DE102010005532A1

DE102010005532A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug

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Publication number: DE102010005532A1
Application number: DE102010005532A
Authority: DE
Inventors: Thomas 80636 Salcher; Moritz 13465 Schindler; Erik 85774 Schmidt; Gerd Dr. 83727 Kraemer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-01-23
Filing date: 2010-01-23
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-24
Also published as: DE102010005532B4; WO2011088876A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug, das in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist. Für die verschiedenen Betriebsmodi ist jeweils ein Gangwahlkennfeld vorgegeben. Auf Basis des dem momentanen Betriebsmodus zugeordneten Gangwahlkennfelds wird ein Soll-Getriebegang in Abhängigkeit von einer momentanen Ist-Drehzahl und einem vom Fahrer aktuell angeforderten Soll-Vortrieb ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebeganges für ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Fahrzeuge mit „automatisch schaltenden Getrieben”, die im Folgenden zusammenfassend als „Automatikgetriebe” bezeichnet werden, weisen eine komplexe Schaltlogik auf, die einer Vielzahl von Anforderungen genügen muss. Wesentliche Randbedingungen bei der Konzeption einer Schaltlogik sind u. a. der sich ergebende Kraftstoffverbrauch, die sich einstellende Getriebeakustik, der Fahrkomfort, die Dynamik des Fahrzeugs etc. Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Automatikgetrieben bilden der „Fahrerwunsch”, vorgegeben über die Stellung des Gaspedals (Gaspedalwinkel), und die momentane Getriebeausgangsdrehzahl die wesentlichen Eingangsgrößen für die Gangwahllogik. Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, bestimmt durch dessen Drehzahl und dessen Drehmoment, stellt dabei den wesentlichen Freiheitsgrad dar.
Bei Fahrzeugen mit einem Parallelhybridantrieb, d. h. bei Fahrzeugen, die wahlweise verbrennungsmotorisch und/oder elektromotorisch antreibbar sind, liegt der Fokus bei der Getriebegangwahl primär ebenfalls auf den Anforderungen des Verbrennungsmotors, wobei z. B. aus der DE 10 2006 041 155 A1 bekannt ist, je nach gewünschter Dynamik zwischen einer „Sport-” und einer „Eco-Schaltkennlinie” überzublenden.
Ein Fahrzeug mit einem Parallelhybridantrieb weist neben dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe bekanntlich auch mindestens eine – je nach Betriebsmodus – elektromotorisch oder generatorisch arbeitende elektrische Maschine auf, welche von einem elektrischen Energiespeicher, z. B. einer Batterie, gespeist wird bzw. welche im Rekuperationsbetrieb den elektrischen Energiespeicher lädt.
Ein sogenannter „Full-Hybrid” kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, z. B. im rein verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb, im rein elektromotorischen Fahrbetrieb, gleichzeitig im verbrennungsmotorischen und elektromotorischen Fahrbetrieb etc. Im generatorischen Betrieb kann das Fahrzeug sowohl mit angekoppeltem Verbrennungsmotor als auch mit abgekoppeltem Verbrennungsmotor Energie rekuperieren. Bei der Regelung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers besteht ferner die Möglichkeit, den Lastenpunkt des Verbrennungsmotors durch ein generatorisches Moment der elektrischen Maschinen anzuheben (Lastpunktanhebung) und die Batterie mittels des Verbrennungsmotors zu laden. Beim Entladen der Batterie kann der Verbrennungsmotor durch ein motorisches Moment der elektrischen Maschine unterstützt werden (Assist-Betrieb bzw. Lastpunktabsenkung).
Eine Auslegung der Getriebegangwahl, die primär nur auf den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und auf die für diesen vom Fahrer vorgegebene Drehmomentanforderung abgestimmt ist, wird den Anforderungen eines Hybridantriebs nicht hinreichend gerecht. So ist bei einem Hybridfahrzeug die tatsächliche Drehmomentanforderung nicht nur durch den Fahrerwunsch, sondern auch durch den Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt, was eine Anhebung bzw. eine Absenkung des Lastpunkts des Verbrennungsmotors erforderlich machen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug zu schaffen, das möglichst gesamthaft die den Gesamtwirkungsgrad des Hybridfahrzeugs beeinflussenden Parameter bzw. Randbedingungen berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug, das in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist. Unter dem Begriff „Betriebsmodi” werden insbesondere folgende Betriebszustände verstanden:

– Rein elektrisches Fahren;
– Gleichzeitiges verbrennungsmotorisches und elektromotorisches Fahren, wobei die elektrische Maschine als Elektromotor arbeitet (Lastpunktabsenkung);
– Gleichzeitiges verbrennungsmotorisches und generatorisches Fahren, wobei die elektrische Maschine als Generator arbeitet (Lastpunkanhebung);
– Rein verbrennungsmotorisches Fahren (elektrische Maschine passiv),
– Generatorische Energierekuperation bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor; und
– Generatorische Energierekuperation bei angekoppeltem Verbrennungsmotor.

All diese „Betriebsmodi” werden von einer Steuerelektronik gemäß einer übergeordneten „Hybridbetriebsstrategie” gesteuert bzw. geregelt.
Der Kern der Erfindung bestehet darin, dass zumindest für einige, vorzugsweise für jeden der im Fahrzeug implementierten Betriebsmodi jeweils ein sogenanntes „Gangwahlkennfeld” bzw. eine „Gangwahllogik” vorgegeben ist und dass auf Basis des Betriebsmodus, in dem das Hybridfahrzeug aktuell betrieben wird und dem zugeordneten Gangwahlkennfeld bzw. der zugeordneten Gangwahllogik ein Soll-Getriebegang in Abhängigkeit

– von einer Ist-Drehzahl und
– einem vom Fahrer aktuell angeforderten „Soll-Vortrieb”

Die Gangwahlkennfelder können in einem „Offline-Simulationstool” erzeugt werden, so dass sich im Fahrzeug stets ein „festes”, reproduzierbares Schaltverhalten einstellt.
Mit einem Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs, das auf mehreren verschiedenen Gangwahlkennfeldern basiert, kann der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs optimiert werden. Theoretisch ist es sogar möglich, stets den in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad des Hybridfahrzeugs günstigsten Getriebegang zu wählen.
Um den Anforderungen und Freiheitsgraden eines Hybridantriebsstrangs gerecht zu werden, wird anstelle des bei herkömmlichen Fahrzeugen verwendeten Eingangsparameters „Gaspedalwinkel” ein „Wunsch-Getriebeausgangsmoment” bzw. ein „Wunsch-Radmoment” als Steuergröße für die Gangwahl verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, den Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten bzw. Systeme eines Hybridfahrzeugs sowie die Momentenanforderungen, die aus der übergeordneten Hybrid betriebsstrategie resultieren, bei der Gangwahl zu berücksichtigen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist für alle oben genannten Betriebsmodi jeweils ein individuell zugeordnetes Gangwahlkennfeld vorgegeben, welches innerhalb des jeweiligen Betriebsmodus den hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads des Antriebsstrangs des Hybridfahrzeugs bzw. des gesamten Hybridfahrzeugs aktuell günstigsten Getriebegang auswählt. Bei einem Wechsel zwischen einzelnen Betriebsmodi kann zwischen den betreffenden Gangwahlkennfeldern „übergeblendet” werden.
Für den Betriebszustand „Lastpunktverschiebung”, d. h. für den Betriebszustand, bei dem der Lastpunkt des Verbrennungsmotors durch ein überlagertes elektromotorisches Moment abgesenkt bzw. durch ein überlagertes generatorisches Moment der elektrischen Maschine angehoben wird, ist es möglich, für bestimmte Leistungen bzw. Leistungsbereiche der Lastpunktverschiebung bzw. der elektrischen Maschine unterschiedliche Gangwahlkennfelder vorzusehen.
Im Folgenden wird exemplarisch erläutert, welche Randbedingungen bzw. Momentanzustände in den einzelnen, den verschiedenen Betriebsmodi zugeordneten Gangwahlkennfeldern berücksichtigt werden können, wobei auch andere Ansätze denkbar sind. Dabei werden folgende Abkürzungen verwendet:

– E-Maschine: elektrische Maschine;
– SOC: „State of Charge” bzw. Ladezustand elektrischen des Energiespeichers bzw. der Batterie;

1. Gangwahlkennfeld „Rein elektrisches Fahren” • Getriebe: – Übersetzung, f(Gang) – Wirkungsgrad, f(Gang, Drehzahl Getriebeeingang, Moment Getriebeeingang) • Trennkupplung zwischen E-Maschine und Verbrennungsmotor: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • Elektrische Getriebeölpumpe: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • E-Maschine: – Maximal und minimal zulässige Drehzahl – Wirkungsgrad, f(Moment E-Maschine, Drehzahl E-Maschine) – Maximales Moment, f(Drehzahl E-Maschine) • Batterie: – Wirkungsgrad für Entladen, f(Entladeleistung, SOC) • Betriebspunkt: – Getriebeausgangsmoment – Getriebeausgangsdrehzahl.
2. Gangwahlkennfeld „Lastpunktverschiebung” • Elektrische Leistung der Lastpunktverschiebung • Getriebe: – Übersetzung, f(Gang) – Wirkungsgrad, f(Gang, Drehzahl Getriebeeingang, Moment Getriebeeingang) • Verbrennungsmotor: – Maximal und minimal zulässige Drehzahl – Wirkungsgrad, f(Moment Verbrennungsmotor, Drehzahl Verbrennungsmotor) – Maximales Moment • Elektrische Getriebeölpumpe: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • E-Maschine: – Maximal und minimal zulässige Drehzahl – Wirkungsgrad, f(Moment E-Maschine, Drehzahl E-Maschine) – Maximales Moment, f(Drehzahl E-Maschine) • Batterie: – Wirkungsgrad für Entladen, f(Entladeleistung, SOC) – Wirkungsgrad für Laden, f(Ladeleistung, SOC) • Betriebspunkt: – Getriebeausgangsmoment – Getriebeausgangsdrehzahl.

Für verschiedene Leistungen bzw. Leistungsbereiche der Lastpunktverschiebung kann jeweils ein individuelles Kennfeld vorgesehen sein.

3. Gangwahlkennfeld „reiner Verbrennungsmotorbetrieb” • Wie Lastpunktverschiebung, nur mit Leistung der Lastpunktverschiebung von 0 Watt.
4. Gangwahlkennfeld „Rekuperation, Verbrennungsmotor abgekoppelt” • Getriebe: – Übersetzung, f(Gang) – Wirkungsgrad, f(Gang, Drehzahl Getriebeeingang, Moment Getriebeeingang) • Trennkupplung zw. E-Maschine und Verbrennungsmotor: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • Elektrische Getriebeölpumpe: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • E-Maschine: – Maximal und minimal zulässige Drehzahl – Wirkungsgrad, f(Moment E-Maschine, Drehzahl E-Maschine) – Maximales Moment, f(Drehzahl E-Maschine) • Batterie: – Wirkungsgrad für Laden, f(Ladeleistung, SOC) • Betriebspunkt: – Getriebeausgangsmoment – Getriebeausgangsdrehzahl.
5. Gangwahlkennfeld „Rekuperation, Verbrennungsmotor angekoppelt” • Getriebe: – Übersetzung, f(Gang) – Wirkungsgrad, f(Gang, Drehzahl Getriebeeingang, Moment Getriebeeingang) • E-Maschine: – Maximal und minimal zulässige Drehzahl – Wirkungsgrad, f(Moment E-Maschine, Drehzahl E-Maschine) – Maximales Moment, f(Drehzahl E-Maschine) • Verbrennungsmotor: – Schleppmoment, f(Drehzahl Verbrennungsmotor) • Elektrische Getriebeölpumpe: – Schleppmoment, f(Drehzahl E-Maschine) • Batterie: – Wirkungsgrad für Laden, f(Ladeleistung, SOC) • Betriebspunkt: – Getriebeausgangsmoment – Getriebeausgangsdrehzahl.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Übergang zwischen einzelnen Betriebsmodi durch Übergangsfunktionen so gestaltet, dass Pendelschaltungen und zu große Gangsprünge (z. B. Gangsprünge über mehr als eine oder mehr als zwei Gangstufen) vermieden bzw. zumindest vorübergehend zeitlich unterdrückt werden.
Hinsichtlich der Gangwahl können verschiedene Einschränkungen vorgesehen sein.
So kann vorgesehen sein, dass ein von der Auswahllogik vorgeschlagener Soll-Getriebegang nicht eingelegt wird, wenn dadurch vorgegebene zulässige Akustikgrenzen überschritten würden, d. h. wenn z. B. eine bestimmte vorgegebene Mindestdrehzahl unterschritten oder ein vorgegebenes maximales Drehmoment überschritten würde.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, einen bevorstehenden Betriebsmoduswechsel anhand der Differenzierung der charakteristischen Größen im Steuergerät zu prädizieren. So kann bereits vor einem Wechsel von einem Betriebsmodus in einen anderen Betriebsmodus auf die Gangwahl des „Zielbetriebsmodus” übergeblendet werden, um zu verhindern, dass beim anschließenden Wechsel des Betriebsmodus eine „Pendelschaltung”, d. h. ein Hin- und Zurückschalten, erfolgt.
Ferner kann ein Zustart des Verbrennungsmotors prädiziert werden. So ist es möglich, durch die Vorwahl eines zugehörigen Ganges bereits im Betriebsmodus „Rein elektrisches Fahren” einen Gangwechsel beim Zustart des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
Ein bevorstehender Gangwechsel wird anhand der Differenzierung der charakteristischen Größen im Steuergerät prädiziert. Sind der zuletzt eingelegte Gang und der für den aktuellen sowie für den extrapolierten Betriebspunkt errechnete Wunschgang verschieden, so kann vorgesehen sein, dass eine Schaltung unterdrückt wird. Eine Ausnahme stellen eine Rückschaltung aufgrund eines Beschleunigungswunschs des Fahrers oder Mehrfachschaltungen dar.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass, zur Vermeidung von Pendelschaltungen, Schaltungen beim Übergang vom „Zugbetrieb” in den „Schubbetrieb” erst nach einer vorgegebenen Zeit zugelassen werden.
Um die „Response” bei einem Zustart während einer Rekuperation mit abgekoppeltem Verbrennungsmotor sicherzustellen, können je nach Fahrzeuggeschwindigkeit minimale Getriebeeingangsdrehzahlen vorgegeben werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor auch ohne eine die Responsezeit verlängernde Rückschaltung in einem Drehzahlbereich zugestartet wird, in dem er schnell Drehmoment erzeugen kann. Bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten kann die elektrische Maschine die Dynamik ausgleichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass während des Rekuperationsbetriebs Hochschaltungen unterdrückt werden, wenn die Drehzahlen der Antriebsquellen unterhalb vorgegebener Grenzdrehzahlen liegen.
Desweiteren können Hochschaltungen unterdrückt werden, wenn die Soll-Vortriebsanforderung des Fahrers nur sehr kurz, d. h. kürzer als eine vorgegebene Zeitspanne, zurückgenommen wird (kurzes „vom Gas gehen”).
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass nach einer erfolgten Rückschaltung eine Hochschaltung für eine vorgegebene Zeitdauer unterdrückt wird.
Ergibt das Verfahren gemäß der Erfindung, dass bei einem Vorliegen eines Beschleunigungswunsches eine Rückschaltung erfolgen sollte, so wird zunächst überprüft, ob das gewünschte Getriebeausgangsdrehmoment

a) im verbrennungsmotorischen Fahrmodus a. durch maximales Ausnutzen der Motorleistung und/oder b. durch ein zusätzliches von der elektrischen Maschine aufbringbares Drehmoment oder
b) im Falle einer Lastpunktanhebung durch eine Reduzierung des von der elektrischen Maschine erzeugten Generatormoments oder
c) im elektrischen Fahrmodus durch maximales Ausnutzen der elektrischen Leistung der elektrischen Maschine

Ist mindestens eine dieser Alternativen möglich, so kann vorgesehen sein, dass der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene Schaltvorgang aus z. B. „Response-„ oder Komfortgründen nicht durchgeführt, d. h. unterdrückt wird.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erreicht:

– Es besteht die Möglichkeit, die Verbrauchseinsparpotentiale eines Parallelhybridantriebstrangs besser auszuschöpfen. Die einzelnen Fahrzeugkomponenten werden durch eine angepasste Gangwahl in Betriebspunkten höheren Wirkungsgrades betrieben, mit dem Ziel, den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren.
– Dabei werden die sich in den verschiedenen Betriebsmodi ändernden Leistungsflüsse berücksichtigt. Es werden diejenigen (vorzugsweise all diejenigen) Komponenten berücksichtigt, die in der aktuell aktiven Betriebsart den Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs beeinflussen. Die Abkehr vom Gaspedalwinkel als Steuergröße ermöglicht eine übergeordnete Berücksichtigung der Momentenanforderungen der Betriebsstrategie (Lastpunktver-schiebung).
– Da die Kennfelder für die einzelnen Betriebsmodi offline erzeugt werden, kann die „Reproduzierbarkeit” und „Fahrbarkeit” von vorn herein umfassend berücksichtigt und getestet werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber sogenannten „Online-Optimierern”, die verfügbare Informationen über den Betriebszustand des Fahrzeugs „online” auswerten und den Gang mit der geringsten Verlustleistung „online” im Fahrzeug wählen.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt in schematischer Darstellung die Logik zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung.
Für die verschiedenen Betriebsmodi

– „Verbrennungsmotorisches Fahren”,
– „Lastpunktanhebung”,
– „Lastpunktabsenkung”,
– „elektrisches Fahren”,
– „Rekuperation, Verbrennungsmotor angekoppelt”, und
– „Rekuperation, Verbrennungsmotor abgekoppelt”,

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Je nach dem, in welchem Betriebsmodus gerade gefahren wird, wird auf Basis des zugeordneten Gangwahlkennfelds 1–6 in Abhängigkeit von einer momentanen Ist-Drehzahl 8, die z. B. am Getriebeausgang oder an einem Antriebsrad oder an anderer Stelle des Antriebsstrangs gemessen oder ermittelt werden kann, und einem vom Fahrer aktuell geforderten Soll-Vortrieb 9 ein „Soll-Getriebegang” 10 ermittelt, der in 1 auch als „Wirkungsgradoptimaler Gang” bezeichnet wird.
In Abhängigkeit von einem Ist-Drehmoment und einer Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs, hier zusammenfassend als Eingangsgröße 11 bezeichnet, und dem momentanen Betriebsmodus 12 wird in einem „Antriebskoordinationsmodul” 13 ermittelt, welcher Sollgang 14 tatsächlich eingelegt werden soll und welches Sollmoment 15 bzw. 16 von der elektrischen Maschine bzw. dem Verbrennungsmotor aufgebracht werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006041155 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs (10) für ein Hybridfahrzeug, das in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die verschiedenen Betriebsmodi jeweils ein Gangwahlkennfeld (1–6) vorgegeben ist und auf Basis des dem momentanen Betriebsmodus zugeordneten Gangwahlkennfelds (1–6) ein Soll-Getriebegang in Abhängigkeit von – einer momentanen Ist-Drehzahl (8) und – einem vom Fahrer aktuell angeforderten Soll-Vortrieb (9) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gangwahlkennfelder (1–6) so konzipiert sind, dass der Soll-Getriebegang derjenige Getriebegang ist, bei dem sich auf Basis der in den Gangwahlkennfeldern (1–6) berücksichtigten Randbedingungen der beste Gesamtwirkungsgrad für einen Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne oder alle der folgenden Betriebsmodi jeweils ein Gangwahlkennfeld (1–6) vorgegeben ist: – Rein verbrennungsmotorisches Fahren (1), – Lastpunktanhebung (2), – Lastpunktabsenkung (3), – Rein elektrisches Fahren (4), – Rekuperation, Verbrennungsmotor angekoppelt (5), – Rekuperation, Verbrennungsmotor abgekoppelt (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Betriebsmodus entsprechend einer dem Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Getriebegangs hierarchisch übergeordneten Hybridbetriebsstrategie gewählt wird.
Verfahren zur Auswahl eines Getriebegangs für ein Hybridfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach einem der Ansprüche 1–4 ermittelter Soll-Getriebegang (10) tatsächlich nur dann ausgewählt und eingelegt wird, wenn zusätzliche, vorgegebene, in einer Elektronik (13) implementierte Nebenbedingungen eingehalten werden.