DE102011089607B4

DE102011089607B4 - Verfahren zum Betrieb eines seriellen hydraulischen Hybridantriebssystems

Info

Publication number: DE102011089607B4
Application number: DE102011089607.4A
Authority: DE
Inventors: Richard Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2023-07-13
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011089607A1; CN104010854B; US20140372007A1; WO2013092955A1; CN104010854A; US9090254B2; EP2794315A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines vorzugsweise seriellen hydraulischen Hybridantriebssystems (1), umfassend eine Brennkraftmaschine (8), eine erste Verdrängermaschine (11), eine zweite Verdrängermaschine (12), einen Druckspeicher (20) und eine Entkopplungsventileinrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, dass für einen vorgegebenen Lastpunkt (PRad) der Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebssystems (1) für alle möglichen Betriebsmodi aus entsprechenden Gesamtwirkungsgrad-Kennfeldern ausgelesen wird, die ausgelesenen Gesamtwirkungsgrade aller möglichen Betriebsmodi miteinander verglichen werden und das Hybridantriebssystem (1) in dem Betriebsmodus betrieben wird, der den besten Gesamtwirkungsgrad hat.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines vorzugsweise seriellen hydraulischen Hybridantriebssystems.
Die Firma Parker hat ein serielles hydraulisches Hybridantriebsystem entwickelt, das unter der Bezeichnung „RunWise“ angeboten wird. Es wurde für schwere Nutzfahrzeuge entwickelt und wird ergänzend zu einem mechanischen Antrieb nachträglich eingebaut. Dabei wird der mechanische Antriebstrang aufgetrennt und das „RunWise“-System eingefügt.
Die DE 10 2008 047 993 B3 zeigt einen Antriebsstrang insbesondere für ein Schienenfahrzeug. Der Antriebsstrang weist einen Abtrieb und zumindest ein hydraulisches Aggregat auf, welches über eine Kupplung schaltbar mit dem Abtrieb verbunden werden kann. Außerdem weist der Antriebsstrang zumindest ein Speicherelement zum Speichern von Druckenergie auf, welches hydraulisch schaltbar so mit dem hydraulischen Aggregat verbunden wird, dass das Speicherelement im Pumpbetrieb durch das hydraulische Aggregat befüllt wird und im Motorbetrieb durch Druck aus dem Speicherelement angetrieben wird. Im Antriebsfall wird Leistung dann entweder ausschließlich oder ergänzend zu einem weiteren optionalen Antriebsaggregat von dem dann aus dem Speicherelement motorisch betriebenen hydraulischen Aggregat über das geschlossene Kupplungselement zum Abtrieb geliefert. Im Bremsfall gelangt Leistung von dem Abtrieb über das geschlossene Kupplungselement zu dem hydraulischen Aggregat, welches dann im Pumpbetrieb das Speicherelement befüllt.
Alle Hybridantriebssysteme bestehen aus in Reihe oder parallel geschalteten Energie-, Drehzahl- und Drehmomentwandlern. Jeder dieser Wandler, die nachfolgend auch als Komponenten bezeichnet werden, hat einen betriebspunktabhängigen Wirkungsgrad, der in aller Regel von verschiedenen äußeren und inneren Einflüssen abhängt.
Der Wirkungsgrad ist dabei als das Verhältnis von Nutzenergie zu Energieaufwand definiert: $η = \frac{W_{N u t z}}{W_{A u f w a n d}}$
Einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad einer Komponente hat der Betriebspunkt in dem die Komponente betrieben wird.
Für jede Komponente kann man das Wirkungsgradverhalten in Form von Kennlinien und/oder Kennfeldern hinterlegen.
Ein serieller hydraulischer Antriebsstrang kann beispielsweise folgende Komponenten umfassen: Brennkraftmaschine, hydraulische Pumpe, hydraulischer Motor und Druckspeicher. Die Komponenten des Antriebsstrangs können in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. So kann der hydraulische Motor auch als Pumpe betrieben werden. Dabei wandelt der hydraulischer Motor kinetische Energie des Fahrzeugs in hydraulische Energie um und koppelt diese in den Druckspeicher ein. Außerdem kann der Druckspeicher geladen oder entladen werden.
In aller Regel hat der Antriebsstrang in verschiedenen Betriebsmodi einen unterschiedlichen Gesamtwirkungsgrad, auch wenn er die gleiche Nutzleistung an dem oder den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs bereitstellt.
Die WO 2008/ 071 381 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Elektro-Hybridantriebs eines Kraftfahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem Schaltgetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine, mindestens einer Kupplung, einem Energiespeicher und mindestens einer angetriebenen Achse. Es wird ausgehend von Fahrerwunsch und Betriebszustand entschieden, welche Betriebsmodi möglich sind, für die möglichen Betriebsmodi entschieden, welche Getriebegänge in Frage kommen, sodass eine größere Anzahl von Modi zur Auswahl stehen, und für alle diese Modi dem Fahrerwunsch entsprechende Arbeitspunkte unter Berücksichtigung von Betriebszustand und Systemzustand ermittelt, die Modi bewertet und der am günstigsten bewertete Modus ausgewählt.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb von Hybridfahrzeugen, insbesonders von seriellen hydraulischen Hybridfahrzeugen.
Durch die Kenntnis der Wirkungsgrad-Kennfelder zumindest der wichtigsten Komponenten des Hybrid-Antriebssystems und damit auch der Verluste, die bei der Energieumwandlung in den beteiligten Komponenten auftreten, können Wirkungsgrad-Kennfelder des gesamten Hybrid-Antriebssystems generiert werden. Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen Wirkungsgrad-Kennfelder kann das Gesamtsystem für jede Lastanforderung mit optimaler Energieeffizienz betrieben werden. Diese Kennfelder werden in einem Steuergerät hinterlegt, das abhängig von der Lastanforderung den energieeffizientesten Betriebsmodus aktiviert und bei Bedarf einzelne Komponenten des Antriebsstrangs ansteuert. Dieser Vorgang wird im Zusammenhang mit der Erfindung auch als Vorsteuerung bezeichnet.
Für das Gesamtsystem ergibt sich der Gesamtwirkungsgrad als Produkt der Wirkungsgrade aller am Gesamtsystem beteiligten Komponenten: $η_{S y s} = \prod_{n = 1}^{k} η_{n}$
Bei den meisten Komponenten ist der Wirkungsgrad vom Betriebspunkt der Komponente abhängig.
So ist beispielsweise der Wirkungsgrad einer hydraulischen Pumpe oder eines hydraulischen Motors im Wesentlichen eine Funktion der Systemgrößen wie Druck, Drehzahl oder Schluckvolumen und der Stoffgrößen wie Dichte und Viskosität des Hydraulikfluids. Bei Pumpen oder Motoren mit verstellbarer Fördermenge, ist die Fördermenge eine wählbare (System-)Größe.
Die Stoffgrößen sind in der Regel eine Funktion der Systemtemperatur und/oder verändern sich aufgrund von Alterungsprozessen.
Einige der System- und/oder Stoffgrößen, haben einen größeren Einfluss auf das Wirkungsgradverhalten der Komponente als andere. Je mehr System- und /oder Stoffgrößen in die Kennfelder aufgenommen werden, desto präziser bilden die Kennfelder das tatsächliche Betriebsverhalten einer Komponente ab. Allerdings steigt dadurch auch die Komplexität der Kennfelder stark an.
Deshalb werden für die Berechnung oder empirische Ermittlung der Kennfelder bevorzugt diejenigen Systemgrößen und/oder Stoffgrößen verwendet, die einen großen Einfluss auf das Wirkungsgradverhalten haben und die zudem gut messbar sind. Durch die Reduktion der Systemgrößen und/oder Stoffgrößen auf quantifizierbare und einflussreiche Größen werden der Aufwand für die Erstellung der Kennfelder und deren Komplexität reduziert. Die Zahl der System- und Stoffgrößen bestimmt die Dimensionalität des Kennfelds einer Komponente. Als Dimensionalität eines Kennfelds wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Zahl der Dimensionen eines Kennfelds bezeichnet.
Der Wirkungsgrad einer Komponente lässt sich folglich als Vektor in einem mehrdimensionalen Raum darstellen. Dabei wird dieser mehrdimensionale Raum durch die System- und Stoffgrößen aufgespannt.
Sind auf diese Weise alle Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten bestimmt, ist gemäß der oben angegebenen Gl. 2 der Wirkungsgrad des Gesamtsystems das Produkt der Wirkungsgrade der zu dem Gesamtsystem gehörenden aktiven Komponenten.
Aus der GI. 2 wird deutlich, dass sich für komplexe Systeme, wie ein Hybridantriebsystem, vieldimensionale Wirkungsgrad-Kennfelder ergeben. Außerdem kann ein Hybridantriebsystem in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, deren Wirkungsgrade sich unterscheiden, da nicht in allen Betriebsmodi alle Komponenten aktiv sind und daher die Zahl der aktiven Komponenten variieren kann.
So kann beispielsweise bei der Rekuperation der hydraulische Motor abgeschaltet werden, da keine Antriebsleistung benötigt wird. In einem anderen Betriebsmodus kann der Speicher vom Antriebsstrang abgekoppelt werden, wenn die gesamte Antriebsleistung der hydraulischen Pumpe direkt in den hydraulischen Motor gelangen soll.
Für jeden Betriebsmodus wird somit ein vieldimensionales WirkungsgradKennfeld des Gesamtsystems benötigt.
Um die Komplexität und die Dimensionalität der Wirkungsgrad-Kennfelder der Komponenten zu reduzieren, werden vorteilhaft die (System-)Größen der Komponenten des Antriebsstrangs in drei Klassen eingeteilt:

1. Die den Wirkungsgrad beeinflussenden Größen sind von außen aufgeprägt (sog. aufgeprägte Größen).

Beispiele hierfür sind die Drehzahl eines Hydromotors, weil der Hydromotor starr mit den angetriebenen Rad verbunden ist, oder der Drehmomentwunsch eines Fahrers.

2. Die den Wirkungsgrad beeinflussenden Größen sind innerhalb bestimmter Grenzen frei wählbar (sog. wählbare Größe).

Ein Beispiel hierfür ist die Wahl eines Gangs bei einem Schaltgetriebe in einem Antriebsstrang oder das Übersetzungsverhältnis bei einem CVT-Getriebe (CVT = Continuously Variable Transmission).

3. Die den Wirkungsgrad beeinflussenden Größen ergeben sich aus den physikalischen Zusammenhängen im Inneren der Komponente.

Ein Beispiel hierfür sind die Reibungsverluste in einer Brennkraftmaschine, die stark von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Diese Größen sind folglich abhängige Größen. Die abhängigen Größen bilden die physikalischen Zusammenhänge einer Komponente ab.
Dabei hängt es vom jeweiligen Betriebsmodus ab, welche Systemgröße und Stoffgröße abhängig, aufgeprägt oder frei wählbar ist.
So ist beispielsweise bei einem Fahrzeug mit einem stufenlosen CVT-Getriebe der Betriebspunkt/die Drehzahl der Brennkraftmaschine entlang der Leistungskurve für die geforderte Leistung am Rad weitgehend frei wählbar, während bei einem Fahrzeug mit Schaltgetriebe die Gangstufe in Grenzen frei wählbar ist. Damit sind das maximal zur Verfügung stehende Drehmoment und die Drehzahl der Brennkraftmaschine festgelegt.
Um die Dimensionalität der Wirkungsgrad-Kennfelder zu reduzieren, wird nun vorteilhaft für jeden Betriebsmodus separat eine Bestimmung der Maximumwerte des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von den frei wählbaren Größen durchgeführt. Dadurch reduziert sich die Dimensionalität der Wirkungsgrad-Kennfelder der Komponenten auf die Anzahl der aufgeprägten Größen.
Zweckmäßig wird für jeden Betriebsmodus des Antriebsstrangs die zu einem maximalen Wirkungsgrad gehörende frei wählbare Größe in ein eigenes Kennfeld mit den Dimensionen der aufgeprägten Größen aller Komponenten geschrieben.
Aus diesem Kennfeld des Antriebsstrangs kann somit der Wert einer frei wählbaren Größe ausgelesen werden bei dem der Antriebsstrang den bestmöglichen Wirkungsgrad aufweist.
Die so erhaltenen Kennfelder dienen zur Vorbestimmung der frei wählbaren Größen in Abhängigkeit von den aufgeprägten Größen. Aller anderen Größen ergeben sich im System von selbst, da sie abhängige Größen sind.
Es ist auch denkbar, in der Praxis, die vieldimensionalen Kennfelder durch mehrere Kennfelder mit weniger Dimensionen und durch Kennlinien oder Näherungsgleichungen zu ersetzen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Figurenliste
Es zeigt:

1 Das Umfeld der Erfindung

In der 1 ist ein Hydraulikhybridantriebsstrang 1 dargestellt. In dem Hydraulikhybridantriebsstrang 1 ist eine erste Antriebseinrichtung 4 mit einer zweiten Antriebseinrichtung 5 in Reihe geschaltet. Die erste Antriebseinrichtung 4 umfasst eine Brennkraftmaschine 8, die auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Die zweite Antriebseinrichtung 5 umfasst zwei hydraulische Verdrängermaschinen 11, 12, die als Axialkolbenmaschinen mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite ausgeführt sind. Die Verdrängermaschine 11 ist eine Hydropumpe mit verstellbaren Verdrängungsvolumen je Umdrehung (Schleichvermögen), während die Verdrängermaschine 12 ein verstellbarer hydraulischer Pumpenmotor ist.
Die Eingangsseiten der Verdrängermaschinen 11, 12 sind an ein Hydraulikmediumreservoir angeschlossen. Das Reservoir kann auch ein vorgespanntes System mit Niederdruckspeicher sein. Die Ausgangsseiten der Verdrängermaschinen 11, 12 sind über eine Verbindungsleitung 15 direkt hydraulisch miteinander verbunden. In der Verbindungsleitung 15 ist eine Verzweigung 18 vorgesehen, an der eine Anschlussleitung 19 von der Verbindungsleitung 15 zu einem Druckspeicher 20 abzweigt. Der Druckspeicher 20 ist als hydropneumatischer Druckspeicher ausgeführt.
Die Verdrängermaschine 11 ist über eine Kupplungs- und/oder Getriebeeinrichtung 21 antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine 8 verbindbar. Daher wird die Verdrängermaschine 11 auch als primärseitige Verdrängermaschine bezeichnet. Die Verdrängermaschine 11 kann auch aus einer Kaskade mehrerer Verdrängermaschinen bestehen. Die Verdrängermaschine 12 ist über eine Kupplungs- und/oder Getriebeeinrichtung 22 antriebsmäßig über ein mechanisches Differential 24 mit einer Fahrzeugachse 26 verbindbar. Die Verdrängermaschine 12 kann auch aus einer Kaskade mehrerer Verdrängermaschinen bestehen. An den Enden der Fahrzeugachse 26 sind zwei angetriebene Fahrzeugräder 27, 28 angedeutet.
Das von den hydraulischen Verdrängermaschinen 11, 12 darstellbare Drehmoment hängt ab von der Druckdifferenz, die an den Verdrängermaschinen 11, 12 anliegt. Die Druckdifferenz wiederum hängt vom Ladezustand des Druckspeichers 20 ab. Hydraulikhybridantriebsstränge von Kraftfahrzeugen unterliegen vor allem im urbanen Betrieb sehr dynamischen und häufig wechselnden Momentenanforderungen.
Die Fahrbarkeit und Performance eines Hydraulikhybridfahrzeugs wird sehr stark von der Fähigkeit des Antriebsstrangs geprägt, Lastsprüngen zu folgen. Aber auch andere Anforderungen, wie zum Beispiel Randsteinklettern, Anfahren am Berg und/oder mit Anhänger, müssen von einem Hydraulikhybridantriebsstrang 1 abgedeckt werden.
Für die Auslegung eines Hydraulikhybridantriebsstrangs 1 mit Druckspeicher 20, wie er in hydraulischen Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, ergibt sich die Problematik, dass hohe Zugkraftanforderungen, also hohe Drehmomente auf der Sekundärseite oder Radseite, ohne großen Zeitverzug darstellbar sein müssen. Das führt entweder dazu, dass in einem unteren Geschwindigkeitsbereich die Ladestrategie des Druckspeichers 20 über die Fahrzeugsteuerung auf einem relativ hohen Druck gehalten werden muss, oder die sekundärseitigen Komponenten so groß dimensioniert werden müssen, dass auch bei geringem Druck hohe Zugkraftanforderungen dargestellt werden können.
In beiden Fällen gibt es negative Auswirkungen auf den Antriebsstrangwirkungsgrad. Bei hohem Drucksollwert wird der nutzbare Energieinhalt des Druckspeichers 20 extrem beschnitten, wodurch das Rekuperationsvermögen stark eingeschränkt wird. Außerdem sorgt das Vorhalten des hohen Drucks bei niedrigen Lastanforderungen für eine Betriebspunktverschiebung der Verdrängermaschine in Richtung niedriger Teillast, mit niedrigem Wirkungsgrad.
Bei einer Überdimensionierung der Verdrängermaschine, um bei niedrigem Druck die hohen Momente abbilden zu können, ergibt sich eine ähnliche Betriebspunktverschiebung hin zu schlechten Wirkungsgraden bei allen Drücken oberhalb Auslegungsdrucks. Erschwerend kommt hinzu, dass eine größere Komponente mehr Bauraum benötigt, also schwerer integrierbar ist, und auch eine höhere Masse aufweist, die sich ebenfalls nachteilig auf die Gesamtenergiebilanz auswirkt.
Deshalb ist in dem Hydraulikhybridantriebsstrang 1 eine Entkopplungsventileinrichtung 30 in der Anschlussleitung 19 vorgesehen. Mithilfe der Entkopplungsventileinrichtung 30 kann der Druckspeicher 20 vom restlichen System abgekoppelt werden. Dadurch ist es möglich, die primärseitige Verdrängermaschine 11 direkt mit der sekundärseitigen Verdrängermaschine 12 hydraulisch zu verbinden. Das hat zur Folge, dass innerhalb kürzester Zeit in der Verbindungsleitung 15 ein Systemdruck aufgebaut werden kann, der oberhalb des Speicherdrucks liegt.
Die in 1 dargestellte Entkopplungsventileinrichtung 30 ist als 2/2-Wegeventil 34 mit einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung ausgeführt. Durch eine Feder ist das 2/2-Wegeventil 34 in seine dargestellte Schließstellung vorgespannt. Durch elektromagnetische Betätigung kann das Ventil 34 in seine Öffnungsstellung umgeschaltet werden. In der Schließstellung ist die Verbindung zwischen der Verzweigung 18 und dem Druckspeicher 20 unterbrochen. In der Öffnungsstellung des Ventils 34 ist die Verbindungsleitung 15 über die Verzweigung 18 mit dem Druckspeicher 20 verbunden.
Die in 1 dargestellte Entkopplungsventileinrichtung 30 kann auch als 2/2-Wege-Proportionalventil ausgeführt werden. Ein derartiges Proportionalventil wird auch als Stetigventil bezeichnet und ermöglicht eine stetige Verstellung zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung. Das Stetigventil ermöglicht es, die Abkopplung und Zuschaltung des Druckspeichers 20 zu verschleifen.
Bei diesem Antriebstrang gibt es mehrere Betriebsmodi, von denen die wichtigsten nachfolgend erläutert werden:

I. CVT-Betrieb

In einem ersten Betriebsmodus, dem sogenannten CVT-Betrieb, ist das Speicherentkopplungsventil 34 geschlossen. Der Druckspeicher 20 ist folglich vom Hybridantriebsystem 10 abgekoppelt und wird infolgedessen weder geladen noch entladen. In diesem ersten Betriebsmodus treibt die Brennkraftmaschine 8 über die Kupplung 21 die primäre Verdrängermaschine 11 an, die Hydraulikfluid aus einem Reservoir ansaugt und dessen Druck erhöht. Die Druckenergie des Hydraulikfluids treibt direkt die sekundäre Verdrängermaschine 12 an. Die sekundäre Verdrängermaschine 12 arbeitet jetzt als Hydraulikmotor.
Das von der sekundären Verdrängermaschine 12 erzeugte Antriebsmoment wird über die Kupplung 22 auf das Differential 24 und auf die Räder 27, 28 des Fahrzeugs übertragen.
Weil das Schluckvermögen der ersten und/oder der zweiten Verdrängermaschine 11, 12 verstellbar ist, wird in diesem Betriebsmodus ein stufenloses Getriebe realisiert.
Nachfolgend sind die in diesem Betriebsmodus aktiven Komponenten aufgelistet und deren Systemgrößen klassifiziert:
II. Speicherladebetrieb und Speicherentladebetrieb
In einem zweiten Betriebsmodus, dem sogenannten Speicherladebetrieb, ist im Gegensatz zum ersten Betriebsmodus das Speicherentkopplungsventil 34 geöffnet. Somit wird die von der Brennkraftmaschine 8 erzeugte Leistung, die nicht zur Erzeugung des Antriebsmoments benötigt wird, als Druckenergie im Druckspeicher 20 eingespeichert.
Wenn das geforderte Antriebsmoment größer ist als die von der Brennkraftmaschine 8 zu Verfügung gestellte Leistung, wird Druckenergie aus dem Druckspeicher 20 entnommen, so dass die sekundäre Verdrängermaschine 12 das geforderte Antriebsmoment bereitstellen kann.
III. Speicherfahren
Bei einem dritten Betriebsmodus, dem sogenannten Speicherfahren, sind die Brennkraftmaschine 8 und die erste Verdrängermaschine 11 abgeschaltet. Die zur Erzeugung des Antriebsmomentes benötigte Leistung wird dem Druckspeicher 20 entnommen. Die sekundäre Verdrängermaschine 12 arbeitet als Hydraulikmotor, der die Druckenergie des Hydraulikfluids aus dem Druckspeicher 20 in das Antriebsmoment wandelt.
IV. Rekuperation
Ein vierter Betriebsmodus schließlich wird als regeneratives Bremsen oder Rekuperation bezeichnet. In diesem Betriebsmodus arbeitet die sekundäre Verdrängermaschine 12 als Hydraulikpumpe. Dabei nutzt die sekundäre Verdrängermaschine 12 das Bremsmoment, um den Druckspeicher 20 zu laden. Die Brennkraftmaschine 8 kann eingeschaltet sein.
Aus dem Gesagten wird deutlich, dass die Auswahl eines energetisch optimalen Betriebsmodus nicht-trivial ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine „automatische“ Auswahl des Betriebsmodus und die Ansteuerung der wählbaren Größen der aktiven Komponenten, um bei vorgegebener Lastanforderung den Antriebsstrang mit bestmöglicher Energieeffizienz betreiben zu können.
Wie bereits erwähnt, ist bei den meisten Komponenten eines Systems der Wirkungsgrad η von einem Betriebspunkt und von einem Zustand der Komponente abhängig. So ist beispielsweise der Wirkungsgrad η_Pumpe einer Hydraulikpumpe oder eines Hydromotors im wesentlichen eine Funktion des Druckes p, der Drehzahl n, des Schluckvolumens V und der Temperatur T, der Dichte ρ und der Viskosität v des Hydraulikfluids.
Es gilt: $η_{P u m p e} = ƒ (\vec{p}, \vec{n}, \vec{V}, \vec{T}, \dots)$
Einige der voranstehenden Einflussgrößen haben einen größeren Einfluss auf den Wirkungsgrad η als andere Einflussgrößen. Vorteilhaft werden für die Berechnung des Wirkungsgrades η in verschiedenen Betriebspunkten diejenigen Einflussgrößen verwendet, die einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad η haben und gut messbar sind. Damit reduziert sich Gleichung 3 wie folgt: $η_{P u m p e} = ƒ (\vec{p}, \vec{n}, \vec{V})$
Für einen Wirkungsgrad η_B der Brennkraftmaschine 8 sind wesentliche Einflussgrößen ein Drehmoment M, die Drehzahl n, die Temperatur T und ein Drehmomentgradient $\frac{\partial M}{\partial t} .$
Vereinfacht lässt sich der Wirkungsgrad auch als Funktion von Drehzahl und Drehmoment darstellen: $η_{B} = ƒ (\vec{M}, \vec{n})$
In dieser oder ähnlicher Weise lässt sich für jede Komponente des Hybridantriebssystems ein Wirkungsgrad η ermitteln. Die Einflussgrößen werden Vorteilhafterweise als Vektoren dargestellt.
Der Gesamtwirkungsgrad η_sys des Hybridantriebssystems ergibt sich aus dem Produkt der Wirkungsgrade η jeder Komponente, die an der Energiewandlung teilnimmt (siehe Gl. 2)
Setzt man die Wirkungsgrade nach Gl. 3, 4 oder 5 für alle Komponenten in Gleichung 2 ein, ergibt sich für jeden Betriebsmodus des Hybridantriebssystems ein vieldimensionales Wirkungsgradkennfeld.
Die Betriebspunkte der einzelnen Komponenten sind dabei nicht vollständig frei wählbar, sondern setzen sich vielmehr aus frei wählbaren Größen, aufgeprägten Größen und abhängigen Größen zusammen.
Es gilt: $P_{R a d} = M \cdot n \cdot 2 π = c o n s t .$
Diese Leistung muss der Antriebsstrang bereitstellen, wobei erfindungsgemäß der Betriebsmodus ausgewählt wird bei dem der Antriebsstrang den besten Gesamt-Wirkungsgrad hat.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll ein System umfassend eine Brennkraftmaschine 8 und eine primäre Verdrängermaschine 11 dienen. Die Verdrängermaschine 11 ist direkt an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 8 angeflanscht und lädt den Druckspeicher 20. Zur Vereinfachung werden die Verluste in Ventilen und Leitungen vernachlässigt und ein Wirkungsgrad des Druckspeichers 20 wird mit 1 angenommen. Das heißt eine Einspeicherung und eine Entnahme von Energie aus dem Druckspeicher 20 erfolgen verlustfrei.
Es ergibt sich der Wirkungsgrad η_B der Brennkraftmaschine 8 zu: $η_{B} = ƒ (\vec{M}, \vec{n})$
Der Wirkungsgrad q_Pumpe der Verdrängermaschine 11 zu: $η_{P u m p e} = ƒ (\vec{p}, \vec{n}, \vec{V})$
Die Drehzahl n der Verdrängermaschine 11 ist gleich der Drehzahl der Brennkraftmaschine 8, da die Verdrängermaschine 11 direkt an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 8 angeflanscht wird.
Der Druck p der Verdrängermaschine 11 ist gleich dem Druck im Druckspeicher 20. Das Schluckvolumen V der ersten Verdrängermaschine 11 ist so eingestellt, dass das Drehmoment M der Brennkraftmaschine 8 aufgenommen wird.
Der Druck p der zweiten Verdrängermaschine 12 ist ebenfalls gleich dem Druck im Druckspeicher 20. Das Schluckvolumen V der zweiten Verdrängermaschine 12 ist gleich dem Schluckvolumen der ersten Verdrängermaschine 11 sowie des Volumenstroms in oder aus dem Druckspeicher 20.
Nach Gl. 2 ergibt sich daraus folgendes Gesamtwirkungsgrad-Kennfeld η_Sys für den Antriebsstrang: $η_{S y s} = ƒ (\vec{M}, \vec{n}, \vec{p},)$
Bei diesem Wirkungsgradkennfeld η_Sys sind beispielsweise ein Drehmomentwunsch und die Drehzahl n der Brennkraftmaschine 8 dem System aufgeprägte Größen. Ebenso ist der Druck p dem System aufgeprägt. Das Schluckvolumen V ist eine abhängige Größe.
Die Anwendung auf den seriellen hydraulischen Hybridantrieb führt für die verschiedenen Betriebsmodi zu folgendem Ergebnis:

Im ersten Betriebsmodus, dem CVT-Betrieb, bestimmen vier Einflussgrößen den Wirkungsgrad η, wobei zwei Einflussgrößen frei wählbar sind und zwei Einflussgrößen dem Hybridantriebsystem 1 aufgeprägt werden.

Im zweiten Betriebsmodus, dem Speicherladebetrieb, bestimmen fünf Einflussgrößen den Wirkungsgrad η. Von den fünf Einflussgrößen sind zwei frei wählbar und drei sind aufgeprägt.
Für den dritten und vierten Betriebsmodus, also das Speicherfahren und die Rekuperation wird der Wirkungsgrad η von drei Einflussgrößen bestimmt. Wobei alle drei Einflussgrößen dem Hybridantriebsystem 1 aufgeprägt sind.
Für jeden der vier Betriebsmodi wird über einen Maximalwert des Wirkungsgrades η der optimale Betriebspunkt, charakterisiert durch die frei wählbaren Größen, bestimmt.
Dadurch reduziert sich die Dimension des Gesamtwirkungsgrad-Kennfelds auf die Anzahl der aufgeprägten Größen. Das heißt, es wird für jeden Betriebsmodus jede frei wählbare Größe sowie der dazugehörige Wirkungsgrad η in ein eigenes Kennfeld mit der Dimension der aufgeprägten Größe geschrieben. Auf diese Weise entstehen Kennfelder, aus denen die frei wählbaren Größen entnommen werden, die für den entsprechenden Betriebsmodus einen Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad η des Hybridantriebssystems 1 erzeugen.
Diese Wirkungsgrad-Kennfelder werden in einem Steuergerät des Antriebsstrangs hinterlegt und werden dort zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf diesen Wirkungsgrad-Kennfeldern und ermöglicht die Berechnung und Auswahl des energieoptimalen Betriebsmodus. Dazu wird zunächst für jeden der vier obengenannten Betriebsmodi der Wirkungsgrad η bei der am Rad geforderten Leistung (Gl. 6) berechnet.
Zunächst wird ein Ladewirkungsgrad η_EES berechnet: $η_{E E S} = \frac{E_{E E S_G} + E_{E E S_R}}{E_{F T_G} - E_{F T_I V T}}$
Darin steht E_{EES_G} für die Energie, die durch die primäre Verdrängermaschine 12 erzeugt und im Druckspeicher 20 gespeichert wird. E_{EES_R} symbolisiert die durch Rekuperation von Bremsenergie erzeugte und im Druckspeicher 20 abgelegte Energie. E_{FT_G} steht für die von der Brennkraftmaschine 4 in Form von Kraftstoff während der Erzeugung von E_{EES_G} verbrauchte chemische Energie.
E_{FT_IVT} steht für die Energie, die verbraucht worden wäre, wenn die Brennkraftmaschine 4 mit geschlossenem Speicherentkopplungsventil 34 betrieben worden wäre (CVT-Modus). Voranstehende Gleichung spiegelt also das Verhältnis von im Druckspeicher 20 eingespeicherter Energie (Zähler von Gl. 7) zu dem Mehrverbrauch an Energie durch Generation (Nenner von Gl. 7) wieder. Dabei wird angenommen, dass die durch Rekuperation im Speicher abgespeichert Energie E_{ESS_R} keinen Mehraufwand in der Erzeugung verursacht.
Die Wirkungsgrade η der einzelnen Betriebsmodi sind folgendermaßen definiert:
Für den ersten Betriebsmodus, das CVT-Fahren, bei dem der Druckspeicher vom Hybridantriebsystem 1 abgekoppelt ist gilt: $η_{I V T} = \frac{E_{A b t r i e b}}{E_{F T_I V T}}$
Dabei ist E_Abtrieb die an der Kupplung 22 vom Hybridantriebssystem 1 erzeugte Energie. E_{FT_IVT} ist die chemische Energie die eine Kraftstoffmenge beinhaltet die zur Erzeugung von E_Abtrieb von der Brennkraftmaschine 8 verbraucht wird.
Für den zweiten Betriebsmodus, den Speicherladebetrieb ergibt sich der Wirkungsgrad η_G zu: $η_{G} = \frac{E_{E E S_G} + E_{A b t r i e b}}{E_{F T_G}}$
Die Nutzenergie im Zähler setzt sich aus der, an der Kupplung wirksamen Abtriebsenergie E_Abtrieb, und der in den Druckspeicher 20 eingespeicherten Energie E_{EES_G} zusammen. Im Nenner steht die Energie E_{FT_G}, die die Brennkraftmaschine 8 während des Speicherladebetriebs in Form von Kraftstoff verbraucht.
Für den dritten Betriebsmodus, das Speicherfahren, berechnet sich der Wirkungsgrad η_SF wie folgt: $η_{S F} = η_{E S S} \frac{E_{A b t r i e b}}{E_{E S S_S F}}$
Hierbei wird die Nutzenergie am Abtrieb, E_Abtrieb, ins Verhältnis zur Energie E_{ESS_SF} gesetzt. Die Energie E_{ESS_SF} ist die Energie, die dem Druckspeicher 20 entnommen wird. Gleichung 10 berücksichtigt zudem durch den Term η_ESS, dass Arbeit bzw. Energie erforderlich ist, um den Druckspeicher 20 zu füllen. Der Ladewirkungsgrad η_EES wird dabei nach Gl. 7 berechnet.
Für den vierten Betriebsmodus, die Rekuperation oder das regenerative Bremsen, muss kein Wirkungsgrad berechnet werden, da die rekupierte Energie normalerweise als Wärmeenergie beim Bremsen verlorenginge. Die „Rückgewinnung“ der Bremsenergie erfordert folglich keinen energetischen Aufwand und wird deshalb als „kostenlos“ betrachtet.
Alle in den Gleichungen 7 bis 10 eingesetzten Energien werden während des Betriebs online mitgerechnet. Der optimale Betriebsmodus für den aktuellen Betriebspunkt ist derjenige mit dem größten Wirkungsgrad. Durch den Vergleich der verschiedenen Gesamtwirkungsgrade gemäß der GI. 8 bis 10 lässt sich der für den Drehmomentwunsch des Fahrers bzw. die am Rad abzugebende Leistung P_Rad der Betriebsmodus ermitteln, der den besten Wirkungsgrad aufweist. In diesem Betriebsmodus wird das Hybridantriebssystem 1 betrieben.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines vorzugsweise seriellen hydraulischen Hybridantriebssystems (1), umfassend eine Brennkraftmaschine (8), eine erste Verdrängermaschine (11), eine zweite Verdrängermaschine (12), einen Druckspeicher (20) und eine Entkopplungsventileinrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, dass für einen vorgegebenen Lastpunkt (P_Rad) der Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebssystems (1) für alle möglichen Betriebsmodi aus entsprechenden Gesamtwirkungsgrad-Kennfeldern ausgelesen wird, die ausgelesenen Gesamtwirkungsgrade aller möglichen Betriebsmodi miteinander verglichen werden und das Hybridantriebssystem (1) in dem Betriebsmodus betrieben wird, der den besten Gesamtwirkungsgrad hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Betriebsmodus einen Betrieb des Hybridantriebsystems (1) ohne Druckspeicher (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus der Wirkungsgrad nach folgender Gleichung berechnet wird: $η_{I V T} = \frac{E_{A b t r i e b}}{E_{F T_I V T}}$
Mit: E_Abtrieb: die an einer Kupplung (22) vom Hybridantriebssystem (10) erzeugte Energie E_{FT_IVT}. die chemische Energie, die zur Erzeugung von E_Abtrieb von der Brennkraftmaschine (8) verbraucht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirkungsgrad (η_ESS) für eine Einspeicherung von Energie in den Druckspeicher (20) nach folgender Gleichung berechnet wird: $η_{E E S} = \frac{E_{E E S_G} + E_{E E S_R}}{E_{F T_G} - E_{F T_I V T}}$
Mit: E_{EES_G}: die Energie, die durch die primäre Verdrängermaschine (11) erzeugt und im Druckspeicher (20) abgelegt wird E_{EES_R}: die durch Rekuperation von Bremsenergie erzeugte und im Druckspeicher (20) abgelegte Energie E_{FT_G}: Energie, die von der Brennkraftmaschine (8) in Form von Kraftstoff während der Erzeugung von E_{EES_G}, verbraucht wird E_{FT_IVT}. Energie, die verbraucht worden wäre, wenn die Brennkraftmaschine (8) im ersten Betriebsmodus betrieben worden wäre.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus Energie, die an einem Abtrieb (24, 27, 28) des Hybridantriebsystems (1) benötigt wird und nicht von der Brennkraftmaschine (8) erzeugt wird, aus dem Druckspeicher (20) entnommen wird, oder dass Energie, die von der Brennkraftmaschine (8) erzeugt wird und nicht an einem Abtrieb (24, 27, 28) des Hybridantriebssystems (1) benötigt wird, in den Druckspeicher (20) eingespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (η_G) für den zweiten Betriebsmodus nach folgender Gleichung berechnet wird: $η_{G} = \frac{E_{E E S_G} + E_{A b t r i e b}}{E_{F T_G}}$
Mit E_Abtrieb: die an der Kupplung (22) wirksame Abtriebsenergie E_{EES_G}: die in den Druckspeicher (20) eingespeicherte Energie E_{FT_G}: die chemische Energie, die die Brennkraftmaschine (8) im zweiten Betriebsmodus in Form von Kraftstoff verbraucht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus Energie, die an einem Abtrieb (24, 27, 28) des Hybridantriebsystems (1) benötigt wird, von dem Druckspeicher (20) bereitgestellt wird und die Brennkraftmaschine (8) keine Energie zur Verfügung stellt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (η_SF) für den dritten Betriebsmodus, nach folgender Gleichung berechnet wird: $η_{S F} = η_{E S S} \frac{E_{A b t r i e b}}{E_{E S S_S F}}$
Mit E_Abtrieb: die an der Kupplung (22) wirksame Abtriebsenergie E_{ESS_SF}: Energie, die dem Druckspeicher (20) entnommen wird η_EES: Wirkungsgrad des Speichervorgangs.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Betriebsmodus Energie, die bei einer Verzögerung eines Abtriebs (24, 27, 28) frei wird, in den Druckspeicher (20) eingespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (η) des vierten Betriebsmodus gleich 1 gesetzt wird.