DE102010000781A1 - Massemessung eines Schwungrad-Hybridfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Bei einem Hybridfahrzeug (1), das mit einem Motor (2), einer Sekundärantriebsvorrichtung, die aus einem Schwungrad (12) besteht, und einem stufenlosen Getriebe (10) ausgestattet ist, kann die Masse des Fahrzeugs (1) bestimmt werden, indem die Änderungsrate der CVT-Übersetzung gemessen wird, während Rotationsenergie auf das Schwungrad (12) übertragen wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Masse eines Schwungrad-Hybridfahrzeugs.
- Ein typisches Schwungrad-Hybridfahrzeug enthält einen Verbrennungsmotor als eine Primärantriebsvorrichtung und eine Sekundärantriebsvorrichtung, die ein Schwungrad enthält, das als eine Energiespeicherungs- und -rückgewinnungseinrichtung wirkt.
- Das SAE Technical Paper 2008-01-0083, 14.–17. April 2008, beschreibt eine Anordnung, die aus einem Getriebe (CVT) mit einem stufenlosen Verhältnis besteht, das zwischen dem Motor und dem Getriebegehäuse eines Fahrzeugs geschaltet und konfiguriert ist, durch einen Zahnradsatz ein Schwungrad anzutreiben. Die Anordnung kann zu der Leistung, die von dem Motor geliefert wird, Leistung addieren oder davon subtrahieren.
- Aus
US 2008/0105475 - Ein typisches CVT, geeignet für die Verwendung in einem Schwungrad-Hybridfahrzeug, enthält einen Stahlriemen-Variator und weist eine Übersetzungsspanne von etwa sechs auf. Der Betrieb des CVT erfolgt üblicherweise unter der Steuerung einer Elektronikeinheit, die Solenoidventile öffnet und schließt, um den Strom von unter Druck stehendem Öl zu dem Variator zu regeln.
- Bei einem typischen Schwungrad-Hybridfahrzeug kann das Schwungrad mit Hilfe einer Kupplung mit dem stufenlosen Getriebe verbunden und davon getrennt werden. Beispielsweise kann die Kupplung geöffnet werden, während sich das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, und dann beim Verlangsamen geschlossen werden, wodurch das Schwungrad beschleunigen kann. In einem anderen Betriebsmodus kann die Kupplung, nachdem das Schwungrad mit kinetischer Rotationsenergie vorgeladen worden ist, geschlossen werden, so daß die Räder des Fahrzeugs von dem Schwungrad durch das CVT angetrieben werden können, wodurch die Motorleistung ergänzt wird.
- Für einen flüssigen Betrieb eines Schwungrad-Hybridfahrzeugs, insbesondere bei der Übergabe zwischen Schwungradantrieb und Motorantrieb, ist es vorteilhaft, die Masse des Fahrzeugs zu kennen. Damit ein etwaiges Fahrzeugsteuersystem das Ausmaß an zusätzlicher Antriebsleistung berechnen kann, die von einem sich drehenden Schwungrad benötigt wird und erforderlich ist, um das Fahrzeug bis zu einer gewünschten Geschwindigkeit zu beschleunigen, muß zudem die Masse des Fahrzeugs bekannt sein. Wenn dem Fahrzeugsteuersystem die Masse des Fahrzeugs bekannt ist, ist auch die Energiemenge bekannt, die von dem Fahrzeug zurückgewonnen und in dem Schwungrad zur Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt gespeichert werden kann. Dies gestattet somit ein effizientes Management der Antriebsleistung des Fahrzeugs, und somit können Einsparungen bei dem Kraftstoffverbrauch gemacht werden. Weiterhin kann das Steuersystem, wenn die Masse des Fahrzeugs erst einmal bekannt ist, die Weichheit der Fahrzeugabbremsung verbessern, während Energie (in dem Schwungrad) wieder eingeholt wird, und gleichfalls die Weichheit der Fahrzeugbeschleunigung verbessern, während Energie von dem Schwungrad freigesetzt wird. Diese Möglichkeiten reduzieren die mechanische Abnutzung des CVT-Variators signifikant und führen zu Einsparungen bei Wartungskosten.
- Die Fahrzeugleermasse ist aus den Herstellerdaten bekannt. Eine Fahrzeugmasse fluktuiert jedoch je nach der Last, die zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt getragen wird. Diese Fluktuation kann im Fall von Güte-/Nutzfahrzeugen signifikant sein. Die Gesamtmasse des Nutzfahrzeugs variiert zwischen unbeladen und vollbeladen und ist manchmal sogar überladen. Dies bedeutet, daß das Verhältnis zwischen der gesamten kinetischen Energie des Fahrzeugs und bei einer gegebenen Straßengeschwindigkeit im Vergleich mit der in dem Schwungrad gespeicherten größten kinetischen Energie ebenfalls nennenswert variieren kann. Ein System, das diese Variation nicht mißt und seinen Betrieb daran anpaßt, wird ein suboptimales Kraftstoffeinsparungspotential erreichen. Weiterhin wird die Weichheit des Fahrens während Beschleunigung und Verlangsamung (Verfeinerung) weniger als optimal sein. Ein Mangel an Fahrverfeinerung vergrößert die mechanische Beanspruchung und Abnutzung, was schließlich zu höheren Wartungskosten für den Betreiber führt.
- Somit wäre es vorteilhaft, ein Mittel zum Messen einer etwaigen Zunahme der Fahrzeugmasse gegenüber der Leermasse bereitzustellen.
- Bei einem ersten Aspekt besteht die Erfindung aus einer Vorrichtung zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs mit einer Primärantriebsvorrichtung, einer ein Schwungrad enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (CVT), das mit einer Gelenkwelle des Fahrzeugs und mit dem Schwungrad verbunden werden kann, wobei die Vorrichtung Mittel enthält zum Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie zwischen dem Hybridfahrzeug und dem Schwungrad.
- Bei einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs mit einer Primärantriebsvorrichtung, einer ein Schwungrad enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (CVT), das zwischen einer Gelenkwelle des Fahrzeugs und dem Schwungrad verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Beschleunigen des Schwungrads, Detektieren einer Fahrerbeschleunigungsanforderung und Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie von dem Schwungrad auf das Fahrzeug.
- In einem dritten Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs mit einer Primärantriebsvorrichtung, einer ein Schwungrad enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (CVT), das zwischen einer Gelenkwelle des Fahrzeugs und dem Schwungrad verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Detektieren einer Fahrerverlangsamungsanforderung und Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie von dem Fahrzeug auf das Schwungrad.
- Bei einem vierten Aspekt umfaßt die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einer Primärantriebsvorrichtung, einer ein Schwungrad enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe, das mit einer Gelenkwelle des Fahrzeugs und mit dem Schwungrad verbunden werden kann, und enthaltend die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
- Es kann eine Kupplung vorgesehen sein, die zwischen dem stufenlosen Getriebe (CVT) und dem Schwungrad angeordnet ist, so daß das Schwungrad an die Gelenkwelle des Fahrzeugs gekoppelt und von dieser entkoppelt werden kann.
- Zweckmäßigerweise können Drehzahlsensoren auf beiden Seiten des CVT plaziert sein (zum Beispiel an seiner Eingabe- und Abtriebswelle) und zum Messen von Drehzahlen verwendet werden und deshalb Messungen von Änderungsraten bei der CVT-Übersetzung ermöglichen.
- Alternativ kann die Änderungsrate der Übersetzung aus Messungen hergeleitet werden, die von an dem Schwungrad und an der Gelenkwelle oder den Rädern des Fahrzeugs plazierten Drehsensoren empfangen werden.
- Wenn ein Schwungrad-Hybridfahrzeug mit einer gegebenen Geschwindigkeit gefahren wird und das Schwungrad mit einer gegebenen Energie geladen wird, kann für jede gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit eine CVT-Variator-Übersetzung gefunden werden, die die Schwungraddrehzahl derart anpaßt, daß das Schwungrad weder Energie speichert noch Energie an das Fahrzeug freisetzt. Dies ist als die ”neutrale” Drehzahl definiert. Falls eine Energierückgewinnung stattfindet, wenn der Fahrer das Fahrpedal losläßt (ohne die Bremsen zu betätigen), wird ein typisches Fahrzeugsteuersystem einen vorbestimmten Zielwert für die Verlangsamung herleiten, die von dem Fahrzeug erreicht werden muß, indem Energie extrahiert und sie in dem Schwungrad gespeichert wird. Die Energie, die extrahiert werden muß, um diese feste Verlangsamung zu erreichen, hängt von der Fahrzeugmasse ab. Somit wird die Energie, die auf das Schwungrad übertragen werden muß, um dieses eingestellte Verlangsamungsziel zu erreichen, direkt proportional zu der Fahrzeugmasse.
- Falls Energie freigesetzt wird (d. h. von dem Schwungrad auf das Fahrzeug übertragen wird), wenn der Fahrer das Fahrpedal drückt, wird ebenso ein typisches Fahrzeugsteuersystem einen vorbestimmten Zielwert für die Beschleunigung herleiten, der erforderlich ist, indem Energie aus dem Schwungrad extrahiert und sie auf das Fahrzeug übertragen wird. Wiederum hängt die Energie, die extrahiert werden muß, um diese feste Beschleunigung zu erreichen, von der Fahrzeugmasse ab.
- Die in dem Schwungrad gespeicherte Energiemenge kann durch das Ausmaß der Schwungradbeschleunigung gemessen werden, wie sie über die neutrale Drehzahl des Schwungrads hinaus erforderlich ist. Eine Schwungradbeschleunigung wird durch die korrekte Wahl der Variatorübersetzung erreicht. Deshalb kann die Fahrzeugmasse durch Überwachen der Änderungsrate bei der Variatorübersetzung weg von der Neutralübersetzung während Perioden bestimmt werden, wenn der Fahrer das Fahrpedal losläßt (ohne die Bremsen zu betätigen) oder das Fahrpedal drückt.
- Beispielsweise bewegt sich das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einer waagerechten Straße und das Schwungrad wurde vorgeladen und auf eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit beschleunigt. Das Schwungrad besitzt eine bekannte Trägheit, und die darin gespeicherte Energiemenge kann berechnet werden, wenn seine Trägheit und seine Drehzahl bekannt sind. Diese Energie (minus kleiner aerodynamischer und Reibungsverluste) kann auf die Gelenkwelle des Fahrzeugs übertragen werden, wenn das Schwungrad an das CVT gekoppelt wird. Für ein leeres Fahrzeug wird die Änderungsrate der CVT-Übersetzung einen bestimmten Wert aufweisen. Wenn das Fahrzeug voll beladen ist, bedeutet seine größere Masse, daß der Variator des CVT stärker arbeiten muß, um Energie zwischen dem Schwungrad und der Gelenkwelle des Fahrzeugs zu übertragen. Deshalb wird sich die Änderungsrate der Übersetzung proportional zu der Zunahme der Masse verändern.
- Aerodynamische und Reibungsverluste werden einen Effekt besitzen und können auch mit der Fahrzeuggeschwindigkeit variieren. Solche Verluste können anhand von Herstellerdaten oder alternativ durch Messungen von Auslaufparametern bestimmt werden, während das Fahrzeug gefahren wird. Die Massemessungen können dann entsprechend korrigiert werden. Zu diesem Zweck kann eine Nachschlagetabelle formuliert werden.
- Bevorzugt werden die Messungen auf einem waagerechten Boden ausgeführt. Wenn das Fahrzeug entweder eine Steigung hoch oder herunter fährt, wird die Massemessung aufgrund des Effekts des Gradienten fehlerhaft sein. Dieser Effekt des Gradienten kann berechnet und kompensiert werden, wenn das Fahrzeug mit einem Instrument zum Messen des Gradienten ausgestattet ist, wie etwa einem Bordneigungsmesser oder globalem Positionierungs-/Navigationsgerät.
- Eine Kenntnis der Masse des Fahrzeugs ermöglicht, eine Mitkopplungsstrategie zu verwenden, wenn der Einsatz der Primär- und Sekundärantriebsvorrichtung gesteuert wird. Wenn die Fahrzeugmasse bekannt ist, kann ein Steuersystem vorhersagen, um wieviel sich das Fahrzeug für eine gegebene, im Schwungrad gespeicherte Energie beschleunigen wird. Es kann auch vorhersagen, wieviel Energie in dem Schwungrad gespeichert werden kann, wenn das Fahrzeug bremst. Dadurch erhält man kraftstoffsparende Vorteile. Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung eines Schwungrad-Hybridfahrzeugs ist, das eine Massenmeßvorrichtung gemäß der Erfindung enthält.
- Ein Fahrzeug
1 enthält einen Verbrennungsmotor2 , der durch ein Getriebegehäuse4 und eine Vorderachse5 ein Paar Vorderräder3 antreibt. Ein Paar Hinterräder6 ist über eine Hinterachse7 , Differential8 und Antriebswelle9 mit einem stufenlosen Getriebe (CVT)10 verbunden. Das CVT10 ist vom Stahlriemenvariatortyp, und sein Betrieb wird durch ein Elektroniksteuermodul (ECU)11 gesteuert. Das ECE11 öffnet und schließt nicht gezeigte Solenoidventile, um den Strom von unter Druck stehendem Öl an den Variator zu regeln. Das CVT10 ist mit einem Schwungrad12 verbunden. - Ein Elektronikmeßmodul (EMM)
13 , das einen Speicher14 enthält, kommuniziert mit dem ECU11 und empfängt auch eine Eingabe von einem Fahrpedalpositionssensor15 . - Zwei Drehzahlsensoren
16 ,17 befinden sich auf beiden Seiten des CVT10 . Einer von denen,16 , befindet sich auf der Antriebswellenseite des CVT10 (als die Abtriebswelle des CVT10 in diesem Beispiel bezeichnet), und der andere,17 , befindet sich auf der Schwungradseite (als die Eingabewelle des CVT10 in diesem Beispiel bezeichnet). - Das EMM
13 empfängt Messungen von beiden Drehzahlsensoren16 ,17 und auch von einem Raddrehzahlsensor19 . - Der Speicher
14 enthält einen Wert für das Trägheitsmoment des Schwungrads12 und Fahrzeugkalibrierungsdaten. insbesondere enthält er Kalibrierungsdaten bezüglich der erwarteten Änderungsrate der Variatorübersetzung während der Übertragung einer gegebenen Energiemenge zwischen dem Schwungrad12 und dem Fahrzeug1 , dann gemessen, wenn sich das Fahrzeug1 in seinem leeren Zustand befindet. Der Speicher14 enthält auch eine Nachschlagetabelle von aerodynamischen und Reibungsverlusten für einen Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten. Diese Nachschlagetabelle kann anhand von Anfangskalibrierungs- und Testdaten zusammengestellt werden. - Bei diesem Beispiel wird eine Fahrzeugmassenmessung während einer Übertragung von Energie von dem Schwungrad
12 auf das Fahrzeug1 durchgeführt. Vor dem Beginn des Meßprozesses wird das Schwungrad auf eine bestimmte Drehzahl von etwa 60.000 min–1 beschleunigt. Dies wird von dem Geschwindigkeitssensor17 gemessen und von dem EMM13 aufgezeichnet. in Kenntnis des Trägheitsmoments des Schwungrads12 anhand von im Speicher14 gespeicherten Daten kann das EMM13 die Energiemenge berechnen, die für eine Freisetzung zu dem Fahrzeug zur Verfügung steht, um einen Beschleunigungsbedarf zu befriedigen. - Der Meßprozeß wird dadurch begonnen, daß das EMM
13 einen Fahrzeugbeschleunigungsbedarf detektiert. Der Fahrer, der möchte, daß das Fahrzeug beschleunigt, fordert eine Drehmomenterhöhung (in diesem Fall von der Sekundärantriebsvorrichtung) an, indem er das Fahrpedal in einem gewissen Ausmaß drückt. Der Fahrer wünscht beispielsweise von 30 mph auf 40 mph zu beschleunigen. Er wird das Pedal gedrückt halten, bis das Fahrzeug die gewünschte Zielgeschwindigkeit erreicht. Ein vollbeladenes Fahrzeug wird die Zielgeschwindigkeit langsamer erreichen als ein leeres. Der Fahrpedalpositionssensor15 detektiert die Bewegung und ihre Größe und übermittelt dies an den EMM13 . Der EMM13 berechnet unter Verwendung der im Speicher14 gespeicherten Fahrzeugkalibrierungsdaten den Wert des von dem Fahrer angeforderten zusätzlichen Drehmoments, das der Position des Fahrpedals entspricht. Angesichts der Tatsache, daß in dem Schwungrad bereits ausreichend Energie vorhanden ist, um die zusätzliche Drehmomentnachfrage zu erfüllen, sendet das EMM13 ein Signal an die ECU11 , die es anweist, den Hydraulikdruck an dem CVT-Variator heraufzusetzen, damit das CVT damit beginnen kann, die in dem Schwungrad12 gespeicherte Energie an das Fahrzeug1 zu übertragen. - Das angeforderte zusätzliche Drehmoment ist gleich einem Energiefluß von dem Schwungrad
12 zu dem Fahrzeug1 . Das Endergebnis dieses Energieflusses ist eine Absenkung bei der Schwungraddrehzahl (d. h. die CVT-Eingabewelle) und eine entsprechende Zunahme der Drehzahl der CVT-Abtriebswelle. Weil das Trägheitsmoment des Schwungrads gegeben ist, kennt das EMM13 wieder die Drehzahl, auf die das Schwungrad abfallen muß, bevor die erforderliche Energiemenge freigesetzt worden ist. Während diese Energie übertragen wird, wird somit ein Wert für die Änderungsrate der CVT-Variatorübersetzung anhand von Messungen der Drehzahlen der CVT-Abtriebs- und Eingabewelle gemessen, die von den Sensoren16 ,17 bereitgestellt werden. Dieser berechnete Wert wird mit dem erwarteten Wert für ein leeres Fahrzeug verglichen. Das Ausmaß, um das der berechnete Wert von dem erwarteten Wert abweicht, ist proportional zu der Zunahme der Fahrzeugmasse. - Zur Verbesserung der Genauigkeit der Messungen können aerodynamische und Reibungseffekte (für eine gegebene Fahrzeuggeschwindigkeit) unter Bezugnahme auf die Nachschlagetabelle in dem Speicher
14 kompensiert werden. - Bei einem alternativen Verfahren kann eine ähnliche Massenmessung während einer Energieübertragung von dem Fahrzeug zu dem Schwungrad vorgenommen werden. Dieser Prozeß folgt einer von dem Fahrer vorgenommenen Verlangsamungsanforderung. Eine derartige Anforderung kann von dem Fahrer dadurch vorgenommen werden, daß er lediglich seinen Fuß von dem Fahrpedal nimmt oder (zusätzlich) das Bremspedal drückt. In dem Fall, daß das Bremspedal gedrückt wird, werden die Hydraulikbremsen nicht aktiviert, wobei die gewünschte Verzögerung lediglich durch die Wirkung des sich beschleunigenden (d. h. energiespeichernden) Schwungrads bereitgestellt wird.
- 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 2008/0105475 [0004]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - SAE Technical Paper 2008-01-0083, 14.–17. April 2008 [0003]
Claims (6)
- Vorrichtung zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs (
1 ) mit einer Primärantriebsvorrichtung (2 ), einer ein Schwungrad (12 ) enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (CVT) (10 ), das mit einer Gelenkwelle (9 ) des Fahrzeugs (1 ) und mit dem Schwungrad (12 ) verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel (16 ,17 ) enthält zum Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie zwischen dem Hybridfahrzeug (1 ) und dem Schwungrad (12 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mittel (
16 ,17 ) zum Messen der Änderungsrate der CVT-Übersetzung auf beiden Seiten des CVT plazierte Drehzahlsensoren (16 ,17 ) enthält. - Hybridfahrzeug (
1 ) mit einer Primärantriebsvorrichtung (2 ), einer ein Schwungrad (12 ) enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (10 ), das mit einer Gelenkwelle (9 ) des Fahrzeugs (1 ) und mit dem Schwungrad (12 ) verbunden werden kann, und enthaltend die Vorrichtung von einem vorhergehenden Anspruch. - Verfahren zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs (
1 ) mit einer Primärantriebsvorrichtung (2 ), einer ein Schwungrad (12 ) enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (CVT) (10 ), das zwischen einer Gelenkwelle (9 ) des Fahrzeugs und dem Schwungrad (12 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Beschleunigen des Schwungrads (12 ), Detektieren einer Fahrerbeschleunigungsanforderung und Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie von dem Schwungrad (12 ) auf das Fahrzeug (1 ). - Verfahren zum Messen der Masse eines Hybridfahrzeugs (
1 ) mit einer Primärantriebsvorrichtung (2 ), einer ein Schwungrad (12 ) enthaltenden Sekundärantriebsvorrichtung und einem stufenlosen Getriebe (10 ), das zwischen einer Gelenkwelle (9 ) des Fahrzeugs (1 ) und dem Schwungrad (12 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Detektieren einer Fahrerverlangsamungsanforderung und Messen einer Änderungsrate der CVT-Übersetzung während einer Übertragung von Energie von dem Schwungrad auf das Fahrzeug. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Schritt für das Messen der Änderungsrate der CVT-Übersetzung das Überwachen der Drehzahlen von Eingabe- und Abtriebswelle des CVT beinhaltet.
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