DE102013201580A1

DE102013201580A1 - Verfahren zur Erhöhung einer Dynamik und/oder eines Drehmomentes eines Aktors in einer Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Getriebe- oder Kupplungsbetätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102013201580A1
Application number: DE102013201580A
Authority: DE
Inventors: Martin Dilzer; Thomas Eckenfels
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-08-29
Also published as: DE112013001120A5; WO2013124130A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung einer Dynamik und/oder eines Drehmomentes eines Aktors in einer Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Getriebe- oder Kupplungsbetätigungseinrichtung, bei welchen der Aktor mit einer Bordnetzspannung versorgt wird. Um den hohen Anforderungen an die Aktordynamik weiterhin gerecht zu werden, ohne dass Konflikte bei der Motorauslegung auftreten, wird das Kraftfahrzeug hinsichtlich kritischer Fahrsituationen überwacht und bei einer Erkennung einer kritischen Fahrsituation die Bordnetzspannung zur Verbesserung der Aktoraktivität erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung einer Dynamik und/oder eines Drehmomentes eines Aktors in einer Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Getriebe- oder Kupplungsbetätigungseinrichtung, bei welchem der Aktor mit einer Bordnetzspannung versorgt wird.
Automatisierte Reibungskupplungen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zwischen einer Antriebseinheit, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor oder einer hybridischen Anordnung aus beiden, und einem Getriebestrang sind aus Serienanwendungen hinreichend bekannt. Hierbei ist beispielsweise aus der DE 101 59 267 A1 ein Verfahren zu deren Steuerung bekannt, bei dem eine sogenannte Momentennachführung wirksam ist. Dies bedeutet, dass die Reibungskupplung jeweils nur so weit geschlossen wird, dass das Motordrehmoment der Antriebseinheit übertragen wird. Dies bedeutet, dass die Reibungskupplung bei Schaltvorgängen des Getriebes mit verringerten Betätigungswegen betrieben und daher schnell und spontan gesteuert werden kann. Des Weiteren können mittels eines eingestellten Mikroschlupfs Dreh- und Gleichförmigkeit der Antriebseinheit gefiltert werden. Um die Ausrück- und Haltekräfte der Reibungskupplung, insbesondere bei zurückgedrückten Reibungskupplungen, zu verringern, werden selbsthemmende Kupplungsaktoren eingesetzt, die lediglich bei einer Anforderung einer Änderung des Kupplungsmoments bestromt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass während einer Momentennachführung das Kupplungsmoment häufig geregelt wird und damit selbsthemmende Kupplungsaktoren einen hohen Energieaufwand aufweisen.
Hybrid- und Elektrofahrzeuge besitzen einen Hochvolt-Energiespeicher, welcher diese mit Energie versorgt. Infolgedessen entfällt die Lichtmaschine, da das 12-Volt-Bordnetz über einen DC/DC-Wandler direkt vom Hochvolt-Energiespeicher bedient wird. Für Aktoren mit DC-Motoren, welche an das Bordnetz angeschlossen sind, bedeutet dies eine begrenzte Leistungaufnahme. Die begrenzte Leistungsaufnahme ergibt sich, da der maximale Strom in den Endstufen von Steuergeräten begrenzt und die Spannung im Bordnetz auf 12 Volt beschränkt ist.
Aufgrund ständig steigender Anforderungen an die Aktordynamik ergeben sich Zielkonflikte bei der Auslegung des DC-Motors des Aktors. Wie aus 1 ersichtlich, bedeutet dass, wenn ein großer Wert auf ein hohes Drehmoment M bei niedriger Drehzahl n des DC-Motors gelegt wird (hohe Motorkonstante K_t,1), dass die Dynamik bei hohen Drehzahlen des DC-Motors verloren geht, genauso wie umgekehrt (kleine Motorkonstante K_t,2).
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Aktordynamik und/oder des Aktordrehmoments anzugeben, bei welchem den steigenden Anforderungen an die Aktordynamik getragen wird, ohne dass Konflikte bei der Motorauslegung auftreten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Kraftfahrzeug hinsichtlich kritischer Fahrsituationen überwacht wird und bei einer Erkennung einer kritischen Fahrsituation die Bordnetzspannung zur Verbesserung der Aktoraktivität erhöht wird. Durch die Spannungserhöhung im Bordnetz eines Hybrid- bzw. Elektrokraftfahrzeuges wird sowohl die Dynamik als auch das Drehmoment des Aktors in der Betätigungseinrichtung des Kraftfahrzeuges verbessert. Dadurch ist eine schnelle Reaktion des Aktors auf die kritische Fahrsituation möglich, wodurch die kritische Fahrsituation zeitnah überwunden werden kann.
Vorteilhafterweise wird die Bordnetzspannung kurzzeitig erhöht. In vielen Fällen ist es ausreichend, dass die Bordnetzspannung nur solange erhöht wird, bis die kritische Situation überwunden ist. Nach Überwindung dieser kritischen Situation wird das Bordnetz wieder auf die üblichen 12 Volt zurückgefahren und der normale Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges fortgesetzt.
In einer Ausgestaltung wird die Bordnetzspannung aus einer, für den Betrieb eines Elektromotors zum Antrieb des Kraftfahrzeuges vorgesehenen Hochvoltspannung gewonnen. Dies hat den Vorteil, dass auf die Lichtmaschine, welche normalerweise in Kraftfahrzeugen die Bordnetzspannung während des Betriebs des Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor bereitstellt, entfallen kann. Aufgrund des Wegfalls der Lichtmaschine wird nicht nur Bauraum im Motorraum des Kraftfahrzeuges gespart, sondern auch eine kostengünstige Lösung bei der Erzeugung von zwei Spannungsnetzen, einmal der Bordnetzspannung von ca. 12 Volt und der Hochvolt-Spannung von annähernd 230 Volt, bereitgestellt.
In einer Variante generiert ein an die Hochvolt-Spannung angeschlossener Spannungswandler die Bordnetzspannung aus der Hochvolt-Spannung und erhöht, infolge eines Signals, welches bei Erkennung der kritischen Fahrsituation durch ein Steuergerät ausgegeben wird, die Bordnetzspannung. Spannungswandler, welche aus einer Hochvoltspannung die Bordnetzspannung ableiten, sind hinreichend bekannt, weshalb ein Einsatz solcher Spannungswandler eine besonders kostengünstige Lösung darstellt.
In einer Weiterbildung ist die die Erhöhung der Bordnetzspannung erfordernde kritische Fahrsituation eine dynamisch-kritische Fahrsituation oder eine Fahrsituation mit erhöhter Anforderung an das durch den Aktor zu übertragende Drehmoment. Sowohl die Dynamik als auch das Drehmoment des Aktors können durch die Erhöhung der Bordnetzspannung zur Überwindung der kritischen Fahrsituation erhöht werden.
In einer Ausführungsform wird die Bordnetzspannung erhöht, wenn eine hochdynamische Betätigung des Aktors erforderlich ist. Dadurch wird die kritische Fahrsituation schnellstmöglich überwunden.
Vorteilhafterweise wird die Bordnetzspannung erhöht, wenn eine Erhöhung des maximalen Drehmoments des Aktors, vorzugsweise bei einer Drehzahl nahe Null, notwendig wird, wobei insbesondere eine Strombegrenzung des Drehmomentes des Aktors überwunden wird. Die Erhöhung der Bordnetzspannung wird immer gezielt vorgenommen, wenn eine Spannungsanhebung zur Verbesserung der Aktivität des Aktors notwendig wird.
Insbesondere wird eine Schwergängigkeit des Aktors bei tiefen Temperaturen durch die Erhöhung der Bordnetzspannung überwunden. Aufgrund dieser Ausführung bleibt der Aktor auch in solchen Betriebssituationen funktionstüchtig, in welchen dieser bei einer Bordnetzspannung von 12 Volt nur bedingt betreibbar wäre.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
1: ein Drehmomenten-Drehzahl-Diagramm nach dem Stand der Technik
2: eine Prinzipdarstellung über die Kommunikation von Steuergeräten in einem Kraftfahrzeug
3: ein Drehmomenten-Drehzahl-Diagramm bei erhöhter Bordnetzspannung.
In 2 ist eine Prinzipdarstellung der Kommunikation von Steuergeräten in einem Kraftfahrzeug dargestellt, wie es insbesondere bei Kraftfahrzeugen Anwendung findet, die als Elektro- oder Hybridfahrzeuge ausgebildet sind. Bei Elektrofahrzeugen wird das Kraftfahrzeug lediglich durch den Elektromotor angetrieben, während bei einem Hybridfahrzeug es möglich ist, dass das Kraftfahrzeug durch eine Brennkraftmaschine und/oder einen Elektromotor angetrieben wird.
In einem solchen Kraftfahrzeug ist eine Steuergerätearchitektur 1 vorhanden, bei welchem ein übergeordnetes Steuergerät 2 über eine Kommunikationsschnittstelle 3 mit verschiedenen dezentralen Steuergeräten Information und Daten austauscht. Im vorliegenden Fall werden als dezentrale Steuergeräte das Aktorsteuergerät 4 und das Spannungswandlersteuergerät 5 betrachtet. Das Aktorsteuergerät 4 kann dabei in einem Kupplungsbetätigungssystem des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, wobei der Aktor ein eine Kupplung antreibender Gleichstrommotor (DC-Motor) 6 ist, dessen Endstufen im Aktorsteuergerät 4 angeordnet sind. Der DC-Motor 6 selbst ist dabei außerhalb des Aktorsteuergerätes 4 an der nicht weiter dargestellten Kupplung fixiert.
Das Spannungswandlersteuergerät 5 führt dabei an einen DC/DC-Wandler 7, welcher mit einer nicht weiter dargestellten Hochvolt-Batterie verbunden ist, welche den zum Antrieb des Fahrzeuges vorgesehenen Elektromotor mit Energie versorgt, damit dieser das Kraftfahrzeug antreiben kann. Eine solche Hochvolt-Batterie hat vorzugsweise eine Spannung von 230 Volt. Der DC/DC-Wandler 7 wandelt nun diese 230 Volt auf das Niveau der Bordnetzspannung, welche im Kraftfahrzeug allgemeinerweise 12 Volt beträgt. Mit dieser Bordnetzspannung von 12 Volt werden auch die Endstufen des DC-Motors 6 versorgt, die im Aktorsteuergerät 4 angeordnet ist.
Das übergeordnete Steuergerät 2 überwacht dabei das Kraftfahrzeug auf kritische Fahrsituationen. Als kritische Fahrsituationen, bei welchen eine hohe Dynamik des DC-Motors 6 erforderlich ist, werden beispielsweise das Schließen der Kupplung zum Anschleppen der Brennkraftmaschine oder das Anfahren eines Referenzpunktes der Kupplung während der Aktivierung des Aktorsystems oder die Durchführung einer Servicefunktion der Kupplung während des Normalbetriebes angesehen. Tritt eine solche kritische Fahrsituation auf, bei welcher die Kupplung des Kraftfahrzeuges schnellstmöglich betätigt werden muss, sendet das übergeordnete Steuergerät 2 an das Spannungswandlersteuergerät 5 ein Signal zur Erhöhung der Bordnetzspannung. Der DC/DC-Wandler wird von dem Spannungswandlersteuergerät 5 angesteuert und generiert aus der Hochvoltspannung eine Bordnetzspannung von 14 Volt, welche es dem DC-Motor 6 erlaubt, mit einer höheren Dynamik und/oder einem höheren Drehmoment zu agieren, um die Kupplung möglichst schnell in die gewünschte Position zu verfahren. Somit wird bei hochdynamischer Betätigung des DC-Motors 6, speziell im hohen Drehzahlbereich, eine verbesserte Motordynamik erreicht, ohne dabei Kompromisse eingehen zu müssen.
Wie aus 3 ersichtlich, ergibt sich bei einer Erhöhung der Bordnetzspannung des DC-Motors 6 eine Parallelverschiebung der Grenzkennlinie bei einer festen Motorkonstanten K_t. Daraus resultiert, dass bei einer erhöhten Bordnetzspannung sowohl ein höheres Drehmoment M nahe einer Drehzahl n von Null erreicht wird. Weiterhin wird nach dem Hochfahren des Drehmomentes M der DC-Motor 6 eine Drehzahl erreicht, welche die Drehzahl n, die der EC-Motor 6 bei einer Bordnetzspannung von 12 Volt maximal einstellen kann, übersteigt.
Weiterhin ist aus 3 ersichtlich, dass bei geschickter Auslegung des EC-Motors 6 eine Erhöhung des maximalen Drehmomentes M des DC-Motors 6 bei Drehzahl n = 0 möglich ist. Hierfür ist der DC-Motor 6 so ausgelegt, dass die Spannung und nicht der Strom das maximalen Drehmoment M in diesem Drehzahlbereich begrenzt. Dies wird insbesondere im Vergleich mit 1 ersichtlich, wo durch eine Strombegrenzung bei kleinen Drehzahlen das Drehmoment M auf eine Konstante begrenzt ist. Dies wird erfolgreich durch das beschriebene Verfahren unterbunden.
Aufgrund der gemachten Ausführungen wird den ständig steigenden Anforderungen an die Aktordynamik Rechnung getragen und Zielkonflikte bei der Motorauslegung, wie hohes Drehmoment M bei niedrigen Drehzahlen n, wobei die Dynamik des EC-Motors 6 bei hohen Drehzahlen n verloren geht, und umgekehrt ein kleines Drehmoment M bei hohen Drehzahlen n, wo die Drehmomente M verringert werden, überwunden.
Bezugszeichenliste

a.

Steuergerätearchitektur

b.

Übergeordnetes Steuergerät

c.

Kommunikationsschnittstelle

d.

Aktorsteuergerät

e.

Spannungswandlersteuergerät

f.

DC-Motor

g.

DC/DC-Wandler

M

Drehmoment

n

Drehzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10159267 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Erhöhung einer Dynamik und/oder eines Drehmomentes eines Aktors in einer Betätigungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Getriebe- oder Kupplungsbetätigungseinrichtung, bei welchem der Aktor (6) mit einer Bordnetzspannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug hinsichtlich kritischer Fahrsituationen überwacht wird und bei einer Erkennung einer kritischen Fahrsituation die Bordnetzspannung zur Verbesserung der Aktoraktivität erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung kurzzeitig erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung aus einer, für den Betrieb eines Elektromotors zum Antrieb des Kraftfahrzeuges vorgesehenen Hochvoltspannung gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Hochvoltspannung angeschlossener Spannungswandler (7) die Bordnetzspannung aus der Hochvoltspannung generiert und infolge eines Signals, welches bei Erkennung einer kritischen Fahrsituation durch ein Steuergerät (2) ausgegeben wird, die Bordnetzspannung erhöht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Erhöhung der Bordnetzspannung erfordernde kritische Fahrsituation eine dynamisch-kritische Fahrsituation oder eine Fahrsituation mit erhöhter Anforderung an das, durch den Aktor (6) zu übertragende Drehmoment (M) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung erhöht wird, wenn eine hochdynamische Betätigung des Aktors (6) erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung erhöht wird, wenn eine Erhöhung des maximalen Drehmomentes (M) des Aktors (6), vorzugsweise bei einer Drehzahl (n) nahe Null, notwendig wird, wobei insbesondere eine Strombegrenzung des Drehmomentes (M) des Aktors (6) überwunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwergängigkeit des Aktors (6) bei tiefen Temperaturen überwunden wird.