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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Füllstands einer Hydrospeichereinrichtung, die eine Gasfüllung mit einer Gastemperatur und mit einem Gasdruck und ein davon getrenntes Hydraulikvolumen mit einem Füllstand umfasst, der in Abhängigkeit von einem zugeführten oder abgeführten Volumenstrom variiert.
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Stand der Technik
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Die Hydrospeichereinrichtung kann zum Beispiel als Kolbenspeicher mit einem Kolben als Trennmedium zwischen einem Gasvolumen und einem Flüssigkeitsvolumen ausgeführt sein. In Abhängigkeit vom Füllstand, der auch als Ladezustand bezeichnet werden kann, verändert der Kolben seine Position in dem Kolbenspeicher.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfassung des Füllstands von Hydrospeichereinrichtungen in Hydrauliksystemen zu vereinfachen und/oder zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Ermitteln eines Füllstands einer Hydrospeichereinrichtung, die eine Gasfüllung mit einer Gastemperatur und mit einem Gasdruck und ein davon getrenntes Hydraulikvolumen mit einem Füllstand umfasst, der in Abhängigkeit von einem zugeführten oder abgeführten Volumenstrom variiert, dadurch gelöst, dass ein geschätzter Volumenstrom integriert und mit Hilfe einer gemessenen Gastemperatur und mit einem gemessenen Druck korrigiert wird. Als Hydrospeichereinrichtung wird zum Beispiel ein Hohlkörper mit einem bekannten Volumen bezeichnet, der teilweise mit einem Hydraulikmedium, insbesondere mit Hydrauliköl, und teilweise mit einem Gas, zum Beispiel Stickstoff, gefüllt ist. Das Volumenverhältnis von Öl zu Gas in dem Hohlkörper ist variabel und entspricht dem Füllstand oder Ladezustand der Hydrospeichereinrichtung. Gas und Öl sind durch ein bewegliches Bauteil zur Medientrennung separiert. Je nach Ausführung der Medientrennung wird zum Beispiel zwischen einem Kolbenspeicher, einem Blasenspeicher und einem Membranspeicher unterschieden. Hydrospeicher können als hydraulische Energiespeicher verwendet werden, deren Energie im komprimierten Gasvolumen gespeichert ist und deren Energiemenge sich durch Zufluss oder Entnahme von Hydraulikmedium, insbesondere Hydrauliköl, verändert. Simultan zu einer Veränderung des Gasvolumens verändert sich dabei auch der Speicherdruck. Zur Bezeichnung des Füllstands oder Ladezustands der Hydrospeichereinrichtung werden auch die englischen Begriffe State of Charge verwendet. Der geschätzte Volumenstrom ist zwar hoch dynamisch, jedoch aufgrund von temperaturabhängigen Leckagen im System stationär ungenau. Die Messung der Gastemperatur ist aufgrund der Dynamik eines zur Messung der Gastemperatur verwendeten Temperatursensors sehr träge, jedoch stationär relativ genau. Eine Grundidee der Erfindung ist es, den geschätzten Volumenstrom zu integrieren und damit eine hohe Dynamik der Füllstandsschätzung abbilden zu können und diesen über die gemessene Gastemperatur und mit dem gemessenen Druck, insbesondere mit Hilfe einer realen Gasgleichung, stationär zu korrigieren. Bei dem gemessenen Druck kann es sich um den Gasdruck handeln. Es kann aber auch der Druck auf der Hydraulikseite oder Ölseite gemessen werden. Der Druck auf der Ölseite wird auch als Öldruck bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Volumenstrom mit Hilfe einer Realgasgleichung korrigiert wird. Mit der Realgasgleichung kann das Gasvolumen der Hydrospeichereinrichtung aus vorhandenen Messdaten, wie der Gastemperatur, geschätzt werden. Bei der Realgasgleichung handelt es sich vorzugsweise um Gleichung 3 in der Figurenbeschreibung.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasvolumen der Gasfüllung durch Integration des geschätzten Volumenstroms ermittelt wird, um einen ersten Mittelwert zu bilden. Der erste Mittelwert wird vorzugsweise mit der Gleichung 2 in der Figurenbeschreibung ermittelt. Allerdings ist in dieser Gleichung 2 das Gasvolumen zu Beginn der Integration unbekannt. Die Integration eines Schätzfehlers kann sehr schnell zu sehr großen Fehlern im geschätzten Volumen führen. Andererseits können mit dieser Schätzung auch dynamische Änderungen des Gasvolumens sehr exakt bestimmt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen der Gasfüllung durch die Realgasgleichung ermittelt wird, um einen zweiten Mittelwert zu bilden. Der zweite Mittelwert wird vorzugsweise mit der Gleichung 3 in der Figurenbeschreibung ermittelt. Dabei werden Messungen des Gasdrucks und der Gastemperatur verwendet. Anstelle des Gasdrucks kann auch der gemessene Öldruck verwendet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwerte durch eine Filterung mit einer ersten linearen Übertragungsfunktion approximiert werden, um einen dritten und einen vierten Mittelwert zu bilden. Der dritte Mittelwert wird vorzugsweise mit einer Gleichung 4 in der Figurenbeschreibung ermittelt. Der vierte Mittelwert wird vorzugsweise mit einer Gleichung 5 in der Figurenbeschreibung ermittelt. Ein weiterer Grundgedanke eines erfindungsgemäßen Schätzkonzepts besteht darin, den schlechteren ersten Mittelwert durch den besseren zweiten Mittelwert zu korrigieren. Dazu approximiert man die Mittelwerte durch eine Filterung mit einer linearen Übertragungsfunktion in den Gleichungen 4 und 5.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Mittelwert von dem ersten Mittelwert subtrahiert wird, und die Differenz mit dem vierten Mittelwert addiert wird, um einen Schätzwert zu bilden. Der Schätzwert wird vorzugsweise mit der Gleichung 6 in der Figurenbeschreibung gebildet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Schätzwert ein erster gleitender Mittelwert gebildet wird. Der erste gleitende Mittelwert wird vorzugsweise mit der Gleichung 8 in der Figurenbeschreibung gebildet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zweiten Mittelwert ein zweiter gleitender Mittelwert gebildet wird. Der zweite Mittelwert wird vorzugsweise mit der Gleichung 9 in der Figurenbeschreibung gebildet. Die Berechnung der gleitenden Mittelwerte in den Gleichungen 8 und 9 ist aufgrund des langen Zeitraums relativ speicheraufwändig. Um den Speicheraufwand zu reduzieren, kann die Mittelwertfilterung in rekursiver Form durchgeführt oder ein rekursives Least-Squares-Filter zur Approximation verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät, das in ein Kraftfahrzeug integriert ist. Das Steuergerät wird auch als elektrische Kontrolleinheit beziehungsweise elektronische Kontrolleinheit bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Steuergerät mit einem derartigen Computerprogrammprodukt. Das Steuergerät ist vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Hydraulikhybridfahrzeug mit einem Hydraulikhybridantrieb, dem das vorab beschriebene Hydrauliksystem zugeordnet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 zwei kartesische Koordinatendiagramme, in welchen die Mess- und Eingangsgrößen über der Zeit aufgetragen sind und
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2 zwei kartesische Koordinatendiagramme mit einem geschätzten SOC-Wert im Vergleich zu einem gemessenen Referenzwert.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Hydrospeicher werden in hydraulischen Systemen genutzt, um ein Fluidvolumen, insbesondere ein Ölvolumen, unter Druck aufzunehmen und später mit möglichst geringen Verlusten wieder abzugeben. Überlicherweise besteht ein Hydrospeicher aus einem druckfesten Gehäuse, einer vorgespannten Gasfüllung und einem Trennelement zwischen Gas und Öl.
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Bei dem Trennelement handelt es sich je nach Bauart um eine Blase, eine Membran oder einen Kolben. Für den Betrieb in einem hydraulischen System, wie in einem Hydraulikhybridantriebssystem, ist der Füllstand des Hydrospeichers im Betrieb des hydraulischen Systems von Bedeutung. Zur Bezeichnung des Füllstands wird auch der englische Begriff State of Charge (SOC) verwendet. Der Füllstand oder State of Charge kann gegebenenfalls, zum Beispiel mit Hilfe eines Positionssensors, direkt gemessen werden. Der Füllstand oder SOC kann aber auch über Umrechnungsformeln aus einem gemessenen Druck bestimmt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung soll der Füllstand eines Hydrospeichers möglichst unabhängig von der Bauart des Hydrospeichers aus Messgrößen geschätzt werden. Als Messgrößen stehen die gemessene Gastemperatur, der gemessene Öl- oder Gasdruck und ein fehlerbehafteter geschätzter Volumenstrom zur Verfügung.
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Der geschätzte beziehungsweise berechnete Volumenstrom ist zwar hochdynamisch, jedoch aufgrund von temperaturabhängigen Leckagen im System stationär ungenau. Die Messung der Gastemperatur ist aufgrund der Dynamik des Temperatursensors sehr träge, jedoch stationär relativ genau. Die Grundidee der Erfindung ist es, den geschätzten Volumenstrom zu integrieren und damit eine hohe Dynamik der Füllstandsschätzung abbilden zu können und über die gemessene Gastemperatur und die reale Gasgleichung diesen stationär zu korrigieren.
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Der Füllstand des Hydrospeichers wird bezogen auf ein Arbeitsvolumen V
g,max, das der maximalen Befüllung entspricht, als SOC-Wert folgendermaßen angegeben:
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Das Gasvolumen kann direkt durch Integration des (geschätzten) Ölvolumenstroms q
ok,S in der Form:
ermittelt werden. Darin bezeichnet q
ok,S den geschätzten Ölvolumenstrom in den Speicher, welcher sich aus der Summe des wahren Werts q
o und dem Schätzfehler ∆q
o (infolge der Leckagen) errechnet. Weiterhin beschreibt V
g1,0 das Gasvolumen zu Beginn der Integration.
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Dieser Ansatz besitzt zwei wesentliche Nachteile: (i) Das Gasvolumen Vg1,0 zu Beginn der Integration ist unbekannt und (ii) die Integration des Schätzfehlers ∆qo führt sehr schnell zu sehr großen Fehlern im geschätzten Volumen Vg1. Andererseits können mit dieser Schätzung hochdynamische Änderungen des Gasvolumens sehr exakt bestimmt werden und die Schätzung ist zufolge der Integration sehr robust auf Messrauschen. Es ist damit anzunehmen, dass das Volumen Vg1 die Dynamik des Füllstands sehr gut wiedergibt, stationär allerdings falsch ist. Vg1 wird auch als erster Mittelwert bezeichnet.
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Eine zweite Möglichkeit das Gasvolumen aus den vorhandenen Messdaten zu schätzen basiert auf der Realgasgleichung:
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Dabei werden die Messungen des Gasdrucks pg,S und der Gastemperatur Tg,S verwendet. Anstelle des Gasdrucks kann auch der Druck auf der Ölseite verwendet werden. Nimmt man an, dass (i) das Gasvolumen mg bekannt ist und (ii) sowohl der Druck- als auch der Temperatursensor stationär die korrekten Werte bestimmen, dann liefert diese Schätzung stationär richtige Werte. Aufgrund der langsamen Dynamik des Temperatursensors ist jedoch davon auszugehen, dass dynamische Änderungen des Gasvolumens nicht korrekt abgebildet werden. Es ist damit anzunehmen, dass das Volumen Vg2 stationär den Füllstand sehr gut wiedergibt, dynamisch jedoch nicht. Vg2 wird auch als zweiter Mittelwert bezeichnet. Rs bezeichnet eine Gaskonstante, insbesondere eine spezielle Gaskonstante.
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Die Grundidee des Schätzkonzepts besteht nun darin, den falschen ersten Mittelwert von V
g1 durch den korrekten zweiten Mittelwert von V
g2 zu korrigieren. Dazu approximiert man die Mittelwerte durch eine Filterung mit einer linearen Übertragungsfunktion G
1(s) und erhält:
wobei wiederum V
g(s) den wahren Wert des Volumens und ∆V
g(s) die Abweichung darstellt. Weiterhin wurde angenommen, dass die Berechnung von V
g2(s) als Filterung des wahren Werts V
g(s) mit einer linearen Übertragungsfunktion G
2(s), das heißt V
g2(s) = G
2(s)Vg(s), dargestellt werden kann. Die lineare Übertragungsfunktion G
2(s) stellt dabei eine Schätzung der langsamen Dynamik des Temperatursensors dar. V
g1 mit Überstrich wird auch als dritter Mittelwert bezeichnet. V
g2 mit Überstrich wird auch als vierter Mittelwert bezeichnet.
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Subtrahiert man von V
g1 den falschen Mittelwert V
g1 mit Überstrich und addiert den korrekten Mittelwert V
g2 mit Überstrich, so erhält man die Schätzung:
Vg,∊1(s) = Vg1(s) – V -g1(s) + V -g2(s) = Vg(s) + ΔVg(s) – G1(s)ΔVg(s) – G1(s)ΔVg(s) + G1(s)Vg2, (6) die nach einigen Umformungen zu folgendem Ergebnis führt:
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Falls es durch eine geeignete Wahl des Filters G1(s) möglich wäre, dass die Bedingungen 1 – G1(s) + G1(s)G2(s) ≈ 1 sowie 1 – G1(s) ≈ 0 im interessierenden Frequenzbereich erfüllt wären, dann könnte eine gute Schätzung Vg,e1 des Gasvolumens Vg ermittelt werden. Simulationsstudien zeigen jedoch, dass eine geeignete Wahl von G1(s) kaum möglich ist, da hier immer ein Kompromiss zwischen den beiden Bedingungen gewählt werden muss. Vg,e1 wird auch als Schätzwert bezeichnet.
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Wählt man nun ein G1(s), das die obigen Bedingungen nicht exakt erfüllt, so erhält man eine Schätzung Vg,e1, deren Mittelwert nicht korrekt ist, aber nicht (wie bei Vg1) über alle Grenzen wachsen kann. Um nun den korrekten Mittelwert zu bestimmen, wird der Mittelwert Vg,e1 mit Hilfe des gleitenden Mittelwerts in der Form: V ~g,e1 = 1 / T∫ t / t–TVg,e1(r)dr, (8) mit dem Zeitraum T bestimmt. Man beachte, dass mit V mit geschlängeltem Überstrich gekennzeichnet wird, dass ein gleitender Mittelwert und keine Tiefpassfilterung zum Einsatz kommt. Vg,e1 mit geschlängeltem Überstrich in Gleichung 8 wird auch als erster gleitender Mittelwert bezeichnet. Der gleitende Mittelwert für Vg2 aus Gleichung (3) ergibt sich auf analoge Art zu: V ~g2 = 1 / T∫ t / t–TVg2(r)dr, (9)
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Die Berechnung der gleitenden Mittelwerte in den Gleichungen (8) und (9) ist auf Grund des langen Zeitraums relativ speicheraufwendig. Um den Speicheraufwand zu reduzieren, kann die Mittelwertfilterung in rekursiver Form durchgeführt oder ein rekursiver Least-Squares-Filter zur Approximation verwendet werden.
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Wenn für die Mittelwertberechnung eine lineare Übertragungsfunktion verwendet wird, dann können die Terme zusammengefasst und vereinfacht werden. Vg2 mit geschlängeltem Überstrich in Gleichung 9 wird auch als zweiter gleitender Mittelwert bezeichnet. Korrigiert man die Schätzung Vg,e1 mit Hilfe dieser beiden gleitenden Mittelwerte, so erhält man schließlich die korrigierte Schätzung in der Form: V ~g,e2 = Vg,e1 – V ~g,e1 + V ~g2 (10)
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Diese kann mit Gleichung (1) in den SOC-Wert umgerechnet werden.
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Zur Validierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein Kolbenspeicher mit einem Wegmesssystem ausgerüstet, um die Kolbenposition zu messen. Damit kann direkt auf das Gasvolumen beziehungsweise den SOC-Wert geschlossen werden.
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1 zeigt in dem oberen kartesischen Koordinatendiagramm den gemessenen Öldruck und die gemessene Temperatur des Gases. Der gemessene Öldruck ist in Form einer durchgezogenen Messkurve dargestellt. Die gemessene Temperatur des Gases ist in Form einer gestrichelten Messkurve dargestellt.
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2 zeigt in dem unteren kartesischen Koordinatendiagramm den geschätzten Ölvolumenstrom in dem Speicher.
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In 2 ist das Ergebnis der SOC-Wertberechnung nach Gleichung 10 im Vergleich zu einem Referenzsignal dargestellt. In dem oberen kartesischen Koordinatendiagramm ist der geschätzte SOC-Wert in Form einer durchgezogenen Linie dargestellt. Der Referenzwert ist gestrichelt dargestellt. In dem unteren Koordinatendiagramm der 2 ist der Fehler zwischen dem geschätzten SOC-Wert und dem gemessenen Referenzwert aufgetragen.
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In dem oberen Koordinatendiagramm der 2 sieht man, dass der gemessene Referenzwert relativ gut mit dem berechneten SOC-Wert übereinstimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt für Hydrospeicher verwendet, in denen Messwerte für Druck und Temperatur sowie ein geschätzter Volumenstrom zur Verfügung stehen. Das ist insbesondere bei hydraulischen Hybridantrieben der Fall, in welchen der Volumenstrom aus Zuständen von Hydraulikmaschinen, insbesondere Hydraulikpumpen, und hydraulischen Verbrauchern geschätzt werden kann. Durch die Kenntnis des dynamischen SOC-Werts kann das Speichervolumen optimal ausgenutzt werden. Darüber hinaus können schnelle Lade- und Entladezyklen gefahren werden.
