DE102014225243A1

DE102014225243A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Antriebsstranges

Info

Publication number: DE102014225243A1
Application number: DE102014225243.1A
Authority: DE
Inventors: Sriganesh Sriram
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges (1) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Druckspeicher (4, 27, 51) mit je einem Gasraum und je einem Hydraulikflüssigkeitsraum mit den Schritten: Einleiten einer Hydraulikflüssigkeit in den wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51), so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher reduziert wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases erhöht wird und/oder Ausleiten einer Hydraulikflüssigkeit aus dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51), so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher (4, 27, 51) erhöht wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases reduziert wird, Erfassen eines Mess-Druckes des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51) mit wenigstens einem Drucksensor mit einer ersten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Druck des Gases, Erfassen einer Mess-Temperatur des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51) mit wenigstens einem Temperatursensor mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Temperatur des Gases, mit einer ersten Modellberechnung aus primären Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers (4, 27, 51) eine Modell-Temperatur des Gases berechnet wird und mit der Modell-Temperatur des Gases das Volumen des Gases berechnet wird, wobei mit einer zweiten F-Modellberechnung die F-Temperatur des Gases bestimmt wird und in Abhängigkeit von der F-Temperatur des Gases die Start-Temperaturen als primäre Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers (4, 27, 51) für die erste Modellberechnung bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13.
Stand der Technik
Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor weisen einen Antriebsstrang zur Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor auf wenigstens ein Antriebsrad auf. Dabei sind im Allgemeinen an dem Kraftfahrzeug zwei Antriebsräder mittels eines Differentialgetriebes angetrieben. Der Verbrennungsmotor stellt mit einer Motorwelle mechanische Energie zur Verfügung und mittels eines Leistungsverzweigungsgetriebes kann diese mechanische Energie von der Motorwelle auf eine erste und zweite Abtriebswelle an dem Leistungsverzweigungsgetriebe aufgeteilt werden. Dabei treibt die erste Abtriebswelle einen mechanischen Antriebsteilstrang des Antriebsstranges an, bei welchem die mechanische Energie ausschließlich mechanisch auf das wenigstens eine Antriebsrad bzw. das Differentialgetriebe übertragen wird. Die zweite Antriebswelle treibt einen hydraulischen Antriebsteilstrang an und in den hydraulischen Antriebsteilstrang ist ein hydraulisches Getriebe integriert bzw. eingebaut, so dass an dem hydraulischen Antriebsteilstrang die Übertragung der mechanischen Energie auch hydraulisch ausgeführt wird. Zum Betrieb des hydraulischen Getriebes ist eine Pumpe erforderlich, welche von der zweiten Abtriebswelle angetrieben ist, sowie ein hydraulischer Motor, welcher mit einer Hydraulikflüssigkeit von der Pumpe angetrieben ist. Der hydraulische Motor treibt seinerseits mit einer Antriebswelle an dem hydraulischen Motor bzw. einer Hydraulikgetriebantriebswelle das Differentialgetriebe bzw. das wenigstens eine Antriebsrad an. Ferner weist der Antriebsstrang einen Druckspeicher zur Druckspeicherung von hydraulischer Energie auf. Mit der von der zweiten Abtriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes angetriebenen Pumpe kann die Hydraulikflüssigkeit nicht nur dem hydraulischen Motor, sondern auch einem Druckspeicher zugeführt werden zur Speicherung von hydraulischer Energie. Diese in dem Druckspeicher gespeicherte hydraulische Energie kann später durch Leiten der Hydraulikflüssigkeit von dem Druckspeicher zu dem hydraulischen Motor zum Antrieb des wenigstens einen Antriebsrades bzw. des Differentialgetriebes genutzt werden. In einem Rekuperationsbetrieb kann kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in dem Druckspeicher als hydraulische Energie gespeichert werden.
Der Druckspeicher ist beispielsweise als ein Kolbenspeicher oder ein Blasenspeicher ausgebildet. Für die Steuerung und/oder Regelung des Antriebsstranges ist eine Kenntnis des aktuellen Ladezustandes des Druckspeichers erforderlich. Hierzu kann mit einem Drucksensor der Druck des Gases in dem Druckspeicher und mit einem Temperatursensor die Temperatur des Gases erfasst werden und hieraus das Volumen des Gases berechnet werden, weil das Volumen des Gases einen Parameter für den Ladezustand des Druckspeichers darstellt. Beim Ein- oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit in oder aus dem Druckspeicher verändern sich in Abhängigkeit von der Zeit der Ist-Druck und die Ist-Temperatur des Gases. Der Drucksensor erfasst als Mess-Druck den Ist-Druck mit einer ersten zeitlichen Verzögerung von ungefähr 0,01 s und der Temperatursensor erfasst als Mess-Temperatur die Ist-Temperatur mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung von ungefähr 2 bis 3 s. Die zweite zeitliche Verzögerung des Temperatursensors ist somit wesentlich größer als die erste zeitliche Verzögerung des Drucksensors. Zur Berechnung des Volumens des Gases mit der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase bei einer bekannten Stoffmenge und molaren Gaskonstante des Gases ist eine möglichst genaue Kenntnis des Druckes und der Temperatur zur gleichen Zeit erforderlich, um das Volumen des Gases möglichst genau berechnen zu können. Aufgrund der großen zweiten zeitlichen Verzögerung der von dem Temperatursensor erfassten Mess-Temperatur kann somit mit das Volumen des Gases nur mit einer geringen bzw. unzureichenden Genauigkeit berechnet werden, so dass keine ausreichend exakte Bestimmung des Ladezustandes bei einer schnellen Veränderung des Ladezustandes möglich ist.
Die DE 27 33 870 C2 zeigt eine Steuereinrichtung für eine Schrägenscheibenaxialkolbenpumpe, bei der an beiden Seiten der Wiege zur Verschwenkung der Schrägscheibe je ein hydraulisch beaufschlagter Schwenkflügel am Motor angreift, wobei beide Motoren mittels eines um die Schwenkachse der Wiege verschwenkbar angeordneten plattenförmigen Steuerventilschiebers steuerbar sind und zur Einstellung der Fördermenge der Pumpe dienen.
Die DE 195 42 427 A1 zeigt ein hydrostatisches Antriebssystem für ein hydrostatisch betriebenes Fahrzeug.
Aus der DE 10 2013 215 862 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges bekannt. Es werden ein Mess-Druck und eine Mess-Temperatur eines Gases in einem Druckspeicher erfasst und eine Modell-Temperatur des Gases berechnet und hieraus der Ladezustand des Druckspeichers bestimmt.
Die DE 10 2014 212 156 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges. Aus den primären Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers wird eine Modell-Temperatur des Gases berechnet und hieraus der Ladezustand des Druckspeichers bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Druckspeicher mit je einem Gasraum und je einem Hydraulikflüssigkeitsraum mit den Schritten: Einleiten einer Hydraulikflüssigkeit in den wenigstens einen Druckspeicher, so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher reduziert wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases erhöht wird und/oder Ausleiten einer Hydraulikflüssigkeit aus dem wenigstens einen Druckspeicher, so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher erhöht wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases reduziert wird, Erfassen eines Mess-Druckes des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher mit wenigstens einem Drucksensor mit einer ersten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Druck des Gases, Erfassen einer Mess-Temperatur des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher mit wenigstens einem Temperatursensor mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Temperatur des Gases, mit einer ersten Modellberechnung aus primären Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers eine Modell-Temperatur des Gases berechnet wird und mit der Modell-Temperatur des Gases das Volumen des Gases berechnet wird, wobei mit einer zweiten F-Modellberechnung die F-Temperatur des Gases bestimmt wird und in Abhängigkeit von der F-Temperatur des Gases die Start-Temperaturen als primäre Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers für die erste Modellberechnung bestimmt werden. Mit Hilfe der ersten Modellberechnung werden die thermischen Eigenschaften des Druckspeichers erfasst, so dass dadurch die Modell-Temperatur des Gases aus den primären Temperaturen der Teilelemente berechnet werden kann. Damit ist es möglich, die Modell-Temperatur im Wesentlichen zeitgleich mit der von dem Drucksensor erfassten Druck des Gases zu berechnen, so dass dadurch das Volumen des Gases mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden kann und damit auch der Ladezustand des Druckspeichers, weil das Volumen des Gases der Parameter für den Ladezustand des Druckspeichers ist. Für den ersten Berechnungsschritt mit der ersten Modellberechnung werden die primären Temperaturen der Teilelemente benötigt als die aktuellen Temperaturen der Teilelemente zum Zeitpunkt des ersten Berechnungsschrittes. Bei einer kurzzeitigen Unterbrechung des Betriebes des Druckspeichers bzw. des Antriebsstranges werden mit der zweiten F-Modellberechnung die primären Temperaturen der Teilelemente als Start-Temperaturen bestimmt zur Verwendung in dem ersten Berechnungsschritt für die erste Modellberechnung. Es wird je eine Start-Temperatur für ein Teilelement bestimmt, d. h. die Anzahl der Start-Temperaturen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Teilelemente. Dies gilt auch allgemein für die primären Temperaturen, d. h. es wird je eine primäre Temperatur für ein Teilelement benötigt, so dass vorzugsweise die Anzahl der primären Temperaturen der Anzahl der Teilelemente entspricht.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird mit der F-Modellberechnung in Abhängigkeit von der von dem wenigstens einen Temperatursensor erfassten Mess-Temperatur des Gases die F-Temperatur bestimmt und vorzugsweise ist die zeitliche Verzögerung zwischen der F-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases kleiner als die zeitliche Verzögerung zwischen der Mess-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases und/oder die zweite zeitliche Verzögerung größer ist als die erste zeitliche Verzögerung.
In einer weiteren Ausführungsform wird mit der F-Modellberechnung ein Korrekturfaktor berechnet und die F-Temperatur aus der Summe der Mess-Temperatur und dem Produkt aus dem Korrekturfaktor und dem Mess-Druck bestimmt und/oder die F-Temperatur in Abhängigkeit von der Mess-Temperatur und in Abhängigkeit von dem Mess-Druck bestimmt wird.
In einer zusätzlichen Variante wird der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der molaren Gasmasse und/oder der Mess-Temperatur des Gases und/oder dem Mess-Druck des Gases und/oder der Änderung des Mess-Druckes pro Zeiteinheit bestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden in Abhängigkeit von der Differenz aus der F-Temperatur des Gases und der Modell-Temperatur des Gases aus einem Berechnungsschritt der Modellberechnung die Start-Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers bestimmt.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die Start-Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers in Abhängigkeit von einem, vorzugsweise konstanten, Korrekturvektor bestimmt, insbesondere die Start-Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers in Abhängigkeit von dem Produkt aus dem Korrekturvektor und der Differenz aus der F-Temperatur des Gases und der Modell-Temperatur des Gases aus einem Berechnungsschritt der Modellberechnung bestimmt werden, und vorzugsweise das Ergebnis dieses Produktes einen variablen Korrekturvektor bildet.
Zweckmäßig werden die Start-Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers aus der Summe aus der in einem Berechnungsschritt der Modellberechnung bestimmten Temperaturen der Teilelemente und dem variablen Korrekturvektor bestimmt. Als Vektor wird eine Matrix mit einer Spalte oder Zeile betrachtet.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Start-Temperaturen der Teilelemente des Druckspeichers nach einer kurzzeitigen Unterbrechung, beispielsweise von weniger als 2 h oder 1 h, des Betriebes des Druckspeichers bestimmt. Die primäre Temperatur ist der Oberbegriff für die Start-Temperator oder die Anfangs-Temperatur der Teilelemente. Die primäre Temperatur wird für den ersten Berechnungsschritt zu Beginn eines Berechnungsvorganges nach einer kurzfristigen oder langfristigen Unterbrechung des Betriebes mit der ersten Modellberechnung benötigt und anschließend werden weitere Berechnungsschritte mit der ersten Modellberechnung durchgeführt. Für die weiteren Berechnungsschritte mit der ersten Modellberechnung wird die Temperatur der Teilelemente ermittelt in dem vorhergehenden Berechnungsschritt für den nachfolgenden Berechnungsschritt verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Anfangs-Temperatur des Gases nach einer langfristen Unterbrechung des Betriebes und/oder eine Start-Temperatur des Gases nach einer kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes bestimmt und eine Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher bestimmt wird und die Temperatur der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit bestimmt wird und mit der Anfangs-Temperatur und/oder Start-Temperatur des Gases, der Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher, dem Mess-Druck des Gases und der Temperatur der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit die Modellberechnung ausgeführt wird und/oder die Anfangs-Temperatur des Gases dadurch bestimmt wird, dass eine Anfangs-Temperatur des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher mit wenigstens einem Temperatursensor oder Umgebungs-Temperatursensor, insbesondere vor einer Inbetriebnahme und/oder außerhalb des Betriebes des Druckspeichers mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur des Gases in Abhängigkeit von der Zeit, erfasst wird, vorzugsweise mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung zu einer Ist-Temperatur des Gases, wobei die zweite zeitliche Verzögerung größer ist als die erste zeitliche Verzögerung und/oder die zeitliche Verzögerung zwischen der Modell-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases im Wesentlichen der ersten zeitlichen Verzögerung entspricht und/oder die Anfangs-Temperaturen der Teilelemente nach einer langfristen Unterbrechung des Betriebes und/oder die Start-Temperaturen der Teilelemente nach einer kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes jeweils die primäre Temperaturen für die erste Modellberechnung sind. Die Anfangs-Temperatur wird vorzugsweise außerhalb des Betriebes des Druckspeichers, beispielsweise an Ende des längerfristigen Stillstandes eines Kraftahrzeuges, von einem Temperatursensor oder Umgebungs-Temperatursensor erfasst, so dass mit der Inbetriebnahme die Anfangs-Temperaturen der Teilelemente zur Verfügung stehen, da nach einer längerfristigen Unterbrechung des Betriebes des Druckspeichers sämtliche Teilelemente aufgrund eines thermischen Gleichgewichtes die im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen. Aufgrund der im Wesentlichen konstanten Temperatur des Gases während des langfristigen Stillstandes des Kraftfahrzeuges ist die größere zweite zeitliche Verzögerung vernachlässigbar.
Zweckmäßig wird bezüglich des Gases als ein Teilelement als Start-Temperatur die F-Temperatur verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Umgebungs-Temperatur der Umgebung dadurch bestimmt, dass die Umgebungs-Temperatur der Umgebung an dem Druckspeicher mit dem wenigstens einen Umgebungs-Temperatursensor erfasst wird und/oder die Temperatur der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit dadurch bestimmt wird, dass die Temperatur der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit mit einem Hydraulik-Temperatursensor erfasst wird oder mit einer weiteren Modellberechnung berechnet wird und/oder das Volumen der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit mit einem Hydraulik-Volumensensor erfasst wird oder mit einem weiteren Modell berechnet wird oder aus Daten wenigstens einer hydraulischen Pumpe und/oder wenigstens eines hydraulischen Motors zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie berechnet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Druckspeicher, insbesondere die Wandung und/oder die Hydraulikflüssigkeit und/oder ein Trennelement, in fiktive Teilelemente unterteilt und die Modellberechnung mit den fiktiven Teilelementen getrennt durchgeführt. Die Unterteilung des Druckspeichers, insbesondere einzelner Komponenten, z. B. eine Wandung, ein Trennelement, ein Hydraulikflüssigkeitsraum, des Druckspeichers in Teilelemente ermöglicht es Komponenten mit unterschiedlichen Teileigenschaften genauer mit Hilfe des Modells abzubilden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird bei der Modellberechnung eine Wandung des Druckspeichers in fiktive Teilwandungselemente unterteilt und die Modellberechnung wird an den Teilwandungselementen getrennt durchgeführt und/oder bei der Modellberechnung ein Hydraulikflüssigkeitsraum des Druckspeichers mit der Hydraulikflüssigkeit in fiktive Teilhydraulikelemente unterteilt wird und die Modellberechnung an den Teilhydraulikelementen getrennt durchgeführt wird und/oder bei der Modellberechnung ein Trennelement zwischen dem Hydraulikflüssigkeitsraum mit Hydraulikflüssigkeit und einem Gasraum mit dem Gas in fiktive Teiltrennelemente unterteilt wird und die Modellberechnung an den Teiltrennelementen getrennt durchgeführt wird.
Zweckmäßig wird bei der Modellberechnung die Stoffmenge des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher und/oder die Wärmeleitfähigkeit wenigstens eines Teilelementes, vorzugsweise mehrerer Teilelemente, des wenigstens einen Druckspeichers und/oder die Wärmespeicherkapazität wenigstens eines Teilelementes, vorzugsweise mehrerer Teilelemente, des wenigstens einen Druckspeichers und/oder das Volumen und/oder die Masse der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit und/oder die Temperatur der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit und/oder die Wärmespeicherkapazität der in den Druckspeicher eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit und/oder die Wärmespeicherkapazität des Gases und/oder die Oberfläche der Wandung des wenigstens einen Druckspeichers und/oder die erste zeitliche Verzögerung und/oder die zweite zeitliche Verzögerung berücksichtigt. Damit werden unterschiedliche Parameter in der Modellberechnung berücksichtigt, so dass in vorteilhafter Weise eine genaue Berechnung der Modell-Temperatur möglich ist. Teilelemente des Druckspeichers sind faktische und/oder fiktive Teile des Druckspeichers, beispielsweise das vollständige Trennelement, das gesamte Gas in dem Gasraum, die gesamte Wandung des Druckspeichers oder fiktive Teile der Wandung des Druckspeichers, die gesamte Hydraulikflüssigkeit oder fiktive Teile der Hydraulikflüssigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform werden in der Modellberechnung wenigstens eine Gleichung, vorzugsweise mehrere Gleichungen, zu der Wärmeleitung zwischen den Teilelementen aufgestellt und vorzugsweise wird die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Teilelementen und/oder die Wärmeleitfähigkeit der Teilelemente berücksichtigt und/oder in der Modellberechnung wenigstens eine Gleichung, vorzugsweise mehrere Gleichungen, zu dem Wärmegewinn des Gases aufgrund des Einleitens der Hydraulikflüssigkeit und der verursachten Kompression des Gases und der Wärmeverlust des Gases aufgrund des Ausleitens der Hydraulikflüssigkeit und der verursachten Expansion des Gases aufgestellt wird und/oder in der Modellberechnung wenigstens eine Gleichung, vorzugsweise mehrere Gleichungen, zu der Temperaturänderung des Gases aufgrund der Änderung des Druckes des Gases, welcher von dem Drucksensor erfasst wird, aufgestellt wird und/oder in der Modellberechnung wenigstens eine Gleichung, vorzugsweise mehrere Gleichungen, zu dem Wärmeverlust und Wärmegewinn der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere der Teilhydraulikelemente, aufgrund des Ein- und Ausleitens der Hydraulikflüssigkeit in und aus dem Hydraulikflüssigkeitsraum aufgestellt werden und/oder in der Modellberechnung wenigstens eine Gleichung, vorzugsweise mehrere Gleichungen, zu der Wärmeleitung zwischen der Wandung, insbesondere Teilwandungselementen, und der Umgebung aufgestellt werden und vorzugsweise bei der wenigstens einen Gleichung, vorzugsweise den mehreren Gleichungen, die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Wärmespeicherkapazität der Wandung, insbesondere der Teilwandungselemente, berücksichtigt wird. Die Gleichungen erfassen in dem Modell unterschiedliche Parameter des Druckspeichers zur genauen Berechnung der Modell-Temperatur.
In einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere Gleichungen zu einem Gleichungssystem mit wenigstens einem unbekannter Parameter, insbesondere die Temperaturen der Teilelemente und/oder die Temperatur und/oder das Volumen der in den Hydraulikflüssigkeitsraum ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit, kombiniert und das Gleichungssystem wird gelöst, so dass als ein unbekannter Parameter die Modell-Temperatur des Gases berechnet wird. Durch die Vielzahl der Gleichungen kann ein Gleichungssystem zum Lösen einer Vielzahl unbekannter Parameter aufgestellt werden.
In einer ergänzenden Variante wird aus der mit Gleichungssystem berechneten Modell-Temperatur des Gases, der von dem Drucksensor erfassten Mess-Druck des Gases, der Stoffmenge des Gases und der molaren Gaskonstante des Gases das Volumen des Gases berechnet, insbesondere mit der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase.
In einer weiteren Ausgestaltung wird in Abhängigkeit von dem bestimmten Volumen des Gases der Antriebsstrang gesteuert und/oder geregelt, insbesondere wird das Einleiten der Hydraulikflüssigkeit in den wenigstens einen Druckspeicher und/oder das Ausleiten der Hydraulikflüssigkeit aus dem wenigstens einen Druckspeicher in Abhängigkeit von dem bestimmten Volumen des Gases gesteuert und/oder geregelt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren für einen Kolbenspeicher und/oder Blasenspeicher als dem wenigstens einen Druckspeicher ausgeführt und/oder in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des Kraftfahrzeuges und/oder Antriebsenergie eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges in hydraulische Energie von einer hydraulischen Pumpe umgewandelt wird und in einem Druckspeicher gespeichert wird, indem Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher mit der hydraulischen Pumpe eingeleitet wird und ein Gasvolumen in dem Druckspeicher reduziert wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases erhöht wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird beim Laden und Entladen die Stoffmenge des Gases in dem Druckspeicher konstant gehalten und/oder beim Laden und Entladen in dem Druckspeicher wird die Stoffmenge und/oder die Masse der Hydraulikflüssigkeit verändert.
Vorzugsweise wird in einem hydraulischen Antriebszustand hydraulische Energie von einem hydraulischen Motor in mechanische Energie umgewandelt und mit der mechanischen Energie das Kraftfahrzeug angetrieben wird, indem Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckspeicher ausgeleitet und zu dem hydraulischen Motor geleitet wird und ein Gasvolumen in dem Druckspeicher erhöht wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases reduziert wird.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die zeitliche Verzögerung zwischen der Modell-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases weniger als das 20-, 10-, 5-, 2- oder 0,2-Fache der ersten zeitlichen Verzögerung.
Erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine hydraulische Pumpe und wenigstens einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und umgekehrt, wenigstens einen Druckspeicher, wobei mit dem Antriebsstrang ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine hydraulische Pumpe und ein hydraulischer Motor von einer Schrägscheibenmaschine gebildet, insbesondere umfasst der Antriebsstrang zwei Schrägscheibenmaschinen, welche hydraulisch miteinander verbunden sind und als hydraulisches Getriebe fungieren, und/oder der Antriebsstrang zwei Druckspeicher als Hochdruckspeicher und Niederdruckspeicher umfasst und/oder der wenigstens eine Druckspeicher als ein Kolbenspeicher und/oder ein Blasenspeicher ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Druckspeicher je einen Temperatursensor zur Erfassung der Anfangs-Temperatur und/oder der Mess-Temperatur des Gases und je einen Drucksensor zur Erfassung eines Mess-Druckes des Gases und/oder der Antriebsstrang einen Umgebungs-Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher umfasst und/oder der Antriebsstrang einen Hydraulik-Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der in den Druckspeicher ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit umfasst und/oder der Antriebsstrang eine Recheneinheit mit einem Rechner und einem Datenspeicher umfasst.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Antriebsstrang einen mechanischen und hydraulischen Antriebsteilstrang.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen stark vereinfachte Darstellung eines Antriebsstranges,
2 einen Längsschnitt eines Kolbenspeichers,
3 eine Seitenansicht eines Blasenspeichers und
4 einen Längsschnitt des Blasenspeichers gemäß 3.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 1 dargestellter Antriebsstrang 1 dient zur Kraftübertragung bzw. zur Übertragung von mechanischer Energie von einem Verbrennungsmotor 5 mit Hubkolben 6 zu zwei Antriebsrädern 32 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges. Der Antriebsstrang 1 ist dabei in einem mechanischen Antriebsteilstrang 2 unterteilt und in einen hydraulischen Antriebsteilstrang 3 mit einem hydraulischen Getriebe 22 in dem mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt wird und umgekehrt.
Eine Motorwelle 7 des Verbrennungsmotors 5 treibt eine Antriebswelle 10 eines Leistungsverzweigungsgetriebes 8, z. B. eines Planetengetriebes 9 an. Das Planetengetriebe 9 treibt mit der von der Motorwelle 7 auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 8 übertragenen mechanischen Energie eine erste Abtriebswelle 11 und eine zweite Abtriebswelle 12 des Leistungsverzweigungsgetriebes 8 an. Die erste Abtriebswelle 11 des Leistungsverzweigungsgetriebes 8 treibt den mechanischen Antriebsteilstrang 2 mit einem nicht dargestellten mechanischen Getriebe und die zweite Abtriebswelle 12 des Leistungsverzweigungsgetriebes 8 treibt den hydraulischen Antriebsteilstrang 3 an. Der mechanische Antriebsteilstrang 2 weist neben der ersten Abtriebswelle 11 eine erste Kupplung 13 auf mit welcher eine Übertragungswelle 34 verbunden ist. Dadurch kann bei einer eingekuppelten ersten Kupplung 13 die mechanische Energie von der ersten Abtriebswelle 11 auf die Übertragungswelle 34 des ersten mechanischen Antriebsteilstranges 2 übertragen werden und von dieser auf eine mechanische Kopplungseinheit 30. Bei einer ausgekuppelten ersten Kupplung 13 ist mit einer ersten Festsetzeinrichtung 37 die erste Abtriebswelle 11 festgehalten, so dass die gesamte mechanische Energie von dem Planetengetriebe 9 auf die zweite Abtriebswelle 12 übertragen wird. Die mechanische Kopplungseinheit 30 führt die mechanische Energie von dem mechanischen Antriebsteilstrang 2, d. h. der Übertragungswelle 34 und einer Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 zusammen. Dabei ist die mechanische Kopplungseinheit 30 mit Zahnrädern beispielsweise dahingehend ausgebildet, dass die Übertragungswelle 34 des mechanischen Antriebsteilstranges 2 und die Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 das gleiche Drehzahlverhältnis aufweisen. Von der mechanischen Kopplungseinheit 30 wird mit der Übertragungswelle 34 als Differential-Antriebswelle 35 die mechanische Energie auf ein Differentialgetriebe 31 angetrieben. Das Differentialgetriebe 31 treibt durch zwei Radwellen 33 jeweils ein Antriebsrad 32 des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges an.
Der hydraulische Antriebsteilstrang 3 wird von der zweiten Abtriebswelle 12 des Leistungsverzweigungsgetriebes 8 angetrieben. Dabei kann in analoger Weise wie bei dem mechanischen Antriebsteilstrang 2 der Kraftfluss von der zweiten Abtriebswelle 12 zu einer Antriebswelle 17 einer ersten Schrägscheibenmaschine 15 mit einer zweiten Kupplung 14 gelöst und verbunden werden. Bei der gelösten zweiten Kupplung 14 ist mit einer zweiten Festsetzeinrichtung 38 die zweite Abtriebswelle 12 festgehalten, so dass von dem Planetengetriebe 9 die gesamte mechanische Energie auf die erste Abtriebswelle 11 übertragen wird. Das hydraulische Getriebe 22 weist die erste Schrägscheibenmaschine 15 und eine zweite Schrägscheibenmaschine 18 auf. Die beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 stellen dabei eine Komponente 23 des hydraulischen Getriebes 22 dar. Die erste Schrägscheibenmaschine 15 kann dabei sowohl als Axialkolbenpumpe 16 als auch als Axialkolbenmotor 36 betrieben werden und die zweite Schrägscheibenmaschine 18 sowohl als Axialkolbenpumpe 19 und als Axialkolbenmotor 20. Von der zweiten Schrägscheibenmaschine 18 wird die hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt und dadurch eine Antriebswelle 21 bzw. eine Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 angetrieben, welche ihrerseits diese mechanische Energie auf die mechanische Kopplungseinheit 30 und dadurch mittelbar auch auf die beiden Antriebsräder 32 überträgt. Die beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 sind mit zwei Hydraulikleitungen 24 miteinander hydraulisch verbunden. Dabei ist in jeder der beiden Hydraulikleitungen 24 ein als 3-Wegeventil 26 ausgebildetes Ventil 25 vorhanden, so dass dadurch die beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 auch hydraulisch mit zwei Druckspeichern 27, nämlich einem Hochdruckspeicher 28 und einem Niederdruckspeicher 29, hydraulisch verbunden werden können.
Die beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 weisen eine rotierende Zylindertrommel (nicht dargestellt) auf, in denen Kolben in Kolbenbohrungen axial beweglich sind. Ein Schrägscheibe bzw. eine Schwenkwiege der beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 ist um einen Schwenkwinkel verschwenkbar und je größer der Schwenkwinkel ist, desto größer ist der förderbare Volumenstrom der Schrägscheibenmaschinen 15, 18 bei einer gleichen Drehzahl der Antriebswelle 17 und der Antriebswelle 21 bzw. Hydraulikgetriebeantriebswelle 21. Wird während des Betriebes des hydraulischen Getriebes 22 keine Hydraulikflüssigkeit in oder aus einem Druckspeicher 27 geleitet, weisen beide Schwenkwiegen der beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 den gleichen Schwenkwinkel auf, da beide Schrägscheibenmaschinen 15, 18 identisch ausgebildet sind, d. h. insbesondere eine gleiche Anzahl von Kolbenbohrungen mit identischen Durchmessern in den Zylindertrommeln aufweisen und die Antriebswelle 17 und die Hydraulikantriebswelle 21 die gleiche Drehzahl aufweisen. Unterschiedliche Drehzahlen der Antriebswelle 17 und der Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 können mit unterschiedlichen Schwenkwinkeln der Schwenkwiegen der ersten und zweiten Schrägscheibenmaschine 15, 18 erreicht werden.
Bei einem Betrieb der beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 ausschließlich als hydraulisches Getriebe 22 wird mit den beiden Hydraulikleitungen 24 hydraulische Energie von der ersten Schrägscheibenmaschine 15 zu der zweiten Schrägscheibenmaschine 18 übertragen und je größer der Schwenkwinkel der beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 ist, desto größer ist der Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit, welche von der ersten zu der zweiten Schrägscheibenmaschine 15, 18 strömt und umgekehrt und desto größer ist das Drehmoment an der Antriebswelle 17 und der Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 und umgekehrt. Durch ein Verändern des Schwenkwinkels von einem oder von beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 bei einem verschiedenen Schwenkwinkel der beiden Schrägscheibenmaschinen 15, 18 kann das Verhältnis zwischen der Drehzahl der Antriebswelle 17 und der Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 verändert werden und zwar stufenlos, so dass dadurch ein stufenloses hydraulisches Getriebe 22 vorhanden ist.
In einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges wird die mechanische Energie von den Antriebsrädern 32 auf die zweite Schrägscheibenmaschine 18 übertragen und in dieser in hydraulische Energie umgewandelt. Dabei kann mittels der beiden 3-Wegeventile 26 Hydraulikflüssigkeit während des Rekuperationsbetriebes von dem Niederdruckspeicher 29 in die zweiten Schrägscheibenmaschine 18 als Axialkolbenpumpe 19 und von dieser unter einem höheren Druck in den Hochdruckspeicher 28 eingeleitet werden, d. h. der Druck in dem Hochdruckspeicher 28 erhöht werden und dadurch hydraulische Energie in dem Hochdruckspeicher 28 gespeichert werden. Zum hydraulischen Antrieb des Kraftfahrzeuges wird umgekehrt die Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck von dem Hochdruckspeicher 28 zu der zweiten Schrägscheibenmaschine 18 geleitet, welche hier als Axialkolbenmotor 20 fungiert und in mechanische Energie umgewandelt, so dass dadurch mit der zweiten Schrägscheibenmaschine 18 als Axialkolbenmotor 20 die Hydraulikgetriebeantriebswelle 21 mechanisch angetrieben wird. Die Hydraulikflüssigkeit wird dabei anschließend von der zweiten Schrägscheibenmaschine 18 zu dem Niederdruckspeicher 29 geleitet.
Die beiden Antriebsräder 32 des Kraftfahrzeuges können dabei entweder ausschließlich von dem mechanischen Antriebsteilstrang 2 angetrieben werden, sofern die zweite Kupplung 14 ausgekuppelt ist, oder ausschließlich von dem hydraulischen Antriebsstrang 3 angetrieben werden, sofern die erste Kupplung 13 ausgekuppelt ist, wobei die jeweils andere Kupplung 13, 14 natürlich eingekuppelt ist. Darüber hinaus können die beiden Antriebsräder 32 auch gleichzeitig sowohl von dem mechanischen Antriebsstrang 2 als auch von dem hydraulischen Antriebsstrang 3 angetrieben werden, sofern beide Kupplungen 13, 14 eingekuppelt sind. Dabei kann während dieses Betriebes die zweite Schrägscheibenmaschine 18 entweder ausschließlich von Hydraulikflüssigkeit aus der ersten Schrägscheibenmaschine 15 angetrieben werden, so dass die zweite Schrägscheibenmaschine 18 ausschließlich mit mechanischer Energie von dem Verbrennungsmotor 5 angetrieben ist. Optional kann zusätzlich während dieses Betriebes die zweite Schrägscheibenmaschine 18 auch von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher 28 angetrieben werden, so dass dadurch die zweite Schrägscheibenmaschine 18 sowohl von mechanischer Energie aus dem Verbrennungsmotor 5 als auch von hydraulischer Energie aus dem Hochdruckspeicher 28 angetrieben ist. In diesem letztgenannten Antriebsfall werden somit die beiden Antriebsräder 32 sowohl mit mechanischer Energie von dem Verbrennungsmotor 5 als auch mit hydraulischer Energie von dem Hochdruckspeicher 28 angetrieben.
Die beiden Druckspeicher 27 als Hochdruckspeicher 28 und als Niederdruckspeicher 29 sind beispielsweise als ein Kolbenspeicher 4 (2) oder ein Blasenspeicher 51 (3 und 4) ausgebildet. Der Kolbenspeicher 4 weist eine Wandung 42 aus Stahl auf und die Wandung 42 bildet auch einen Zylinder zur Lagerung eines Kolbens 43 als ein Trennelement 52. Der Kolben 43 trennt einen von der Wandung 42 eingeschlossenen Gesamtraum in einen Hydraulikflüssigkeitsraum 45, welcher nur mit Hydraulikflüssigkeit befüllt ist und in einen Gasraum 46, welcher nur mit Gas, z. B. Luft, befüllt ist. Wird in den Kolbenspeicher 4 durch eine Ein- und Auslassöffnung 49 Hydraulikflüssigkeit eingeleitet, wird der Kolben 43 von der nicht kompressiblen Hydraulikflüssigkeit nach links bewegt, so dass das Volumen des Gasraumes 46 reduziert wird, d. h. die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases erhöht wird, weil die Hydraulikflüssigkeit in einer relativ kurzen Zeit durch die Ein- und Auslassöffnung 49 eingeleitet wird, so dass dadurch der Ladezustand des Kolbenspeichers 4 erhöht wird und dies auch umgekehrt ausgeführt werden kann. Ein Drucksensor 47 erfasst einen Mess-Druck des Gases in dem Gasraum 46 und ein Temperatursensor 48 erfasst eine Mess-Temperatur des Gases in dem Gasraum 46. Der Drucksensor 47 (strichliert dargestellt) kann auch in dem Hydraulikflüssigkeitsraum 45 angeordnet sein, weil der Druck des Gases in dem Gasraum 46 identisch ist zu dem Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem Hydraulikflüssigkeitsraum 45. Ein Füllventil 50 dient zur Befüllung und Entleerung des Gasraumes 46 mit Gas. Bei der Befüllung wird die Stoffmenge n des Gases erfasst als auch die molare Gaskonstante R des Gases. Damit ist im Betrieb des Kolbenspeichers 4 die Stoffmenge n konstant und somit sowohl die Stoffmenge n als auch die molare Gaskonstante R bekannt.
In 3 und 4 ist ein Blasenspeicher 51 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 2 dargestellten Kolbenspeicher 4 beschrieben. Der Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ist durch eine elastische Membran 44 als Trennelement 52 aus Kunststoff von dem Gasraum 46 getrennt. Durch ein Einleiten von Hydraulikflüssigkeit durch die Ein- und Auslassöffnung 49 in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 wird das Volumen des von der Membran 44 eingeschlossenen Gasraumes 46 reduziert und umgekehrt. Ein Hydraulik-Temperatursensor 53 erfasst die Temperatur der in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit, ein Hydraulik-Volumensensor 55 erfasst das Volumen der in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit und ein Umgebungs-Temperatursensor 55 erfasst die Temperatur der Umgebung env an dem Blasenspeicher 51.
Die Bestimmung des Ladezustandes der beiden Druckspeicher 27 erfolgt durch eine Bestimmung des Volumens des Gases mit Hilfe der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase: pV = nRT (Gl. 1)
Dabei ist p der Druck des Gases, V das Volumen des Gases, n die Stoffmenge des Gases, R die molare Gaskonstante und T die Temperatur des Gases. Die Stoffmenge n des Gases und die molare Gaskonstante R des Gases sind feststehend Werte, welche sich während des Betriebes nicht verändern und somit bekannt sind, weil diese vor der Modellberechnung bestimmt werden. Zur Berechnung des Volumens des Gases ergibt sich somit aus der obigen thermischen Zustandsgleichung idealer Gase: V = nRT / p (Gl. 2)
Es ist somit eine möglichst genaue Kenntnis des aktuellen Temperatur T bzw. T_g und des Druckes p des Gases in dem Gasraum 46 erforderlich, weil die Stoffmenge n des Gases und die molare Gaskonstante R konstant sind. Das Ein- und Ausleiten der Hydraulikflüssigkeit erfolgt dabei relativ schnell im Bereich von beispielsweise 5 bis 50 s, vorzugsweise 10 bis 20 s.
Der Drucksensor 47 erfasst als Mess-Druck den Ist-Druck mit einer ersten zeitlichen Verzögerung von ungefähr 0,01 s und der Temperatursensor 48 erfasst als Mess-Temperatur die Ist-Temperatur mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung von ungefähr 2 bis 3 s. Die zweite zeitliche Verzögerung des Temperatursensors 48 ist somit wesentlich größer als die erste zeitliche Verzögerung des Drucksensors 47. Zur Berechnung des aktuellen Volumens des Gases in dem Gasraum 46 mit der thermischen Zustandsgleichung des Gases bei einer bekannten Stoffmenge n und molaren Gaskonstante R des Gases ist eine möglichst genaue Kenntnis des Druckes und der Temperatur zur im Wesentlichen gleichen aktuellen Zeit erforderlich, um das Volumen des Gases möglichst genau berechnen zu können. Hierzu wird mit einer erstem Modellberechnung von einer Recheneinheit 39, z. B. einem Bordcomputer des Kraftfahrzeuges, mit einem Rechner 40 bzw. Computer 40 und einem Datenspeicher 41 eine Modell-Temperatur bestimmt bzw. berechnet.
Die Änderung der Enthalpie ΔH des Gases in dem Gasraum 46 bei dem Ein- oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit aus dem oder in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ergibt sich zu: ΔH = dQ / dt + V· dp / dt (Gl. 3)
Hieraus ergibt sich mit der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase die nachfolgende Differentialgleichung für die Änderung der Enthalpie ΔH des Gases:
Dabei ist C_p die spezifische molare Wärmekapazität des Gases pro Stoffmenge, T_g die Temperatur des Gases, Q die Wärmeverluste des Gases in die Umgebung, p der Druck des Gases und n die Anzahl der Mole des Gases bzw. die Stoffmenge des Gases.
Die Temperatur des Gases in dem Gasraum 46 ist abhängig von den Teilelementen, welche den Gasraum 46 unmittelbar begrenzen. Die Teilelemente, welche an diese Teilelemente angrenzen, beeinflussen die Temperatur derjenigen Teilelemente, welche den Gasraum 46 unmittelbar begrenzen, so dass es in einer Modellberechnung erforderlich ist, die Temperatur sämtlicher Teilelemente zu berechnen, damit das Modell den tatsächlichen Druckspeicher 27 möglichst genau abbildet. Faktische Komponenten, z. B. die Wandung 42, des Druckspeichers 27 können in fiktive Teilelemente unterteilt werden. Durch eine höhere Anzahl an fiktiven Teilelementen kann im Allgemeinen die Genauigkeit des Modells erhöht werden, d. h. das Modell bildet die Realität mit einer höheren Genauigkeit ab.
Der Druckspeicher 27 ist als ein Blasenspeicher 51 ausgebildet mit einer Membran 44 als ein Trennelement 52, welches den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 von dem Gasraum 46 abtrennt. Die Wandung 42 des Druckspeichers 27 ist in fünf fiktive Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4 und w5 unterteilt. Der Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ist in zwei fiktive Teilhydraulikelemente o1 und o2 unterteilt.
Die Temperatur des ersten Teilwandungselementes w1 ist mit T_w1, die Temperatur des zweiten Teilwandungselementes w2 ist mit T_w2, die Temperatur des dritten Teilwandungselementes w3 ist mit T_w3, die Temperatur des vierten Teilwandungselementes w4 ist mit T_w4 und die Temperatur des fünften Teilwandungselementes w5 ist mit T_w5 bezeichnet. Die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit in dem ersten Teilhydraulikelement o1 ist mit T₀₁ und des zweiten Teilhydraulikelement o2 ist mit T₀₂ bezeichnet. K bezeichnet die Wärmeleitfähigkeit zwischen zwei Teilelementen. Dabei gibt der tief gestellte Index bei K diese zwei Teilelemente an. Beispielsweise gibt somit K_o2w4 die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten Teilhydraulikelement o2 und dem vierten Teilwandungselement w4 an. Die gesamte Membran 44 ist mit dem Buchstaben b bezeichnet und nicht in fiktive Teilelemente unterteilt. C ist die spezifische Wärmekapazität eines Teilelementes und der tief gestellte Index gibt das Teilelement an. C₀₂ ist somit die Wärmekapazität der Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten Teilhydraulikelement o2.
Beispielhaft für das zweite Teilhydraulikelement o2 kann die nachfolgende Gleichung hinsichtlich insbesondere der Wärmeleitung zwischen den zweiten Teilhydraulikelement o2 und den anderen Teilelementen formuliert werden, welche unmittelbar an das zweite Teilhydraulikelement o2 angrenzen:
Für sämtliche Teilelemente des Druckspeichers 27 kann die obige Gleichung analog angeben werden und diese Gleichungen anschließend in eine Matrixform umgewandelt werden. Dabei wird die Temperaturveränderung zwischen den Teilelementen aufgrund der thermischen Wechselwirkung mit Wärmeleitung untereinander erfasst. Diese Gleichung in Matrixform lautet: T´ = A·T (Gl. 6)
T´ ist der Vektor bzw. eine Matrix mit einer Zeile zur Temperaturänderung der einzelnen Teilelemente nach dem Berechnungsschritt, A ist die Transfermatrix mit der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität der Teilelemente und T ist der Vektor bzw. eine Matrix mit einer Spalte zur Temperatur der einzelnen Komponenten bzw. Teilelemente vor dem Berechnungsschritt. Beim ersten Berechnungsschritt ist T der Vektor bzw. die Matrix mit einer Spalte der primären Temperaturen der einzelnen Komponenten bzw. Teilelemente. Nach einer längerfristigen Unterbrechung, beispielsweise von mehr als zwei Stunden (h) des Betriebes des Antriebsstranges 1 bzw. des Druckspeichers 4, weisen sämtliche Teilelemente die im Wesentlichen gleiche Temperatur auf, welche der Umgebungstemperatur entspricht. Die primären Temperaturen als Anfangs-Temperaturen der Teilelemente entsprechen somit im Wesentlichen der von dem Umgebungs-Temperatursensor 54 erfassten Umgebungstemperatur oder der von dem Temperatursensor 48 erfassten Temperatur des Gases. Bei einer kurzfristen Unterbrechung des Betriebes werden die Start-Temperaturen als primäre Temperaturen der Teilelemente in Abhängigkeit von einer F-Temperatur des Gases bestimmt. Mit Gleichung 6 wird die Temperaturveränderung des Gases in dem Gasraum 46 aufgrund der Wärmeleitung zu und von dem Gas erfasst. In den nachfolgenden Berechnungsschritten wird als Ausgangstemperatur der Teilelemente die in dem vorhergehenden Berechnungsschritt ermittelte Temperatur der Teilelemente verwendet.
Darüber hinaus wird die Temperatur des Gases auch beeinflusst von der Hydraulikflüssigkeit, die in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ein- und ausgeleitet wird, sofern sich die Temperatur der ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit von der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit in dem Hydraulikflüssigkeitsraum unterscheidet, von der Temperaturveränderung aufgrund einer Volumenveränderung des Gasraumes 46 und der Wärmeleitung zwischen der Wandung 42 des Druckspeichers 27 und der Umgebung env des Druckspeichers 27. Diese Faktoren werden mit der nachfolgenden Gleichung mit der Matrix B erfasst, welche zusätzlich auch die Matrix A für die thermische Wechselwirkung zwischen den Teilelementen enthält: T´ = A·T + B·U (Gl. 7)
B ist die Inputmatrix mit den oben genannten Faktoren für die Teilelemente bzw. der Umgebung und U ist der Inputvektor bzw. eine Matrix mit einer Spalte zur Temperatur der einzelnen Teilelemente bzw. Umgebung vor dem Berechnungsschritt.
Die Volumenveränderung in dem Gasraum 46 wird mit einer weiteren Modellberechnung bestimmt oder mit einem Hydraulik-Volumensensor 55 erfasst und die Volumenveränderung in dem Gasraum ist identisch zu dem in den Hydaulikflüssigkeitsraum 45 ein- oder ausströmenden Volumen an Hydraulikflüssigkeit. Die Temperatur der aus dem Hydraulikflüssigkeitsraum 45 ein- oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit wird mit einem Hydraulik-Temperatursensor 53 erfasst oder mit einem weiteren Modell berechnet. Das Einleiten von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikflüssigkeitsraum 45 führt zu einer Vergrößerung des Volumens und einer Veränderung der Temperatur des ersten und zweiten Teilhydraulikelementes o1, o2, welches mit der Modellberechnung bestimmt wird und umgekehrt beim Ausleiten.
Der Inputvektor U berücksichtigt den Wärmegewinn des Gases aufgrund des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit und der damit verursachten Kompression des Gases und den Wärmeverlust des Gases aufgrund des Ausleitens von Hydraulikflüssigkeit und der damit verursachten Expansion des Gases in dem Gasraum 46. Dabei gibt dQ_{gas_comp} den positiven Wärmegewinn des Gases aufgrund Kompression an und bei einem negativen Vorzeichen von dQ_{gas_comp} liegt ein Wärmeverlust vor. Hierzu kann die nachfolgende Gleichung aufgestellt werden:
Die Gleichung 8 (Gl. 8) kann unter Berücksichtigung von Gleichung 4 in die nachfolgende Form umgewandelt werden und dT_{gas_comp} gibt die Temperaturveränderung des Gases an:
Gleichung 9 kann in die Gleichung 10 umgeschrieben werden:
Der Druck p des Gases wird von dem Drucksensor 47 erfasst und damit auch die Änderung dp/dt des Druckes des Gases pro Zeiteinheit. Die Gleichung 10 entspricht der nachfolgenden Gleichung 11 und in Gleichung 11 und dabei ist dT_{gas_comp}/dt in einer anderen Form geschrieben:
Der Inputvektor U berücksichtigt auch den Wärmeverlust und den Wärmegewinn der Teilhydraulikelemente o1, o2 aufgrund des Ein- und Ausleitens von Hydraulikflüssigkeit in und aus dem Hydraulikflüssigkeitsraum 45 sowie der hieraus resultierenden Vermischung beim Einleiten in die Teilhydraulikelemente o1, o2. Hierzu kann für den Inpuktvektor U die folgende Gleichung 12 aufgestellt werden:
Dabei ist T_o die Temperatur des ersten oder zweiten Teilhydraulikelementes o1, o2, T_in ist die Temperatur der zu den ersten oder zweiten Teilhydraulikelementes o1, o2, geleiteten Hydraulikflüssigkeit, ρ ist die Dichte der Hydraulikflüssigkeit, c_oil ist die spezifische Wärmekapazität des Hydraulikflüssigkeit und dQ_{oil_flow}/dt ist die Wärmeveränderung aufgrund der eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit pro Zeiteinheit und dV/dt ist die Volumenveränderung des Gases oder der Hydraulikflüssigkeit pro Zeiteinheit.
Die Volumenveränderung ist die Volumenveränderung welche in dem vorhergehenden Berechnungsschritt bzw. Iterationsschritt berechnet worden ist. Aufgrund des konstanten Gesamtvolumens des Druckspeichers 27 entspricht die Volumenveränderung des Gases der Volumenveränderung der Hydraulikflüssigkeit mit einem anderen Vorzeichen, weil eine Erhöhung des Volumens der Hydraulikflüssigkeit eine identische Verkleinerung des Volumens des Gases entspricht und umgekehrt.
Die Gleichung 12 kann in die nachfolgende Gleichung 13 umgeschrieben werden:
Dabei ist c_oil die spezifische Wärmekapazität der Hydraulikflüssigkeit, m_oil die Masse der Hydraulikflüssigkeit und dT_{oil_flow}/dt ist die Temperaturdifferenz der eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit in der Zeiteinheit.
Die Gleichung 13 kann in die nachfolgende Gleichung 14 umgeformt werden:
In der nachfolgenden Gleichung 15 ist dT_{oil_flow}/dt aus Gleichung 14 in einer anderen Form geschrieben:
Der Inputvektor U berücksichtigt auch die Wärmeleitung zwischen den Teilwandungselementen w1, w2, w3, w4, w5 und der Umgebung env an den Teilwandungselementen w1, w2, w3, w4, w5. Die Umgebung env stellt ein fiktive unbegrenzte Wärmequelle in dem Modell dar und die Wärmeleitung zwischen Teilwandungselementen w1, w2, w3, w4, w5 und der Umgebung env wird mit der nachfolgenden Gleichung 16 beschrieben:
Dabei bedeutet dT_{env_wall}/dt die Temperaturänderung der Wandung 42 bzw. der Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5 pro Zeiteinheit, T_env die Temperatur der Umgebung env, T_wall die Temperatur der Wandung 42 bzw. der Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5, K_{wall_env} die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wandung 42 bzw. den Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5 und der Umgebung env und C_wall die Wärmekapazität der Wandung 42 bzw. den Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5
Die Gleichung 16 kann in die nachfolgende Gleichung 17 umgeschrieben werden:
Die diagonalen Elemente der Inputmatrix B hinsichtlich der Wandung 42 bzw. Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5 wird mit den nachfolgenden Werten eingesetzt.
Die Werte
werden als diagonale Elemente in die Transfermatrix A eingesetzt.
Die Elemente der Transfermatrix A werden mit jedem Berechnungsschritt bzw. jedem Iterationsschritt angepasst, weil die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Gases und der Hydraulikflüssigkeit sich bei einer Veränderung des Volumens des Gases und der Hydraulikflüssigkeit verändern.
Bei der Modellberechnung lautet die Inputmatix A für sämtliche Teilelemente:
Dabei bezeichnet K_e1e2 Wärmeleitfähigkeit zwischen den Teilelementen e1 und e2, C_e1 bezeichnet die Wärmekapazität des Teilelementes e1, S / row bezeichnet die Summe der betreffenden Elemente in der gleichen Reihe der Matrix, welche nicht diagonal sind.
Die beispielhafte Gleichung 5 für das zweite Teilhydraulikelement o2 kann in die nachfolgende Gleichung 18 umgeschrieben werden:
Entsprechend lautet somit beispielsweise für die Reihe 4:
Aufgrund der Gleichung 17 ist der zweite Teil der Gleichung 17 in die diagonalen Elemente der Transfermatrix A einzufügen für die Teilwandungselemente w1, w2, w3, w4, w5.
Somit lautet S / row 9 für das korrespondierende beispielhafte Teilwandungselement w5:
Der Temperaturvektor T für die Temperaturen der Teilelemente lautet: T = [T_b T_g T_o1 T_o2 T_w1 T_w2 T_w3 T_w4 T_w5]^T
Die Inputmatrix B lautet:
Der Inputvektor U lautet: U = [0 T´_{gas_comp} T´_{o1_flow} T´_{o2_flow} T_env T_env T_env T_env T_env]^T
Dabei stammt in dem Inputvektor T´_{gas_comp} aus Gleichung 11, T´_{o1_flow} aus Gleichung 15 für das erste Teilhydraulikelement o1, T´_{o2_flow} aus Gleichung 15 für das zweite Teilhydraulikelement o2 und T_env gibt die Temperatur der Umgebung env an.
Bei jedem Berechnungsschritt i wird die Transfermatrix A und die Inputmatrix B und Teile des Inputvektors U berechnet als Funktion des Ladezustandes des Druckspeichers 27 mit den Gleichungen, welche in der Matrix enthalten sind und somit ein Gleichungssystem bilden. T´ = A·T + B·U (Gl. 21)
Der Temperaturvektor T´_i eines nachfolgenden Berechnungsschrittes i kann somit aus dem vorhergehenden Berechnungsschritt berechnet werden mit: T´_i = A·T_i-1 + B·U (Gl. 22)
Die Zeitspanne zwischen den nachfolgenden und vorhergehenden Berechnungsschritt i bzw. Iterationschritt i ist Δt. T´_i gibt die Temperaturdifferenz nach der Zeit Δt an mit der Einheit Temperatureinheit (z. B. °C oder K) pro Zeiteinheit (z. B. s oder min). Somit ergibt sich: T_i = T_i-1 + T´_iΔt (Gl. 23)
Bei jedem Berechnungs- bzw. Iterationsschritt kann die Gastemperatur T_gas als die Modell-Temperatur des Gases aus dem Temperaturvektor T_i entnommen werden.
Das Volumen des Gases bzw. des Gasraumes 46 kann mit jedem Berechnungsschritt i somit berechnet werden:
Dabei ist dV_g/dt als die Volumenveränderung des Gases pro Zeiteinheit angegeben mit:
Die Volumenveränderung V_o der Hydraulikflüssigkeit entspricht der Volumenveränderung V_g des Gases mit entgegensetzten Vorzeichen:
Das Berechnungsverfahren kann für beliebige Druckspeicher 27, beispielsweise auch Kolbenspeicher 4, eingesetzt werden. Hierzu sind lediglich die Teilelemente entsprechend anzupassen. Die Zahl der Teilelemente und die Art in der der Druckspeicher 27 in Teilelemente unterteilt wird sind hierbei unterschiedlich.
In einer nachfolgend beschriebenen dynamischen zweiten Filter-Modellberechnung bzw. F-Modellberechnung kann die F-Temperatur T^* _g des Gases dynamisch bestimmt werden:
Aus der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase kann die nachfolgende Differentialgleichung für die Änderung der Enthalpie ΔH des Gases aufgestellt werden:
Dabei ist C_p die spezifische Wärmekapazität des Gases pro Stoffmenge, T_g die Temperatur des Gases, Q die Wärmeverluste des Gases in die Umgebung, P bzw. p der Druck des Gases und n die Anzahl der Mole des Gases bzw. die Stoffmenge des Gases.
Der Wärmeverlust Q des Gases in die Umgebung (negatives Vorzeigen bei Wärmegewinn aus der Umgebung) ergibt sich aus:
Dabei ist T_i die Temperatur des i-ten umgebenden Elementes um den Gasraum 46 und K_i die Wärmeleitfähigkeit des i-ten umgebenden Elementes. Beispielsweise ist bei dem Kolbenspeicher 4 das erste umgebende Element die Wandung 42 unmittelbar an dem Gasraum 46 und das zweite umgebende Element ist der Kolben 43. In der zweiten dynamischen F-Modellberechnung wird kein Bezug genommen zu 3 und 4.
Die Temperatur T_i+1 des Gases kann interativ bestimmt werden mit:
Die Temperatur des Gases ist auch Abhängig von der Temperatur der umgebenden Elemente, so dass die Temperatur der umgebenden Elemente eigentlich auch iterativ angenähert werden müsste. Dies würde Kenntnisse des Druckspeichers 27 bezüglich der geometrischen Größen, beispielsweise der Oberfläche und der thermischen Eigenschaften der umgebenden Elemente erfordern, um die Temperatur der umgebenden Elementen ausreichend genau iterativ annähern zu können.
Die vorliegende zweite F-Modellberechnung geht von einem Drucksensor 27 mit einer kurzen ersten zeitlichen Verzögerung und einem Temperatursensor 48 mit einer großen zweiten zeitlichen Verzögerung aus ohne dass eine iterative Annäherung der Temperatur der umgebenden Elemente notwendig ist.
Die Wärmeverluste Q_w durch die umgebenden Elemente bzw. die Wände 42 in die Umgebung kann nachfolgend berechnet werden:
Die Temperaturänderung T_w des Gases aufgrund der Wärmeverluste durch die umgebenden Elemente bzw. die Wände 42 ergibt sich aus:
Dabei m die Masse des Gases und c die spezifische Wärmekapazität des Gases pro Masseneinheit.
Bei thermodynamischen Systemen wird eine konstante Zeit τ bestimmt, welche angibt nach welcher Zeit 63,2 % der maximal möglichen Temperaturänderung erreicht wird. Wird beispielsweise das Gas von 300 K um 30 K auf 270 K abgekühlt aufgrund einer Volumenerhöhung in einer fiktiven Zeit von 0 s und beträgt die Temperatur der Umgebung konstant 300 K erwärmt sich das Gas nach einer unendlichen Zeit wieder auf 300 K aufgrund der Wärmegewinne durch die umgebenden Elemente bzw. die Wände 42. Dabei gibt die konstante Zeit τ an, nach welcher Zeit 63,2 % der Erwärmung, d. h. in diesem Beispiel eine Erwärmung um 18,96 K auf 288,96 K eingetreten ist.
Dabei ist nC_p groß und
klein bei dem Druckspeicher 27, so dass sich eine konstante Zeit τ von einigen 10 s, beispielsweise 10 s, ergibt. Damit weist der Druckspeicher 27 eine Änderungsfrequenz von f = 0,1 Hz auf.
Der Drucksensor 47 weist beispielsweise eine erste zeitliche Verzögerung von 0,01 s auf, so dass der Drucksensors 47 eine Abtastfrequenz f von 100 Hz aufweist. Der Temperatursensor 48 weist beispielsweise eine zweite Verzögerung von 2 s auf, d. h. der Temperatursensor 48 weist eine Abtastfrequenz f von 0,5 Hz auf. Nach dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem kann ein Signal, hier die Änderungsfrequenz f_max = 0,1 Hz des Druckspeichers 27, mit einer Abtastfrequenz von mindestens 2 f_max abgetastet werden, d. h. es ist eine Abtastfrequenz von mindestens 0,2 Hz erforderlich. Dabei weisen sowohl der Drucksensor 47 als auch der Temperatursensor 48 eine Abtastfrequenz von mindestens 0,2 Hz auf, so dass mit dem Drucksensor 47 und dem Temperatursensor 48 die Änderung der Temperatur T_g des Gases in dem Druckspeicher 27 aufgrund der Wärmeverluste bzw. Wärmegewinne durch die umgebenden Elemente bzw. die Wände 42 erfasst werden kann.
Die bereits von oben bekannte Differentialgleichung für die Änderung der Enthalpie des Gases
kann somit in einen Hochfrequenzanteil HF mit einer Frequenz größer als der Abtastfrequenz f = 0,5 Hz des Temperatursensors 48 und in einen Niederfrequenzanteil NF mit einer Frequenz kleiner als der Abtastfrequenz f = 0,5 Hz des Temperatursensors 48 aufgeteilt werden:
Da die Frequenzgrenze zwischen dem Hochfrequenzanteil HF und dem Niederfrequenzanteil NF bei f = 0,5 Hz liegt enthält der Niederfrequenzanteil NF nicht den Summanden dQ/dt, weil dieser Summand für Wärmeverluste durch die umgebenden Elemente bzw. die Wände 42 des Gases aufgrund der Änderungsfrequenz von f = 0,1 Hz des Druckspeichers 27 nicht erfasst werden kann.
Bei einer Division der beiden obigen Gleichungen mit nC_p ergeben sich die nachfolgenden Differentialgleichungen:
Die aktuelle F-Temperatur T^* _g des Gases ergibt sich aus der Summe der beiden obigen Gleichungen, weil der Hochfrequezanteil HF und der Niederfrequenzanteil NF wieder zusammengeführt bzw. aufaddiert werden müssen:
Dabei ist T_g in dem Niederfrequenzanteil LF die von dem Temperatursensor erfasste Mess-Temperatur T_sensor.
Die aktuelle F-Temperatur des Gases T^* _g ergibt sich somit zu:
Dabei ist in der obigen Differentialgleichung der zweite Summand K ein Korrekturfaktor als Hochfrequenzfilter für den von dem Drucksensor 47 erfassten Mess-Druck und mit der obigen Differentialgleichung wird der Korrekturfaktor K, berechnet, wobei in K auch der Verlauf des Mess-Druckes in Abhängigkeit von der Zeit berücksichtigt wird. Der Korrekturfaktor K ist an bzw. ab der Abtastfrequenz f = 0,5 Hz des Temperatursensors 48.
Der Mess-Druck p bzw. P des Drucksensors 47 wird mit berechneten Korrekturfaktor K multipliziert und zu diesem ersten Summanden wird die Mess-Temperatur T_S bzw. T_Sensor des Temperatursensors 48 als dem zweiten Summanden addiert, so dass die Summe aus dem ersten und zweiten Summanden die aktuelle dynamische Modell-Temperatur T^* _g als Filter-Modellberechnung bzw. F-Modellberechnung des Gases mit Hilfe des Hochfrequenzfilters in dem Druckspeicher 27 ergibt: T^* _g = pK + T_s (Gl. 40)
Der Korrekturfaktor bzw. Hochfrequenzfilter transformiert den Mess-Druck des Drucksensors 47 dahingehend in einen Temperaturwert, dass sich aus der Summe des ersten und zweiten Summanden mit einer guten Näherung die Ist-Temperatur des Gases ergibt mit einer zeitlichen Verzögerung, welcher im Wesentlichen der ersten zeitlichen Verzögerung des Mess-Druckes entspricht. Die schnellen Messwerte des Drucksensors 47 können somit genutzt werden, um zusammen mit der langsamen Mess-Temperatur des Temperatursensors 48 die F-Modell-Temperatur des Gases zu bestimmen.
In der oben beschriebenen ersten Modellberechnung wird – wie oben beschreiben – bei jedem Berechnungsschritt i die Transfermatrix A und die Inputmatrix B und Teile des Inputvektors U berechnet als Funktion des Ladezustandes des Druckspeichers 27 mit den Gleichungen, welche in der Matrix A und B enthalten sind und somit ein Gleichungssystem bilden. T´ = A·T + B·U (Gl. 21)
Der Temperaturvektor T´_i eines nachfolgenden Berechnungsschrittes i kann somit aus dem vorhergehenden Berechnungsschritt berechnet werden mit: T´_i = A·T_i-1 + B·U (Gl. 22)
Die Zeitspanne zwischen den nachfolgenden und vorhergehenden Berechnungsschritt i bzw. Iterationschritt i ist Δt. T´_i gibt die Temperaturdifferenz nach der Zeit Δt an mit der Einheit Temperatureinheit (z. B. °C oder K) pro Zeiteinheit (z. B. s oder min). Somit ergibt sich: T´ = T_i-1 + T´_iΔt (Gl. 23)
Der Temperaturvektor T_i gibt die Temperatur der Teilelemente, beispielsweise des zweiten Teilwandungselementes w2, des Kolbens 43, des Gases und des ersten Teilhydraulikelementes o1, an. Damit kann auch beispielsweise die Temperatur des Kolbens 43 überprüft und kontrolliert werden. Bei der Ausführung dieser ersten Modellberechnung werden vor dem Beginn der Modellberechnung die Anfangs- oder Starttemperaturen als primäre Temperaturen der Teilelemente in dem Temperaturvektor T_i benötigt, damit ein erster Berechnungsschritt ausgeführt werden kann. Bei einem kurzzeitigen Stop eines Kraftfahrzeuges mit dem Antriebsstrang 1 vor einem Haltesignal oder einem kurzzeitigen Stau und einem Abschalten des Verbrennungsmotors 5 und des Antriebsstranges 1 für einige Minuten wird während der Zeitdauer des abgeschalteten Verbrennungsmotors 5 und des abgeschalteten Antriebsstranges 1 von der Recheneinheit 39 keine Modellberechnung und kein Berechnungsschritt ausgeführt, weil aufgrund des abgeschalteten Antriebsstranges 1 keine Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher 27 ein- oder ausgeleitet wird. Anschließend wird der Verbrennungsmotor 5 und der Antriebsstrang 1 wieder eingeschalten und damit auch die erste Modellberechnung und die Berechnungsschritte von der Recheneinheit 39 wieder ausgeführt. Die kurze Zeitdauer des abgeschalteten Verbrennungsmotors 5 und der Unterbrechung des Betriebes des Druckspeichers 27 reicht jedoch für ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung nicht aus, so dass sämtliche Teilelemente noch nicht die Umgebungstemperatur aufweisen. Bei einer fiktiven Annahme für den ersten Berechnungsschritt, dass sämtliche Teilelemente als primäre Temperatur für den ersten Berechnungsschritt die von dem Umgebungs-Temperatursensor 54 erfasste Temperatur aufweisen würden, würde dies zu einem Fehler in der ersten Modellberechnung führen, weil zwischen der tatsächlichen und der fiktiv angenommenen Temperatur der Teilelemente ein signifikanter Unterschied besteht. Bei einem lange andauernden, langfristen Stop des Kraftfahrzeuges, beispielsweise beim Parken des Kraftfahrzeuges über eine Zeitdauer von mehreren Stunden, kann als primäre Temperatur die von dem Umgebungs-Temperatursensor 54 oder dem Temperatursensor 48 ermittelte Temperatur als Anfangs-Temperatur für sämtliche Teilelemente verwendet werden, weil aufgrund eines thermischen Gleichgewichtes sämtliche Teilelemente die gleiche Temperatur aufweisen.
Bei jedem Berechnungs- bzw. Iterationsschritt kann die Gastemperatur T_gas als die Modell-Temperatur des Gases aus dem Temperaturvektor T_i entnommen werden. Hierzu kann die nachfolgende Gleichung aufgestellt werden: Y_i = C(T_i-1 + T´_iΔt) (Gl. 41)
Dabei ist C eine Matrix mit einer Zeile, bei welcher ein Element 1 ist und sämtliche anderen Elemente 0 sind, so dass aus der Matrix mit einer Spalte bzw. dem Temperaturvektor T_i in Y_i nur die Temperatur des Gases aus der ersten Modellberechnung mit der Matrix A und B als ein einziger Wert übrig bleibt.
Die dynamische Modell-Temperatur bzw. F-Temperatur T^* _g als zweite Filter-Modellberechnung bzw. F-Modellberechnung des Gases mit Hilfe des Hochfrequenzfilters in dem Druckspeicher 27 ergibt sich zu: T^* _g = pK + T_s (Gl. 40)
Die Differenz aus T^* _g – Y_i gibt die Differenz zwischen der dynamisch ermittelten F-Temperatur T^* _g aus der Filter-Modellberechnung bzw. F-Modellberechnung des Gases und Temperatur Y_i des Gases aus der ersten Modellberechnung mit der Matrix A und B an. Dabei ist die dynamisch ermittelten Modell-Temperatur T^* _g nach einer kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes die wesentlich genauere Berechnungsmethode, so dass die Differenz mit guter Näherung den Fehler der Temperatur des Gases in der ersten Modellberechnung mit der Matrix A und B angibt. Diese Differenz kann mit dem festen bzw. konstanten Korrektur- oder Adaptionsvektor L für sämtliche Teilelemente multipliziert werden. Der konstante Korrekturvektor L wird vorzugsweise empirisch ermittelt und die einzelnen Werte des festen Korrekturvektors L für je ein Teilelement sind konstant. Für unterschiedliche Zeitdauern der kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes des Druckspeichers 27 können auch unterschiedliche Korrekturvektoren L zur Verfügung gestellt werden. Das Ergebnis der Multiplikation aus dem festen Korrekturvektor L und der Differenz aus (T^* _g – Y_i) ergibt einen variablen Korrekturvektor in Abhängigkeit von dieser Differenz. In dem konstanten Korrekturvektor L ist der Fehler in der Temperatur des Gases auf sämtliche Teilelemente übertragen und damit kann die Starttemperatur mit guter Näherung für sämtliche Teilelemente berechnet werden: T´_i = A·T_i-1 + B·U + L(T^* _g – Y_i) (Gl. 42)
Die derart ermittelten Starttemperaturen für sämtliche Teilelemente können als primäre Temperaturen für den ersten Berechnungsschritte mit der ersten Modellberechnung verwendet werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung des Antriebsstranges 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die von der Recheneinheit 39 ausgeführte erste Modellberechnung ermöglicht es, die aktuelle Modell-Temperatur T_g des Gases mit einer geringen zeitlichen Verzögerung bezüglich der Ist-Temperatur des Gases zu bestimmen, so dass der Nachteil der großen zweiten zeitlichen Verzögerung des Temperatursensors 48 im Wesentlich aufgehoben ist und damit das aktuelle Volumen des Gases und damit der Ladezustand des Druckspeichers 27 mit einer hohen Genauigkeit zu der aktuellen Zeit bestimmt werden kann. Bei einem kurzzeitigen Stopp des Kraftfahrzeuges und einem kurzzeitigen Abschalten des Antriebsstranges 1 werden bei Wiederaufnahme der Fahrt und dem Aktivieren des Antriebsstranges 1 für die erste Modellberechnung mit der Matrix A und B die primären Temperaturen für die Teilelemente benötigt. Die Temperatur T^* _g des Gases wird mit einer zweiten dynamischen F-Modellberechnung ermittelt und in Abhängigkeit hiervon wird ein Korrekturvektor für sämtliche Teilelemente bestimmt. Der variable Korrekturvektor adaptiert die in dem letzten Berechnungsschritt vor dem Stopp ermittelten Temperaturwerte für sämtliche Teilelemente an die thermische Situation nach dem Ende des Stopps, so dass für den ersten Berechnungsschritt beim Reaktivieren des Antriebsstranges 1 die Starttemperaturen als primäre Temperaturen für sämtliche Teilelemente mit einer guten Näherung und ausreichenden Genauigkeit vorliegen. Der Ladezustand des Druckspeichers 27 kann somit in den Berechnungsschritten nach dem kurzzeitigen Stopp mit einer guten Genauigkeit ermittelt werden. Bei einer langfristigen Unterbrechung des Betriebes des Druckspeichers 27 werden als primäre Temperaturen der Teilelemente die Anfangs-Temperaturen als die Temperatur der Umgebung verwendet aufgrund eines thermischen Gleichgewichtes sämtlicher Teilelemente des Druckspeichers 27. In Abhängigkeit von dem genau ermittelten Ladezustand des Druckspeichers 27 kann der Antriebsstrang 1 optimiert und besser gesteuert und geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2733870 C2 [0004]
DE 19542427 A1 [0005]
DE 102013215862 A1 [0006]
DE 102014212156 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Antriebsstranges (1) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Druckspeicher (4, 27, 51) mit je einem Gasraum (46) und je einem Hydraulikflüssigkeitsraum (45) mit den Schritten: – Einleiten einer Hydraulikflüssigkeit in den wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51), so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher reduziert wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases erhöht wird und/oder – Ausleiten einer Hydraulikflüssigkeit aus dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51), so dass ein Gasvolumen in dem Druckspeicher (4, 27, 51) erhöht wird und die Ist-Temperatur und der Ist-Druck des Gases reduziert wird, – Erfassen eines Mess-Druckes des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51) mit wenigstens einem Drucksensor (47) mit einer ersten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Druck des Gases, – Erfassen einer Mess-Temperatur des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51) mit wenigstens einem Temperatursensor (48) mit einer zweiten zeitlichen Verzögerung zu einem in Abhängigkeit von der Zeit variablen Ist-Temperatur des Gases, wobei – mit einer ersten Modellberechnung aus primären Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) eine Modell-Temperatur des Gases berechnet wird und mit der Modell-Temperatur des Gases das Volumen des Gases berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer zweiten F-Modellberechnung die F-Temperatur des Gases bestimmt wird und in Abhängigkeit von der F-Temperatur des Gases die Start-Temperaturen als primäre Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) für die erste Modellberechnung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der F-Modellberechnung in Abhängigkeit von der von dem wenigstens einen Temperatursensor (48) erfassten Mess-Temperatur des Gases die F-Temperatur bestimmt wird und vorzugsweise die zeitliche Verzögerung zwischen der F-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases kleiner ist als die zeitliche Verzögerung zwischen der Mess-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases und/oder die zweite zeitliche Verzögerung größer ist als die erste zeitliche Verzögerung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der F-Modellberechnung ein Korrekturfaktor berechnet wird und die F-Temperatur aus der Summe der Mess-Temperatur und dem Produkt aus dem Korrekturfaktor und dem Mess-Druck bestimmt wird und/oder die F-Temperatur in Abhängigkeit von der Mess-Temperatur und in Abhängigkeit von dem Mess-Druck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der molaren Gasmasse und/oder der Mess-Temperatur des Gases und/oder dem Mess-Druck des Gases und/oder der Änderung des Mess-Druckes pro Zeiteinheit bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Differenz aus der F-Temperatur des Gases und der Modell-Temperatur des Gases aus einem Berechnungsschritt der Modellberechnung die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) bestimmt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) in Abhängigkeit von einem, vorzugsweise konstanten, Korrekturvektor bestimmt werden, insbesondere die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) in Abhängigkeit von dem Produkt aus dem Korrekturvektor und der Differenz aus der F-Temperatur des Gases und der Modell-Temperatur des Gases aus einem Berechnungsschritt der Modellberechnung bestimmt werden, und vorzugsweise das Ergebnis dieses Produktes einen variablen Korrekturvektor bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) aus der Summe aus der in einem Berechnungsschritt der Modellberechnung bestimmten Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) und dem variablen Korrekturvektor bestimmt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) des Druckspeichers (4, 27, 51) nach einer kurzzeitigen Unterbrechung, beispielsweise von weniger als 2 h oder 1 h, des Betriebes des Druckspeichers (4, 27, 51) bestimmt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Anfangs-Temperatur des Gases nach einer langfristen Unterbrechung des Betriebes und/oder eine Start-Temperatur des Gases nach einer kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes bestimmt wird und eine Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher (4, 27, 51) bestimmt wird und die Temperatur der in den Druckspeicher (4, 27, 51) eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit bestimmt wird und mit der Anfangs-Temperatur und/oder Start-Temperatur des Gases, der Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher (4, 27, 51), dem Mess-Druck des Gases und der Temperatur der in den Druckspeicher (4, 27, 51) eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit die Modellberechnung ausgeführt wird und/oder die Anfangs-Temperatur des Gases dadurch bestimmt wird, dass eine Anfangs-Temperatur des Gases in dem wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51) mit wenigstens einem Temperatursensor (48) oder Umgebungs-Temperatursensor (54), insbesondere vor einer Inbetriebnahme und/oder außerhalb des Betriebes des Druckspeichers (4, 27, 51) mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur des Gases in Abhängigkeit von der Zeit, erfasst wird und/oder die zeitliche Verzögerung zwischen der Modell-Temperatur und der Ist-Temperatur des Gases im Wesentlichen der ersten zeitlichen Verzögerung entspricht und/oder die Anfangs-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) nach einer langfristen Unterbrechung des Betriebes und/oder die Start-Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) nach einer kurzfristigen Unterbrechung des Betriebes jeweils die primären Temperaturen der Teilelemente (w1, o1) für die erste Modellberechnung sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungs-Temperatur der Umgebung dadurch bestimmt wird, dass die Umgebungs-Temperatur der Umgebung an dem Druckspeicher (4, 27, 51) mit dem wenigstens einen Umgebungs-Temperatursensor (54) erfasst wird und/oder die Temperatur der in den Druckspeicher (4, 27, 51) eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit dadurch bestimmt wird, dass die Temperatur der in den Druckspeicher (4, 27, 51) eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit mit einem Hydraulik-Temperatursensor (53) erfasst wird oder mit einem weiteren Modell berechnet wird und/oder das Volumen der in den Druckspeicher (4, 27, 51) eingeleiteten und/oder ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit mit einem Hydraulik-Volumensensor (55) erfasst wird oder mit einem weiteren Modell berechnet wird oder aus Daten wenigstens einer hydraulischen Pumpe (16) und/oder wenigstens eines hydraulischen Motors (20) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie berechnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (4, 27, 51), insbesondere die Wandung (42) und/oder die Hydraulikflüssigkeit und/oder ein Trennelement (52), in fiktive Teilelemente (w1, o1) unterteilt wird und die Modellberechnung mit den fiktiven Teilelementen (w1, o1) getrennt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellberechnung eine Wandung (42) des Druckspeichers (4, 27, 51) in fiktive Teilwandungselemente (w1, w2, w3) unterteilt wird und die Modellberechnung an den Teilwandungselementen (w1, w2, w3) getrennt durchgeführt wird und/oder bei der Modellberechnung ein Hydraulikflüssigkeitsraum (45) des Druckspeichers mit der Hydraulikflüssigkeit in fiktive Teilhydraulikelemente (o1, o2) unterteilt wird und die Modellberechnung an den Teilhydraulikelementen (o1, o2) getrennt durchgeführt wird und/oder bei der Modellberechnung ein Trennelement (52) zwischen dem Hydraulikflüssigkeitsraum (45) mit Hydraulikflüssigkeit und einem Gasraum (46) mit dem Gas in fiktive Teiltrennelemente unterteilt wird und die Modellberechnung an den Teiltrennelementen getrennt durchgeführt wird.
Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – wenigstens eine hydraulische Pumpe (19) und wenigstens einen hydraulischen Motor (20) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und umgekehrt, – wenigstens einen Druckspeicher (4, 27, 51), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren gemäß einem oder mehrere der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Pumpe (19) und ein hydraulischer Motor (20) von einer Schrägscheibenmaschine (15, 18) gebildet ist, insbesondere der Antriebsstrang (1) zwei Schrägscheibenmaschinen (15, 18) umfasst, welche hydraulisch miteinander verbunden sind und als hydraulisches Getriebe (22) fungieren, und/oder der Antriebsstrang (1) zwei Druckspeicher (4, 27, 51) als Hochdruckspeicher (28) und Niederdruckspeicher (29) umfasst und/oder der wenigstens eine Druckspeicher (4, 27, 51) als ein Kolbenspeicher (4) und/oder ein Blasenspeicher (51) ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druckspeicher (4, 27, 51) je einen Temperatursensor (48) zur Erfassung der Anfangs-Temperatur und/oder der Mess-Temperatur des Gases und je einen Drucksensor (47) zur Erfassung eines Mess-Druckes des Gases umfasst und/oder der Antriebsstrang (1) einen Umgebungs-Temperatursensor (54) zur Erfassung der Umgebungstemperatur an dem Druckspeicher (4, 27, 51) umfasst und/oder der Antriebsstrang (1) einen Hydraulik-Temperatursensor (53) zur Erfassung der in den Druckspeicher (4, 27, 51) ein- und ausgeleiteten Hydraulikflüssigkeit umfasst und/oder der Antriebsstrang (1) eine Recheneinheit (39) mit einem Rechner (40) und einem Datenspeicher (41) umfasst.