DE102011119902A1

DE102011119902A1 - Systeme und Verfahren zum Steuern eines Kraftmaschinendrehmoments

Info

Publication number: DE102011119902A1
Application number: DE102011119902A
Authority: DE
Inventors: Kerem Koprubasi; William L. Aldrich III
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: US20120143411A1; CN102556053B; DE102011119902B4; US8355833B2; CN102556053A

Abstract

Ein Fahrzeugsystem enthält ein elektrisches Teilsystem, eine Kraftmaschine, die ein erstes Drehmoment zum Antreiben einer Kurbelwelle erzeugt, eine elektrische Maschine, die ein zweites Drehmoment auf die Kurbelwelle aufbringt, und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das ein drittes Drehmoment auf die Kurbelwelle aufbringt. Das Fahrzeugsystem enthält auch ein Steuerteilsystem mit einem Prozessor und einem konkreten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium, das Anweisungen speichert, die bewirken, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor (i) während eines Betriebs des Fahrzeugs im Leerlauf einen Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi wählt, die einen Auflademodus und einen Entlademodus umfassen, um ein Nettodrehmoment zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment ist, und (ii) den Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus steuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Steuern eines Kraftmaschinendrehmoments einschließlich des Ansprechens auf Lasten auf der Kraftmaschine.
HINTERGRUND
Während eines Leerlaufbetriebs eines Fahrzeugs können Lasten zeitweise und schnell auf das Leistungssystem des Fahrzeugs aufgebracht werden und diesem Leistung entnehmen, die von der Brennkraftmaschine geliefert wird. Die Lasten umfassen verschiedene elektrische Lasten, mechanische Lasten und diejenigen, die durch Umgebungsbedingungen verursacht werden. Beispielsweise werden Lasten aufgebracht, wenn das Fahrzeug aus dem Leerlauf beschleunigt (wie etwa, wenn das Fahrzeug aus dem Stand oder von einer konstanten Geschwindigkeit ausgehend beschleunigt), wenn ein mit der Kraftmaschine gekoppelter Klimaanlagenkompressor eingeschaltet wird oder wenn ein Generator auf eine Zunahme der Verwendung elektrischer Leistung anspricht. Während eines Leerlaufbetriebs benötigt die Kraftmaschine allein eine relativ konstante spezifische Energiemenge, um die Kraftmaschine zu betreiben (z. B. um Wärmeverluste und Reibungsverluste zu kompensieren) und um eine konstante Leerlaufdrehzahl beizubehalten. Um jedoch die zeitweisen Lasten zu kompensieren, die auf die Kraftmaschine aufgebracht werden, während ein Betrieb mit konstanter Leerlaufdrehzahl beibehalten wird, wurden verschiedene Ansätze entwickelt.
Ein Ansatz besteht darin, eine Luftströmung in die Kraftmaschine hinein mit der Drosselklappe zu steuern. Die Drosselklappe stellt jedoch eine Drehmomentreaktion bereit, die oft zu langsam ist, um die Anforderungen von zeitweise aufgebrachten Lasten zu erfüllen. Ein weiterer Ansatz besteht darin, den Zündfunkenzeitpunkt zu steuern. Der Zündfunkenzeitpunkt wird für eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung mit Bezug auf eine Kurbelwellendrehung gemessen, wobei der obere Totpunkt (OT) des Kolbenkompressionstakts als 0 Grad angenommen wird. Die Zündfunkenfrühverstellung bezeichnet ein Zünden der Zündfunkenvorrichtung früher im Kolbenrotationszyklus. Die Zündfunkenspätverstellung bezeichnet das Zünden des Zündfunkens später im Rotationszyklus.
Im Idealfall ist der Zündfunkenzeitpunkt, der während eines Leerlaufbetriebs befohlen wird, diejenige Zündfunkenfrühverstellung, die einen Zeitpunkt mit maximalem Bremsdrehmoment bereitstellt (als MBT-Zeitpunkt bezeichnet). Dieser liefert die höchste Energieausgabe der Kraftmaschine für die gegebenen Betriebsbedingungen und die verwendete Kraftstoffmenge. Ein Spatverstellen des Zündfunkenzeitpunkts vom MBT-Zeitpunkt aus verringert die Leistungsausgabe aus der Kraftmaschine. Dies weist den Effekt der Verringerung des Wirkungsgrads der Kraftmaschine auf und benötigt mehr Luftströmung und Kraftstoff, um ein gegebenes Drehmoment bereitzustellen; aber dies weist auch den Effekt des Schaffens einer Drehmomentreserve auf, die verwendet werden kann, um die Anforderungen von schnell anwachsenden Lasten auf der Kraftmaschine über eine Zündfunkensteuerung zu erfüllen, indem der Zündfunke beim nächsten Verbrennungszyklus frühverstellt wird. Wie angemerkt wurde, führt jedoch das Spätverstellen des Zündfunkenzeitpunkts zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und einer gleichzeitigen Verringerung der Kraftstoffsparsamkeit.
Bei Fahrzeugen, wie etwa Hybridfahrzeugen, kann eine oder können mehrere elektrische Maschinen in Verbindung mit der Brennkraftmaschine arbeiten und verwendet werden, um auf zeitweise Lastanforderungen zu antworten. Die elektrische Maschine kann viel schneller auf Drehmomentbefehle antworten als durch für eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmomentbefehle. Folglich stellt die elektrische Maschine ein Drehmomentstellglied dar, das anstelle einer durch Zündfunkenspätverstellung erzeugten Drehmomentreserve verwendet werden kann. Wenn außerdem eine Last von der Kraftmaschine entfernt wird und weniger Drehmoment benötigt wird, kann die elektrische Maschine schnell ein negatives Drehmoment bereitstellen, das verwendet werden kann, um eine elektrische Energiespeichervorrichtung aufzuladen. Diese Operation beseitigt die Notwendigkeit, den Zündfunken zur Verringerung von Drehmomentanforderungen sogar noch weiter nach spät zu verstellen.
Die elektrische Maschine kann durch Batterien oder andere elektrische Energiequellen (wie etwa Superkondensatoren oder Brennstoffzellen) mit Leistung versorgt werden und weist auch die Fähigkeit zum Erzeugen und Speichern elektrischer Energie auf. Wenn die elektrische Maschine elektrische Energie entnimmt, liefert sie ein positives Drehmoment, wenn die elektrische Maschine elektrische Energie erzeugt und speichert, liefert sie ein negatives Drehmoment.
ZUSAMMENFASSUNG
Die verschiedenen Ausführungsformen stellen ein Kraftmaschinensteuersystem bereit, das ausgestaltet ist, um eine Drehmomentreserve im Leerlauf bereitzustellen, um während eines Leerlaufs der Kraftmaschine Verluste durch eine Zündfunkenspätverstellung zu verringern, um die Verbrennungsstabilität beim Leerlauf zu verbessern, und um Schwankungen der Batteriespannung auf einem Niederspannungsbus (LV-Bus) und damit verbundene Probleme erheblich zu verringern oder zu beseitigen.
Bei einer Ausführungsform bezieht sich die Offenbarung auf ein Fahrzeugsystem, das eine Kurbelwelle und eine Brennkraftmaschine enthält, die mit der Kurbelwelle verbunden ist und ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ erzeugt, um die Kurbelwelle anzutreiben. Das Fahrzeugsystem enthält ferner eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt, und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mindestens eine mechanische Zubehöreinrichtung enthält, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt. Das Fahrzeugsystem enthält auch ein Steuerteilsystem mit einem Prozessor und einem konkreten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium, das Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, veranlassen, dass der Prozessor (i) während eines Leerlaufbetriebs des Fahrzeugs einen Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi, welche einen Auflademodus und einen Entlademodus um fassen, wählt, um ein Nettodrehmoment T₄, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment ist (T₄ = T₁ + T₂ + T₃) zu stabilisieren und (ii) dass er den Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus steuert, wodurch Spannungsschwankungen im elektrischen Teilsystem (z. B. auf einem LV-Bus) begrenzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren, das durch ein rechnergestütztes System eines Fahrzeugs implementiert wird, das eine Kurbelwelle, eine mit der Kurbelwelle verbundene Brennkraftmaschine, die ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ zum Antreiben der Kurbelwelle erzeugt, eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt, aufweist. Das Verfahren umfasst, dass (1) während eines Leerlaufbetriebs des Fahrzeugs ein Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi, die einen Auflademodus und einen Entlademodus umfassen, gewählt wird, um ein Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Drehmoment ist (T₄ = T₁ + T₂ + T₃) und dass (2) ein Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus gesteuert wird, wodurch Spannungsschwankungen im elektrischen Teilsystem (z. B. Schwankungen auf dem LV-Bus) begrenzt werden.
Bei einer Ausführungsform betrifft die Offenbarung ein konkretes nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Anweisungen speichert, die, wenn sie von einem Computerprozessor ausgeführt werden, veranlassen, dass der Prozessor ein Verfahren zum Steuern gewählter Betriebsarten eines Fahrzeugs durchführt, welches ein elektrisches Teilsystem, eine Kurbelwelle, eine Brennkraftmaschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist und ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ zum Antreiben der Kurbelwelle erzeugt, eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt, aufweist. Das Verfahren umfasst, dass (a) während eines Leerlaufbetriebs des Fahrzeugs ein Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi gewählt wird, die einen Auflademodus und einen Entlademodus umfassen, um ein Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment ist (T₄ = T₁ + T₂ + T₃) und dass (b) ein Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus gesteuert wird, wodurch Spannungsschwankungen im elektrischen Teilsystem (z. B. Schwankungen auf dem LV-Bus) begrenzt werden.
Das Vorstehende hat einige der Aspekte und Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen grob skizziert, welche nur als Darstellungen verschiedener potentieller Anwendungen aufgefasst werden sollen. Andere nützliche Ergebnisse können erhalten werden, indem die offenbarten Informationen auf eine andere Weise angewandt werden oder indem verschiedene Aspekte der offenbarten Ausführungsformen kombiniert werden. Andere Aspekte und ein umfassenderes Verständnis können durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zusätzlich zu dem Umfang, der durch die Ansprüche definiert ist, erhalten werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem System, das zum Antworten auf Lasten gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgestaltet ist.
2 und 3 sind graphische Darstellungen von Drehmomenten, die mit einem Aufladebetriebsmodus des Systems von 1 verbunden sind.
4 und 5 sind graphische Darstellungen von Drehmomenten, die mit einem Entladebetriebsmodus des Systems von 1 verbunden sind.
6 ist eine graphische Darstellung eines Ladezustands, der mit einem Teilsystem von 1 verbunden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie gefordert, werden hier detaillierte Ausführungsformen offenbart. Es versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft sind und in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen daraus ausgeführt werden können. Bei der Verwendung hierin wird das Wort ”beispielhaft” ausgiebig gebraucht, um Ausführungsformen zu bezeichnen, die als Darstellungen, Muster, Modelle oder Vorlagen dienen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. In anderen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, nicht im Detail beschrieben, um ein Verschleiern der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Daher dürfen spezifische hier offenbarte strukturelle und funktionale Details nicht als Beschränkung interpretiert werden, sondern nur als eine Grundlage für die Ansprüche und als eine repräsentative Grundlage zur Unterrichtung des Fachmanns.
LEERLAUFBETRIEB
Beispielhafte Ausführungsformen eines Fahrzeugs werden im Kontext des Leerlaufbetriebs beschrieben. Ein Leerlaufbetrieb tritt allgemein auf, wenn Lasten der Brennkraftmaschine auf Lasten von Zusatzsystemen und Brennkraftmaschinenverlusten beschränkt sind, wie etwa wenn das Fahrzeug gestoppt ist. Während des Leerlaufbetriebs fordert der Fahrer im Allgemeinen keine Betriebsart an, die zu Veränderungen der Kraftmaschinendrehzahl führen würde. Ein Leerlaufbetrieb kann auch einen beliebigen Betriebsmodus umfassen, bei dem es notwendig ist, eine Drehmomentreserve über eine Zündfunkenspätverstellung aufrechtzuerhalten, um die Erfordernisse des Drehmomentbedarfs für zeitweise auftretende Lasten zu erfüllen, während ein gleichmäßiger Kraftmaschinenbetrieb beibehalten wird.
LASTEN
Hier beschriebene Systeme und Verfahren sind ausgestaltet, um auf Lasten anzusprechen, die während eines Leerlaufbetriebs des Fahrzeugs zeitweise und schnell auf das Leistungssystem des Fahrzeugs (z. B. die Kraftmaschine) aufgebracht werden. Derartige Lasten umfassen mechanische Lasten, elektrische Lasten, Lasten aufgrund von Umgebungsbedingungen und dergleichen. Zum Beispiel treten Laständerungen immer dann auf, wenn mechanische Vorrichtungen, die mit der Drehausgabe der Brennkraftmaschine direkt gekoppelt sind, ihre Drehmomentanforderungen verändern. Beispiele derartiger mechanischer Vorrichtungen sind: Klimaanlagenkompressoren, Generatoren, Pumpen usw. Zudem stellt das Fahrzeuggetriebe auch bei Leerlauf eine Last an der Kraftmaschine dar. Lasten von Schaltgetrieben bei ausgekuppelter Kupplung stellen eine zusätzliche Reibungshemmung bereit. Lasten von Automatikgetrieben umfassen eine Reibungshemmung, sie umfassen aber auch zusätzliche variierende Lasten, die benötigt werden, um die Hydraulikpumpe im Getriebe anzutreiben.
Mit Bezug auf 1 enthält ein Fahrzeug 100 eine Brennkraftmaschine 110, eine elektrische Maschine 112, andere Systeme 114 für mechanische Zubehöreinrichtungen, und ein Steuersystem 116. Die elektrische Maschine 112 kann ein Elektromotor und/oder ein Generator sein und ist bei einer Ausführungsform vorzugsweise ein kombinierter Elektromotor/Generator.
Die Kraftmaschine 110 treibt eine Kurbelwelle 120 an und die elektrische Maschine 112 und die Systeme 114 für mechanische Zubehöreinrichtungen sind mit der Kurbelwelle 120 gekoppelt. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die elektrische Maschine 112 mit der Kraftmaschine 110 selektiv gekoppelt. Zum Beispiel kann die elektrische Maschine über eine Kupplung, einen Riemenantrieb oder einen Zahnradantrieb verbunden sein.
Die Kraftmaschine 110 enthält eine Drosselklappe 122, die eine Luftströmung an die Kraftmaschine 110 steuert, und eine Zündfunkensteuerung (nicht im Detail gezeigt), die den Zündfunkenzeitpunkt steuert. Die Drosselklappe 122 und die Zündfunkensteuerung werden vom Steuersystem 116 elektronisch gesteuert. Die Kraftmaschine 110 erzeugt ein Kraftmaschinendrehmoment T₁, das auf die Kurbelwelle 120 als Funktion der Luftmenge, die in die Kraftmaschine 110 eindringt, und einer Einstellung des Zündfunkenzeitpunkts aufgebracht wird. Der Zündfunkenzeitpunkt kann frühverstellt oder spätverstellt werden, um das Kraftmaschinendrehmoment T₁ zu verändern. Im Allgemeinen hält das Steuersystem 116 den Zündfunkenzeitpunkt jedoch in etwa bei dem MBT-Zeitpunkt, um die Kraftstoffeffizienz zu optimieren.
Die elektrische Maschine 112 ist ausgestaltet, um ein Drehmoment T₂ (positiv, negativ oder Null) auf die Kurbelwelle 120 aufzubringen. Die elektrische Maschine 112 bringt ein negatives Drehmoment T₂ auf, um von der Kraftmaschine 110 erzeugte Leistung zu verwenden, oder sie bringt ein positives Drehmoment T₂ auf, um die Leistungsausgabe durch die Kraftmaschine 110 zu ergänzen. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, werden das Kraftmaschinendrehmoment T₁ und das Drehmoment T₂ bei einem Leerlaufbetrieb so gesteuert, dass ein Nettodrehmoment stabilisiert wird. Folglich ist die elektrische Maschine 112 ausgestaltet, um den Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 110 zu unterstützen.
Die Systeme für mechanische Zubehöreinrichtungen 114 sind ausgestaltet, um ein Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle 120 aufzubringen. Die Systeme für mechanische Zubehöreinrichtungen 114 bringen kein Zubehördrehmoment T₃ auf oder sie bringen ein negatives Zubehördrehmoment T₃ auf, um Leistung zu verwenden, die von der Kraftmaschine 110 erzeugt wird. Beispielhafte Zubehörsysteme umfassen Getriebe (z. B. hinsichtlich von Drehverlusten), Lenkungssysteme, Bremssysteme, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensysteme (HVAC-Systeme), andere mechanische Systeme, Kombinationen daraus und dergleichen.
Mit Bezug auf 1–5 wird die Summe aus dem Kraftmaschinendrehmoment T₁, dem Drehmoment T₂ und dem Zubehördrehmoment T₃ als ein Nettodrehmoment T₄ bezeichnet. Das Nettodrehmoment T₄ ist im Allgemeinen ausreichend, um während des Leerlaufbetriebs die Reibung zu überwinden (z. B. die Reibung in der Kraftmaschine und/oder in anderen Teilen des Systems, die mit der Kraftmaschine 110 im Fahrzeug 100 verbunden sind) und eine gewünschte Leerlaufdrehzahl beizubehalten.
Mit 1 fortfahrend, enthält das Fahrzeug 100 ferner eine Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) 124, die mit Hilfe eines DC/DC-Umsetzers 126 mit einer Niederspannungsbatterie (LV-Batterie) 128 (z. B. einer 12 V-Batterie) verbunden ist. Die HV-Batterie 124 ist ausgestaltet, um die elektrische Maschine 112 mit Leistung zu versorgen und um durch diese aufgeladen zu werden. Die HV-Batterie 124 versorgt die elektrische Maschine 112 mit Leistung, wenn die elektrische Maschine 112 eine positive Last (z. B. ein positives Drehmoment T₂) aufbringt, und sie wird durch die elektrische Maschine 112 aufgeladen, wenn die elektrische Maschine 112 eine negative Last aufbringt (z. B. ein negatives Drehmoment T₂). Die HV-Batterie 124 ist auch ausgestaltet, um die LV-Batterie 128 wiederaufzuladen. Der DC/DC-Umsetzer 126 setzt die Ausgabe der HV-Batterie 124 in eine Eingabe zum Aufladen der LV-Batterie 128 um. Typischerweise liefert die LV-Batterie 128 elektrische Leistung für Niederspannungsteilsysteme 129 des Fahrzeugs, wie etwa Beleuchtung, Radio und dergleichen.
Das Steuersystem 116 wird nun in weiterem Detail beschrieben. Das Steuersystem 116 enthält eine Steuereinheit 130, die ausgestaltet ist, um die Drosselklappe 122, den Zündfunkenzeitpunkt und die elektrische Maschine 112 zu steuern.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Steuersystem 116 mit den mechanischen Zubehöreinrichtungen 114 verbunden, etwa in Fällen, in denen es notwendig ist, eine AC-Kompressorkupplung oder ein anderes Stellglied zu aktivieren.
Es ist festzustellen, dass die Steuereinheit 130 in der Praxis mit verschiedenen anderen Kraftfahrzeugsystemen kommunizieren kann und dass das in 1 gezeigte System der Klarheit halber vereinfacht ist. Während die in den Zeichnungen gezeigten Systeme in ein Kraftfahrzeug eingebaut sind, ist das System außerdem nicht darauf beschränkt, und kann in ein Flugzeug, ein Schiff oder irgendeine andere Anwendung eingebaut sein, in der eine Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
Die Steuereinheit 130 enthält einen Prozessor 140, ein computerlesbares Medium (z. B. einen Speicher 142) und Programmmodule, die durch das Programmmodul 144 dargestellt sind. Das Programmmodul 144 enthält von einem Computer ausführbare Anweisungen, die im Speicher 142 gespeichert sind und veranlassen, wenn sie von dem Prozessor 140 ausgeführt werden, dass die Steuereinheit 130 hier beschriebene Verfahren ausführt.
Obwohl die hier beschriebenen Verfahren manchmal in einem allgemeinen Kontext von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen beschrieben sein können, können die Verfahren der vorliegenden Offenbarung auch in Kombination mit anderen Programmmodulen und/oder als eine Kombination aus Hardware und Software implementiert sein. Der Begriff ”Programmmodul” oder Varianten davon wird hier ausgiebig so genutzt, dass er Routinen, Anwendungen, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen umfasst. Programmmodule können auf verschiedenen Systemkonfigurationen implementiert sein, welche Server, Netzwerksysteme, Einprozessor- oder Mehrprozessorsysteme, Minicomputer, Großrechner, Personalcomputer, tragbare Rechenvorrichtungen, mobile Vorrichtungen, mikroprozessorbasierte programmierbare Unterhaltungselektronik, Kombinationen daraus und dergleichen umfassen.
Computerlesbare Medien umfassen beispielsweise flüchtige Medien, nichtflüchtige Medien, entfernbare Medien und nicht entfernbare Medien. Der Begriff ”computerlesbare Medien” und Varianten davon bezeichnen, so wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, Speichermedien. Bei einigen Ausführungsformen umfassen Speichermedien flüchtige und/oder nichtflüchtige, entfernbare und/oder nicht entfernbare Medien, wie z. B. einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Halbleiterspeicher oder eine andere Speichertechnologie, ein CD-ROM, eine DVD, eine BLU-RAY oder einen anderen optischen Plattenspeicher, ein Magnetband, einen Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen.
Bei einer betrachteten Ausführungsform enthält das Steuersystem 116 ferner einen virtuellen Drehmomentsensor 150, der das Nettodrehmoment T₄ von der Kurbelwelle 120 bestimmt. Obwohl ein Rückkopplungskreis 152 gezeigt ist, der den virtuellen Drehmomentsensor 150 mit dem Steuersystem 116 zur Bereitstellung des Nettodrehmoments T₄ an das Steuersystem 116 verbindet, kann der virtuelle Drehmomentsensor 150 eine Komponente des Steuersystems 116 sein. Der virtuelle Drehmomentsensor 150 verwendet verschiedene Kraftmaschinen- und Endantriebmesswerte, um das Nettodrehmoment T₄ zu bestimmen.
Bei einer primären Ausführungsform enthält das Steuersystem 116 einen RPM-Sensor bzw. Drehzahlsensor (nicht gezeigt), der ausgestaltet ist, um die Drehzahl der Kurbelwelle 120 zu messen.
Bei einer betrachteten Ausführungsform enthält das Steuersystem 116 ferner einen virtuellen Ladezustandssensor 160, der den Ladezustand der (HV) Batterie 124 bestimmt und ihn an die Steuereinheit 130 liefert. Mit ”virtueller Sensor” ist ein Rechenmodul gemeint, das den Ladezustand schätzt. Der virtuelle Sensor 160 schätzt den Ladezustand unter Verwendung von gemessenen Variablen, wie etwa einer Spannung, einem Strom und einer Temperatur der Batterie, und von mathematischen Modellen (d. h. mathematischen Batteriemodellen).
Das Programmmodul 144 enthält von einem Computer ausführbare Anweisungen, die bewirken, wenn sie von dem Prozessor 140 ausgeführt werden, dass die Steuereinheit 130 die Kraftmaschine 110 und die elektrische Maschine 112 steuert und dadurch das Kraftmaschinendrehmoment T₁ und das Drehmoment T₂ steuert. im Allgemeinen werden das Kraftmaschinendrehmoment T₁ und das Drehmoment T₂ während eines Leerlaufbetriebs so gesteuert, dass das Nettodrehmoment T₄ stabilisiert wird.
Mit Bezug auf 2–5 arbeitet das Steuersystem 116 in einem von zwei Modi, die als ”Auflademodus” und ”Entlademodus” bezeichnet werden, um das Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren. 2 und 3 stellen den Auflademodus dar und 4 und 5 stellen den Entlademodus dar. Die in 3 und 5 gezeigten Nettodrehmomente T₄ sind im Wesentlichen gleich. 3 zeigt ein Nettodrehmoment T₄, das die Summe aus den Drehmomenten T₁, T₂, T₃ von 2 ist, und 5 ist ein Nettodrehmoment T₄, das die Summe aus den Drehmomenten T₁, T₂, T₃ von 4 darstellt.
Mit Bezug auf 2 und 3 steuert das Steuersystem 116 im Auflademodus die elektrische Maschine 112 so, dass sie ein negatives Drehmoment T₂ aufbringt und damit die HV-Batterie 124 auflädt. Das Steuersystem 116 erhöht oder verringert das Drehmoment T₂ nach Bedarf, um auf ein Zubehördrehmoment T₃ zu antworten, wobei eine Zunahme dessen in 2 und 4 gezeigt ist.
Hinsichtlich einer Erhöhung des Drehmoments T₂ verringert das Steuersystem 116 in einigen Fällen die absolute Größe eines negativen (oder Widerstands-)Drehmoments, wie in 2 gezeigt ist. Mit anderen Worten wird der numerische Wert des Drehmoments in Richtung Null erhöht, obwohl das erhöhte Drehmoment tatsächlich Null nicht erreichen kann, da die Größe des Aufladedrehmoments nur ausreichend verringert werden muss, um zeitweise auftretende Zubehörlasten zu kompensieren.
Außerdem betreibt das Steuersystem 116 die Kraftmaschine 110 im Auflademodus mit einem höheren Kraftmaschinendrehmoment T₁, um das negative Drehmoment T₂ zu kompensieren.
Mit Bezug auf 4 und 5 betreibt das Steuersystem 116 die elektrische Maschine 112 im Entlademodus so, dass ein zweites Drehmoment T₂ von etwa Null aufgebracht wird, um das Kraftmaschinendrehmoment T₁ zu minimieren, das benötigt wird, um ein Zielnettodrehmoment T₄ zu erhalten. Außerdem erhöht das Steuersystem 116 wie gezeigt das Drehmoment T₂ nach Bedarf, um auf das Zubehördrehmoment T₃ zu antworten, wie in 4 gezeigt ist.
Der Speicher 142 speichert Parameter, die verwendet werden, um ununterbrochene Werte für das Kraftmaschinendrehmoment T₁ und das Drehmoment T₂ zu bestimmen. Die Parameter enthalten einen Zielwert für das Nettodrehmoment T₄ und einen Maximalwert für das Zubehördrehmoment T₃. Der Zielwert für das Nettodrehmoment T₄ ist so bestimmt, dass er groß genug ist, um bei Leerlauf interne Kraftmaschinenverluste wie etwa eine mechanische Reibung zu überwinden.
Mit Bezug auf 6 wählt die Steuereinheit 130 bei einer Ausführungsform gemäß den von einem Computer lesbaren Anweisungen des Programmoduls 144 einen Betriebsmodus als Funktion beispielsweise des Ladezustands (SOC) der HV-Batterie 124. Wie zuvor erwähnt, enthält das Fahrzeug 100 einen virtuellen Ladezustandssensor 160, der einen Ladezustand an die Steuereinheit 130 liefert.
Wenn der Ladezustand kleiner als ein minimaler Ladezustand 602 ist, arbeitet die Steuereinheit 130 in einem Auflademodus 604. Obwohl der minimale Ladezustand 602 in 6 so gezeigt ist, dass er allgemein bei einem Ladezustandsniveau von Null liegt, ist der minimale Ladezustand 602 nicht unbedingt Null. Wenn der Ladezustand größer als ein maximaler Ladezustand 606 ist, arbeitet die Steuereinheit 130 in einem Entlademodus 608. Folglich bleibt die HV-Batterie 124 zumindest teilweise aufgeladen und wird nicht aufgeladen, wenn sie voll ist. Bei anderen betrachteten Ausführungsformen wählt die Steuereinheit 130 beim Ausführen der Anweisungen den Betriebsmodus als Funktion von anderen Variablen derart, dass der Modus für das Fahrzeug 100 am energieeffizientesten ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein minimaler Ladezustandsschwellenwert oder unterer Schwellenwert 610, der in 6 gezeigt ist, gemäß einem oder mehreren Faktoren eingestellt, etwa gemäß einer ermittelten minimalen Ladungsmenge, die notwendig ist, um das Aufbringen einer maximalen Zubehörlast (z. B. einer elektrischen Zubehörlast) zu ermöglichen. Außerdem wird bei einigen Ausführungsformen ein maximaler Ladezustandsschwellenwert oder oberer Schwellenwert 612, der auch in 6 gezeigt ist, gemäß einem oder mehreren Faktoren eingestellt, etwa gemäß einem ermittelten optimalen Ladezustand.
Das Verfügen über den einen oder diese beiden Schwellenwerte 610, 612, die in 6 gezeigt sind, legt einen Sicherheitsstreifen fest, der einen ausreichenden Puffer bereitstellt, bevor die physikalischen Grenzen 602 und/oder 606 der HV-Batterie erreicht werden. In Fällen, bei denen diese Schwellenwertstreifen verwendet werden, können die Streifen etwa in Abhängigkeit von der Gesamtkapazität der Batterie variieren. Beispielsweise kann eine größere Batteriekapazität mit einem kleineren SOC-Sicherheitsstreifen korrelieren.
Es ist festzustellen, dass eine elektrische Aufladeenergie in Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) vollständig oder zumindest teilweise von Energie des bordeigenen Kraftstoffs stammt. Wenn folglich zwischen den Schwellenwerten 610, 612 (die in 6 als ”604 oder 608” gezeigt sind) gearbeitet wird und entschieden wird, im Auflade- oder Entlademodus zu arbeiten, wäre es im Allgemeinen effektiv, die Batterie im Auflademodus aufzuladen, während sich das Fahrzeug im Leerlauf befindet, wenn die Batterie mit einer ausreichend hohen Umwandlungseffizienz von Kraftstoff in Elektrizität aufgeladen werden kann, und ansonsten die Batterie im Entlademodus zu entladen. Ein relativ hohes Drehmoment beispielsweise, z. B. das Drehmoment T₁ in 2, verbraucht Kraftstoff mit einer relativ hohen Rate m_{1_HIGH}, und ein relativ niedriges Drehmoment, z. B. T₁ in 4, verbraucht Kraftstoff mit einer relativ niedrigen Rate m_{1_LOW}.
Wenn beispielsweise T_{2_CHG} ein Aufladedrehmoment des Elektromotors darstellt, w₂ eine Elektromotordrehzahl darstellt, eff₂ den Wirkungsgrad der Energieumwandlung des Elektromotors (oder den Aufladewirkungsgrad) darstellt und Q_LHV einen unteren Heizwert von Kraftstoff darstellt, kann die folgende Beziehung verwendet werden, um den Wirkungsgrad des Umsetzens zusätzlichen Kraftstoffs in Elektrizität am Ausgang des Elektrogenerators zwischen dem Kraftstoffverbrauch m_{1_LOW} mit einer relativ niedrigen Rate und dem Kraftstoffverbrauch m_{1_HIGH} mit einer relativ hohen Rate zu beschreiben: P_{batt_In}/P_fuel = (T_{2_CHG} × w₂ × eff₂)/((m_{1_HIGH} – m_{1_LOW}) × Q_LHV)
Der Prozessor 140, der die im Speicher 142 gespeicherten Anweisungen implementiert, vergleicht diesen Wirkungsgrad (P_{batt_in}/P_fuel) mit einem vorbestimmten Wert für einen Energieumwandlungswirkungsgrad. Der Wert für den Energieumwandlungswirkungsgrad wird durch den Prozessor 140 vorberechnet und im Speicher 142 gespeichert oder er wird bei einer betrachteten Ausführungsform außerhalb des Fahrzeugs berechnet und wird bei einem anfänglichen oder aktualisierten Datenladen im Speicher 142 gespeichert, etwa bei der Fahrzeugherstellung oder Wartung. Der vorbestimmte Wert des Energieumwandlungswirkungsgrads ist so eingestellt, dass es am besten wäre, die Batterie aufzuladen, wenn der bewertete Wirkungsgrad (P_{batt_in}/P_fuel) den vorbestimmten Wirkungsgrad während eines Betriebs des Fahrzeugs im Leerlauf überschreitet. Auf ähnliche Weise wäre es am besten, die Batterie zu entladen, wenn der bewertete Wirkungsgrad (P_{batt_in}/P_fuel) den vorbestimmten Wirkungsgrad während eines Betriebs des Fahrzeugs im Leerlauf nicht überschreitet, und das System kann eine effizientere Aufladegelegenheit später während des Fahrzyklus identifizieren. Bei einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Wert für den Energieumwandlungswirkungsgrad ein Spitzen-Energieumwandlungswirkungsgrad, der für das System möglich ist. Als ein Beispiel ohne Einschränkung liegt bei einer Implementierung die Spitzen-Energieumwandlung bei etwa 35% des Spitzen-Kraftmaschinenwirkungsgrads und bei etwa 85% des Generatorwirkungsgrads.
Ein Ziel der vorliegenden Technologie besteht darin, Drehmomentstörungen an der Kraftmaschinenwelle schnell entgegenzuwirken, während ein hoher Energieumwandlungswirkungsgrad (z. B. Kraftstoff und Elektrizität kombiniert) beibehalten wird. Das Vorhandensein des HV-Systems und des DC/DC-Umsetzers ermöglicht es, den LV-Bus von potentiellen Spannungsschwankungen, die auf dem HV-Bus auftreten, teilweise zu isolieren.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nur beispielhafte Darstellungen von Implementierungen, die zum klaren Verständnis der Prinzipien der Erfindung offengelegt sind. Variationen, Modifikationen und Kombinationen, die mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verbunden sind, können durchgeführt werden, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen. Alle derartigen Variationen, Modifikationen und Kombinationen sind durch den Umfang dieser Offenbarung und die folgenden Ansprüche hier enthalten.

Claims

Fahrzeugsystem, umfassend: ein elektrisches Teilsystem, das eine Hochspannungsbatterie, eine Niederspannungsbatterie, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer und elektrische Zubehöreinrichtungen enthält; eine Kurbelwelle; eine Brennkraftmaschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist und ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ zum Antreiben der Kurbelwelle erzeugt; eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt; ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mindestens eine mechanische Zubehöreinrichtung enthält, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und das ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt; ein Steuerteilsystem, umfassend: einen Prozessor; und ein konkretes nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, veranlassen, dass der Prozessor: während eines Leerlaufbetriebs des Fahrzeugs einen Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi wählt, die einen Auflademodus und einen Entlademodus enthalten, um ein Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment (T₄ = T₁ + T₂ + T₃) ist; und einen Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus steuert.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die Anweisungen beim Veranlassen, dass der Prozessor den Betriebsmodus aus den mehreren Systemmodi wählt, veranlassen, dass der Prozessor: Fahrzeugparameter, die ein Aufladedrehmoment T_{2_CHG} des Elektromotors, eine Elektromotordrehzahl w₂, einen Wirkungsgrad eff₂ der Energieumwandlung des Elektromotors und einen unteren Heizwert Q_LHV von Kraftstoff umfassen, gemäß einem Algorithmus bewertet, der einen Wirkungsgrad des Umwandelns von zusätzlichem Kraftstoff in Elektrizität an einem Elektrogeneratorausgang zwischen einem Kraftstoffverbrauch m_{1_LOW} mit einer relativ niedrigen Rate und einem Kraftstoffverbrauch m_{1_HIGH} mit einer relativ hohen Rate in Beziehung setzt, wobei der Algorithmus dargestellt wird durch: P_{batt_In}/P_fuel = (T_{2_CHG} × w₂ × eff₂)/((m_{1_HIGH} – m_{1_LOW}) × Q_LHV) ; den Auflademodus wählt, wenn der Kraftstoffumwandlungswirkungsgrad einen vorbestimmten Wert des Energieumwandlungswirkungsgrads überschreitet; und den Entlademodus wählt, wenn der Kraftstoffumwandlungswirkungsgrad den vorbestimmten Wert des Energieumwandlungswirkungsgrads nicht überschreitet.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei: das System ferner eine Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) umfasst; und die Anweisungen veranlassen, dass der Prozessor: einen Ladezustand (SOC) der HV-Batterie beim Wählen des Betriebsmodus berücksichtigt; und beim Veranlassen, dass der Prozessor den Betriebsmodus wählt: er den Auflademodus wählt, wenn der SOC kleiner als ein minimaler SOC ist, der in dem konkreten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium gespeichert ist; und er den Entlademodus wählt, wenn der SOC größer als ein maximaler SOC ist, der in dem konkreten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium gespeichert ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei: das System ferner eine Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) umfasst; und die Anweisungen veranlassen, dass der Prozessor: den Ladezustand der HV-Batterie beim Wählen des Betriebsmodus berücksichtigt; und das Veranlassen, dass der Prozessor den Betriebsmodus wählt, veranlasst, dass der Prozessor: einen minimalen SOC-Schwellenwert bestimmt; einen maximalen SOC-Schwellenwert bestimmt; den Entlademodus wählt, wenn der SOC innerhalb des maximalen SOC-Schwellenwerts liegt; und den Auflademodus wählt, wenn der SOC innerhalb des minimalen SOC-Schwellenwerts liegt.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 4, wobei die Anweisungen veranlassen, dass der Prozessor: den maximalen SOC-Schwellenwert gemäß mindestens einem Faktor bestimmt, der einen optimalen SOC für die HV-Batterie umfasst; den minimalen SOC-Schwellenwert so bestimmt, dass eine Pufferregion des Auflademodusbetriebs zwischen einem minimalen SOC, der in dem computerlesbaren Medium gespeichert ist, und einer Minimalgrenze, die mit der HV-Batterie verbunden ist und in dem computerlesbaren Medium gespeichert ist, umfasst ist; und den maximalen SOC-Schwellenwert so bestimmt, dass eine Pufferregion des Entlademodusbetriebs zwischen einem maximalen SOC, der in dem computerlesbaren Medium gespeichert ist, und einer Maximalgrenze, die mit der HV-Batterie verbunden ist und in dem computerlesbaren Medium gespeichert ist, umfasst ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die Anweisungen beim Veranlassen, dass der Prozessor die elektrische Maschine und/oder die Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus steuert, veranlassen, dass der Prozessor die elektrische Maschine so betreibt, dass das zweite Drehmoment T₂ zunimmt oder abnimmt, um das dritte Zubehördrehmoment T₃ zu kompensieren.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei die Anweisungen beim Veranlassen, dass der Prozessor die Kraftmaschine und/oder die elektrische Maschine gemäß dem gewählten Modus steuert, veranlassen, dass der Prozessor: die elektrische Maschine so betreibt, dass das zweite Drehmoment T₂ positiv oder etwa Null ist, wenn der Entlademodus gewählt ist; und die elektrische Maschine so betreibt, dass das zweite Drehmoment T₂ negativ oder etwa Null ist, wenn der Auflademodus gewählt ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 7, wobei die Anweisungen veranlassen, dass der Prozessor beim Steuern der Kraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine gemäß dem gewählten Modus die Kraftmaschine so steuert, dass das Kraftmaschinendrehmoment T₁ in Ansprechen darauf erhöht wird, dass die elektrische Maschine so gesteuert wird, dass das negative zweite Drehmoment T₂ aufgebracht wird.
Verfahren, das durch ein computergestütztes System eines Fahrzeugs implementiert ist, das ein elektrisches Teilsystem, eine Kurbelwelle, eine Brennkraftmaschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist und ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ zum Antreiben der Kurbelwelle erzeugt, eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt, und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt, aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: während eines Betriebs des Fahrzeugs im Leerlauf ein Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi gewählt wird, welche einen Auflademodus und einen Entlademodus umfassen, um ein Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment ist (T₄ = T₁ + T₂ + T₃); und ein Betrieb der elektrischen Maschine und/oder der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus gesteuert wird.
Konkretes nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Anweisungen speichert, die veranlassen, wenn sie von einem Computerprozessor ausgeführt werden, dass der Prozessor ein Verfahren zum Steuern gewählter Betriebsarten eines Fahrzeugs durchführt, das ein elektrisches Teilsystem, eine Kurbelwelle, eine Brennkraftmaschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist und ein erstes Kraftmaschinendrehmoment T₁ zum Antreiben der Kurbelwelle erzeugt, eine elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein zweites Drehmoment T₂ auf die Kurbelwelle aufbringt, und ein Teilsystem für mechanische Zubehöreinrichtungen, das mit der Kurbelwelle gekoppelt ist und ein drittes Zubehördrehmoment T₃ auf die Kurbelwelle aufbringt, aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: während eines Betriebs des Fahrzeugs im Leerlauf ein Betriebsmodus aus mehreren Systemmodi gewählt wird, welche einen Auflademodus und einen Entlademodus umfassen, um ein Nettodrehmoment T₄ zu stabilisieren, das eine Summe aus dem ersten, zweiten und dritten Drehmoment ist (T₄ = T₁ + T₂ + T₃); und ein Betrieb der elektrischen Maschine und der Kraftmaschine gemäß dem gewählten Modus gesteuert wird.