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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebsstrangs, der eine elektrische Maschine umfasst.
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Im Rahmen der öffentlich geführten CO2 Diskussion sowie stetig steigenden Kraftstoffpreisen steigt die Bedeutung von Systemen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emission. Eine Hybridisierung des Antriebsstranges wird vor diesem Hintergrund zunehmend an Bedeutung gewinnen.
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Ein Ziel von Hybridfahrzeugen ist die Rückgewinnung (Rekuperation) der beim Bremsen freiwerdenden kinetischen Energie bzw. der bei Bergabfahrt freiwerdenden potentiellen Energie. Diese kann z. B. genutzt werden, um das Bordnetz zu versorgen, welches einen deutlichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat.
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Ermöglicht die elektrische Maschine durch einen Wechselrichter auch einen motorischen Betrieb, so kann das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors durch ein elektrisches Moment erhöht werden (Boost) um z. B. die Fahrbarkeit zu erhöhen. Wird ferner z. B. durch Rekuperation mehr Energie zurück gewonnen als für die Versorgung des Bordnetzes und die Boostfunktion benötigt wird, so besteht ferner die Möglichkeit, das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors gezielt zu reduzieren und durch ein elektrisches Moment zu kompensieren. Durch diese Lastpunktverschiebung kann eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Zur Hybridisierung des Antriebstranges sind also eine geeignete elektrische Maschine und ein geeigneter Energiespeicher wie z. B. eine Lilonen-Batterie als Leistungsbatterie sowie eine geeignete Regelungsstrategie notwendig.
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Der elektrische Antrieb kann in den Hybridfahrzeugen entweder motorisch zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder generatorisch, z. B. zur Rückgewinnung von Bremsenergie genutzt werden. Hat die Leistungsbatterie jedoch einen niedrigen Ladezustand oder allgemein einen schlechtem Zustand z. B. aufgrund von Temperatur oder Alterung, kann jedoch auch außerhalb der Bremsphasen ein generatorischer Betrieb notwendig sein. In diesem Fall wird der elektrische Antrieb nicht aus der kinetischen bzw. potentiellen Energie des Fahrzeugs angetrieben, sondern muss vom Verbrennungsmotor unter Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff angetrieben werden, um Strom zum Laden der Leistungsbatterie bzw. zur Versorgung des Bordnetzes zu erzeugen. In diesem Fall führt der generatorische Betrieb zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs.
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Zur Regelung der Betriebsmodi des elektrischen Antriebs, also sowohl seiner motorischen Leistung als seiner generatorischen Leistung, sind verschiedene Energie-Managementstrategien möglich. Ziel dieser Strategien kann sein, einen Soll-Ladezustand einzuregeln. Dies führt dazu, dass nach einer Rekuperationsphase und damit einem Ladezustand größer als dem Soll-Ladezustand eine Boostphase eingeleitet wird, bis der Soll-Ladezustand eingeregelt ist. Wird jedoch vom Fahrer längere Zeit eine elektrische Unterstützung gefordert, so würde ebenfalls versucht, nach dieser Boostphase durch einen generatorischen Betrieb des elektrischen Antrieb möglichst schnell den Sollladezustand wieder herzustellen, in diesem Fall unter Einsatz von Kraftstoff zum Antrieb des elektrischen Antriebs im generatorischen Modus. Das Ziel, den Soll-Ladezustand möglichst schnell wieder einzuregeln führt zu einer Zyklisierung und damit Alterung der Leistungsbatterie.
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Aus der
DE 103 46 213 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Regelung des Ladezustands eines Energiespeichers bei einem Fahrzeug mit Hybridantrieb bekannt, bei dem der Ladezustand des Energiespeichers von einem Laderegler in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs geregelt wird.
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Aus der
DE 103 18 882 A1 ist eine Vorrichtung für ein Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Generatorbetrieb der Elektromaschine bei Unterschreiten eines Ladezustand-Schwellwertes freigebbar ist und eine Leistungsabgabe der Elektromaschine mindestens in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie begrenzbar ist.
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Aus der
DE 103 20 834 A1 ist eine Kommunikationsschnittstelle für einen Generatorregler bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 060 416 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb bekannt, das einen für einen Generator vorgesehenen Bauraum aufweist, wobei in dem Bauraum ein Elektronikmodul angeordnet ist, welches mit einer Komponente des Hybridantriebs verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass eine besonders einfache Partitionierung des Systems in elektrische Größen und mechanische Größen möglich ist, so dass eine Steuerung des Systems besonders einfach und robust implementiert werden kann.
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Diese Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebsstrangs, der eine elektrische Maschine umfasst, umfassend ein Energie-Management und ein elektrische-Maschine-Management, wobei das Energie-Management ausgestaltet ist, dem elektrische-Maschinen-Management eine elektrische Wunschleistung und/oder eine untere elektrische Begrenzung und/oder eine obere elektrische Begrenzung zu übermitteln. Vorteilhafterweise übermittelt das Energie-Management dem elektrische-Maschine-Management diese Größen permanent, also beispielsweise bei jedem Taktzyklus eines Bus-Kommunkations-Systems, mit dem die beiden verbunden sind. Diese Bedeutung des Begriffs „übermitteln” gilt auch für alle folgenden Aspekte der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum Betreiben des Antriebsstrangs derart ausgestaltet, dass eine von der elektrischen Maschine erzeugte Leistung kleiner oder gleich ist als die Leistung, die der oberen elektrischen Begrenzung entspricht, und größer oder gleich ist als die Leistung, die der unteren elektrischen Begrenzung entspricht. Auf diese Weise kann das Energie-Management auf besonders einfache Weise sicherstellen, in welchen Leistungsgrenzen die elektrische Maschine betrieben wird, d. h. die Verantwortung für den sicheren Betrieb der elektrischen Maschine ist mit Energie-Management gekapselt.
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Ferner umfasst die Vorrichtung zum Betreiben des Antriebsstrangs ein Powertrain-Managment, das ausgestaltet ist, dem elektrische-Maschinen-Management ein mechanisches Sollmoment zu übermitteln und wobei das elektrische-Maschinen-Management ausgestaltet ist, die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass diese das mechanische Sollmoment erzeugt. Dies ermöglicht eine weitergehende besonders einfache Partitionierung des Systems: Das Energie-Management kontrolliert nun die wesentlichen elektrischen Größen zur Steuerung der elektrischen Maschine, das Powertrain-Management kontrolliert die mechanischen Größen zur Steuerung der elektrischen-Maschine, und das elektrische-Maschine-Management, das auch die elektrische Maschine ansteuert, fungiert als Bindeglied zwischen diesen beiden Domänen (elektrisch/mechanisch).
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrische-Maschinen-Management ausgestaltet ist, dem Powertrain-Management ein mechanisches Wunschmoment und/oder eine untere mechanische Begrenzung und/oder eine obere mechanische Begrenzung zu übermitteln. Anstelle von Drehmomenten können selbstverständlich auch äquivalente Größen übermittelt werden, beispielsweise Leistungen. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist die Begrenzung des z. B. Drehmoments der elektrischen Maschine besonders einfach im Powertrain-Management zu koordinieren.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrische Maschinen-Management einen Umrechnungsblock umfasst, der derart ausgestaltet ist, elektrische Wunschleistung in mechanisches Wunschmoment und/oder untere elektrische Begrenzung in untere mechanische Begrenzung und/oder obere elektrische Begrenzung in mechanische Begrenzung umzurechnen. Auf diese Weise ist die Verbindung zwischen elektrischer Domäne und mechanischer Domäne besonders einfach.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Energie-Management ausgestaltet ist, von einer mit der elektrischen Maschine elektrisch gekoppelten Leistungsbatterie einen Ladezustand der Leistungsbatterie und/oder einen Batteriestrom und/oder eine Batteriespannung zu empfangen. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, den Zustand der Leistungsbatterie zu berücksichtigen, um somit wirkungsvoll eine Zyklisierung der Leistungsbatterie minimieren zu können.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrische-Maschinen-Management ausgestaltet ist, einen Stromfluss der elektrischen Maschine zu ermitteln und dem Energie-Management zu übermitteln. Dieser Stromfluss, der beispielsweise gemessen oder auch über z. B. über ein Modell oder über Kennlinien rechnerisch ermittelt werden kann, macht es dem Energie-Management besonders einfach, die Stromflüsse im Bordnetz zu ermitteln.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen die Integration von vorgehend genannten Management-Komponenten in Steuergeräte. Die nachfolgend genannten Ausführungsbeispiele von Integration dieser Management-Komponenten können mit den vorgehend genannten Aspekten, die allesamt die Kommunikation zwischen diesen Management-Komponenten betreffen, beliebig kombiniert werden, um weitere vorteilhafte Effekte zu erzielen.
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In einem ersten dieser die Integration betreffenden Aspekte kann vorgesehen sein, dass das elektrische-Maschinen-Management in ein Steuergerät zur Ansteuerung der elektrischen Maschine integriert ist. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Verkabelung und eine Bauraum sparende Herrichtung des elektrische-Maschine-Managements.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein dass mindestens zwei aus Energiemangement, elektrische-Maschinen-Management und Powertrain-Management in einem gemeinsamen Steuergerät integriert sind. Dies ermöglicht eine weitergehende effiziente Verkabelung und ermöglicht auch, die Verpackungskosten für Steuergeräte niedrig zu gestalten.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass das Energie-Management in das Steuergerät zur Ansteuerung der elektrischen Maschine integriert ist. Dies macht eine Integration aller die elektrischen Aspekte des Triebstrang-Managements betreffenden Management-Komponenten in einem Produkt besonders einfach, und ermöglicht eine besonders einfache Integration in bestehende Antriebsstrangkonzepte.
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In einem weiteren Aspekt kann dann vorgesehen sein, dass das Powertrain-Management nicht in das Steuergerät zur Ansteuerung der elektrischen Maschine integriert ist. Insbesondere dann, wenn das Powerttrain-Management auch die Motorsteuerung umfasst, ist somit eine vollständige Partitionierung mit besonders einfacher Austauschbarkeit von Komponenten zwischen elektrischer Domäne und mechanischer Domäne möglich.
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In einem alternativen Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Steuergerät sowohl Energie-Management als auch Powertrain-Management umfasst. Dies ermöglicht für ein ganzheitliches Management der Komponenten des Antriebsstrangs eine besonders einfache und wirtschaftliche Lösung.
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In einem weiteren Aspekt kann dann vorgesehen sein, dass das Steuergerät nicht das elektrische-Maschinen-Magenement umfasst. Dies ermöglicht eine besonders einfache Partitionierung zwischen den der unmittelbaren die elektrische Maschine betreffenden Komponenten und den Management-Funktionen (sowohl elektrisch als auch mechanisch) des Antriebsstrangs.
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Die Figuren zeigen besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigen:
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1 schematisch ein Zweispannungsbordnetz;
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2 schematisch den Aufbau von Informationsflüssen zur Steuerung der elektrischen Maschine;
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3 schematisch den Ablauf eines Verfahrensablaufs im Powertrain-Management;
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4 schematisch die Abhängigkeit von gewünschten elektrischen Leistungen der elektrischen Maschine als Funktion des Ladezustands der Leistungsbatterie;
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5 schematisch die Leistungscharakteristik einer Leistungsbatterie;
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6 schematisch die Abhängigkeit von gewünschten elektrischen Leistungen der elektrischen Maschine als Funktion des Ladezustands der Leistungsbatterie bei einer vorgesehenen Hysterese;
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt schematisch ein Zweispannungsbordnetz eines hybridisierten Antriebsstrangs mit einem 14 Volt-Niederspannungsbordnetz und einem 48 Volt-Hochspannungsbordnetz. Im Hochspannungsteil des Bordnetzes sind elektrische Maschine 1, beispielsweise ein Starter-Generator 1, weitere elektrische Verbraucher 2 (nur schematisch angedeutet) und eine Leistungsbatterie 3 vorhanden. Im Niederspannungsbereich des Bordnetzes sind ein Starter 5, der beispielsweise für konventionelle Starts verwendet werden kann, weitere elektrische Verbraucher 6 (nur schematisch angedeutet) sowie eine herkömmliche Batterie 7 vorhanden. Hochspannungsteile und Niederspannungsteil des Bordnetzes sind durch einen DC-DC-Wandler 4 gekoppelt. Die Steuerung und/oder Regelung der Komponenten des Antriebsstrangs geschieht beispielsweise durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8 (im Folgenden kurz „Steuergerät” genannt), auf der auch das erfindungsgemäße Verfahren durch ein in einem elektrischen Speichermedium gespeichertes Computerprogramm durchgeführt werden kann.
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Aus der elektrischen Maschine 1 fließt ein Stromfluss IEM der elektrischen Maschine 1. Dieser Stromfluss IEM der elektrischen Maschine 1 teilt sich auf in einen Batteriestrom IBat, der die Leistungsbatterie 3 lädt, und einen Bordnetzstrom IBN, der den verbleibenden Anteil des Stroms IEM der elektrischen Maschine, der nicht der Leistungsbatterie 3 zugeführt wird, den übrigen Komponenten des restlichen Bordnetzes zur Verfügung stellt. Über der Leistungsbatterie 3 fällt eine Batteriespannung IBat ab.
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Ein Fahrpedal 9 bzw. ein Bremspedal 10 liefern über jeweilige Sensorik ihre Aktuierungsgrade an das Steuergerät 8. Das Fahrpedal 9 übermittelt seinen Aktuierungsgrad wped an das Steuergerät 8, das Bremspedal 10 übermittelt seinen Aktuierungsgrad Bped an das Steuergerät 8. Im Steuergerät 8 kann insbesondere eine Auswertelogik vorhanden sein, die entscheidet, wie in dem Fall zu verfahren ist, dass sowohl Aktuierungsgrad des Fahrpedals als auch des Bremspedals ≠ 0 ist. Beispielsweise ist es hierbei möglich, dass in einem solchen Fall der Aktuierungsgrad des Fahrpedals wped intern auf 0 gesetzt wird und so der Aktuierungsgrad des Bremspedals Vorrang erhält. Ist im Folgenden vom Aktuierungsgrad des Fahrpedals bzw. des Bremspedals die Rede, so ist dies stets im Sinne von Aktuierungsgraden zu verstehen, die durch eine derarte Auswertelogik ausgewertet wurden, so dass insbesondere stets mindestens eine der beiden Größen wped, BPed = 0 ist.
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Beispielsweise über geeignete Sensorik oder beispielsweise über geeignete Verfahren ermittelt das Steuergerät den Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3.
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2 zeigt schematisch den Aufbau von Steuerungskomponenten des Antriebsstrangs. Zentral ist das elektrische-Maschine-Management 14, das einen Umrechnungsblock 16 umfasst. Das elektrische-Maschine-Management 14 ist beispielsweise baulich in die elektrische Maschine 1 integriert.
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Der Umrechnungsblock 16 empfängt die elektrische Wunschleistung PE sowie eine obere elektrische Begrenzung PEO und/oder eine untere elektrische Begrenzung PEU, die beide ebenfalls Leistungen entsprechen.
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Der Umrechnungsblock 16 empfängt ferner eine Umdrehungszahl der elektrischen Maschine 1, die beispielsweise mittels eines Sensors ermittelt wird. Dieser Sensor kann beispielsweise auch die Drehzahl einer Kurbelwelle erfassen, aus der dann die Umdrehungszahl der elektrischen Maschine 1 ermittelt wird.
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Der Umrechnungsblock 16 ermittelt aus elektrischer Wunschleistung PE das mechanische Wunschmoment MM. Analog werden aus oberer elektrischer Begrenzung PEO und/oder unterer elektrischer Begrenzung PEU die obere mechanische Begrenzung MMO bzw. die untere mechanische Begrenzung MMU ermittelt. Diese Ermittelung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Kennfeldern, die beispielsweise in Versuchen oder mittels theoretische Überlegungen gewonnen werden können, in denen der Zusammenhang zwischen generiertem Drehmoment, Stromfluss und Drehzahl der elektrischen Maschine 1 dargestellt ist. Unter der Annahme einer nicht veränderlichen Spannung des Bordnetzes, im Ausführungsbeispiel einer Nominalspannung von 48 V, wird dann z. B. aus einer elektrischen Leistung ein entsprechender Stromfluss und hieraus das zugehörige Drehmoment ermittelt.
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Das mechanische Wunschmoment MM, sowie obere mechanische Begrenzung MMO und/oder untere mechanische Begrenzung MMU werden einem Riementrieb-Management 18 übermittelt. Dieses Riementrieb-Management 18 ist beispielsweise in einem Powertrain-Management 20 enthalten. Das Riementrieb-Management 18 rechnet mechanisches Wunschmoment MM, sowie obere mechanische Begrenzung MMO und/oder untere mechanische Begrenzung MMU ggf. auf die Drehzahl der Kurbelwelle um, sodass alle Drehmomente eine gemeinsame Bezugsbasis haben.
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Das Powertrain-Management 20 ermittelt auf Basis des mechanischen Wunschmoments MM, oberer mechanischer Begrenzung MMO und/oder unterer mechanischer Begrenzung MMU beispielsweise anhand des in 3 dargestellten Verfahrens das mechanische Sollmoment MEMSoll. Dieses mechanische Sollmoment MEMSoll wird dem elektrische-Maschine-Management 14 zugeführt, das die elektrische Maschine 1 derart ansteuert, dass sie ein Drehmoment erzeugt, das dem mechanische Sollmoment MEMSoll entspricht. Dies bewirkt, dass die elektrische Maschine 1 den Stromfluss IEM der elektrischen Maschine erzeugt, der wenigstens zum Teil der Leistungsbatterie 3 zugeführt oder entnommen wird, was durch den schraffierten Pfeil angedeutet wird.
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Die Leistungsbatterie 3 umfasst eine Steuerlogik, die die momentanen Batteriestrom IBat, Batteriespannung UBat und Ladezustand SOC ermitteln und an ein Energie-Management 12 übermitteln. Optional kann vorgesehen sein, dass das elektrische-Maschine-Magenemnt 14 dem Energie-Management 12 den (beispielsweise als Schätzwert ermittelten) Wert des Stromflusses IEM der elektrischen Maschine 1 übermittelt. Das Energie-Management 12 ermittelt elektrische Wunschleistung PE sowie obere elektrische Begrenzung PEO und/oder untere elektrische Begrenzung PEU und übermittelt diese dem Umrechnungsblock 16 des elektrische-Maschine-Managements 14.
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Powertrain-Managment 20 und Energie-Management 14 sind im Ausführungsbeispiel in dem gemeinsamen Steuergerät 8 räumlich zusammengefasst integriert.
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3 zeigt beispielhaft den Ablauf einer mögliches Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Powertrain-Management 20. In einem Schritt 2000 werden Aktuierungsgrad des Fahrpedals wPed und Aktuierungsgrad des Bremspedals BPed ermittelt und hieraus das vom Fahrer gewünschte Fahrerwunsch-Radmoment FWRM ermittelt. Dies wird einem Schritt 2010 zugeführt, in dem momentensteuernde Eingriffe wie beispielsweise fahrdynamische Eingrifft (z. B. durch ESP) und/oder Getriebeeingriff (z. B. bei Schaltvorgängen) berücksichtig werden, um so das am Antriebsrad einzustellende Radsollmoment RSM zu ermitteln, das einem Schritt 2020 zugeführt wird. In Schritt 2020 wird aus dem Radsollmoment 2020 das Kupplungssollmoment KSM ermittelt.
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In Schritt 2030 wird das Verbrennungsmotorsollmoment VMSM als Kupplungssollmoment KSM minus mechanisches Wunschmoment MM ermittelt. Das Verbrennungsmotorsollmoment VMSM wird in einem Schritt 2040 vom Steuergerät 8 durch entsprechende Ansteuerung der Stellgrößen des Verbrennungsmotors eingestellt, d. h. der Verbrennungsmotor stellt ein Drehmoment ein, das dem Verbrennungsmotorsollmoment VMSM entspricht. Beispielsweise über eine Modellierung oder auch alternativ oder Sensorik wird in Schritt 2040 das Verbrennungsmotor-Istmoment VMIM ermittelt, also das Drehmoment, das der Verbrennungsmotor tatsächlich erzeugt. In Schritt 2050 wird das nicht limitierte mechanische Sollmoment MEMnl als Differenz von Kupplungssollmoment KSM und Verbrennungsmotor-Istmoment VMIM ermittelt. Das nicht limitierte mechanische Sollmoment MEMnl wird dem Limitierungsschritt 2060 zugeführt, in dem das mechanische Sollmoment MEMsoll ermittelt wird. Ist das nicht limitierte mechanische Sollmoment MEMnl größer als die obere mechanische Begrenzung MMO, wird das mechanische Sollmoment MEMsoll gleich der oberen mechanischen Begrenzung MMO gewählt. Ist das nicht limitierte mechanische Sollmoment MEMnl kleiner als die untere mechanische Begrenzung MMU, wird das mechanische Sollmoment MEMsoll gleich der unteren mechanischen Begrenzung MMU gewählt. Andernfalls wird das mechanische Sollmoment MEMsoll gleich dem nicht limitierten mechanischen Sollmoment MEMnl gewählt. In Schritt 2070 wird das mechanische Sollmoment MEMsoll dem elektrische Maschine-Management 14 übermittelt.
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4 (vgl. Bezugszeichen) zeigt, wie im Energie-Management 12 elektrische Wunschleisung PE, obere elektrische Begrenzung PEO und untere elektrische Begrenzung PEU ermittelt werden.
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In Abhängigkeit des Ladezustands SOC der Leistungsbatterie 3 wird die elektrische Wunschleistung PE durch eine Wunschleistungskennlinie 120 ermittelt oder ggf. durch eine optionale Wunschleistungskennlinie im Schubbetrieb 130 vorgegeben. Ob Schubbetrieb vorliegt, wird z. B. durch ein Flag „An/Aus” von der Motorsteuerung mitgeteilt. Es kann vorgesehen sein, dass dann, wenn das dieses Flag anzeigt, dass der Schubbetrieb „an” ist, die elektrische Wunschleistung gemäß der Wunschleistungskennlinie im Schubbetrieb 130 ermittelt wird, und andernfalls durch die Wunschleistungskennlinie 120.
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In Abhängigkeit des Ladezustands SOC der Leistungsbatterie 3 wird die obere elektrische Begrenzung PEO durch eine Boostkennlinie 110 ermittelt. Analog wird die untere elektrische Begrenzung PEU durch eine Bremskennlinie 100 ermittelt.
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In 4 ist der Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3 auf der Abszisse und die elektrische Leistung auf der Ordinate angeordnet. Eine motorische elektrische Leistung ist nach unten, eine generatorische Leistung ist nach oben aufgetragen, d. h. positive Wunschleistung PE und obere bzw. untere Begrenzung PEO/PEU sind mit positiver Achse nach unten aufgetragen.
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Der Ladezustand SOC ist durch 6 Schwellwerte (in aufsteigender Reihenfolge erster Schwellwert 401, zweiter Schwellwert 402, dritter Schwellwert 403, vierter Schwellwert 404, fünfter Schwellwert 405 und sechster Schwellwert 406) in insgesamt 7 Bereiche unterteilt: einen ersten Bereich B1 zwischen Ladezustand SOC = 0 und erstem Schwellwert, einem zweiten Bereich B2 zwischen erstem Schwellwert 401 und zweitem Schwellwert 402, einem dritten Bereich B3 zwischen zweiten Schwellwert 402 und drittem Schwellwert 403, einem vierten Bereich B4 zwischen viertem Schwellwert 404 und fünftem Schwellwert 405, einem sechsten Bereich B6 zwischen fünftem Schwellwert 405 und sechstem Schwellwert 406, und einem siebten Bereich bei einem Ladezustand größer als dem sechsten Schwellwert 406.
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Strichpunktiert eingezeichnet ist die Bremskennlinie 100, die bei Ladezuständen SOC kleiner als fünfter Schwellwert 405 einen im Wesentlichen konstanten Wert positiver generatorischer Leistung PGen annimmt. Diese positive generatorische Leistung PGen wird so gewählt, dass diese Leistung von elektrischer Maschine 1 und Leistungsbatterie 3 während eines Zeitraums, der einige Sekunden, z. B. 5 s umfasst, gestellt werden kann. Die Bremskennlinie 100 fällt dann bis zum sechsten Schwellwert 406 kontinuierlich auf 0 ab, und ist im siebten Bereich B7 unabhängig vom Ladezustand SOC konstant = 0. Es ist auch möglich, sie im siebten Bereich B7 konstant gleich der Bordnetzleistung 200 zu wählen.
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Ebenso dargestellt ist die Boostkennlinie 110, die bei einem Ladezustand SOC größer als der zweite Schwellwert 402 eine im Wesentlichen konstante motorische Leistung PMot annimmt. Diese motorische Leistung PMot wird so gewählt, dass diese Leistung von elektrischer Maschine 1 und Leistungsbatterie 3 während eines Zeitraums, der einige Sekunden, z. B. 5 s umfasst, gestellt werden kann. Die Boostkennlinie fällt dann im zweiten Bereich B2 mit sinkendem Ladezustand SOC kontinuierlich auf 0 und darunter ab, kehrt sich also in eine generatorische Leistung um. Diese generatorische Leistung PGen steigt mit weiter fallendem Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3 weiter an, und überschreitet vor Erreichen des ersten Schwellwerts 401 die Bordnetzlast 200. Im ersten Bereich B1 nimmt die durch die Boostkennlinie gegebene generatorische Leistung PGen im Wesentlichen konstanten Wert als Funktion des Ladezustands SOC an.
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Die Bordnetzlast 200 wird im Energie-Management 12 beispielsweise als Produkt aus Bordnetzstrom IBN und nominaler Spannung des Hochvolt-Teilbordnetzes, im Ausführungsbeispiel 48 V, ermittelt. Bordnetzstrom IBN kann beispielsweise als Differenz zwischen Stromfluss IEM der elektrischen Maschine 1 und Batteriestrom IBat ermittelt werden.
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Die Normalfahrtkennlinie 120 (durchgezogene Linie) liegt im gesamten Ladezustandsbereich SOC der Leistungsbatterie 3 oberhalb der Boostkennlinie 110 (d. h. es wird eine höhere generatorische Leistung PGen bzw. eine geringere motorische Leistung PMot angegeben) und unterhalb der Bremskennlinie 100 (d. h. es wird eine geringere generatorische Leistung PGen bzw. eine größere motorische Leistung PMot angegeben). Im ersten Bereich B1 und zweiten Bereich B2 nimmt die Normalfahrtkennlinie 120 einen im Wesentlichen konstanten Wert an positiver generatorischer Leistung PGen an. Diese generatorische Leistung PGen wird z. B. so gewählt, dass die Leistungsbatterie 3 mit dieser Leistung kontinuierlich, also z. B. bis der Ladezustand SOC den zweiten Schwellwert 402 überschreitet, geladen werden kann.
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Sie fällt dann im dritten Bereich B3 mit steigendem Ladezustand SOC kontinuierlich auf die vorgebbare Lastschwelle 200 ab. Im vierten Bereich B4 ist die generatorische Leistung PGen wie auch die motorische Leistung PMot = 0, und im fünften Bereich B5 bzw. im sechsten Bereich B6 steigt die durch die Normalfahrtkennlinie 120 gegebene motorische Leistung PMot mit steigendem Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3 kontinuierlich an.
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Strichpunktiert eingezeichnet ist die optionale Schubkennlinie 130, die im ersten Bereich B1 und im zweiten Bereich B2 mit der Normalfahrtkennlinie 120 übereinstimmt, und im dritten Bereich B3, im vierten Bereich B4, im fünften Bereich B5 und im sechsten Bereich B6 eine generatorische Leistung PGen angibt, die zwischen Normalfahrtkennlinie 120 und Bremskennlinie 100 liegt. Die durch die Schubkennlinie 130 gegebene positive generatorische Leistung PGen nimmt im dritten Bereich B3 und vierten Bereich B4 mit steigendem Ladezustand SOC zunächst kontinuierlich ab auf einen Wert, der oberhalb der vorgebbaren Lastschwelle 200 liegt. Bei weiter steigendem Ladezustand SOC ist die generatorische Leistung PGen der Schubkennlinie 130 dann im vierten Bereich B4 und im fünften Bereich B5 im Wesentlichen konstant, um im sechsten Bereich B6 mit steigenden Ladezustand SOC kontinuerlich auf 0 abzufallen. Im siebten Bereich B7 sind sowohl generatorische Leistungen PGen als auch motorische Leistungen PMot der Schubkennlinie 130 = 0.
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Im ersten Bereich B1, der einem Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3 unterhalb des zulässigen Ladezustands SOC der Leistungsbatterie 3 entspricht, sind alle Kennlinien so zu wählen, dass sie einer generatorischen Leistung PGen entsprechen, die über der Bordnetzlast liegt. Die Boostkennlinie 100 ist in diesem Bereich also z. B. so zu wählen, dass sie sicher über der maximal auftretenden Bordnetzlast liegt. Alternativ kann die der Boostkennlinie 110 entsprechende generatorische Leistung PGen in diesem Bereich auch dynamisch in Abhängigkeit der aktuellen Bordnetzlast 200 angepasst werden, z. B. als Bordnetzlast 200 plus eine feste Leistung, z. B. 500 W.
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Die Darstellung von 4 bei dem negative Werte der Ordinate einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 entsprechen, und bei dem positive Werte der Ordinate einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 entsprechen, ermöglicht folgende einfache Lesart:
Ist die generatorische Leistung in 3 größer als die Bordnetzlast 200, so wird die Leistungsbatterie 3 geladen, und der Ladungszustand SOC steigt entsprechend. Analog sinkt der Ladungszustand SOC, wenn die generatorische Leistung PGen kleiner als die Bordnetzlast 200 ist.
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Der Ladezustands-Bereich zwischen zweiten Schwellwert 402 und drittem Schwellwert 403 stellt eine Boostreserve 210 dar, d. h. in diesem zweiten Bereich B2 des Ladezustands SOC ist ein Boosten mit maximaler möglicher Boostleistung verfügbar (während diese maximale mögliche Boostleistung bei niedrigerem Ladezustand SOC nicht mehr verfügbar ist).
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Analog stellt der Ladezustands-Bereich zwischen viertem Schwellwert 404 und fünftem Schwellwert 405 eine Rekuperationsreserve 215 dar, d. h. in diesem fünften Bereich B5 ist Rekuperation mit maximal möglicher generatorischer Leistung verfügbar.
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Der Ladezustands-Bereich zwischen erstem Schwellwert 401 und sechstem Schwellwert 406 stellt den nutzbaren Ladezustands-Bereich 220 dar, d. h. im normalen Betrieb wird sich der Ladezustand SOC stets in diesem Ladezustands-Bereich 220 bewegen, und ihn nicht verlassen.
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Der Ladezustands-Bereich zwischen drittem Schwellwert 403 und viertem Schwellwert 404 stellt den Plateaubereich 230 dar, in dem durch die Wunschleisungskennlinie 230 gegebene elektrische Wunschleistung PE als Funktion des Ladezustands SOC nicht ändert. Der dritte Schwellwert 403 stellt somit die untere Grenze des Plateaubereichs 230 dar, der vierte Schwellwert 404 die obere Grenze des Plateaubereichs 230.
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In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die durch Wunschleistungskennlinie 120 und/oder Wunschleistungskennlinie im Schubbetrieb 130 gegebene generatorische Leistung PGen als Funktion des Ladezustands SOC im zweiten Bereich B2 konstant, um dann am Übergang zum dritten Bereich abzuknicken, und mit steigendem Ladezustand SOC auf null abzufallen. Der Ladezustand SOC, an dem dieser Abfall beginnt, kann auch bereits im zweiten Bereich B2 oder im dritten Bereich B3 liegen.
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Zur Illustration der Wahl von erstem Schwellwert 401 und sechstem Schwellwert 406 wird auf 5 verwiesen. Hier dargestellt ist eine Batterieleistung PBat der Leistungsbatterie 3 (gegeben durch das Produkt aus Batteriestrom IBat und Batteriespannung UBat) über dem Ladeszustand SOC der Leistungsbatterie 3. Eine Ladekennlinie 500 gibt den charakteristischen Zusammenhang zwischen Batterieleistung PBat und Ladezustand SOC beim Laden der Batterie wieder, eine Entladekennlinie 510 beim Entladen.
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Die Ladekennlinie 500 nimmt bei kleineren Werten des Ladezustands einen näherungsweise konstanten Wert der Batterieleistung PBat an. Bei einem charakteristischen Wert, beispielsweise bei einem Ladezustand SOC von ca. 60%, beginnt die Batterieleistung PBat mit steigendem Ladezustand SOC zu sinken. Die durch Entladekennlinie 510 charakterisierte Batterieleistung PBat steigt über den gesamten Bereich des Ladezustands SOC mit wachsendem Ladezustand SOC an.
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Die Lebensdauer der Leistungsbatterie 3 hängt charakteristisch von der gewählten Breite des nutzbaren Ladezustands-Bereichs 220 ab – je breiter der nutzbare Ladezustands-Bereich 220 gewählt wird, desto kürzer ist die Lebensdauer der Leistungsbatterie 3. Aus Abwägung der Vorteile eines breiten nutzbaren Ladezustand-Bereichs 220 gegen die Nachteile einer verkürzten Lebensdauer kann man die Breite des nutzbaren Ladezustand-Bereichs 220 festlegen, beispielsweise auf 50% der Gesamtbreite des Bereichs möglicher Ladezustände SOC. Die Position des Ladezustand-Bereichs 220 hingegen hat in weiten Teilen keine wesentliche Auswirkung auf die Lebensdauer der Leistungsbatterie 3, sodass erster Schwellwert 401 und sechster Schwellwert 406 unter dem Gesichtspunkt der Lebensdauer der Leistungsbatterie 3 in weiten Grenzen frei gewählt werden können, sofern nur ihr Abstand gleich der gewählten Breite des nutzbaren Ladezustand-Bereichs 220 ist. Beispielsweise kann der erste Schwellwert 401 gleich 30% gewählt werden, und der sechste Schwellwert 406 gleich 80%.
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Nach fixiertem erstem Schwellwert 401 kann der zweite Schwellwert 402 vorteilhafterweise derart gewählt werden, dass die Steigung der Boostkennlinie 110 im Bereich zwischen erstem Schwellwert 401 und zweitem Schwellwert 402 so steil wie möglich wird, aber doch so flach ist, dass sie vom Fahrer nicht bemerkt wird. D. h. wird während eines Boostvorgangs bedingt durch die Entladung der Leistungsbatterie 3 die motorische Leistung PMot der elektrischen Maschine 1 reduziert, soll dies für den Fahrer keine wahrnehmbaren Konsequenzen haben. Dies lässt sich beispielsweise mit Fahrversuchen ermitteln.
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Ebenso kann nach fixiertem sechstem Schwellwert 406 der fünfte Schwellwert 405 so gewählt werden, dass die Steigung der Bremskennlinie 100 im Bereich zwischen fünftem Schwellwert 405 und sechstem Schwellwert 406 so steil wie möglich wird, aber doch so flach ist, dass sie vom Fahrer nicht bemerkt wird.
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Nach fixiertem zweitem Schwellwert 402 kann der dritte Schwellwert 403 so gewählt werden, dass die Boostreserve 210 eine charakteristische gewählte Größe hat. Diese Größe der Boostreserve 210 gibt die charakteristische Zeitdauer an, während der mit maximaler motorischer Leistung PMot geboostet werden kann, nachdem im durch die Wunschleistungskennlinie 120 geführten Fahrbetrieb die Leistungsbatterie 3 geladen wurde. Diese charakteristische Zeitdauer kann beispielsweise als einige Sekunden, z. B. 5 s, gewählt werden.
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Ebenso kann nach fixiertem fünften Schwellwert 405 der vierte Schwellwert 404 so gewählt werden, dass die Rekuperationsreserve 215 eine charakteristische gewählte Größe hat. Diese Größe der Rekuperationsreserve 215 gibt die charakteristische Zeitdauer an, während der mit maximaler generatorischer Leistung PGen rekuperiert werden kann, nachdem im durch die Wunschleistungskennlinie 120 geführten Fahrbetrieb die Leistungsbatterie 3 entladen wurde. Diese charakteristische Zeitdauer kann beispielsweise als einige Sekunden, z. B. 5 s, gewählt werden.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die in 4 dargestellten Kennlinien, also die Bremskennlinie 100, Boostkennlinie 110, Normalfahrkennlinie 120 und Schubkennlinie 130 durch jeweils ein Kennlinienpaar ersetzt wurden, die gegeneinander entlang der Abszisse, auf der der Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3 dargestellt ist, parallel verschoben sind. 4 zeigt eine linke Bremskennlinie 100a, eine rechte Bremskennlinie 100b, eine linke Boostkennlinie 110a, eine rechte Boostkennlinie 110b, eine linke Normalfahrkennlinie 120a, eine rechte Normalfahrkennlinie 120b, eine linke Schubkennlinie 130a und eine rechte Schubkennlinie 130b.
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Das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Ausführungsbeispiel funktioniert analog zu dem vorhergehend dargestellten, wobei jeweils eine Kennlinie eines jeden verwendeten Paares linke/rechte Kennlinie ausgewählt wird, um das erfindungsgemäße Verfahren mit Bremskennlinie und/oder Boostkennlinie und/oder Normalfahrtkennlinie und/oder Schubkennlinie durchzuführen.
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Sinkt der Ladezustand SOC der Leistungsbatterie 3, so wird die linke Kennlinie eines Kennlinienpaares ausgewählt, steigt der Ladezustand SOC, so wird die rechte Kennlinie ausgewählt. Auf diese Weise sind die Kennlinien mit Hysteresen versehen, was sicherstellt, dass sich ein besser Nachvollziehbares Verhalten ergibt, das die durch diese Kennlinien definierten generatorischen bzw. motorischen Drehmomente, die sich als Funktion des Ladezustands ändern, nicht für eine kurze Zeit reduziert und kurz darauf wieder erhöht werden.
