DE102011018395A1 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung (5) in einem Antriebsstrang (1) eines Hybridfahrzeuges, wobei der Antriebsstrang (1) eine Verbrennungskraftmaschine (2) und eine Elektromaschine (3), welche mittels der Kupplung (5) mechanisch koppelbar sind, und ein Getriebe umfasst, welches mechanisch mit der Elektromaschine (3) gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem die Kupplung (5) geschlossen und ein Kraftschluss im Getriebe (6) mittels eines Schaltelements (13.1–13.n) unterbrochen ist, die Kupplung (5) auf eine definierte Position, insbesondere auf den Anlegepunkt eingestellt wird, wobei das von der Verbrennungskraftmaschine (2) zumindest teilweise entkoppelte Getriebe (6) oder zumindest ein Getriebeabschnitt weiter rotiert und mittels der Elektromaschine (3) mit einem konstanten Drehmoment insbesondere bis zum Stillstand verzögert wird, wobei mittels einer Steuereinheit (4) der Drehzahlgradient erfasst, ausgewertet und daraus eine Kupplungskennlinie adaptiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges umfasst mindestens eine Elektromaschine und eine Verbrennungskraftmaschine. Zwischen Elektromaschine und Verbrennungskraftmaschine ist eine Kupplung angeordnet. Dabei kann die Kupplung während des Starts der Verbrennungskraftmaschine oder während eines Fahrbetriebs mit antreibender Verbrennungskraftmaschine und Elektromaschine geschlossen oder schlupfend betrieben werden. Bei geöffneter Kupplung kann die Elektromaschine das Hybridfahrzeug allein antreiben oder während einer Schubphase rekuperieren. Herkömmlicherweise wird eine Kupplungskennlinie insbesondere im Bereich eines Anlegepunkts der Kupplung anhand von Schwankungen oder Änderungen eines Moments der sich im Leerlauf befindlichen Verbrennungskraftmaschine adaptiert. Auf Grund des trägen Regelungsverhaltens eines Leerlaufreglers der Verbrennungskraftmaschine und von Motordrehzahlschwingungen der Verbrennungskraftmaschine sind die entsprechenden Adaptionszeiten lang und die Ergebnisse sind ungenau.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges anzugeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Beim Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, wobei der Antriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine und eine Elektromaschine, welche mittels der Kupplung koppelbar sind, und ein Getriebe mit Schaltelementen umfasst, welches mit der Elektromaschine gekoppelt ist, wird erfindungsgemäß ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem die Kupplung geschlossen und ein Kraftschluss im Getriebe mittels eines Schaltelements unterbrochen ist, die Kupplung auf eine definierte Position eingestellt, wobei das von der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise entkoppelte Getriebe oder zumindest ein Getriebeabschnitt weiter rotiert und mittels der Elektromaschine mit einem konstanten Drehmoment insbesondere bis zum Stillstand verzögert wird, wobei mittels einer Steuereinheit der Drehzahlgradient erfasst, ausgewertet und daraus eine Kupplungskennlinie adaptiert wird. Dadurch ist eine Adaption der Kupplungskennlinie signifikant verschnellert und eine Adaptionsgenauigkeit ist erhöht.
  • Unter einer Kupplungskennlinie soll der Zusammenhang zwischen einer Stell- oder Zustandsgröße, wie beispielsweise ein Betätigungsdruck oder eine Position der Kupplung und einem übertragbaren Drehmoment der Kupplung verstanden werden. Ein Punkt der Kupplungskennlinie wird als so genannter Anlegepunkt bezeichnet. Als Anlegepunkt wird ein Zustand oder Zeitpunkt bezeichnet, bei welchem die Reibflächen des Ein- und des Ausgangsteils der Kupplung in Reibkontakt zueinander treten, so dass bei einem weiteren Schließen der Kupplung ausgehend vom Anlegepunkt die Kupplung Drehmoment übertragen kann.
  • Die Elektromaschine kann dabei mechanisch oder über eine Kupplung mit dem Getriebe gekoppelt sein. Die Schaltelemente des Getriebes können beispielsweise als Lamellenkupplungen oder -bremsen ausgeführt sein.
  • Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft zum Beenden eines Ladevorgangs in einem Stillstand des Hybridfahrzeuges, wobei sich die Verbrennungskraftmaschine im Betrieb befindet und ein von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenes Moment von der Kupplung an die Elektromaschine übertragen und in elektrische Energie gewandelt wird, anwendbar. Es kann aber auch in anderen Situationen, in denen die Kupplung geschlossen und der Kraftschluss im Getriebe mittels eines Schaltelements unterbrochen ist, angewandt werden.
  • Besonders bevorzugt sind schnelle Anpassungen des Anlegepunkts der Kupplung an wechselnde Temperaturen der Kupplung ermöglicht, wie sie beispielsweise beim Wechsel von kalten Temperaturen auf Betriebstemperatur im Winterbetrieb, bei Bergfahrten und/oder Anhängerbetrieb auftreten.
  • Vorteilhafterweise wird eine Fahrbarkeit und ein daraus resultierender Fahrkomfort des Hybridfahrzeuges verbessert.
  • Besonders vorteilhafterweise wird eine Streuung im Fahrverhalten zwischen Hybridfahrzeugen einer Baureihe reduziert.
  • Für die Adaption der Kupplungskennlinie wird insbesondere der erfasste Drehzahlgradient und ein dem eingestellten Drehmoment der Elektromaschine zugeordneter und in der Steuereinheit hinterlegter Solldrehzahlgradienten ausgewertet. Dabei wird der erfasste mit dem hinterlegten Drehzahlgradienten verglichen. Aus Abweichungen der beiden Gradienten kann auf ein von der Kupplung übertragenes Drehmoment geschlossen werden und so die Kupplungskennlinie adaptiert werden.
  • In Ausgestaltung der Erfindung wird die Kupplung auf eine Position eingestellt, die dem Anlegepunkt der Kupplung entsprechen sollte und damit der den Anlegepunkt der Kupplung repräsentierende Punkt der Kupplungskennlinie adaptiert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges und
  • 2 schematisch in einem Diagramm einen Verlauf einer Getriebeeingangsdrehzahl, einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und eines Elektromaschinenmoments während einer Durchführung des Verfahrens entlang einer Zeit t.
  • 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang 1 eines Hybridfahrzeuges mit Heckantrieb. Dieser im Wesentlichen herkömmliche Antriebsstrang 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform mindestens eine Verbrennungskraftmaschine 2 sowie eine damit koppelbare Elektromaschine 3, eine Steuereinheit 4, eine Kupplung 5, ein Getriebe 6, ein Differential 7, die Antriebsräder 8, die Antriebswellen 9 und eine Kardanwelle 10.
  • Die Elektromaschine 3 wirkt in der dargestellten Ausführungsform direkt auf eine Eingangswelle 14 des Getriebes 6 ein. Dabei kann die Elektromaschine 3 in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in das Getriebe 6 integriert sein.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2 sowie die damit verbundene Elektromaschine 3 sind mittels der Kupplung 5 mechanisch koppelbar, so dass ein Kraftschluss oder eine mechanische Wirkverbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 2 und der Elektromaschine 3 und daraus resultierend dem Getriebe 6 erzeugbar ist. Dabei ist die Kupplung 5 vorzugsweise als herkömmliche automatisierte Anfahrkupplung ausgebildet, welche beispielsweise mittels einer elektrischen, hydraulischen, pneumatischen Aktorik A, welche diese Funktionsarten auch in kombinierter Form aufweisen kann, ein Betätigungsniveau an der Kupplung 5 einstellt, welches ein gewünschtes Moment über die Kupplung 5 überträgt.
  • Eine Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 ist mittels der Kardanwelle 10 mit dem Differential 7 verbunden. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform für ein Fahrzeug mit Frontantrieb kann das Differential 7 in das Gehäuse des Getriebes 6 integriert werden und eine Kardanwelle 10 wird nicht benötigt.
  • Innerhalb des Getriebes 6 sind einzelne Gangstufen 12.1 bis 12.n angeordnet, welche unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 ermöglichen und deren Anzahl variabel ist. Einer jeden Gangstufe 12.1 bis 12.n ist dabei ein Schaltelement 13.1 bis 13.n zugeordnet, welches in geschlossenem Zustand einen Kraftfluss zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 ermöglicht und im geöffneten Zustand einen solchen Kraftfluss verhindert.
  • Das Differential 7 ist an der Antriebsachse des Fahrzeugs mittels zweier Antriebswellen 9 mit den beiden Antriebsrädern 8 und den Reibbremsen verbunden. Zusätzlich ist eine nicht näher dargestellte Ausführungsform für ein Fahrzeug mit Allradantrieb möglich, bei welcher beide Achsen des Fahrzeugs als Antriebsachsen ausgebildet und die beiden Differentiale 7 mittels Kardanwellen 10 mit der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 verbunden sind.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2, die Elektromaschine 3 und die Kupplung 5 sind mittels eines herkömmlichen Bussystems 11 mit der Steuereinheit 4 verbunden. Das Bussystem 11 ist dabei vorzugsweise als CAN-(Controller Area Network), LIN-(Local Interconnect Network)Bus oder Flexray ausgebildet.
  • Das Getriebe 6 ist ebenfalls mittels des Bussystems 11 mit der Steuereinheit 4 verbunden.
  • Die Steuereinheit 4 ist als herkömmliche Steuereinheit ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl einzelner Steuergeräte, beispielsweise ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 2, ein Steuergerät der Elektromaschine 3, ein Steuergerät der Kupplung 5 und ein Getriebesteuergerät. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit 4 als integrierte Steuereinheit ausgebildet, bei welcher die einzelnen Funktionen zur Steuerung und/oder Regelung von Verbrennungskraftmaschine 2, Elektromaschine 3, Kupplung 5 und/oder Getriebe 6 als Programmabläufe auf einem Mikroprozessor ablaufen.
  • In der Steuereinheit 4 sind Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. Steuer-, Regel-, Auswerte- und/oder Analysemodule, die als Steuerprogramme und/oder Erfassungs- und Analyseprogramme implementiert sind, integriert. Der Steuereinheit 4 sind Sensorsignale von Verbrennungskraftmaschine 2, Elektromaschine 3, Kupplung 5 und/oder Getriebe 6 zuführbar, die von mindestens einem der Module zur Erzeugung von Steuersignalen und/oder Ausgabesignalen verarbeitet werden. Bei diesen nicht näher dargestellten Sensoren handelt es sich insbesondere um Stromsensoren zur Berechnung von Momenten der Elektromaschine 3 sowie Drehzahlsensoren zur Erfassung von Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine 2 (Eingang der Kupplung 5) und des Getriebes 6 (Ausgang der Kupplung 5).
  • Die Signale der Kupplung 5 umfassen Signale über einen Öffnungszustand der Kupplung 5. Weiterhin ist die Steuereinheit 4 mit einer Aktorik A verbunden, welche die Kupplung 5 von der Steuereinheit 4 gesteuert öffnet oder schließt.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Beispiels erläutert, bei dem der Anlagepunkt der Kupplung 5 beim Beenden eines Ladevorgangs in einem Stillstand ermittelt und adaptiert wird. Dabei wird bei einem Stillstand des Hybridfahrzeuges ein von der Verbrennungskraftmaschine 2 abgegebenes Moment von der Kupplung 5 an die Elektromaschine 3 übertragen und in elektrische Energie gewandelt. Dabei sind die Schaltelemente 13.1 bis 13.n geöffnet, so dass ein Kraftfluss zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 unterbrochen ist. Daraus resultierend rotiert ein zwischen der Eingangswelle 14 und dem jeweiligen Schaltelement 13.1 bis 13.n angeordneter Getriebeabschnitt des Getriebes 6, während ein zwischen der Ausgangswelle 14 und dem jeweiligen Schaltelement 13.1 bis 13.n angeordneter Getriebeabschnitt des Getriebes 6 nicht rotiert. Somit befinden sich die Komponenten des Antriebsstrangs 1, welche von der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 angetrieben werden, im Stillstand.
  • Zur Ermittlung des Anlegepunktes der Kupplung 5 wird in einem ersten Verfahrensschritt die Kupplung 5 in einen Zustand versetzt, der gemäß der aktuellen Kupplungskennlinie dem Anlegepunkt entspricht. Dadurch sollten Verbrennungskraftmaschine 2 und Elektromaschine 3 nicht gekoppelt sein. Die in der Elektromaschine 3 und dem mit dieser gekoppelten Getriebeabschnitt des Getriebes 6 und dem Ausgangsteil der Kupplung 5 auf Grund der Massenträgheit vorhandene kinetische Energie bewirkt auch nach dem Öffnen der Kupplung 5 bis zum vermeintlichen Anlegepunkt eine Rotation von Elektromaschine 3 und Getriebe 6.
  • Die Schaltelemente 13.1 bis 13.n sind nur bei Stillstand der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 schaltbar, so dass die rotierende Eingangswelle 14 zum Schalten der Schaltelemente 13.1 bis 13.n bis zum Stillstand abgebremst werden muss. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der von der Verbrennungskraftmaschine 2 entkoppelte, rotierende Getriebeabschnitt mittels der Elektromaschine 3 bis zum Stillstand verzögert. Dazu wird mittels der Elektromaschine 3 ein konstantes Drehmoment erzeugt, welches bei Unterschreiten einer vorgebbaren Mindestdrehzahl der Eingangswelle 14 des Getriebes 6 kontinuierlich verringert wird. Somit wird die in der Elektromaschine 3 und dem mit dieser gekoppelten Getriebeabschnitt des Getriebes 6 vorhandene kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt und in ein nicht dargestelltes Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist.
  • In einem dritten Verfahrensschritt wird mittels der Steuereinheit 4 und zugehörigen, nicht dargestellten Sensoren der Drehzahlgradient des genannten Getriebeabschnitts erfasst.
  • In einem vierten Verfahrensschritt wird aus dem erfassten Drehzahlgradienten und einem in der Steuereinheit 4 hinterlegten Solldrehzahlgradienten der Anlegepunkt der Kupplung 5 ermittelt. Dazu werden die beiden Drehzahlgradienten verglichen. Stimmen sie überein, so ist der aktuelle Wert der Kupplungskennlinie für den Anlegepunkt korrekt und muss nicht verändert werden. Gibt es größere Abweichungen, so wird der Wert des Anlegepunkts auf der Kupplungskennlinie entsprechend adaptiert. Abweichungen des erfassten Drehzahlgradienten vom Solldrehzahlgradienten resultieren daraus, dass Ein- und des Ausgangsteil der Kupplung 5 in Reibkontakt zueinander stehen und ein Moment übertragen.
  • In einer alternativen Ausführungsform des vierten Verfahrensschritts wird aus dem ermittelten effektiven Bremsmoment und einem in der Steuereinheit 4 hinterlegten Sollbremsmoment des Getriebes 6 der Anlegepunkt der Kupplung 5 ermittelt. Das effektive Bremsmoment der rotierenden Elemente des Getriebes 6 und der Kupplung 5 wird dabei aus dem erfassten Drehzahlgradienten ermittelt. Über den Vergleich des effektiven Bremsmoments und dem Sollbremsmoment kann auf das von der Kupplung 5 übertragene Drehmoment geschlossen werden.
  • 2 zeigt schematisch in einem Diagramm einen Verlauf einer Getriebeeingangsdrehzahl DGe, einer Drehzahl DV der Verbrennungskraftmaschine 2 und eines Elektromaschinenmoments ME während einer Durchführung des Verfahrens entlang einer Zeit t.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird die Kupplung 5 in einen geöffneten Zustand versetzt. Dadurch sind Verbrennungskraftmaschine 2 und Elektromaschine 3 mechanisch nicht gekoppelt. Zum Verringern der Getriebeeingangsdrehzahl DGe, deren Rotation die in der Elektromaschine 3 und dem mit dieser gekoppelten Getriebeabschnitt des Getriebes 6 und dem Ausgangsteil der Kupplung 5 auf Grund der Massenträgheit vorhandene kinetische Energie repräsentiert, wird die Eingangswelle 14 des Getriebes 6 mittels der Elektromaschine 3 bis zum Stillstand verzögert. Dazu wird mittels der Elektromaschine 3 ein konstantes Drehmoment erzeugt, welches mit dem Elektromaschinenmoment EM korrespondiert, die Eingangswelle 14 verzögert und bei Unterschreiten einer vorgebbaren Mindestdrehzahl DMIN der Eingangswelle 14 des Getriebes 6 kontinuierlich verringert wird. Diese kontinuierliche Verringerung des Drehmoments ist im Diagramm durch den Anstieg des Elektromaschinenmoments ME zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 dargestellt.
  • Die Verringerung der Getriebeeingangsdrehzahl DGe zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 repräsentiert den zu erfassenden Drehzahlgradienten, anhand dessen der Anlegepunkt der Kupplung 5 ermittelt wird.
  • Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 befindet sich die Eingangswelle 14 des Getriebes 6 im Stillstand, so dass zumindest eines der Schaltelemente 13.1 bis 13.n geschlossen werden kann und ein Kraftschluss zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 ermöglicht ist.
  • Zum Zeitpunkt t4 wird die Kupplung 5 in einen geschlossenen Zustand versetzt, so dass eine Erhöhung der Drehzahl DV der Verbrennungskraftmaschine einer Erhöhung der Getriebeeingangsdrehzahl DGe bewirkt. Dies ist im Diagramm zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 dargestellt. Bedingt durch den Kraftschluss zwischen der Eingangswelle 14 und der Ausgangswelle 15 des Getriebes 6 wird der gesamte Antriebsstrang 1 in Rotation versetzt, so dass sich das Hybridfahrzeug langsam in Bewegung setzt, herkömmlicherweise auch als Loskriechen bezeichnet.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kupplung (5) in einem Antriebsstrang (1) eines Hybridfahrzeuges, wobei der Antriebsstrang (1) eine Verbrennungskraftmaschine (2) und eine Elektromaschine (3), welche mittels der Kupplung (5) koppelbar sind, und ein Getriebe (6) mit Schaltelementen (13.1–13.n) umfasst, welches mit der Elektromaschine (3) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem die Kupplung (5) geschlossen und ein Kraftschluss im Getriebe (6) mittels eines Schaltelements (13.1–13.n) unterbrochen ist, die Kupplung (5) auf eine definierte Position eingestellt wird, wobei das von der Verbrennungskraftmaschine (2) zumindest teilweise entkoppelte Getriebe (6) oder zumindest ein Getriebeabschnitt weiter rotiert und mittels der Elektromaschine (3) mit einem konstanten Drehmoment insbesondere bis zum Stillstand verzögert wird, wobei mittels einer Steuereinheit (4) der Drehzahlgradient erfasst, ausgewertet und daraus eine Kupplungskennlinie adaptiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Drehzahlgradient und ein dem Drehmoment der Elektromaschine (3) zugeordneter und in der Steuereinheit (4) hinterlegter Solldrehzahlgradienten ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (5) auf eine Position eingestellt wird, die einem Anlegepunkt der Kupplung entsprechen sollte und damit der den Anlegepunkt der Kupplung (5) repräsentierende Punkt der Kupplungskennlinie adaptiert wird.
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