken. Im Fall des entkoppelten Hybridbetriebes oder im Fall eines reinen Elektrofahrzeugs wirkt lediglich die elektrische Maschine als Momentenquelle. Um all diese und ähnliche Fälle abzudecken, wird nachfolgend lediglich von „der Momentenquelle” gesprochen, wobei Voraussetzung für den Rekuperationsbetrieb ist, dass wenigstens ein Teil der Momentenquelle als elektrische Maschine ausgebildet ist.
Der in den Figuren gezeigte Vorgang beginnt mit einem Fahren bei konstanter Rekuperationsleistung. Dies bedeutet, dass die Drehzahl n des Getriebeeingangs, die über die feste Übersetzungsstufe des eingelegten Gangs mit der Abtriebsdrehzahl im Zusammenhang steht, sowie das von der Momentenquelle aufgebrachte Drehmoment T linear abfallen. Mit anderen Worten wird kinetische Energie des Fahrzeugs über die generatorisch wirkende elektrische Maschine zurückgewonnen und in elektrische Energie umgewandelt. Diese Fahrt bei konstanter Leistung erfolgt zwischen den Punkten x1 und x2 im Diagramm. Im Anschluss erfolgt eine Gangrückschaltung im Getriebe. Der Rückschaltvorgang setzt sich zusammen aus zunächst einer Lastübernahme von dem gehenden Gang zum kommenden Gang. Diese Lastübernahmephase erstreckt sich zwischen den Punkten x2 und x3 im Diagramm. Anschließend folgt eine Phase der Drehzahlüberführung, die sich im Diagramm zwischen den Punkten x3 und x4 erstreckt. Die Lastübernahmephase und die Drehzahlüberführungsphase werden durch grundsätzlich bekanntes Kupplungsmanagement der Getriebekupplungen realisiert. Die Radleistung soll jedoch auch während des Schaltvorgangs dem aus der Phase vor der Schaltung extrapolierten oder einem explizit vorgegebenen, in jedem Fall „sanften” Verlauf folgen. Im vorliegenden Fall bedeutet dies ein Fahren bei weiterhin konstanter Abtriebsleistung. Nach Abschluss des Schaltvorgangs wird erneut bei konstanter Antriebsleistung gefahren.
Um dies zu realisieren, werden in kurzen, vorzugsweisen äquidistanten Intervallen von z. B. wenigen Millisekunden die erfindungsgemäßen Messungen und Berechnungen durchgeführt. Dabei wird zunächst die Abtriebsdrehzahl mittels geeigneter Sensoren, z. B. Drehzahlsensoren an der Getriebeausgangswelle, der Achse oder anderer geeigneter Stelle erfasst und an ein für die Steuerung der Momentenquelle zuständiges Steuergerät geleitet. Weiter werden die jeweiligen Kupplungskapazitäten der an dem Schaltvorgang beteiligten Getriebekupplungen über geeignete Sensoren an den Stellgliedern des Getriebes und/oder auf Basis interner Ansteuergrößen ermittelt. Beispielsweise können Stelldrücke und/oder Stellwege der Kupplungselemente gemessen und/oder die zur Ansteuerung aufgewendeten Größen wie z. B. Druck oder Strom ermittelt werden. Aus diesen Werten, die ebenfalls an das Steuergerät weitergeleitet werden, kann die aktuell realisierte Übersetzung des Getriebes ermittelt werden. Sofern zwischen den Drehzahlsensoren und dem Getriebe keine weiteren Übersetzungsstufen angeordnet sind, kann die aktuell realisierte Getriebeübersetzung als aktuelle Effektivübersetzung des Antriebsstrangs im Sinne der Erfindung verwendet werden. Sofern weitere Übersetzungsstufen zwischengeschaltet sind, können auch deren Übersetzungswerte in die Berechnung der Effektivübersetzung mit einfließen. Das Steuergerät, welches diese Berechnung vornimmt, kann das vorgenannte Steuergerät zur Steuerung der Momentenquelle sein. Günstiger kann es jedoch sein, hierzu dasjenige Steuergerät zu verwenden, welches für die Steuerung des Getriebes verantwortlich ist. Der ermittelte Wert für die aktuelle Effektivübersetzung kann dann an das Steuergerät für die Steuerung der Momentenquelle weitergeleitet werden.
Es sei erwähnt, dass es in manchen Fällen die Effektivübersetzung nicht allein aus den aktuellen Kupplungskapazitäten ermittelt werden kann. Die Kupplungskapazitäten allein sind insbesondere während der Lastübernahme/Momentenüberschneidung zur Ermittlung der aktuellen Effektivübersetzung hinreichend. In anderen Fällen kann es sinnvoll sein, auch die Schlupfsituation der jeweiligen Kupplung zu betrachten, z. B. im Hinblick auf ihr Vorzeichen (Antriebsseite schneller als Abtriebsseite oder umgekehrt) und ihren Öffnungszustand (geschlossen oder offen/schlupfend). Weiter kann bei wenigstens einer geschlossen Kupplung die Kenntnis des Antriebsmomentes hilfreich sein. Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden daher noch zusätzlich Informationen über Antriebsdrehzahl und das Motormoment genutzt, um in allen Fällen die von den Kupplungen aktuell übertragene Momente und daraus die aktuelle Effektivübersetzung bestimmen zu können. Diese Informationen können mit Sensoren gemessen und/oder über CAN-Bus dem Getriebe-Steuergerät mitgeteilt werden. Häufig wird die Antriebsdrehzahl gemessen und das Antriebsmoment über CAN-Bus mitgeteilt.
Die Ermittlung der aktuellen Effektivübersetzung kann wie folgt vonstatten gehen:
Aus den Kupplungskapazitäten wird unter Berücksichtigung des Kupplungszustandes (offen/schlupfend oder geschlossen) sowie des Schlupfvorzeichens und ggf. des Antriebsmomentes das von den jeweiligen Kupplungen übertragene Moment ermittelt. Die von den Kupplungen übertragenen Momente werden mit den den jeweiligen Kupplungen nachfolgenden Übersetzungsstufen für den alten und den neuen Gang multipliziert und zu einem Abtriebsmoment addiert. Während der Lastübernahme, d. h. in dem Fall, dass beide Kupplungen mit gleichem Vorzeichen schlupfen (Kupplungsmomente = Kupplungskapazitäten) wird also zwischen den Übersetzungen des alten und des neuen Gangs interpoliert.
Durch Produktbildung aus der Abtriebsdrehzahl und der ermittelten Effektivübersetzung berechnet das Steuergerät dann eine virtuelle Drehzahl. Den Vorgabewert für die Ansteuerung der Momentenquelle ermittelt das Steuergerät dann durch Quotientenbildung aus gewünschter Abtriebsleistung und virtueller Drehzahl. Mathematisch lässt sich dieser Zusammenhang ausdrücken als: M = Pw/ωv,wobei M der Momentenvorgabewert für die Momentenquelle und Pw die gewünschte Abtriebsleistung ist. ωv ist die virtuelle Kreisfrequenz. d. h. die virtuelle Drehzahl (in U/min) multipliziert mit 2π/60. Als Formel kann ωv geschrieben werden als ωv = ωF·ieff,wobei

ωF die Fahrzeugs- oder Abtriebskreisfrequenz, d. h. die Fahrzeug- oder Abtriebsdrehzahl (in U/min) multipliziert mit 2π/60, ist und i_eff die effektive Übersetzung des Antriebsstranges.

Der Fachmann wird verstehen, dass der Schritt der Berechnung der virtuellen Drehzahl nicht gesondert durchgeführt werden muss. Insbesondere ist es nicht erforderlich, einen entsprechenden Wert im Arbeitsspeicher des Steuergerätes zu hinterlegen. Vielmehr kann die Berechnung des Momentenvorgabewertes auch in einem einzigen Schritt aus gewünschter Abtriebsleistung, aktueller Abtriebsdrehzahl und aktueller Effektivübersetzung erfolgen.
Natürlich stellt die in der speziellen Beschreibung diskutierte und in den Figuren gezeigte Ausführungsform nur ein illustratives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur im Rekuperations- sondern ebenso im Zugbetrieb einsetzbar. Auch kann das Verfahren analog zu dem speziell gezeigten Rückschaltvorgang auch im Zusammenhang mit einem Hochschaltvorgang eingesetzt werden. Die spezielle Bauart des Getriebes ist für die vorliegende Erfindung ebenfalls nicht relevant. Der Fachmann wird bei jedem speziellen Getriebe die erforderlichen Parameter, insbesondere die Effektivübersetzung mittels geeigneter Sensorik und geeigneter Berechnungsvorschriften ohne Weiteres ermitteln können.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Antriebsstranges mit – einer steuerbaren Momentenquelle, – einer steuerbaren Übersetzungseinheit und – einem Abtrieb, umfassend die Vorgabe einer an den Abtrieb anzulegenden Wunschleistung, dadurch gekennzeichnet, dass weiter die folgenden, iterativ durchgeführten Schritte umfasst sind: a) Messen einer aktuellen Abtriebsdrehzahl, b) Ermitteln einer aktuellen Effektivübersetzung, c) Berechnen eines Momentenvorgabewertes als ein Quotient aus einerseits der Wunschleistung und andererseits einem Produkt aus der in Schritt (a) aktuellen gemessenen Abtriebsdrehzahl und der in Schritt (b) ermittelten aktuellen Effektivübersetzung und d) Ansteuern der Momentenquelle mit dem Momentenvorgabewert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Übersetzungseinheit ein steuerbares, gestuftes Getriebe ist, dessen effektive Momentenübersetzung zu vorgegebenen Zeitpunkten messbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung der effektiven Momentenübersetzung indirekt durch Messung von Stellwegen und/oder Stelldrücken von an der Getriebesteuerung beteiligten Kupplungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wunschleistung während eines Schaltvorgangs des Getriebes konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wunschleistung während eines Schaltvorgangs des Getriebes monoton steigt oder monoton abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wunschleistung während eines Schaltvorgangs einem vom Fahrer vorgegebenen Verlauf folgt.