DE102013106319A1

DE102013106319A1 - Fahrzeug und Verfahren zur Leistungsverbesserung bei niedrigen Batteriegrenzen

Info

Publication number: DE102013106319A1
Application number: DE102013106319.5A
Authority: DE
Inventors: Qing Wang; Ming Lang Kuang; Carol Louise Okubo
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-01-09
Also published as: CN103523004B; US20140012441A1; US9802601B2; CN103523004A

Abstract

Ein Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle = HEV) weist einen Verbrennungsmotor, einen Traktionsmotor und einen Generator und eine Traktionsbatterie auf. Die verfügbare elektrische Leistung in dem HEV basiert auf der verfügbaren Leistung in der Traktionsbatterie. Der Motor und der Traktionsmotor können gleichzeitig arbeiten, um das HEV anzutreiben. Während der Motor das HEV antreibt, ist eine Steuerung zum Erhöhen einer Leistungseingabe des Motors basierend auf einer Differenz zwischen einer verfügbaren Batterieleistung und einer Kombination einer gewünschten Traktionsmotorleistung und einer gewünschten Generatorleistung konfiguriert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Hybridfahrzeug und ein Verfahren und System zum Steuern des Antriebsstrangs des Hybridfahrzeugs.
HINTERGRUND
In einem Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle = HEV) sind entweder ein Verbrennungsmotor oder ein elektrischer Traktionsmotor oder beide dazu in der Lage, die Räder des Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen. Eine Traktionsbatterie ist mit dem Traktionsmotor verbunden, um dem Motor elektrische Leistung bereitzustellen. In einem elektrischen Hilfsmodus stellen der Motor und der Traktionsmotor zusammen Leistung bereit, um die Drehmomentanforderungen eines Fahrers zu erfüllen. In einem Elektromodus (Nur-EV-Modus) ist der Motor deaktiviert, während die Batterie und der Traktionsmotor die Drehmomentanforderungen des Fahrers erfüllen. Während des elektrischen Hilfs- und des Nur-EV-Modus ist die Verfügbarkeit der elektrischen Leistung direkt mit der verfügbaren Batterieleistung verknüpft.
Die Fahrzeugleistung als Reaktion auf aggressive Beschleunigungsanforderungen kann beeinträchtigt sein, wenn die verfügbare Batterieleistung gering ist, da typische Steuerstrategien auf eine schnellere Reaktion des Traktionsmotordrehmoments angewiesen sind, um solchen Anforderungen gerecht zu werden und die gewünschten Energieeffizienzziele zu erfüllen. Allerdings kann das von dem Traktionsmotor abgegebene Drehmoment bei niedrigen Batterieentladungsgrenzen unzureichend sein und der Motor kann möglicherweise nicht schnell genug reagieren, um die Leistungsanforderungen des Fahrers zu erfüllen. Es besteht derzeit ein Bedarf an einem System, das die Leistungsanforderungen eines Fahrers adäquat erfüllt, wenn die Batterie nahe niedrigen Entladungsgrenzen betrieben wird.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Hybridelektrofahrzeug einen Motor und einen Generator, der antriebswirksam mit dem Motor verbunden ist. Eine Traktionsbatterie ist mit einem Traktionsmotor und dem Generator elektrisch verbunden. Eine Steuerung ist konfiguriert, eine Leistungsausgabe des Motors bei laufendem Motor basierend auf einer Differenz zwischen der verfügbaren elektrischen Leistung und der gewünschten elektrischen Leistung zu erhöhen. Die verfügbare elektrische Leistung ist durch den Batterieladezustand vorgegeben. Die gewünschte elektrische Leistung beinhaltet eine Kombination der gewünschten Traktionsmotorleistung und der gewünschten Generatorleistung.
Verschiedene Ausführungsformen schließen ein System oder Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit einem Motor, einem Traktionsmotor und einer elektrischen Energiespeichervorrichtung ein, die mit dem Traktionsmotor gekoppelt ist, welches das Erhöhen der Leistungsausgabe des Motors bei einer Rate, die als Reaktion auf eine verfügbare Leistung von der elektrischen Energiespeichervorrichtung, wenn eine vom Fahrer angeforderte Leistung einen entsprechenden Schwellenwert überschreitet, beinhalten kann. Die Rate der Erhöhung der Leistungsausgabe des Motors kann basierend auf einer Differenz zwischen einer verfügbaren Leistung in der elektrischen Energiespeichervorrichtung und einer Kombination der gewünschten Traktionsmotorleistung und der gewünschten Generatorleistung variieren. Das System oder Verfahren kann auch das Filtern der Differenz mit einem einstellbaren Filter beinhalten, wobei das Filtern basierend auf einer Entladungsgrenze der elektrischen Speichervorrichtung eingestellt wird. In einer Ausführungsform beinhaltet das Filtern das Verringern der Filtermenge basierend darauf, dass der Ladezustand der elektrischen Energiespeichervorrichtung unterhalb eines Schwellenwertes liegt.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch das Verhindern einer weiteren Erhöhung der Leistungsausgabe des Motors basierend darauf, dass die verfügbare Leistung in der elektrischen Energiespeichervorrichtung eine Ladungsgrenze überschreitet, beinhalten. Die Rate des Erhöhens der Leistungsausgabe des Motors kann im umgekehrten Verhältnis zu der verfügbaren Leistung aus der elektrischen Energiespeichervorrichtung variieren.
Verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen einen oder mehrere damit zusammenhängende Vorteile auf. Zum Beispiel erfordert eine reibungslose Einstellung der Motorleistung unter Betriebsbedingungen mit einer niedrigen elektrischen Leistung und einer normalen elektrischen Leistung kein Umschalten zwischen Betriebsmodi. An sich ist der Betrieb bei einer normalen elektrischen Leistungsverfügbarkeit oder einem normalen Ladezustand nicht betroffen. Allerdings wird das Betriebsverhalten bei niedriger elektrische Leistung verbessert.
Die oben genannten Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines leistungsverzweigten Hybridelektrofahrzeugs gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 ein Flussdiagramm eines allgemeinen Systems zum Steuern des Motordrehmoments und der Motordrehzahl gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3 ein Flussdiagramm, das eine Einstellung der Motorausgabeleistung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
4 ein ausführlicheres Flussdiagramm, das die Motorgesamtleistungseinstellung darstellt, wenn Batterieentladungsgrenzen niedrig sind, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Man wird jedoch verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Ferner sind die Figuren nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten darzustellen. Daher sind spezifische hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale der dargestellten und mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausführungsformen mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Allerdings können für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung wünschenswert sein. Die repräsentativen Ausführungsformen, die in den Darstellungen verwendet werden, betreffen im Allgemeinen Systeme und Verfahren zum Einstellen der Motorgesamtleistung, um Fahreranforderungen zu erfüllen, wenn Batterieentladungsgrenzen gering sind. Allerdings können die Lehren der vorliegenden Offenbarung auch in anderen Anwendungen verwendet werden. Der Durchschnittsfachmann kann ähnliche Anwendungen oder Umsetzungen mit anderen Fahrzeugkonfigurationen oder -technologien erkennen.
In Bezug auf 1 weist ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) einen antriebsverzweigten Antriebsstrang 10 auf. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) und ein Antriebsstrangsteuermodul (PCM) 12 steuern eine elektrische Energiespeichervorrichtung oder eine elektrische Traktionsbatterie 14. Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektrische Energie speichern und die Energie zum Antreiben des Fahrzeugs übertragen kann. Die Batterie 14 ist nur ein Beispiel, wobei andere Beispiele wie Kraftstoffzellen berücksichtigt werden. Man wird verstehen, dass die Steuerung 12 eine Steuerung oder ein System von Steuerungen in einem Controller Area Network (CAN) mit einem Computer und einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) sein kann, die konzipiert ist, mehrere Steuerungen in dem gesamten Fahrzeug miteinander kommunizieren zu lassen. Die Batterie 14 weist eine bidirektionale elektrische Verbindung auf, über welche sie elektrische Energie empfängt und speichert und die Energie auch an einen elektrischen Traktionsmotor 16 liefert. Die Steuerung 12 steuert auch den Betrieb eines Verbrennungsmotors (ICE) 18. Sowohl der Traktionsmotor 16 als auch der Motor 18 sind dazu in der Lage, ein Getriebe 20 anzutreiben, das schließlich ein Drehmoment auf die Räder des Fahrzeugs überträgt.
Wenngleich das HEV aus 1 ein antriebsverzweigtes Hybridfahrzeug ist, wird in Betracht gezogen, dass die vorliegende Offenbarung auch für ein Parallel-Hybridfahrzeug gilt, in dem ein Motor, ein Traktionsmotor und ein Getriebe durch Kupplungen seriell verbunden sind, die steuern, welcher von dem Motor und/oder dem Traktionsmotor das Getriebe antreibt. Man wird verstehen, dass die vorliegende Offenbarung auf ein beliebiges Hybridfahrzeug anwendbar ist, das einen Motor und einen Traktionsmotor aufweist, wobei der antriebsverzweigte Antriebsstrang 10 als eine Möglichkeit dargestellt ist.
Der Motor 18 liefert Leistung an eine Drehmomenteingangswelle 22, die mit einem Planetenradsatz 24 durch eine Einwegekupplung 25 verbunden ist. Der Planetenradsatz 24 weist ein Ringrad 26, ein Sonnenrad 28 und eine Planetenträgeranordnung 30 auf. Die Eingangswelle 22 ist antriebswirksam mit der Trägeranordnung 30 verbunden, um den Planetenradsatz 24 anzutreiben. Das Sonnenrad 28 ist mit einem Generator 32 antriebswirksam verbunden. Der Generator 32 kann mit dem Sonnenrad 28 in Eingriff gebracht sein, sodass sich der Generator 32 entweder mit dem Sonnenrad 28 drehen kann oder sich nicht mit diesem dreht. Wenn die Einwegekupplung 25 den Motor 18 mit dem Planetenradsatz 24 koppelt, erzeugt der Generator 32 Energie als Reaktion auf den Betrieb des Planetenradsatzes 24.
Elektrische Energie, die von dem Generator 32 erzeugt wird, wird auf die Batterie 14 durch elektrische Verbindungen 36 übertragen. Die Batterie 14 empfängt und speichert Energie ferner in bekannter Weise durch eine Nutzbremsung. Die Batterie 14 liefert die gespeicherte elektrische Energie an den Traktionsmotor 16, um diesen zu betreiben. Die Batterie 14, der Traktionsmotor 16 und der Generator 32 sind miteinander in einem elektrischen bidirektionalen Strömungsweg durch elektrische Verbindungen 36 verbunden.
Das Fahrzeug kann nur von dem Motor 18, nur von der Batterie 14 und dem Traktionsmotor 16 oder durch eine Kombination von dem Motor 18 mit der Batterie 14 und dem Traktionsmotor 16 angetrieben werden. In einem ersten Betriebsmodus aktiviert die Steuerung 12 den Motor 18, um ein Drehmoment durch den Planetenradsatz 24 abzugeben. Das Ringrad 26 verteilt das Drehmoment an die Stufenübersetzungsräder 38, die ineinandergreifende Zahnradelemente 40, 42, 44 und 46 aufweisen. Die Zahnräder 42, 44 und 46 sind an einer Vorgelegewelle befestigt und das Zahnrad 46 verteilt das Drehmoment an das Zahnrad 48. Das Zahnrad 48 verteilt dann das Drehmoment an eine Drehmomentausgangswelle 50. Die Steuerung 12 kann auch den Traktionsmotor 16 aktivieren, um den Motor 18 zu unterstützen. Wenn der Traktionsmotor 16 aktive Unterstützung bietet, verteilt das Zahnrad 52 das Drehmoment an das Zahnrad 44 und die Vorgelegewelle. In einem zweiten Betriebsmodus oder EV-Modus deaktiviert die Steuerung 12 den Motor 18 oder verhindert anderweitig, dass der Motor 18 das Drehmoment an die Drehmomentausgangswelle 50 verteilt. In dem zweiten Betriebsmodus treibt die Batterie 14 den Traktionsmotor 16 an, um das Drehmoment durch die Stufenübersetzungsräder 38 und an die Drehmomentausgangswelle 50 zu verteilen. Die Drehmomentausgangswelle 50 ist mit einem Differential- und Achsenmechanismus 56 verbunden, der das Drehmoment an die Traktionsräder 58 verteilt.
Alles in allem gibt es zwei Leistungsquellen für die Antriebswelle. Die erste Leistungsquelle ist der Motor 18, der ein Drehmoment an den Planetenradsatz 24 abgibt. Die zweite Leistungsquelle ist das elektrische Antriebssystem, das den Traktionsmotor 16, den Generator 32 und die Batterie 14 aufweist, wobei die Batterie 14 als ein Energiespeichermedium für den Generator 32 und den Traktionsmotor 16 fungiert. Der Generator 32 kann von dem Planetenradsatz 24 angetrieben werden und kann alternativ als ein Antrieb fungieren und Leistung an den Planetenradsatz 24 abgeben.
Die Steuerung 12 steuert die Batterie 14, den Motor 18, den Traktionsmotor 16 und den Generator 32, um ein Drehmoment an die Räder 58 entweder in dem ersten Betriebsmodus oder in dem zweiten Betriebsmodus zu übertragen. Die Steuerung 12 empfängt Eingaben von vielen Quellen, einschließlich der Gaspedalposition, der Bremspedalposition, der Lenkradposition, der Klimaregelung, des Batterieladezustands und Hilfsquellen. Mithilfe dieser Eingaben wird die Steuerung 12 programmiert, den Motor 18 zu deaktivieren, wenn keine mechanische Leistung benötigt wird, um alle Leistungsanforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen. Darüber hinaus entscheidet die Steuerung 12, ob eine oder beide Leistungsquellen aktiv sein sollten, um ein Drehmoment auf die Räder zu übertragen.
In Bezug auf 2 ist ein Steuersystem, das zum Beispiel von der Steuerung 12 benutzt wird, mit dem Motor 18 und dem Traktionsmotor 16 dargestellt, die beide aktiv das HEV antreiben. Eine gewünschte Motorleistungsbestimmung wird zuerst in einer Motorleistungsbestimmung mit offenem Regelkreis 100 entschieden. Während des normalen Betriebs ist die gewünschte Gesamtleistung des Motors (P_tot) die Summe der ungefilterten gewünschten Leistungsanforderungen an den Rädern, der gewünschten Aufladungs-/Entladungsleistung für die Beibehaltung des Ladezustands (SOC) und die Hilfsmodus-Anforderungen (AUX), dargestellt bei 102. Die gewünschte Motorleistung (P_tot) wird dann bei 104 begrenzt, sodass sie innerhalb maximaler und minimaler Motorleistungsstufen gebunden ist. Dann wird Ptot bei 106 erneut begrenzt, um die erwartete Batterieleistung innerhalb der Aufladungs- und Entladungsgrenzen zu halten. Die Ausgabe des offenen Regelkreises ist der Vorsteuerungs-Motorleistungsbefehl.
Eine gewünschte Motorleistungsbestimmung wird dann in einer Motorleistungsbestimmung mit geschlossenem Rückmeldungsregelkreis 108 entschieden. Der Rückmeldungsregelkreis filtert zuerst den Vorsteuerungs-Motorleistungsbefehl bei 110 aus der Motorleistungsbestimmung mit offenem Regelkreis bei 100. Eine erwartete Motorleistung wird dann aus der Verzögerung des gefilterten Motorleistungsbefehls berechnet. Eine angestrebte Batterieleistung wird bei 112 als die Differenz zwischen der erwarteten Motorleistung und der gewünschten Leistungsanforderung an den Rädern definiert. Die angestrebte Batterieleistung wird dann bei 114 begrenzt, um die angestrebte Batterieleistung innerhalb der Auf- und Entladungsgrenzen der Batterie 14 einzustellen. Ein Fehler oder eine Differenz zwischen der angestrebten Batterieleistung und der tatsächlichen Batterieleistung wird ermittelt und als eine Steuerung in einem PI-Kompensator 116 verwendet. Der PI-Kompensator 116 stellt dann die Motorleistungsbestimmung mit offenem Vorsteuerungsregelkreis 100 entsprechend ein. Dann wird bei 118 der Motorgesamtleistungsbefehl als die Summe der Vorsteuerungs- und Rückmeldungsbedingungen bestimmt.
Der Motorgesamtleistungsbefehl ist eine Eingabe in die Motorbetriebsbestimmung bei 120. Die Steuerung 12 bestimmt, ob und in welchem Maße die Motorausgabe benötigt wird oder nicht, um die Fahreranforderung zu erfüllen, und befehlt dem Motor, die Leistung entsprechend bereitzustellen. Dies erfolgt durch Senden von Signalen, die für einen Motordrehmomentbefehl und einen Motordrehzahlbefehl stehen. Jeder der Befehle wird bei 122 bzw. bei 124 gefiltert. Die gefilterten Drehmoment- und Drehzahlbefehle sind schließlich Ausgaben des Steuersystems und werden an den Motor 18 gesendet. Nachdem der Motor 18 die gefilterten Motordrehmoment- und Motordrehzahlbefehlssignale empfängt, arbeitet der Motor 18, um ausreichend Leistung zur Erfüllung der Fahreranforderungen zusammen mit dem Elektromotor 16 und der Batterie 14 bereitzustellen.
Mittels dieses beispielhaften Systems kann das Betriebsverhalten des HEV erheblich beeinträchtigt werden, wenn es unter Bedingungen betrieben wird, unter denen die Batterie 14 eine niedrige Entladungsgrene aufweist. Wenn zum Beispiel ein elektrisches Leck in dem Fahrzeug bewirkt, dass die verfügbare Batterieleistung gering oder nahe null ist, wird die Drehmomentmenge, die der Traktionsmotor 16 an die Räder 58 übertragen kann, weit unter seine Kapazität reduziert. Zum Beispiel kann das Traktionsmotordrehmoment, das bei einer niedrigen Entladungsgrenze abgegeben wird, 100+ NM weniger als beim Berieb bei normalen Entladungsgrenzen sein. Dies wirkt sich negativ auf die Beschleunigung des HEV aus, wenn sowohl der Motor 18 als auch der Traktionsmotor 16 das HEV antreiben. Es kann auch insofern eine Verzögerungsreaktion in dem HEV geben, als der Motor 18 hinter den Beschleunigungsanforderungen des Fahrers zurückliegt, wenn die Batterieentladungsgrenzen niedrig sind.
Angesichts der Probleme mit niedrigen Batterieentladungsgrenzen wird bei 126 eine Motorleistungseinstellung in dem Steuersystem implementiert. Die Motorleistungseinstellung 126 wird zu der Motorleistungsbefehlsbestimmung bei 118 hinzugefügt, wenn die Batterie 14 bei einer niedrigen Entladungsgrenze arbeitet. Darüber hinaus wird die Motordrehmoment- und Motordrehzahlfilterung bei 128 derart eingestellt, dass die Filterung flexibler ist, wenn die Batterieentladungsgrenzen niedrig sind. Die Einstellungen bei 126 und 128 sollen zusätzliche Motorleistung befehlen, um ein maximales HEV-Betriebsverhalten bei niedrigen Batterieleistungspegeln zu fördern und gleichzeitig die Motorreaktionszeit derart zu erhöhen, dass dennoch ein maximales Traktionsmotordrehmoment, das von dem Steuersystem angefordert wird, durch Erhöhen der Motorleistung erreicht werden kann. Die Motorleistungseinstellungen 126 und Filtereinstellungen 128 sind in Bezug auf 3 und 4 ausführlicher beschrieben.
In Bezug auf 3 ist eine Übersicht einer Ausführungsform der Motorleistungseinstellung 126 dargestellt. Eine ausführlichere Beschreibung ist in der Ausführungsform aus 4 bereitgestellt. Bei 150 wird die unverarbeitete gewünschte Traktionsmotorleistung ermittelt. Die unverarbeitete gewünschte Traktionsmotorleistung bezieht sich darauf, wie viel Leistung von dem Traktionsmotor 16 gewünscht wird, um die Räder 58 anzutreiben. Die verfügbare elektrische Leistung in der Batterie 14 wird dann bei 152 berechnet. Dies kann durch einfaches Messen des Entladungsgrenzen der Batterie 14 erfolgen. Solche Informationen können auch visuell an den Bediener des HEV weitergegeben werden.
Bei 154 wird die verfügbare elektrische Leistung mit der berechneten gewünschten Traktionsmotorleistung verglichen. Dieser Schritt gewährleistet, dass die gewünschte Traktionsmotorleistung durch elektrische Leistung und ohne zusätzliche Motorleistungsbefehle erzielt werden kann. Wenn die verfügbare elektrische Leistung die gewünschte Traktionsmotorleistung überschreitet, wird die Motorleistung bei 156 nicht angepasst und die Batterie 14 stellt ausreichend Leistung für den Traktionsmotor 16 bereit. Wenn jedoch die verfügbare elektrische Leistung geringer als die gewünschte Traktionsmotorleistung ist, befiehlt die Steuerung 12 eine Leistungseinstellung der Ausgabe des Motors 18, wie in Schritt 158 bis 162 dargestellt.
Bei 158 wird die Differenz zwischen der gewünschten Traktionsmotorleistung (aus Schritt 150) und der verfügbaren elektrischen Leistung berechnet. Die Differenz wird als eine Delta-Leistung (ΔPwr) bezeichnet. ΔPwr ist eine Vorsteuerungsbedingung, die für die Leistungsmenge steht, die der Traktionsmotor 16 wünscht, jedoch von der Batterie 14 nicht bereitgestellt werden kann. ΔPwr steht ferner für einen Faktor in der Leistungsmenge, die von dem Motor 18 ergänzt werden muss, um die Fahrerleistungsanforderungen zu erfüllen.
Vor dem Einstellen der Motorleistungsausgabe wird das ΔPwr-Signal durch Filter und/oder Ratenbegrenzungsfunktionen bei 160 gefiltert und geglättet. Dies dient der Verhinderung von plötzliche Erhöhungen der Motorleistung, die das Fahrverhalten beeinträchtigen. Die Filterung und/oder Ratenbegrenzung verhindert auch potentielle plötzliche Erhöhungen, die von dem Motor 18 durch den Generator 32 und in die Batterie 14 gesendet werden und zu einer Überladung der Batterie 14 führen könnten. Die Auswirkungen der Filterung und Ratenbegrenzung auf ΔPwr können in Abhängigkeit der verfügbaren elektrischen Leistung in der Batterie 14 eingestellt werden. Wenn zum Beispiel die verfügbare Leistung in der Batterie 14 niedrig ist, werden die Filterung und Ratenbegrenzung derart eingestellt, dass sie sich weniger auf ΔPwr auswirken, da eine Überladung der Batterie 14 weniger problematisch wird.
Nach Anordnen von Filtern und Ratenbegrenzungen auf ΔPwr befiehlt die Steuerung 12 dem Motor 18 bei 162, mehr Leistung in einer Menge von ΔPwr_filtered auszugeben. Diese Erhöhung der Motorleistung ergänzt die Mängel hinsichtlich der Batterieleistung, was besonders hilfreich ist, wenn die Entladungsgrenze der Batterie 14 äußerst niedrig ist. Die Leistungsausgabe des Motors 18 stellt den Rädern 58 durch das Getriebe 20 mechanische Leistung bereit und stellt dem Generator 32 Leistung bereit, der wiederum die Batterie 14 auflädt und den Traktionsmotor 16 antreibt. Das System kehrt zu 164 zurück, um eine Motorleistungseinstellung kontinuierlich bereitzustellen. Dieses Steuersystem plant die Motorleistung intelligenter, um das maximale gewünschte Drehmoment an den Rädern 58 zeitnah zu erfüllen, wenn die Batterie 14 unzureichend aufgeladen ist. Das Fahrverhalten insgesamt des HEV wird auf diese Weise verbessert, da das HEV mehr wie ein herkömmliches Nicht-HEV fährt, wenn die Batterieentladungsgrenzen niedrig sind.
In Bezug auf 4 ist ein ausführlicheres Flussdiagramm einer Ausführungsform des Steuersystems dargestellt. Bezugnahmen auf die Struktur von 1 eines antriebsverzweigten HEV werden auch für ein strukturelles Beispiel vorgenommen. Bei 170 wird ein unverarbeitetes gewünschtes Traktionsmotordrehmoment an den Rädern 58 ermittelt. In dem antriebsverzweigten HEV, das in 1 dargestellt ist, tragen sowohl das Traktionsmotordrehmoment als auch der mechanische Drehmomentfluss durch den Planetenradsatz 24 zu dem Gesamtdrehmoment an den Rädern 58 bei. Das vorhergesagte Traktionsmotordrehmoment kann wie folgt dargestellt werden:
worin T_g das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Zahnrad 46 und Zahnrad 48 ist, T₁ das Übersetzungsverhältnis von dem Zahnrad 42 auf das Zahnrad 40 ist, T₂ das Übersetzungsverhältnis von dem Zahnrad 52 auf das Zahnrad 44 ist, ρ das Planetenradübersetzungsverhältnis zwischen dem Sonnenrad 28 und dem Ringrad 26 ist, τ_g das Drehmoment des Generators 32 ist, J_gen&sun das konzentrierte Trägheitsmoment eines Rotors des Generators 32 und des Sonnenrads 28 ist, ω ._m eine Zeitableitung der Drehzahl des Traktionsmotors 16 ist und ω ._g eine Zeitableitung der Drehzahl des Generators 32 ist. Darüber hinaus kann das vorhergesagte Traktionsmotordrehmoment an den Rädern wie folgt dargestellt werden: τ_{m_predic@wh} = τ_{drive_sh} + J_{mot_lumped}ω ._mGearRatio₂ – GearRatio₁(τ_g – J_gen&sunω ._g) (2) worin GearRatio₁ das Übersetzungsverhältnis von dem Traktionsmotor 16 auf die Räder 58 ist und GearRatio₂ das Übersetzungsverhältnis von dem Generator 32 auf die Räder 58 ist und τ_{drive_sh} das Drehmoment der Antriebswelle ist.
In Übereinstimmung mit der Leistungssteuerungsarchitektur des Steuersystems wird das Signal, das das vorhergesagte Traktionsmotordrehmoment an den Rädern (τ_{m_predict@wh}) anzeigt, bei 172 in ein Leistungssignal umgewandelt. Dies erfolgt durch Multiplizieren von τ_{m_predict@wh} mit der Drehzahl der Räder 58. Das Traktionsmotorleistungssignal wird dann derart begrenzt, dass die Traktionsmotorleistung nicht über eine Höchstgrenze hinaus steigt, die durch die Spezifikationen des Traktionsmotors 16 vorgegeben ist. Das Begrenzen des Traktionsmotorleistungssignals macht es ferner unnötig, mehr Motorleistung anzufordern, die an den Traktionsmotor 16 gesendet wird, wenn der Traktionsmotor 16 bei seiner Höchstgrenze arbeitet. Das Ergebnis der Leistungsumwandlung und der Begrenzung bringt eine vorhergesagte (oder gewünschte) Traktionsmotorleistung hervor.
Bei 174 wird ΔPwr ermittelt. ΔPwr steht für die Differenz zwischen der verfügbaren elektrischen Leistung und der kombinierten elektrischen Leistung, die von dem Traktionsmotor 16 und dem Generator 32 gewünscht wird. Die verfügbare elektrische Leistung ist die gemessene Entladungsgrenze der Batterie 14, die anzeigt, wie viel Leistung die Batterie 14 den elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs bereitstellen kann. Die gewünschte Generatorleistung wird durch Multiplizieren eines Generatordrehmomentbefehls und der Generatordrehzahl ermittelt. ΔPwr ist eine Vorsteuerungsbedingung, die für die Leistungsmenge steht, die der Traktionsmotor 16 und der Generator 32 wünschen, die jedoch von der Batterie 14 nicht bereitgestellt werden kann. Daher ist ΔPwr auch ein Faktor bei der Bestimmung der Leistungsmenge, die von dem Motor 18 ergänzt werden muss, um die Leistungsanforderungen des Traktionsmotors 16 zu erfüllen. Die Ergänzung von Motorleistung ist zum Beispiel in Momenten starker Beschleunigungen maßgeblich, da der Traktionsmotor 16 aufgrund niedriger Batterieentladungspegel keine unmittelbare Drehmomentverstärkung in angemessener Weise bereitstellen kann. Drehmoments- und Leistungsanforderungen seitens des Bedieners werden durch sofortiges Erhöhen der Motorleistung erfüllt, um die Leistungsmängel in der Batterie 14 auszugleichen.
Je nach der Aggressivität der Gaspedaleingabe kann ΔPwr bei plötzlichen Schließvorgängen der Drosselklappe („Tip-in”) drastisch sein. Daher wird das ΔPwr-Signal vor Einstellen der Leistungsausgabe des Motors 18 der Ratenbegrenzung, Filterung und Begrenzung unterzogen. Zuerst werden bei 176 die Ratenbegrenzungs- und Filterfunktionen benutzt, um den ΔPwr-Zustand zu glätten. Dadurch werden die plötzlichen ΔPwr-Erhöhungen gedämpft, was wiederum verhindert, dass der Motor 18 seine Leistungsausgabe in gefährlicher und plötzlicher Weise stark erhöht. Die Ratenbegrenzungs- und Filterfunktionen, die bereits in der Steuerung 12 zur Glättung anderer Signale implementiert sein können, können zum Glätten des ΔPwr-Signals angewendet werden.
Einstellbare Filterkonstanten und Ratengrenzen, die in dem Steuersystem bei 176 implementiert sind, werden bei 178 ermittelt. Die Filterkonstanten und Ratengrenzen werden in Abhängigkeit einer ΔDischargPwr, die für die Differenz zwischen der sofortigen Entladungsgrenze und der normalen Entladungsgrenze der Batterie 14 steht, flexibel geplant. Wenn zum Beispiel die ΔDischargPwr gering ist, ist die Fähigkeit des elektrischen Hilfsmodus für die Antriebswelle aufgrund einer hohen Entladungsgrenze der Batterie 14 hoch. In diesen Fällen sind die Filterkonstanten und Ratenbegrenzungswerte langsam, um das ΔPwr-Signal stark zu glätten. Wenn im Gegensatz dazu die ΔDischargPwr groß ist, sollten eine schnelle Filterung und Ratenbegrenzung implementiert werden, sodass das Betriebsverhalten bei niedrigen Batterieentladungsgrenzen in angemessener Weise erfüllt wird. Eine schnelle Motorreaktion ist bei niedrigen Batterieentladungsgrenzen zwecks einer schnelleren Beschleunigung akzeptabler, und zwar nicht nur deshalb, weil der Traktionsmotor 16 die Leistungsanforderungen nicht hinlänglich erfüllen kann, sondern auch deshalb, weil das Risiko einer Überladung der Batterie 14 minimal ist, wenn die Entladungsgrenzen niedrig sind.
Nachdem das ΔPwr-Signal gefiltert ist, wird bei 180 eine Batterieüberladungs-Verhinderungslogik in das Steuersystem eingeführt. Diese ist eine endgültige Überprüfung, um eine Überladung der Batterie 14 zu verhindern, wenn Erhöhungen der Motorleistung angefordert werden. Die Überladungsverhinderungsfunktion 180 soll lediglich als eine Einwegeregulierung dienen, um Ladeverletzungen durch Reduzieren der Motorleistung zu verhindern. Dadurch wird die gefilterte ΔPwr wirksam begrenzt, wenn die Erhöhung der Motorausgabe zu einer Überladung der Batterie 14 aufgrund einer hohen Erzeugung von elektrischer Leistung in dem Generator 32 führt. Die Überladungseinstellung ist nicht notwendig, solange die Batterieleistung innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Wenn jedoch eine Ladeverletzung (P_bat > P_{bat_charge_limit}) erkannt wird, wird ein PI-Regler die Motorleistung entsprechend reduzieren. In einer anderen Ausführungsform schließt die Steuerung vorübergehend einen Schalter von dem Generator 32 zu der Batterie 14, bis keine Ladeverletzung mehr erkannt wird. Nach der Überladungsverhinderungsfunktion 180 ist das Endergebnis des Steueralgorithmus die Motorgesamtleistungseinstellung 182.
In Bezug auf 2 und 4 entspricht die Motorgesamtleistungseinstellung 182 aus 4 der Motorleistungseinstellung 126 aus 2. Ferner werden bei 128 Motordrehmoment- und Motordrehzahlfiltereinstellungen nach und getrennt von der Motorgesamtleistungseinstellung 126, 182 vorgenommen. Die Filterung bei 128 filtert das ΔPwr-Signal nicht, sondern filtert die unverarbeiteten Motordrehmoment- und Motordrehzahlanforderungen. Dies gewährt noch mehr Freiheit bei der Beschleunigung der Motorreaktion, wenn die Batterie 14 eine niedrige Entladungsgrenze aufweist.
Die Motordrehzahl- und Motordrehmomentfilter werden erneut in Abhängigkeit einer ΔDischargPwr geplant, die für die Differenz zwischen der sofortigen Entladungsgrenze und der normalen Entladungsgrenze der Batterie steht. Multiplikatoren oder Skalierungsfaktoren werden in Verbindung mit Filterkonstanten verwendet, um die Motordrehzahl- und Motordrehmomentfilterung weiter zu beschleunigen. Während zum Beispiel die Multiplikatoren erhöht werden, wird die Filterkonstante verstärkt, sodass der Motor 18 schneller Leistung bereitstellt und der Generator 32 seinerseits schneller Leistung erzeugt. Die Multiplikatoren können durch zwei Kalibrierungstabellen ermittelt werden, nämlich eine für die Motordrehzahl-Filterkonstanten und die andere für die Motordrehmoment-Filterkonstanten. Die Multiplikatoren werden mit Zunahme des Wertes von ΔDischargPwr erhöht und die Motordrehzahl- und die Drehmomentfilterung wird entsprechend beschleunigt.
Zusammenfassend ist die Motorgesamtleistungseinstellung 126 ein zusätzliches Merkmal für die Motorleistungsbestimmungen mit offenem und geschlossenem Regelkreis 100, 108. Selbst wenn die Batterie 14 aufgrund eines Fehlers keine verfügbare Leistung hat, kann Erhöhungen hinsichtlich der Leistungsanforderungen des Fahrers Rechnung getragen werden, indem die Motorleistung rasch erhöht wird, um durch den Generator 32 zeitgerecht eine ausreichende elektrische Leistung bereitzustellen. Die Erhöhung hinsichtlich der elektrischen Leistung ermöglicht, dass der Traktionsmotor 16 entlang seiner maximalen Drehmomenthüllkurve betrieben werden kann. Mit anderen Worten wird das Traktionsmotordrehmoment sogar bei niedriger oder gar keiner Batterieladung für den gesamten Beschleunigungszeitraum maximiert. Darüber hinaus werden die befohlenen Motordrehmoment- und Motordrehzahlzunahmen in Abhängigkeit von der Batterieentladungsgrenze gefiltert, um die Geschwindigkeit der Motorreaktion zu erhöhen, wenn die Batterieentladungsgrenze niedrig ist. Dieser Algorithmus verbessert das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Dies ist bei Hybridelektrofahrzeugen besonders wichtig, da sie auf dem Fahrzeugmarkt immer weiter verbreitet werden und von ihnen gefordert wird, dass sie wie herkömmliche Nicht-Hybridelektorfahrzeuge beschleunigen.
Wenngleich die beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, wird der Fachmann verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche erkennen. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder gegenüber anderen Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften bevorzugt beschrieben wurden, ist dem Fachmann bekannt, dass eine oder mehrere Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Systemattribute zu erzielen, die von der jeweiligen Anwendung und Umsetzung abhängen. Zu diesen Attributen gehören ohne Einschränkung: Kosten, Festigkeit, Strapazierfähigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Gebrauchsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen des Standes der Technik beschrieben sind, liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Hybridelektrofahrzeug, umfassend: einen Motor; einen Generator, der mit dem Motor antriebswirksam verbunden ist; eine elektrische Energiespeichervorrichtung, die mit einem Traktionsmotor und dem Generator gekoppelt ist; und eine Steuerung, die bei laufendem Motor zum Erhöhen einer Leistungsausgabe des Motors bei unterschiedlichen Raten basierend auf einer Differenz zwischen einer verfügbaren Leistung in der elektrischen Energiespeichervorrichtung und einer gewünschten Leistung in dem Traktionsmotor und Generator konfiguriert ist.
Hybridelektrofahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Erhöhung der Leistungsausgabe des Motors auf den Traktionsmotor übertragen wird, sodass der Traktionsmotor eine Leistungsausgabe aufweist, die die verfügbare Leistung in der elektrischen Energiespeichervorrichtung überschreitet.
Hybridelektrofahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Generator und der Traktionsmotor eine integrierte Maschine sind.
Hybridelektrofahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Differenz basierend auf einer Entladungsgrenze der elektrischen Energiespeichervorrichtung einstellbar filtert.
Hybridelektrofahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Getriebe, das einen Planetenradsatz aufweist.
Hybridelektrofahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Generator und der Traktionsmotor eine integrierte Maschine sind und wobei der Motor, die Maschine und das Getriebe durch Kupplungen selektiv und seriell gekoppelt sind.