DE102014226067A1

DE102014226067A1 - Verfahren zum Anfahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem gekoppelten Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102014226067A1
Application number: DE102014226067.1A
Authority: DE
Inventors: Timo Lemmke; Alexander Trofimov; Stefan Hoefle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105691385A; KR20160073325A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Anfahrbetrieb eines einen Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine (100) und einer Elektromaschine (110) aufweisenden Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (100) und die Elektromaschine (110) direkt gekoppelt sind (105) und wobei zwischen der Brennkraftmaschine (100) und einem Getriebe (115) des Kraftfahrzeugs eine elektronisch gesteuerte Kupplung (120) angeordnet ist, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass in einer ersten Anfahrphase die Drehzahl der Brennkraftmaschine (100) von einer Leerlaufdrehzahl auf eine Mindestdrehzahl abgesenkt wird (505), wobei die Brennkraftmaschine (100) von der Elektromaschine (110) in einem Schleppbetrieb betrieben wird, und dass in einer zweiten Anfahrphase die elektronisch gesteuerte Kupplung (120) mit einem im Wesentlichen konstanten Schlupf betrieben wird (530).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahrbetrieb eines einen Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine und einer mit der Brennkraftmaschine gekoppelten Elektromaschine sowie eine elektronisch gesteuerte Getriebekupplung aufweisenden Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Es sind Kraftfahrzeuge mit manuellem Schaltgetriebe und automatisierter Kupplung bekannt geworden, welche bei eingelegtem Gang und ohne Betätigung eines Kupplungspedals nur durch Betätigung eines Brems- und/oder Gas- bzw. Fahrpedals angehalten und angefahren werden. Dabei wird die Brennkraftmaschine bei einem Start-/Stopp-fähigen Kraftfahrzeug vorübergehend abgeschaltet und beim Verlassen des Bremspedals wieder gestartet. Bei dem erneuten Startvorgang schwingt die Brennkraftmaschine über die Leerlaufdrehzahl hinaus, wobei anschließend durch langsames Schließen der Kupplung die Brennkraftmaschine belastet wird.
Wird nur das Bremspedal verlassen, und nicht das Gaspedal betätigt, so bestimmt in an sich bekannter Weise ein Leerlaufregler bzw. Anfahrregler das an die Reifen abgegebene Drehmoment bzw. Vortriebsmoment des gesamten Antriebs. Bei Betätigung des Gaspedals jedoch kann der Fahrzeugführer das genannte Vortriebsmoment beeinflussen.
Darüber hinaus ist ein sogenannter Hybridantrieb bekannt geworden, bei dem eine Elektromaschine vorgesehen ist, die direkt mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist und einen schnellen Start der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Anfahrbetrieb eines hier betroffenen Kraftfahrzeugs mit einem genannten elektronisch gesteuerten, d. h. automatisierten Kupplungssystem vor, wobei eine mit einer Brennkraftmaschine gekoppelte Elektromaschine vorgesehen ist. Bei der elektronisch gesteuerten Kupplung kann es sich um eine Kupplung eines manuellen Getriebes mit Kupplungspedal oder um ein mit einer Anfahrkupplung ausgestatteten automatisches Getriebe handeln. Bei der Kopplung zwischen Brennkraftmaschine und Elektromaschine kann es sich um eine Riemen-basierte Kopplung, eine Wellen-basierte Kopplung, eine hydraulische Kopplung, oder dergleichen handeln.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein rein elektrisches Anfahren bzw. ein „elektrisches Anfahrgefühl” dadurch erreicht werden kann, dass die vorliegende Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine zu Beginn des Anfahrbetriebs auf eine Mindestdrehzahl abgesenkt wird, und zwar bevorzugt dadurch, dass eine oder mehrere Einspritzungen vorübergehend ausgeblendet werden, wodurch sichergestellt wird, dass die Elektromaschine trotz ihres gegenüber der Brennkraftmaschine allgemein relativ geringen Leistungsvermögens beim Anfahren des Kraftfahrzeugs das Schleppmoment der Brennkraftmaschine überwindet.
Dabei liegen die folgenden technischen Effekte zugrunde. Durch das genannte Absenken der Leerlaufdrehzahl reduziert sich das Motorschleppmoment. Zudem verringert sich die Drehzahldifferenz bei der elektronisch gesteuerten Kupplung, wodurch der Verschleiß der Kupplung sowie Energieverluste beim Anfahren reduziert werden. Im Vergleich dazu ist bei einem reinen Verbrennungsbetrieb eines hier betroffenen Kraftfahrzeugs oder einem rein brennkraftbetriebenen Kraftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Absenken der Drehzahl beim Anfahren bzw. Ankriechen nicht möglich, denn die Brennkraftmaschine kann bei geringen Drehzahlen nicht ausreichend Drehmoment zur Verfügung stellen und läuft daher unruhig oder kann sogar abgewürgt werden. Daher wird beim konventionellen Anfahren eines Kraftfahrzeugs die Drehzahl der Brennkraftmaschine grundsätzlich eher erhöht als erniedrigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt insbesondere vor, dass in einer ersten, frühen Anfahrphase ein Niederdrehzahlverfahren angewendet wird, bei dem nach dem Start der Elektromaschine die Brennkraftmaschine während des Absinkens der Drehzahl von einem Nominalwert der Leerlaufdrehzahl von z. B. 750 min^–1 (= U/min) auf eine Mindestdrehzahl von z. B. 450 min^–1 von der Elektromaschine geschleppt wird, wodurch ein komfortabler und umweltschonender Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Insbesondere wird dadurch die für den Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliche Schleppleistung erheblich verringert. Die Mindestdrehzahl der Brennkraftmaschine ist so gewählt, dass diese für den Anfahrbetrieb ausreichend ist, denn aufgrund des rein elektrischen Schleppbetriebs während der ersten Anfahrphase ist insbesondere keine Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine zur Aufrechterhaltung des Drehmomentes und der Laufruhe erforderlich.
In einer zweiten, späteren Anfahrphase, wird ein Mini-Schlupf-Verfahren mit gegenüber üblichen Schlupfwerten relativ geringen Schlupfwerten angewendet. Mit dem Minischlupfverfahren wird eine relativ schnell abrufbare, zusätzliche Drehmomentreserve bereitgestellt, welche durch das Schließen der elektronisch gesteuerten Kupplung abgerufen werden kann. Denn würde die elektronische Kupplung keinen Schlupf bereitstellen, dann müsste die Elektromaschine ein fahrerseitig gefordertes Drehmoment unmittelbar zur Verfügung stellen. Hier liegt aber die Erkenntnis zugrunde, dass ein solches Drehmoment nur mit einer erheblichen Verzögerung (Totzeit bzw. Latenz) bereitgestellt werden kann, welche sich unter anderem aus kommunikationstechnischen, elektronischen und/oder mechanischen Gründen ergibt. Diese Verzögerung kann beim Anfahren zudem Schwingungen verursachen, deren Unterdrückung eine aufwändige Regelung bzw. Schwingungskompensation erfordert. Mit dem vorgeschlagenen Minischlupfverfahren ist eine solche Schwingungskompensation wesentlich einfacher durchführbar bzw. gar nicht erforderlich.
Die Schlupfwerte des genannten Mini-Schlupf-Verfahrens sind bevorzugt geringer als 100 min^–1 und besonders bevorzugt geringer als 50 min^–1. Infolge der Beschleunigung des Fahrzeuges erhöht sich die Getriebedrehzahl. Wenn die aktuelle Getriebeeingangsdrehzahl die (nominale) Leerlaufdrehzahl des Antriebs erreicht oder überschreitet, wird die Brennkraftmaschine in einen Normalbetrieb übergeführt, bei dem es sich um einen reinen Verbrennungsbetrieb oder einen Hybridbetrieb handeln kann.
Der Übergang zwischen der ersten Anfahrphase und der zweiten Anfahrphase erfolgt wenn genannte Schlupfwerte des Minischlupfs erreicht sind. Dadurch wird ein insbesondere für das Anfahrgefühl unmerklicher Übergang zwischen den beiden Anfahrphasen bzw. Betriebsphasen ermöglicht.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt ferner der technische Effekt zugrunde, dass das für den seitens des Fahrzeugführers gewünschten Vortrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche Drehmoment nicht als Solldrehmoment, sondern als von der genannten, beim Anfahren noch im Schlupf befindlichen elektronisch gesteuerten Kupplung übertragbares Drehmoment gefordert wird. Die Elektromaschine wird dabei bevorzugt nur auf eine Solldrehzahl geregelt, welche entweder eine Mindestdrehzahl und/oder einen im Wesentlichen konstanten Schlupf der elektronisch gesteuerten Kupplung beinhaltet.
Das genannte elektrische Anfahrgefühl ergibt sich zum einen aus der geringeren Geräuschkulisse und zum anderen aus dem sehr direkten Beschleunigungsverhaltens des gesamten Antriebs, der wie bei einer deutlich leistungsstärkeren Elektromaschine aufgrund deren Drehmoment im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl ist bzw. zur Erhöhung der Beschleunigung keine Drehzahlerhöhung erfordert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in der ersten Anfahrphase ferner vorgesehen sein, dass, ausgehend von einer gegenüber dem üblichen Sollwert bzw. Nominalwert der Leerlaufdrehzahl in der beschriebenen Weise abgesenkten bzw. minimalen Drehzahl der Brennkraftmaschine, aus einer Wunschdrehzahl, einer aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie einem Vorsteuer-Moment ein für die Aufrechterhaltung eines konstanten Kupplungsschlupfs erforderliches Drehmoment der Elektromaschine bestimmt wird. Dadurch kann das Verfahren relativ einfach und damit kostengünstig in ein bestehendes Steuergerät des Kraftfahrzeugs implementiert werden.
Hinsichtlich des genannten Vorsteuer-Momentes kann ferner vorgesehen sein, dass dieses unter Berücksichtigung eines an der Brennkraftmaschine aktuell anliegenden Schleppmomentes und/oder unter Berücksichtigung eines für Aufrechterhaltung des Kupplungsschlupfs erforderlichen aktuellen Kupplungsmomentes bestimmt wird. Hierdurch wird eine sehr präzise Vorsteuerung des Momentes ermöglicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere in der zweiten Anfahrphase vorgesehen sein, dass das für die Aufrechterhaltung eines konstanten Kupplungsschlupfs erforderliche Drehmoment der Elektromaschine mittels eines PI(D)-Reglers bestimmt wird. Dadurch wird das Verfahren mit einem relativ geringen Kostenaufwand automatisierbar. Hierbei kann weiter vorgesehen sein, dass insbesondere der Integralanteil des PI(D)-Reglers zur Regelung des konstanten Kupplungsschlupfs in einem Wertebereich von 0,005–0,015 eingestellt wird. Mit dieser Maßnahme lässt sich die Aufrechterhaltung eines konstanten Kupplungsschlupfs besonders effektiv durchführen.
Es ist anzumerken, dass zur Erzielung der genannten Vorteile beim genannten elektrischen Anfahrbetrieb das Vorhandensein einer elektronisch gesteuerte Kupplung besonders vorteilhaft ist, da nur dadurch die Kombination des genannten Niederdrehzahlverfahrens und des Mini-Schlupf-Verfahrens bzw. ein genannter Wechsel zwischen diesen beiden Verfahren bzw. Betriebsmodi automatisiert möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei einem Kraftfahrzeug mit genanntem elektronischen bzw. elektrischen Kupplungssystem sowie einer Elektromaschine mit direkter Kopplung zur Brennkraftmaschine ein Anfahrvorgang mit oder ohne Betätigung des Gaspedals komfortabler, geräuschärmer, energetisch effizienter und aufgrund des verringerten Energieeintrags in die Kupplung für diese verschleißärmer erfolgen. Zusätzlich wird die Verlustenergie, die üblicherweise in die Kupplung eingetragen wird, eingespart und der Anfahrvorgang somit insgesamt energieeffizienter.
Die Erfindung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einem genannten kombinierten Hybridantrieb, bei dem eine Elektromaschine direkt mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist und bei dem eine elektronisch gesteuerte Kupplung vorhanden sind, zur Anwendung kommen. Ein besonderes Anwendungsfeld betrifft sogenannte „Mildhybrid”-Fahrzeuge, bei denen die Elektromaschine nur mit einer elektrischen Versorgungsspannung von 48 V betrieben wird. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Kraftfahrzeugen mit einem automatischen Getriebe sowie einer geregelten Anfahrkupplung anwendbar.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um ein hier betroffenes Kraftfahrzeug mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens im Anfahrbetrieb zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen bei der Erfindung zugrunde gelegten, an sich bekannten Antriebsstrang eines hybrid angetriebenen Kraftfahrzeugs.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.
2b zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung.
3 bis 8 zeigen gemessene Anfahrvorgänge eines hier betroffenen Kraftfahrzeugs zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugt durch Implementierung eines nachfolgend beschriebenen Niederdrehzahlansatzes sowie eines sogenannten „Mini-Schlupf”-Ansatzes, bzw. anhand der nachfolgend beschriebenen entsprechenden beiden Betriebsphasen, realisiert werden.
Zur ersten Betriebsphase „Niederdrehzahlverfahren” ist zunächst anzumerken, dass im rein verbrennungsmotorischen Betrieb einer hier betroffenen Brennkraftmaschine, z. B. einem Vierzylinder-Ottomotor, die Leerlaufdrehzahl meist nicht unter 750 min^–1 (= U/min) liegt. Beim erfindungsgemäßen elektrischen Anfahren und dem damit verbundenen elektrischen Betrieb der Brennkraftmaschine im genannten Schleppbetrieb kann jedoch die nominale Leerlaufdrehzahl abgesenkt werden, da eine Mindestleerlaufdrehzahl zur Aufrechterhaltung des Drehmoments oder zur Laufruhe nicht erforderlich ist. Die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine kann im Hinblick auf das Drehmoment der Elektromaschine prinzipiell sogar beliebig weit abgesenkt werden, wobei eine Mindestdrehzahl durch in der Brennkraftmaschine aufgrund eines Schwungrades oder anderer rotierender Massen hervorgerufener Resonanzschwingungen einzuhalten ist.
Im Testbetrieb eines 1,4 Liter Vierzylinder-Ottomotors betrug die Mindestdrehzahl etwa 420 min^–1. Unterhalb dieses Schwellwerts, zuzüglich eines Sicherheitsabstandes, wird der elektrische Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund von an die Fahrzeugkarosserie übertragenen Schwingungen sehr unkomfortabel.
Aufgrund des beschriebenen Niederdrehzahlverfahrens gemäß der ersten Betriebsphase ergeben sich die folgenden Vorteile:

– Aufgrund der geringeren Schleppleistung durch das Absenken der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine muss prinzipiell weniger Energie aufgewendet werden, um die Brennkraftmaschine zu betreiben sowie hohe Schlepp- bzw. Verlustleistungen vermieden.
– Durch die relativ niedrige Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine ergeben sich akustische Vorteile aufgrund von verminderten Laufgeräuschen, denn die Laufgeräusche einer Brennkraftmaschine nehmen mit steigender Drehzahl bekanntlich zu. Zusätzlich verringert sich die Geräuschentwicklung aufgrund des Wegfalls von Betätigungen eines oder mehrerer Einspritzventile sowie aufgrund des Betriebs ohne Verbrennung.
– Aufgrund des rein elektrischen Schleppbetriebs der Brennkraftmaschine (trotz der Kopplung zwischen Brennkraftmaschine und Elektromaschine) sind in der ersten Betriebsphase die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch gleich Null.
– Aufgrund der Vermeidung von verbrennungscharakteristischen Drehmomentstößen und der damit verbundenen besseren Laufruhe der Brennkraftmaschine sowie von sich auf die Fahrzeugkarosserie übertragenden und mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine ebenfalls zunehmenden Vibrationen rotierender Massen, wird der Komfort im Innenraum des Fahrzeug erheblich verbessert.

Bezüglich der genannten zweiten Betriebsphase „Mini-Schlupf-Verfahren” ist zunächst anzumerken, dass zum Anfahren eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und mit manuellem Schaltgetriebe mit trockener Reibkupplung mindestens bis zu einer Getriebeeingangsdrehzahl, welche oberhalb einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine liegt, ein Kupplungsschlupf aufrecht zu erhalten ist. Um mit der Brennkraftmaschine ein ausreichend hohes Drehmoment bereitzustellen, wird beim Anfahren des Kraftfahrzeugs häufig die Drehzahl deutlich über die Leerlaufdrehzahl angehoben und verhältnismäßig lange ein sehr hoher Schlupf aufrechterhalten.
Das nachfolgend beschriebene Mini-Schlupf-Verfahren kann in niedrigen Drehzahlbereichen nur bei einem genannten elektrischen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, da nur in diesem Fall das Antriebsmoment im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Der Mini-Schlupf wird in dieser Betriebsphase aufrechterhalten, da er eine genannte Momentenreserve bereitstellt und da es deutlich komfortabler ist, die Brennkraftmaschine aus einem bestehenden Schlupf zuzuschalten, als aus einem bereits abgebauten Schlupf heraus, wenn der Fahrzeugführer stärker beschleunigen möchte, als es rein elektrisch möglich ist. Einen guten Kompromiss stellt daher ein insbesondere gegenüber der ersten Betriebsphase sehr geringer Schlupf im Bereich von weniger als 100 min^–1 dar, bevorzugt von weniger als 50 min^–1, da hierdurch die Vorteile einer möglichst geringen Drehzahl mit den genannten Komfortvorteilen beim hybridischen Betrieb der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine vereint werden. Zudem ist erst durch den Mini-Schlupf das erwähnte Prinzip der Vortriebssteuerung rein durch ein übertragenes Kupplungsmoment realisierbar, denn nur bei Schlupf stellt die Kupplung den (aktiven) „Momentensteller” im Antriebsstrang dar.
Der sich aus der Summe der Getriebeeingangsdrehzahl und des Mini-Schlupfs ergebende Gesamtschlupf stellt erfindungsgemäß die Größe dar, auf welche die Antriebsmaschine die Drehzahl regelt, während die Kupplung den Vortrieb des Fahrzeugs steuert. Da eine Elektromaschine bekanntermaßen sehr dynamisch regeln kann, kann der Gesamtschlupf sehr gering gewählt werden, z. B. innerhalb den oben genannten Wertebereichs.
Aufgrund des beschriebenen Mini-Schlupf-Verfahrens gemäß der zweiten Betriebsphase ergibt sich zusätzlich zu den bezüglich der ersten Betriebsphase bereits genannten Vorteile als weiterer Vorteil ein minimaler Kupplungsverschleiß während des Anfahrvorganges, da der Energieeintrag in die Kupplung im Wesentlichen nur von der an sich geringen Differenzdrehzahl sowie dem bei einer gewünschten Beschleunigung an sich festen Drehmoment abhängt.
Durch diese beiden, in der Regel zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführten Betriebsphasen wird für den Fahrzeugführer trotz der sich im Schleppbetrieb befindlichen Brennkraftmaschine aufgrund der relativ geringen Drehzahl der Brennkraftmaschine ein elektrisches Fahrgefühl erzeugt, da sowohl die Geräuschkulisse des gesamten Antriebs als auch die Vibrationen im Fahrzeuginnenraum relativ gering sind. Darüber hinaus wird durch die ermöglichte drehzahlunabhängige Beschleunigung sowie das Verlagern der zum Fahrerwunsch-bedingten Vortrieb benötigten Drehmomente auf die Kupplung, und nicht wie im Stand der Technik auf die Antriebsmaschinen, eine sehr direkte Reaktion bzw. Beschleunigung des Fahrzeugs erreicht, wie sie sonst nur durch eine rein elektrische Drehmomentbereitstellung möglich wäre.
Zudem kann ein Anfahrvorgang ohne besonderen Kupplungsverschleiß und ohne für den Fahrzeugführer spürbare Komforteinbußen auch in höheren Gängen des Getriebes durchgeführt werden oder an einer solchen StPeigung sogar eine Anfahrhilfe bereitgestellt werden, was bei der nachfolgend beschriebenen Berechnung anhand von Informationen über den aktuellen Gang sowie der aktuellen Fahrbahnneigung berücksichtigt werden kann.
Die genaue Vorgehensweise bei der Berechnung sowie des Ablaufs eines entsprechenden Anfahrvorganges wird nachfolgend anhand von Blockschaltbildern sowie an einem hier betroffenen Kraftfahrzeug durchgeführten Messungen noch eingehender beschrieben.
Der in 1 schematisch dargestellte Antriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine 100, eine mit der Brennkraftmaschine 100 direkt gekoppelte 105 Elektromaschine 110 sowie ein Schaltgetriebe 115, welches mit der Brennkraftmaschine 100 über eine elektronisch gesteuerte Kupplung 120 und entsprechende Antriebswellen 125 verbunden ist. Aufgrund der direkten Kopplung 105 zwischen der Brennkraftmaschine 100 und der Elektromaschine 110 ergibt sich das hierin beschriebene und seitens der Erfindung nutzbar gemachte Schleppmoment. Der ebenfalls erfindungsgemäß erforderliche Schlupf wird an der elektronisch gesteuerten Kupplung 120 erzeugt.
Die in 2a gezeigte Routine geht von einer Betriebssituation 500 aus, in der die Brennkraftmaschine entweder neu gestartet wurde oder bereits mit einer vorliegend nominalen Leerlaufdrehzahl von 750 min^–1 läuft und in der die Elektromaschine noch ausgeschaltet ist. In der genannten durch die Strichelung 502 angedeuteten ersten Betriebsphase wird in Schritt 505 zunächst die genannte Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine künstlich auf eine Mindestdrehzahl von z. B. 450 min^–1 herabgesetzt, z. B. durch vollständiges oder teilweises Abstellen der Kraftstoffzumessung, d. h. im Fall einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem durch Ausblenden bzw. Aussetzen einiger oder durch vorübergehendes Aussetzen sämtlicher Einspritzungen. Danach wird die Elektromaschine gestartet 510 und läuft mit ihrer eigenen (d. h. nominalen) Leerlaufdrehzahl von typischerweise 420 min^–1 an. Dies geschieht bei noch vollständig geöffneter elektrischer Kupplung, wobei insbesondere noch kein Schlupf stattfindet. Durch die mit der Brennkraftmaschine direkt gekoppelte Elektromaschine wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine „aufgefangen” bzw. die Brennkraftmaschine entsprechend mitgeschleppt. Nun wird die elektronisch gesteuerte Kupplung einen Schlupfbetrieb zulassend geschlossen 515. Danach wird geprüft 520, ob der aktuelle Schlupfwert des Kupplungsschlupfs einen empirisch vorgegebenen unteren Schwellenwert im Bereich von z. B. 50–100 min^–1 erreicht bzw. unterschreitet, welcher einem Grenzwert für den genannten Mini-Schlupf-Betrieb darstellt. Ist diese Bedingung erfüllt, wird in die genannte, durch die Strichelung 525 angedeutete zweite Betriebsphase übergegangen, Andernfalls wird der genannte Prüfschritt 520 solange wiederholt ausgeführt, bis die genannte Bedingung erfüllt ist.
In der ebenfalls durch eine Strichelung 525 angedeuteten zweiten Betriebsphase wird zunächst eine nachfolgend noch im Detail beschriebene Regelung gestartet 530, welche den im Bereich des genannten Grenzwertes befindlichen (Mini-)Schlupfwert möglichst konstant hält. Während die Getriebe(eingangs-)drehzahl sich dadurch stetig erhöht und das Kraftfahrzeug entsprechend anfährt, wird die Drehzahl der Elektromaschine zur Aufrechterhaltung des genannten Minischlupfs durch die Regelung sukzessive bzw. schrittweise entsprechend erhöht. Zusätzlich schleppt die Elektromaschine durch die direkte Kopplung auch die Brennkraftmaschine entsprechend mit, so dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprechend ansteigt. Daher wird in einem weiteren Prüfschritt 535 geprüft, ob die Drehzahl der Brennkraftmaschine die genannte nominale Leerlaufdrehzahl von z. B. 750 min^–1 erreicht bzw. überschreitet. Ist diese Bedingung erfüllt, wird die Brennkraftmaschine wieder gestartet 540 bzw. die genannten vorübergehend ausgesetzten Einspritzungen wieder ausgeführt und damit die Brennkraftmaschine wieder betrieben bzw. gestartet. Ist die genannte Bedingung nicht erfüllt, wird der Prüfschritt 535 solange wiederholt ausgeführt, bis die Bedingung erfüllt ist. Nachdem die Brennkraftmaschine wieder gestartet wurde 540, kann die Elektromaschine entweder ausgestellt werden 545 und ein reiner Verbrennungsbetrieb erfolgen oder aber die Elektromaschine angelassen bleiben 550, um somit einen hybridischen Betrieb zu ermöglichen.
In dem in 2b gezeigten Blockschaltbild sind die für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erforderlichen Eingangsgrößen in dem linken Block 200 dargestellt. Die an die Elektromaschine, die elektronisch gesteuerte Kupplung sowie die Drosselklappe der Brennkraftmaschine gelieferten Ausgangsgrößen sind in dem rechten Block 205 dargestellt.
Der Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine wird in an sich bekannter Weise mit einem PI-Regler auf einen konstanten Druckwert geregelt; dieser hat jedoch keinen Einfluss auf den Anfahrvorgang und bleibt deshalb vorliegend unberücksichtigt. Es ist lediglich anzumerken, dass der Saugrohrdruck aus Komfortgründen möglichst schnell abgebaut werden muss, dabei aber einen Minimalwert nicht unterschreiten darf, um ein Ansaugen von Öl in das Saugrohr zu vermeiden. Es ist ferner anzumerken, dass der Fahrzeugführer mit dem Fahrpedal keinen Zugriff bzw. keinen Einfluss auf die Drosselklappe der Brennkraftmaschine hat.
In einem in der 2b oben dargestellten ersten Berechnungsblock 210 erfolgt die Berechnung des an die Elektromaschine gelieferten Wunschmoments 212.
Dabei wird eine gewünschte Drehzahl 214 der Brennkraftmaschine, welche die Elektromaschine durch den genannten Schleppbetrieb einstellen soll, abhängig von einer aktuellen Getriebeeingangsdrehzahl 216 und dem an dem Getriebe aktuell eingelegten Gang 218 berechnet. Der genaue Wert der aktuellen Drehzahl 216 ist, wie oben beschrieben, insbesondere unabhängig von der Gaspedalstellung. Bei der Berechnung werden als Eingangsgrößen zudem eine Mindestdrehzahl 220, eine für die Wunschdrehzahlberechnung benötigte aktuelle Getriebeeingangsdrehzahl 221, welche durch Addition gemäß +x [min^–1] die Wunschdrehzahl im Mini-Schlupf-Betrieb ergibt, sowie ein minimal erforderlicher Schlupf 222 berücksichtigt.
Zu Beginn des Berechnungsvorgangs wird zunächst mittels des gezeigten PI(D)-Reglers 224 eine minimal mögliche Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine eingeregelt, wobei die Kupplung sich unterhalb des sogenannten „Kisspoints” befindet und die Elektromaschine nur durch das Schleppmoment der Brennkraftmaschine belastet wird. Erhöht sich nun durch Schließen der Kupplung die Getriebeeingangsdrehzahl und erreicht diese die Drehzahl der Brennkraftmaschine, wird ab diesem Zeitpunkt auf den genannten Mini-Schlupf geregelt. Insoweit ist die Wunschdrehzahl 214 demnach abhängig von der Getriebeeingangsdrehzahl.
Es ist anzumerken, dass der genannte „Kisspoint” bekanntermaßen den Einrückpunkt der vorliegend als Reibkupplung ausgebildeten Kupplung darstellt und den Betriebspunkt des Getriebes, an dem die schließende Reibkupplung ein erstes, geringes Drehmoment in der Größenordnung von etwa 10 Nm überträgt, definiert.
Der Block „Vorsteuerung” 226 liefert ein Vorsteuer-Moment 230 an den PI(D)-Regler 224 und berücksichtigt bei der Berechnung den Wert eines aktuell an der Brennkraftmaschine anliegenden Schleppmoments 227, welches sich wiederum über der Drehzahl verändert, sowie das für die Drehzahlregelung als Vorsteuerung dienende aktuelle Kupplungsmoment 228, welches für die Schlupfregelung erforderlich ist. Es ist anzumerken, dass der Fahrerwunsch die Elektromaschine nur indirekt erreicht, da das Kupplungsmoment erfindungsgemäß die Vorsteuerung für die Elektromaschine darstellt.
Ausgehend von der mittels des PI(D)-Reglers 224 bereits eingeregelt vorliegenden minimalen Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine, wird nun aus der Wunschdrehzahl 214, der aktuellen Drehzahl 216 und der genannten Vorsteuerung 226 mittels des PI(D)-Reglers 224 das für die Aufrechterhaltung eines konstanten Schlupfs erforderliche Drehmoment der Elektromaschine berechnet. Der Integralanteil des PI(D)-Reglers 224 ist dabei für das Regeln des konstanten Schlupfs in einem genannten relativ engen Wertebereich (0,005–0,015) von besonderer Bedeutung, da der Schlupf für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren möglichst aufrechterhalten werden muss.
Bei dem in der 2b in der Mitte dargestellten zweiten Berechnungsblock 240 erfolgt auf der Grundlage des aktuellen Gangs 242, der aktuellen Getriebeeingangsdrehzahl 244, der aktuellen Drehzahl 246 der Brennkraftmaschine sowie der genannten Momentenbegrenzung 248 für die Kupplung die Berechnung eines gewünschten Kupplungsmomentes 250. Ein als weitere Eingangsgröße dienender Standardverlauf 252 für das Kupplungsmoment wird dabei so voreingestellt, dass sich bei der Beschleunigung ein möglichst komfortabler bzw. möglichst ruckfreier Beschleunigungsverlauf ergibt. Dies wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen relativ steilen Anstieg zu Beginn der Beschleunigung, um das Fahrzeug zunächst in Bewegung zu versetzen, und ein danach kontinuierliches Abfallen des Momentes mit zunehmender Getriebeeingangsdrehzahl 244 erreicht. Beim Losbrechen des Fahrzeugs wird zudem der gewünschte Schließgradient 264 der Kupplung begrenzt 254, um einen Anfahrruck zu vermeiden.
Wünscht der Fahrzeugführer ein beschleunigtes Anfahren anstelle eines Ankriechens, wie er durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals (Gaspedals) signalisiert 256 (genannte Fahrpedalstellung in %), wird die entsprechende Stellung des Fahrpedals in ein Kupplungsmoment umgerechnet, welches als Beschleunigungszusatz 260 zum genannten Standard-Momentenverlauf hinzuaddiert wird, wodurch die Kupplung im Ergebnis schneller schließt. Um auch hierbei ruckartige Änderungen bzw. Sprünge zu vermeiden, und da jede Änderung des Kupplungsmomentes aufgrund des Schlupfs im Fahrzeug spürbar ist, wird der durch das Fahrpedal geäußerte Fahrerwunsch noch gefiltert.
Durch die infolge der Betätigung des Fahrpedals sich einstellende Erhöhung des Kupplungsmomentes steigt auch die Getriebeeingangsdrehzahl 244 an, wobei die Elektromaschine mittels des PI(D)-Reglers 224 versuchen wird, den Schlupf und damit die vorliegende Drehzahldifferenz zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe aufrechtzuhalten. Aufgrund der dennoch ansteigenden Getriebeeingangsdrehzahl wird sich daher der Schlupf durch das Betätigen des Fahrpedals nicht erhöhen, sondern eher verringern. Da die Elektromaschine nicht ausreichend schnell und genau regeln kann, wird der Schlupf sehr präzise bzw. konstant aufrechterhalten, wodurch sich auch bei dieser Betriebs- bzw. Fahrweise wiederum der Vortrieb des Fahrzeugs sehr direkt erhöht, was sich wie „rein elektrisch” anfühlt. Befindet sich das Fahrzeug auf einer z. B. ansteigenden Fahrbahn 258, kann das Fahrzeug vor dem Anfahren mittels des beschriebenen Schlupfs mit einem benötigten Haltemoment 262, welches ggf. einen entsprechend dem Neigungswert berechneten Fahrbahnneigungszusatz umfasst, in der aktuellen Fahrzeugposition gehalten werden. Beim Anfahren an einer solchen Steigung kann, wie beim Fahrerwunsch, der genannte neigungsabhängige Zusatz zu dem Standard-Momentenverlauf hinzuaddiert werden.
Mit dem in der 2b unten dargestellten dritten Berechnungsblock 270 werden die Abbruch- bzw. Beendigungskriterien 271 für das erfindungsgemäße Verfahren definiert. Bei nicht vorhandener Fahrpedalbetätigung 272 wird bei erreichter Leerlaufdrehzahl des Getriebes ein weiteres aktives Eingreifen beendet, wodurch der Schlupf abgebaut wird und anschließend die Kupplung geschlossen ist. Wird das Fahrpedal allerdings betätigt, so ist davon auszugehen, dass eine Beschleunigung des Fahrzeugs, und nicht das Weiterfahren mit Leerlaufregler, gewünscht ist. Daher wird der beschriebene Vorgang bis zu höheren Getriebeeingangsdrehzahlen 274 hin entsprechend weitergeführt, wobei die Schwelle, ab welcher der Schlupf abgebaut und der Vorgang beendet werden soll, von der Fahrpedalstellung und vom eingelegten Gang 276 abhängt.
Eine weitere Abbruchbedingung ist das Erreichen eines maximal zulässigen Momentes 278 der Elektromaschine. Wird diese Maximalgrenze 278 erreicht, kann der Schlupf nicht mehr zuverlässig aufrechterhalten werden und der Vorgang muss beendet werden 280, da die Kupplung ohne Schlupf nicht mehr den entsprechenden Vortrieb gewährleisten kann. Zum Abbruch 280 wird der Schlupf an eine Mindestdrehzahl gekoppelt, möglichst schnell abgebaut, die Kupplung geschlossen und die Brennkraftmaschine befeuert, um die Beschleunigung, welche die Elektromaschine nun nicht mehr bereitstellen kann, einzustellen.
Als zusätzliche irreguläre Abbruchbedingung gilt eine zu starke Betätigung des Fahrpedals 272, bei der keine Aussicht auf eine reguläre Beendigung 280 des Vorgangs besteht. Bei noch bestehendem Schlupf kann die Einspritzung der Brennkraftmaschine eingeblendet werden, um das fahrerseitig gewünschte Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
Es ist anzumerken, dass die jeweiligen Abbruchschwellen für die jeweiligen Gangstufen des Getriebes unterschiedlich sein müssen, da sich die Drehzahlen und Momente aufgrund der verschiedenen Übersetzungen unterscheiden.
Zur weiteren Illustration des beschriebenen Verfahrens werden im Folgenden, anhand von Messergebnissen, typische zeitliche Verläufe der für das beschriebenen Verfahren wichtigen Größen Motordrehzahl 301, Getriebeeingangsdrehzahl 302, Drehmoment der E-Maschine 303, übertragbares Drehmoment der Kupplung 304, Gaspedalstellung 305 sowie Maximaldrehmoment der E-Maschine 306, gezeigt. Diese zeitlichen Verläufe umfassen verschiedene Anfahrvorgänge in verschiedenen Gangstufen, und zwar mit und ohne Betätigung des Fahrpedals.
In den 3 und 4 sind gemessene elektrische Anfahrvorgänge ohne Fahrerwunsch (sog. „Ankriechvorgänge”), d. h. bei angenommener Fahrpedal- bzw. Gaspedalstellung von 0%, und auf ungeneigter Fahrbahn, d. h. bei 0% Fahrbahnsteigung, sowohl für die Gangstufe 1 (3) und für die Gangstufe 2 (4) dargestellt. Der gezeigte, vordefinierte Kupplungsverlauf 304 im jeweiligen Gang ermöglicht ähnliche Beschleunigungen des Fahrzeugs sowohl im beschriebenen Niederdrehzahlbereich 310 als auch im Mini-Schlupf-Bereich 311. Die Abbruchbedingungen sind bei den beiden Gangstufen unterschiedlich. So kann die Kupplung im zweiten Gang bei etwas niedrigerer Drehzahl geschlossen werden 320. Aus den Messkurven ist ferner die generelle Erhöhung des Momentenniveaus beim zweiten Gang gegenüber dem ersten Gang zu ersehen 304. Auch sind an dem qualitativen Momentenverlauf der Elektromaschine 303 die beschriebene Regelung der Elektromaschine mittels des PI(D)-Reglers sowie die Funktion des Kupplungsmomentes als Vorsteuerung gut erkennbar 321.
In den 5 und 6 sind wiederum gemessene elektrische Anfahrvorgänge, jedoch mit einem Fahrerwunsch, d. h. unter Betätigung des Fahrpedals bzw. Gaspedals 305 bei einer angenommenen Fahrpedalstellung von 10%, und wiederum auf ungeneigter Fahrbahn, sowohl für die Gangstufe 1 (5) und für die Gangstufe 2 (6) dargestellt. Gegenüber den in den 3 und 4 dargestellten reinen Ankriechvorgängen sind in dem vorliegenden Beispiel die Besonderheiten der durch die Fahrpedalbetätigung sich ergebende Momentenzusatz 330 sowie der durch das Erreichen des genannten maximal zulässigen Momentes der Elektromaschine bedingte Abbruch 331 und der dadurch verursachte Schlupfabbau 332. Zudem ergibt sich ein gegenüber den in den 3 und 4 gezeigten Anfahrvorgängen unterschiedlicher Geschwindigkeitsverlauf 302.
In den 7 und 8 sind ebenfalls gemessene elektrische Anfahrvorgänge ohne Fahrerwunsch (d. h. Fahrpedal- bzw. Gaspedalstellung wieder gleich 0%), jedoch auf geneigter Fahrbahn mit angenommener Steigung von 10%, sowohl für die Gangstufe 1 (7) und für die Gangstufe 2 (8) dargestellt. Aus den gezeigten Messkurven ist die genannte Haltefunktion 340 zu Beginn des Anfahrvorganges zu ersehen. Dabei ist ersichtlich, dass das Kupplungsmoment 304 bereits anliegt, bevor die Brennkraftmaschine sich dreht 340, wobei die Elektromaschine ein für das Halten des Fahrzeugs erforderliches, bereits genanntes Zusatzmoment 303 liefert. Zudem ist aus den Messdiagrammen das durch die Fahrbahnneigung bedingte und gegenüber den 3 und 4 entsprechend erhöhte Momentenniveau 341 erkennbar.
Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.

Claims

Verfahren zum Anfahrbetrieb eines einen Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine (100) und einer Elektromaschine (110) aufweisenden Kraftfahrzeugs, wobei die Brennkraftmaschine (100) und die Elektromaschine (110) gekoppelt sind (105) und wobei zwischen der Brennkraftmaschine (100) und einem Getriebe (115) des Kraftfahrzeugs eine elektronisch gesteuerte Kupplung (120) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Anfahrphase (502) die Drehzahl der Brennkraftmaschine (100) von einer Leerlaufdrehzahl auf eine Mindestdrehzahl abgesenkt wird (505), wobei die Brennkraftmaschine (100) bei vollständig geöffneter elektrischer Kupplung (120) von der Elektromaschine (110) in einem Schleppbetrieb betrieben wird, und dass in einer zweiten Anfahrphase (525) die elektronisch gesteuerte Kupplung (120) mit einem im Wesentlichen konstanten Schlupf betrieben wird (530).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Anfahrphase (502) die Elektromaschine (110) gestartet wird (510) und die Brennkraftmaschine (100) während des Absinkens (505) der Drehzahl auf die Mindestdrehzahl von der Elektromaschine (110) geschleppt wird, dass die elektronisch gesteuerte Kupplung (120) geschlossen wird (515), und dass in der zweiten Anfahrphase (525), wenn die aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine (100) wieder die Leerlaufdrehzahl erreicht oder überschreitet, bei der Brennkraftmaschine (100) in einen Normalbetrieb übergegangen wird (540).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei einer Brennkraftmaschine (100) mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine (100) durch Ausblenden von Einspritzungen auf die Mindestdrehzahl abgesenkt wird (505).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Anfahrphase (525) ein zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs erforderliches Drehmoment als von der im Schlupf befindlichen (530) elektronisch gesteuerten Kupplung (120) übertragbares Drehmoment gefordert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (110) auf eine Solldrehzahl geregelt wird (224), welche den im Wesentlichen konstanten Schlupf (530) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der ersten Anfahrphase (502) und der zweiten Anfahrphase (525) durch Schließen der elektronisch gesteuerten Kupplung (120) eingeleitet wird und dann erfolgt, wenn der im Wesentlichen konstante Schlupf (530) erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von einer minimal möglichen Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine (100), aus einer Wunschdrehzahl (214), einer aktuellen Drehzahl (216) und einem Vorsteuer-Moment (226, 230) ein für die Aufrechterhaltung eines konstanten Schlupfs erforderliches Drehmoment der Elektromaschine (110) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Aufrechterhaltung eines konstanten Schlupfs erforderliche Drehmoment der Elektromaschine (110) mittels eines PI(D)-Reglers (224) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integralanteil des PI(D)-Reglers (224) zur Regelung des konstanten Schlupfs in einem Wertebereich von 0,005–0,015 eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Vorsteuer-Moment (226, 230) unter Berücksichtigung eines an der Brennkraftmaschine (100) aktuell anliegenden Schleppmomentes (227) und/oder unter Berücksichtigung eines für Aufrechterhaltung des Schlupfs erforderlichen aktuellen Kupplungsmomentes (228) bestimmt wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, ein einen Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine (100) und einer Elektromaschine (110) aufweisendes Kraftfahrzeug, bei dem die Brennkraftmaschine (100) und die Elektromaschine (110) direkt gekoppelt sind (105) und bei dem zwischen der Brennkraftmaschine (100) und einem Getriebe (115) des Kraftfahrzeugs eine elektronisch gesteuerte Kupplung (120) angeordnet ist, mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zu steuern.