DE102015207616A1

DE102015207616A1 - Betriebsstrategie für ein Fahrzeug mit elektrischem Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb

Info

Publication number: DE102015207616A1
Application number: DE102015207616.4A
Authority: DE
Inventors: Simon ROGGE; Falk PRIGNITZ; Bernhard Hoess
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs beschrieben. Das Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und ein oder mehrere erste Maschinen zum Antrieb eines ersten Rades und ein oder mehrere zweite Maschinen zum Antrieb eines zweiten Rades des Fahrzeugs. Das erste Rad ist in einem Frontbereich und das zweite Rad ist in einem Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet, oder umgekehrt. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Betriebsparameters des Fahrzeugs. Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus, in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter. Dabei wird in dem ersten Betriebsmodus eine Grundleistung für den Betrieb des Fahrzeugs durch die ein oder mehreren ersten Maschinen und eine dynamische Leistung für den Betrieb des Fahrzeugs durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen erbracht. In dem zweiten Betriebsmodus wird die Grundleistung durch den Verbrennungsmotor und die dynamische Leistung durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen erbracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung der Motoren eines Fahrzeugs mit einem Zwei-Achs-Hybrid Antrieb.
Es werden vermehrt Fahrzeuge mit Hybrid-Antrieb eingesetzt, da Hybrid-Antriebe gleichzeitig einen Energie-effizienten Betrieb und gegenüber rein elektrischen Antrieben signifikant höhere Reichweiten für ein Fahrzeug ermöglichen. Andererseits sind Hybrid-Antriebe häufig in Bezug auf den Fahr-Charakter, der mit einem Hybrid-Antrieb realisiert werden kann, eingeschränkt.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Fahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb bereitzustellen, mit dem unterschiedliche Fahr-Charaktere, wie z. B. ein Heckantriebs-Charakter und/oder ein Allradantriebs-Charakter, darstellbar sind. Desweiteren befasst sich das vorliegende Dokument damit, eine Betriebsstrategie für den Hybrid-Antrieb eines solchen Fahrzeugs bereitzustellen, mit der in effektiver Weise ein bestimmter Fahr-Charakter, insbesondere ein Heckantriebs-Charakter, umgesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (insbesondere eines Straßen-Kraftfahrzeugs, etwa eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Motorrads) beschrieben. Das Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und ein oder mehrere erste Maschinen zum Antrieb eines ersten Rades bzw. zum Antrieb einer ersten Achse, mit der das erste Rad verbunden ist. Insbesondere kann der Antrieb des ersten Rades direkt am ersten Rad oder indirekt über die erste Achse erfolgen. Desweiteren umfasst das Fahrzeug ein oder mehrere zweite Maschinen zum Antrieb eines zweiten Rades bzw. zum Antrieb einer zweiten Achse, mit der das zweite Rad verbunden ist. Insbesondere kann der Antrieb des zweiten Rades direkt am zweiten Rad oder indirekt über die zweite Achse erfolgen. Das erste Rad ist in einem Frontbereich und das zweite Rad ist in einem Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet (oder umgekehrt). Insbesondere können das erste Rad und das zweite Rad auf unterschiedlichen Achsen angeordnet sein (z. B. das erste Rad auf einer Frontachse und das zweite Rad auf einer Heckachse).
Die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen sind eingerichtet, das jeweilige Rad (unmittelbar oder mittelbar über die jeweilige Achse) des Fahrzeugs anzutreiben. Die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen sind somit eingerichtet das Fahrzeug anzutreiben. Desweiteren sind die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen eingerichtet, kinetische Energie des Fahrzeugs, zumindest teilweise, zu rekuperieren (und dabei typischerweise ein Bremsmoment auf das erste bzw. das zweite Rad zu bewirken). Die rekuperierte Energie kann in einem Energiespeicher des Fahrzeugs gespeichert werden. Die im Energiespeicher gespeicherte Energie kann wiederum dazu verwendet werden, die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen zu betreiben.
In einem bevorzugten Beispiel umfassen bzw. sind die ein oder mehreren ersten Maschinen ein oder mehrere erste Elektromaschinen, die eingerichtet sind, das erste Rad bei Verbrauch von elektrischer Energie anzutreiben. Desweiteren sind die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen (in einem Generatorbetrieb) eingerichtet, elektrische Energie des Fahrzeugs zu rekuperieren. In analoger Weise umfassen bzw. sind in einem bevorzugten Beispiel die ein oder mehreren zweiten Maschinen ein oder mehrere zweite Elektromaschinen, die eingerichtet sind, das zweite Rad bei Verbrauch von elektrischer Energie anzutreiben. Desweiteren sind die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen (in einem Generatorbetrieb) eingerichtet, auf Basis von kinetischer Energie des Fahrzeugs elektrische Energie zu rekuperieren. Die für den Antrieb erforderliche elektrische Energie und die rekuperierte elektrische Energie können in einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs gespeichert werden.
Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen ein oder mehrere Hydraulikmotoren und/oder ein oder mehrere Pneumatikmotoren umfassen. Ein Hydraulikmotor ist eingerichtet, hydraulische Energie in mechanische Arbeit zu wandeln und damit das Fahrzeug anzutreiben. Andererseits kann in einem Pumpbetrieb der Hydraulikmotor dazu verwendet werden, kinetische Energie des Fahrzeugs zu rekuperieren und dabei hydraulische Energie zu erzeugen, die in einem Energiespeicher des Fahrzeugs gespeichert werden kann. In analoger Weise ist ein Pneumatikmotor eingerichtet, pneumatische Energie in mechanische Arbeit zu wandeln und damit das Fahrzeug anzutreiben. Andererseits kann in einem Pumpbetrieb der Pneumatikmotor dazu verwendet werden, kinetische Energie des Fahrzeugs zu rekuperieren und dabei pneumatische Energie zu erzeugen, die in einem Energiespeicher des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Sowohl für einen Hydraulikmotor als auch für einen Pneumatikmotor kann ein pneumatischer Energiespeicher (z. B. ein Druckluftbehälter) dazu verwendet werden, Energie für den Betrieb der Motoren bzw. rekuperierte Energie der Motoren zu speichern.
Im Folgenden wird auf Elektromaschinen als Beispiele für Rekuperations-fähige Maschinen eingegangen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte auch mit Pneumatikmotoren und/oder Hydraulikmotoren umgesetzt werden können.
Das Verfahren kann das Aufteilen einer für den Betrieb des Fahrzeugs erforderlichen Gesamtleistung in eine Grundleistung und in eine dynamische Leistung umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine Aufteilung von einem erforderlichen Gesamtmoment in ein Grundmoment und in ein dynamisches Moment erfolgen. Aus einer Aufteilung des Gesamtmoments kann sich eine entsprechende Aufteilung der Gesamtleistungen ergeben. Die Grundleistung kann die Leistung umfassen, die erforderlich ist, um das Fahrzeug auf einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu halten. Desweiteren kann die Grundleistung die Leistung umfassen, die zum Betrieb eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs benötigt wird. Die dynamische Leistung kann die Leistung umfassen, die erforderlich ist, um das Fahrzeug ausgehend von einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Betriebsparameters (z. B. einer Fahrgeschwindigkeit und/oder eines Ladezustands eines Energiespeichers) des Fahrzeugs. Der Betriebsparameter kann einen Hinweis auf die für den Betrieb des Fahrzeugs erforderliche (ggf. elektrische) Energie und/oder auf die für den Betrieb des Fahrzeugs verfügbare (ggf. elektrische) Energie geben. Es können auch eine Vielzahl von Betriebsparametern und/oder eine Kombination von einer Vielzahl von Betriebsparametern ermittelt werden.
Desweiteren umfasst das Verfahren das Betreiben des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus, in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter bzw. in Abhängigkeit von der Vielzahl von Betriebsparametern. Insbesondere kann das Fahrzeug im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, wenn die Fahrgeschwindigkeit höher als oder gleich wie ein Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert ist. Andererseits kann das Fahrzeug im ersten Betriebsmodus betrieben werden, wenn die Fahrgeschwindigkeit kleiner als der Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert ist.
Als alternative oder weitere Bedingung für die Auswahl des ersten oder des zweiten Betriebsmodus kann die Energie- und/oder Leistungsverfügbarkeit des elektrischen Systems (d. h. insbesondere der ersten Elektromaschine, der zweiten Elektromaschine und/oder des Energiespeichers) als Betriebsparameter berücksichtigt werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, wenn die Energieverfügbarkeit des elektrischen Systems unter einen Energie-Schwellenwert sinkt. Andererseits kann das Fahrzeug im ersten Betriebsmodus betrieben werden, wenn die Energieverfügbarkeit des elektrischen Systems oberhalb des Energie-Schwellenwerts liegt.
Dabei wird in dem ersten Betriebsmodus die Grundleistung für den Betrieb des Fahrzeugs durch die ein oder mehreren ersten Maschinen (insbesondere Elektromaschinen) und die dynamische Leistung für den Betrieb des Fahrzeugs durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen (insbesondere Elektromaschinen) erbracht. In dem ersten Betriebsmodus kann somit (insbesondere bei relativ niedrigen bzw. niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten) ein rein elektromotorischer Antrieb des Fahrzeugs erfolgen. Andererseits wird in dem zweiten Betriebsmodus die Grundleistung durch den Verbrennungsmotor und die dynamische Leistung durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen (insbesondere Elektromaschinen) erbracht wird. Somit kann im zweiten Betriebsmodus (insbesondere bei relativ hohen bzw. höheren Fahrgeschwindigkeiten) ein Hybrid-Antrieb des Fahrzeugs erfolgen.
Durch das o. g. Verfahren kann in effizienter Weise auch bei einem Fahrzeug mit Hybrid-Antrieb der Fahr-Charakter eines Heck-Antriebs (bzw. eines Front-Antriebs) bereitgestellt werden. Desweiteren kann durch die Kombination von den ein oder mehreren ersten Elektromaschinen bzw. von dem Verbrennungsmotor mit den ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen bei Bedarf der Fahr-Charakter eines Allrad-Antriebs bereitgestellt werden.
Die Aufteilung der Gesamtleistung (bzw. die Aufteilung eines Gesamtmoments) kann z. B. mittels eines Filters erfolgen, der auf einen zeitlichen Verlauf der Gesamtleistung (bzw. des Gesamtmoments) angewendet wird. Beispielsweise kann der zeitliche Verlauf der, für den Betrieb des Fahrzeugs erforderlichen, Gesamtleistung mit einem Tiefpassfilter gefiltert werden, um die Grundleistung zu ermitteln. Der Tiefpassfilter kann z. B. durch ein Moving-Average Verfahren realisiert werden. Die dynamische Leistung kann dann als Differenz zwischen der Gesamtleistung und der Grundleistung ermittelt werden. So kann eine effiziente und adaptive Aufteilung in Grundleistung und dynamische Leistung erfolgen.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln eines Ladezustands eines Energiespeichers (z. B. einer Batterie oder eines Druckbehälters) des Fahrzeugs als Betriebsparameter des Fahrzeugs. Dabei kann der Energiespeicher (im Falle von Elektromaschinen) eingerichtet sein, elektrische Energie für den Betrieb der ein oder mehreren ersten und zweiten Elektromaschinen zu speichern. Alternativ oder ergänzend kann der Energiespeicher eingerichtet, elektrische Energie, welche von den ein oder mehreren ersten und zweiten Elektromaschinen mittels Lastpunktanhebung durch den Verbrennungsmotor oder mittels Rekuperation der Bremsenergie generiert wurde, zu speichern. In analoger Weise kann bei Verwendung von Hydraulikmotoren bzw. Pneumatikmotoren ein pneumatischer und/oder hydraulischer Energiespeicher mit entsprechenden Funktionen bereitgestellt werden. Das Fahrzeug kann auch in Abhängigkeit von dem Ladezustand (als Betriebsparameter) in dem ersten Betriebsmodus oder in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Beispielsweise kann der Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert von dem Ladezustand des Energiespeichers abhängen. Insbesondere kann der Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert mit sinkendem Ladezustand sinken (und umgekehrt). Durch die Berücksichtigung des Ladezustands bei der Wahl des ersten bzw. des zweiten Betriebszustands kann ein Energie-effizienter Betrieb des Fahrzeugs gewährleistet werden.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln eines ersten Betriebspunktes des Verbrennungsmotors zum Erbringen der Grundleistung. Insbesondere kann bei Betrieb des Verbrennungsmotors in dem ersten Betriebspunkt genau die Grundleistung von dem Verbrennungsmotor erbracht werden. Desweiteren kann ein zweiter Betriebspunkt des Verbrennungsmotors zum Erbringen der Grundleistung ermittelt werden, wobei der zweite Betriebspunkt im Vergleich zu dem ersten Betriebspunkt einen höheren Wirkungsgrad aufweist und wobei der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebspunkt eine höhere Leistung erbringt als im ersten Betriebspunkt. Die ein oder mehreren ersten Maschinen können dann als Last bzw. als Generatoren derart betrieben werden, dass der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebspunkt betrieben wird. Es kann somit durch die ein oder mehreren ersten Maschinen eine Betriebspunktoptimierung des Verbrennungsmotors erfolgen (insbesondere ausgehend von dem zweiten Betriebsmodus). Die von den ein oder mehreren ersten Maschinen erzeugte Energie kann in dem Energiespeicher des Fahrzeugs gespeichert werden. Durch die Betriebspunktoptimierung des Verbrennungsmotors kann die Effizienz des Antriebs des Fahrzeugs erhöht werden. Dabei kann der Verbrennungsmotor im Direktdurchtrieb betrieben werden (Drehzahlkopplung Verbrennungsmotor und Fahraufgabe), wodurch der Betriebspunkt durch Lastpunktanhebung optimiert werden kann. Alternativ kann der Verbrennungsmotor im seriellen Modus betrieben werden (keine Kopplung zur Fahraufgabe), wodurch eine freie Betriebspunktwahl möglich ist.
Dabei können der erste Betriebspunkt und der zweite Betriebspunkt die gleiche Drehzahl des Verbrennungsmotors aufweisen. Desweiteren kann der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebspunkt ein höheres Drehmoment erzeugen als im ersten Betriebspunkt. Durch die Differenz aus dem Drehmoment des ersten Betriebspunktes und des zweiten Betriebspunktes können dann die ein oder mehreren ersten Maschinen angetrieben werden.
Das Verfahren kann weiter das Ermitteln umfassen, dass die dynamische Leistung eine Maximalleistung übersteigt, die durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen erbracht werden kann. Die ein oder mehreren ersten Maschinen können dann derart betrieben werden, dass zumindest ein über die Maximalleistung der ein oder mehreren zweiten Maschinen hinausgehender Anteil der dynamischen Leistung durch die ein oder mehreren ersten Maschinen erbracht wird. Die ein oder mehreren ersten Maschinen (insbesondere die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen) können somit (insbesondere ausgehend von dem zweiten Betriebsmodus) dazu verwendet werden, die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen bei der Bereitstellung der dynamischen Leistung zu unterstützen und damit die gesamte Leistungsverfügbarkeit des elektrischen Systems (d. h. insbesondere der Elektromaschinen des Fahrzeugs) ausnutzen. Bei Reduktion der Lastpunktanhebung kann der Verbrennungsmotor ggf. weiter in seinem optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Die vormals für den generatorischen Betrieb der ein oder mehren ersten Elektromaschinen verwendete Leistung kann dann für die Dynamik eingesetzt werden. So kann in effektiver Weise die Dynamik des Fahrzeugs erhöht werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann ein Ladezustand (auch als State of Charge, SOC, bezeichnet) des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs als Betriebsparameter des Fahrzeugs ermittelt werden. Ausgehend von dem zweiten Betriebsmodus kann ein elektromotorischer Anteil (d. h. insbesondere die durch die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen bereitgestellte Leistung) (ggf. schrittweise) degradiert bzw. reduziert werden. Dies kann in analoger Weise bei Verwendung von Hydraulikmotoren bzw. Pneumatikmotoren erfolgen. Allgemein kann somit ein nicht-verbrennungsmotorischer Anteil degradiert bzw. reduziert werden. Dabei kann in einer ersten Degradationsstufe mit dem Verbrennungsmotor neben Grundlast und Versorgung des elektrischen Bordnetzbedarfs eine Lastpunktanhebung auf einen Wirkungsgrad-optimalen Betriebspunkt erfolgen und so das elektrische System gestützt werden. Dies kann erfolgen, wenn der Ladezustand des Energiespeichers unterhalb von einem ersten Ladezustands-Schwellenwert fällt, in einer nächsten Degradationsstufe kann (ggf. zusätzlich) die dynamische Leistung zumindest teilweise von dem Verbrennungsmotor erbracht werden, wenn der Ladezustand unterhalb von einem zweiten Ladezustands-Schwellenwert fällt. Dabei ist der zweite Ladezustands-Schwellenwert typischerweise kleiner als der erste Ladezustands-Schwellenwert. Desweiteren kann in einer weiteren Degradationsstufe (ggf. darüber hinaus) der Verbrennungsmotor in einem Betriebspunkt mit erhöhter Leistung zum Antrieb der ein oder mehreren ersten Elektromaschinen betrieben werden, wenn der Ladezustand unterhalb von einem dritten Ladezustands-Schwellenwert fällt. Der Betriebspunkt kann dabei über dem Wirkungsgrad-optimalen Betriebspunkt liegen. Desweiteren kann die gesamte dynamische Leistung von dem Verbrennungsmotor erbracht werden. Dabei ist der dritte Ladezustands-Schwellenwert typischerweise kleiner als der zweite Ladezustands-Schwellenwert. Desweiteren kann in einer weiteren Degradationsstufe (ggf. zusätzlich) die Gesamtleistung durch den Verbrennungsmotor erbracht werden, wenn der Ladezustand unterhalb von einem vierten Ladezustands-Schwellenwert fällt. Dabei ist der vierte Ladezustands-Schwellenwert typischerweise kleiner als der dritte Ladezustands-Schwellenwert.
Es kann somit eine schrittweise Degradation des elektromotorischen Antriebs erfolgen, um einen Energie-effizienten und zuverlässigen Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten. Dabei können im zweiten Betriebsmodus zunächst der Verbrennungsmotor für die Bereitstellung der Grundleistung und die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen für die dynamische Leistung verwendet werden. Fällt der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ab (unterhalb von einem Ladezustands-Schwellenwert), so kann zunächst durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen eine Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors auf einen Betriebspunkt mit erhöhtem Wirkungsgrad erfolgen, um elektrische Energie zu generieren, und um damit den Ladezustand des Energiespeichers zu halten bzw. zu erhöhen. Fällt der Ladezustand dennoch weiter (z. B. unter den zweiten Ladezustands-Schwellenwert), so kann darüber hinaus ein Teil der dynamischen Leistung von den ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen auf den Verbrennungsmotor übertragen werden, um den Verbrauch an elektrischer Energie zu senken, und um so den Ladezustand des Energiespeichers zu halten bzw. zu erhöhen. Fällt der Ladezustand dennoch weiter (z. B. unter den dritten Ladezustands-Schwellenwert), so kann darüber hinaus der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen weiter angehoben werden (über ein Wirkungsgrad-Optimum hinaus), um mehr elektrische Energie zu generieren, und um damit den Ladezustand des Energiespeichers zu halten bzw. zu erhöhen. Fällt der Ladezustand dennoch weiter (z. B. unter den vierten Ladezustands-Schwellenwert), so kann schließlich das Fahrzeug ausschließlich über den Verbrennungsmotor angetrieben werden.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln eines Zustands eines Fahrpedals des Fahrzeugs. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass das Fahrpedal zu 100% gedrückt ist und/oder dass ein Kick-Down des Fahrpedals erfolgt ist. Das Verfahren kann außerdem umfassen, das Übergehen von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus, in Abhängigkeit von dem Zustand des Fahrpedals. Es kann so dem Fahrer eine effektive Möglichkeit bereitgestellt werden, einen rein elektromotorischen Antrieb bzw. einen Hybrid-Antrieb zu selektieren.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln, dass das Fahrzeug verzögert werden soll. Desweiteren können in Abhängigkeit von einer für das Fahrzeug vordefinierten (ggf. idealen) Bremskraftverteilung eine erste Bremskraft und eine zweite Bremskraft ermittelt werden. Die ein oder mehreren ersten Maschinen können dann (als Generator) betrieben werden, um die erste Bremskraft zu bewirken und die ein oder mehreren zweiten Maschinen können (als Generator) betrieben werden, um die zweite Bremskraft zu bewirken. So kann ein stabiler und Energie-effizienter Betrieb des Fahrzeugs realisiert werden.
Die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen können ein oder mehrere Permanentmagnet erregte Synchronmaschinen umfassen. So kann die Grundleistung in Energie-effizienter Weise bereitgestellt werden. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen Strom erregte Synchronmaschinen umfassen. So können in effizienter Weise hohe Leistungen zur Bereitstellung einer hohen Fahrdynamik bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit (z. B. als Teil eines Motorsteuergeräts eines Fahrzeugs) beschrieben, die eingerichtet ist, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs mit einem Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb;
2 eine beispielhafte Betriebsstrategie für ein Fahrzeug mit einem Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb der Motoren eines Fahrzeugs mit einem Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Fahrzeugs mit einem Hybrid-Antrieb, durch den eine Vielzahl von unterschiedlichen Fahr-Charaktere umgesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs 100, welches einen Verbrennungsmotor 112 (kurz VM) umfasst, der eingerichtet ist, eine erste Achse 110 und/oder die Räder 102 einer ersten Achse 110 anzutreiben. Desweiteren umfasst das Fahrzeug 100 ein oder mehrere Elektromaschinen 121, die eingerichtet sind, eine zweite Achse 120 und/oder die Räder 102 einer zweiten Achse 120 anzutreiben. Desweiteren kann durch die ein oder mehreren Elektromaschinen 121 im Generatorbetrieb ein Bremsmoment bewirkt werden, um die Räder 102 der zweiten Achse 120 abzubremsen und um dadurch elektrische Energie zu rekuperieren, die in einem Energiespeicher 104 (z. B. in einer Batterie oder ein einer elektrischen Speicherzelle) des Fahrzeugs 100 gespeichert und anschließend zum Betrieb der ein oder mehreren Elektromaschinen 121 verwendet werden kann. Die ein oder mehreren Elektromaschinen 121 werden in diesem Dokument auch als die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 (kurz EM2) bezeichnet, da sie mit der zweiten Achse 120 bzw. mit den Rädern 102 der zweiten Achse 120 gekoppelt sind.
In einem bevorzugten Beispiel handelt es sich bei der ersten Achse 110 um die Frontachse des Fahrzeugs 100 und bei der zweiten Achse 120 um die Heckachse des Fahrzeugs 100.
Das Fahrzeug 100 umfasst weiter ein oder mehrere erste Elektromaschinen 111 (kurz EM1), die eingerichtet sind, die erste Achse 110 oder die Räder 102 der ersten Achse 110 anzutreiben und/oder durch Erzeugung eines Bremsmoments an der ersten Achse 110 elektrische Energie zu rekuperieren. Des Weiteren können die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 dazu eingerichtet sein, in verbrennungsmotorischen Phasen durch generatorischen Betrieb eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors und damit einen Betrieb des Verbrennungsmotors in einem optimalen Betriebspunkt zu ermöglichen.
Die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 können ausgebildet sein, in Summe weniger Leistung erbringen zu können, als die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121. Durch die Verwendung von ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 mit einer reduzierten Leistung kann in Kosten-effektiver ein elektrischer Heckantrieb (bzw. ein elektrischer Frontantrieb) bereitgestellt werden. Beispielsweise können die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 Permanentmagneten erregte Synchronmaschinen (PSM) umfassen. Die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 können Strom erregte Synchronmaschinen (SSM) umfassen. Falls eine Elektromaschine nicht abkoppelbar sein sollte, so wird diese Elektromaschine bevorzugt als SSM implementiert, da so typischerweise ein reduziertes Schleppmoment bewirkt wird (im Vergleich zu einer PSM).
Das Fahrzeug 100 umfasst weiter eine Steuereinheit 101 (z. B. als Teil eines Motorsteuergeräts), die eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (VM) 112, die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen (EM1) 111 und die ei oder mehreren zweiten. Elektromaschinen (EM2) 121 zu steuern. Insbesondere können Betriebspunkte des VM, der EM1 und der EM2 eingestellt werden. Diese Steuerung kann in Abhängigkeit von Steuersignalen erfolgen, die z. B. von einem Fahrer des Fahrzeugs 100 bewirkt werden. Beispielsweise können über ein Fahrpedal 103 des Fahrzeugs 100 Steuersignale generiert werden, und der VM, die EM1 und die EM2 können dann in Abhängigkeit von den Steuersignalen betrieben werden. Insbesondere kann auf Basis der Steuersignale eine Gesamtleistung ermittelt werden, die zur Umsetzung einer (über das Fahrpedal 103) angeforderten) Fahraufgabe benötigt wird. Der VM, die EM1 und die EM2 können dann in Abhängigkeit von der benötigten Gesamtleistung betrieben werden.
Die Steuereinheit 101 ist weiter eingerichtet, zu veranlassen, dass der VM, die EM1 und/oder die EM2 bei Bedarf von den Rädern 102 bzw. von den jeweiligen Achsen 110, 120 entkoppelt werden. So kann erreicht werden, dass in bestimmten Betriebssituationen durch den VM, die EM1 und/oder die EM2 kein unerwünschtes Schleppmoment erzeugt wird. Beispielsweise können bei Antrieb durch den VM die EM1 und/oder die EM2 entkoppelt werden, um zu gewährleisten, dass dem durch den VM erzeugten Antriebsmoment keine Schleppmomente von EM1 und/oder von EM2 entgegenwirken.
Desweiteren kann das Fahrzeug 100 eingerichtet sein, eine Überlagerung der durch den VM, die EM1 und/oder die EM2 bewirkten Drehmomente zu ermöglichen. Somit kann die erforderliche Gesamtleistung in effizienter Weise auf den VM, die EM1 und/oder die EM2 aufgeteilt werden.
Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, den VM und die EM1 und/oder die EM2 in unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben.
In einem ersten Betriebsmodus kann durch die EM1 eine (ggf. konstante) Grundlast übernommen bzw. eine Grundleistung erbracht werden. Die Grundlast umfasst z. B. die Fahrwiderstände bei einer Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit sowie die Widerstände im Antriebsstrang. Andererseits können dynamische Anteile der Fahraufgabe (insbesondere eine Beschleunigung) durch die EM2 übernommen werden. Bei Bedarf können ggf. auch die EM1 dazu verwendet werden, die EM2 bei der Umsetzung der dynamischen Anteile der Fahraufgabe zu unterstützen (als zusätzlichen Boost), wenn die EM2 an ihre Leistungsgrenze stoßen.
Bei Rekuperation kann die insgesamt zu erzeugende Bremskraft gemäß einer vordefinierten (ggf. idealen) Bremskraftverteilung auf die EM1 und die EM2 aufgeteilt werden, und somit durch die EM1 und durch die EM2 elektrische Energie rekuperiert werden.
In dem ersten Betriebsmodus wird elektrische Energie aus dem Energiespeicher 104 verbraucht (Charge Depletion, CD). Dabei kann der VM von dem Antriebsstrang entkoppelt sein, um ein Schleppmoment des VM zu vermeiden. Das Fahrzeug 100 kann somit in dem ersten Betriebsmodus rein elektrische betrieben werden.
Durch die Bereitstellung von dynamischen Anteilen durch die EM2 kann in effizienter Weise der Fahr-Charakter eines Heckantriebs bewirkt werden (wenn die EM2 an der Heckachse angeordnet sind). Desweiteren kann durch einen kombinierten Antrieb von EM1 und EM2 der Fahr-Charakter eines Allradantriebs bereitgestellt werden.
In einem zweiten Betriebsmodus kann die Grundlast durch den VM bereitgestellt werden. Die EM2 können die dynamischen Anteile der Fahraufgabe übernehmen. Bei Bedarf können in einer Abwandlung des zweiten Betriebsmodus ggf. auch die EM1 und/oder der VM dazu verwendet werden, die EM2 bei der Umsetzung der dynamischen Anteile der Fahraufgabe zu unterstützen (als zusätzlichen Boost), wenn die EM2 an ihre Leistungsgrenze stoßen und/oder die Energieverfügbarkeit des elektrischen Systems derart eingeschränkt ist, dass eine Dynamikanforderung an den VM erforderlich wird.
So kann auch in einem Hybrid-Betriebsmodus (wie z. B. dem zweiten Betriebsmodus) in effizienter Weise der Fahr-Charakter eines Heckantriebs bewirkt werden (wenn die EM2 die Heckachse des Fahrzeugs 100 antreiben). Desweiteren kann durch einen kombinierten Antrieb durch EM1/VM und EM2 im Hybrid-Betriebsmodus der Fahr-Charakter eines Allradantriebs bereitgestellt werden.
Ein Hybrid-Betriebsmodus kann dazu verwendet werden, den Ladezustand des Energiespeichers 104 aufrechtzuerhalten (Charge Sustain, CS) oder ggf. zu erhöhen. Desweiteren kann die EM1 dazu verwendet werden, den Lastpunkt des VMs auf einen optimalen Lastpunkt anzuheben, bei dem der VM einen maximalen Wirkungsgrad aufweist. Dazu kann bei einer aktuellen Drehzahl des VMs die Last des VMs (und damit das bereitzustellende Drehmoment) durch die EM1 derart angehoben werden, dass der VM in einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird. Die EM1 können dazu als Generatoren betrieben werden, um elektrische Energie zu generieren, die in dem Energiespeicher 104 gespeichert wird, und dadurch den Ladezustand des Energiespeichers 104 erhält bzw. erhöht, bzw. die direkt zum Betrieb der EM2 verwendet wird.
Im Rekuperationsfall kann auch im Hybrid-Betriebsmodus, wie im ersten Betriebsmodus, bis an die Leistungsgrenzen des elektrischen Systems die insgesamt zu erzeugende Bremskraft gemäß einer vordefinierten (ggf. idealen) Bremskraftverteilung auf EM1 und EM2 aufgeteilt werden, und somit durch EM1 und durch EM2 elektrische Energie rekuperiert werden.
In einem Hybrid-Betriebsmodus (wie z. B. dem zweiten Betriebsmodus) wird somit das Fahrzeug 100 durch eine Kombination von VM und EM2 (und ggf. EM1) angetrieben.
In einem dritten Betriebsmodus kann der VM in Kombination mit EM1 dazu verwendet werden, ausschließlich elektrische Energie zu erzeugen, um den Energiespeicher 104 zu laden und/oder um die EM2 anzutreiben. In dem dritten Betriebsmodus kann somit das Fahrzeug 100 mit einem seriellen Hybridantrieb betrieben werden, wobei der Antrieb (ggf. ausschließlich) durch die EM2 erfolgt.
Das Kraftfahrzeug 100 weist somit einen Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb mit einem VM und ein oder mehreren EM1 auf, welche über eine geeignete Drehmomentüberlagerungseinrichtung gemeinsam auf die erste Achse 110 bzw. auf die Räder 102 der ersten Achse 110 einwirken können. Desweiteren weist der Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb ein oder mehrere EM2 auf, die auf die zweite Achse 120 bzw. auf die Räder 102 der zweiten Achse 120 einwirken. Im ersten Betriebsmodus (bzw. im ersten Regelbereich) kann der Antrieb rein elektrisch betrieben werden, und im zweiten Betriebsmodus (bzw. im zweiten Regelbereich) kann ein Hybrid-Betrieb des Antriebs erfolgen.
Der erste Regelbereich 231 kann sich z. B. von einer Fahrzeuggeschwindigkeit Null bis zu einer E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze (auch als Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert bezeichnet), beispielsweise ca. 60 km/h–80km/h, erstrecken. Der zweite Regelbereich kann sich von der E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze bis zur Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs 100 erstrecken.
Es ist vorteilhaft, die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze als Zuschalt- und als Abschaltschwelle für den Verbrennungsmotor 112 zu definieren. Die Zuschaltschwelle ist dann der Fahrgeschwindigkeitswert, bei dem bei zunehmender Fahrgeschwindigkeit das Umschalten von erstem Regelbereich in den zweiten Regelbereich erfolgt. Die Abschaltschwelle ist dann der Fahrgeschwindigkeitswert, bei dem bei abnehmender Fahrgeschwindigkeit das Umschalten von zweitem Regelbereich in den ersten Regelbereich erfolgt.
Üblicherweise liegen Zuschaltschwelle und Abschaltschwelle ca. 10–15 km/h auseinander. Die Zuschaltschwelle und die Abschaltschwelle sind in 2 durch den parallelen Verlauf der Stufenkurven 201 (Abschaltschwelle), und 203 (Zuschaltschwelle) veranschaulicht.
Im ersten Regelbereich 231 wird das Antriebsmoment des Kraftfahrzeugs 100 nur mittels der Elektromaschinen (EM1, EM2) 111, 121 erzeugt, im zweiten Regelbereich wird das Antriebsmoment des Kraftfahrzeugs 100 im Hybridbetrieb durch ein Zusammenwirken des Verbrennungsmotors VM 112 und der ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen EM2 121 erzeugt.
Die Unterteilung in zwei Regelbereiche 231, 232 ermöglicht es, die Antriebskonstellation jeweils energetisch optimal auszurichten. So ist es aus Effizienzsicht vorteilhaft, in dem ersten Regelbereich elektromotorisch zu fahren. Hier entfalten die Elektromaschinen 111, 121 (und insbesondere die EM1) einen höheren Wirkungsgrad als dies mit dem verbrennungsmotorischen Aggregat möglich wäre. Wenn die für den elektromotorischen Betrieb erforderliche Energiemenge überdies über ein Laden aus dem Stromnetz bereitgestellt wurde, kann dies zu einer ökologischen CO2-Neutralität dieser Fahrzustände führen. Neben Effizienz ist der emissionsfreie Betrieb z. B. im innerstädtischen Bereich ein weiteres Kriterium zur Wahl der E-Fahrgeschwindigkeitsgrenzen. Hinsichtlich beider Kriterien ist im Normalbetrieb eine E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze im Bereich von ca. 60 km/h–80km/h ein guter Kompromiss. Wie in 2 dargestellt, kann die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze in Abhängigkeit von dem Ladezustand 210 des Energiespeichers 104 festgelegt werden.
In dem zweiten Regelbereich 232 hingegen ist es aus Effizienz- und Wirkungsgradsicht typischerweise vorteilhafter, in einem kombinierten Betriebsmodus, also im Zusammenspiel des Verbrennungsmotors VM 112 und der ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen EM2 121 zu fahren.
Hierbei ist es energetisch besonders vorteilhaft, den Verbrennungsmotor 112 durchgängig bei Konstantbetrieb, z. B. entlang seiner Betriebspunkt-Linie mit optimalem Wirkungsgrad, zu betreiben und die für die Fahraufgabe erforderliche kurzzeitige Dynamik über die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 bereitzustellen. Unter Dynamik kann hierbei sowohl positive Dynamik im Sinne einer Beschleunigung des Fahrzeugs als auch negative Dynamik im Sinne einer Verzögerung des Fahrzeugs verstanden werden. Der Betrieb des Verbrennungsmotors 112 in den Betriebspunkten mit optimalem Wirkungsgrad kann durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 eingestellt werden.
Neben einer optimalen Effizienz des Hybridantriebs in jedem Betriebs- und Fahrzustand des Fahrzeugs 100 wird durch den Betrieb in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus auch sichergestellt, dass Fahrzeuge mit einem solchen Hybridantrieb eine zu herkömmlichen verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen vergleichbare Gesamtreichweite bei gleichzeitig hoher E-Reichweite aufweisen, wodurch ein solches Fahrzeug sowohl für städtischen Betrieb mit ggfs. Einfahrbeschränkungen für nur elektromotorischen Betrieb als auch für große Überlandstrecken geeignet ist, ohne dass ein aufwändiges und zeitraubendes Strom-„Nachtanken” erforderlich wäre.
Die Erzeugung des Antriebsmoments im ersten Regelbereich 231 bzw. im ersten Betriebsmodus gemäß der o. g. Regelstrategie sieht vor, dass auch bei Beschleunigungen normalerweise kein Leistungszustart des Verbrennungsmotors 112 zugelassen wird. Es kann somit in dem ersten Regelbereich ein ausschließlich elektromotorischer Betrieb gewährleistet werden. Desweiteren können Wirkungsgradverschlechterungen aufgrund eines Leistungszustarts des Verbrennungsmotors 112 vermieden werden.
Übersteigt die Leistungsanforderung die Leistungsbereitstellung der ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen (z. B. Rennstartfunktion), so können Zustarts des Verbrennungsmotors 112 in Beschleunigungsphasen im Sinne einer Sonderfunktion zur optimalen Nutzung der Summenleistung zur Erreichung maximaler Fahrleistungen erfolgen. Typischerweise können derartige Zusatzanforderungen jedoch bereits durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 abgefangen werden.
Wie bereits oben dargelegt, kann der Verbrennungsmotor VM 112 in einem Hybrid-Betriebsmodus unabhängig von der Lastanforderung des Fahrerwunsches im Bereich optimalen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors VM 112 oder nahe diesem betrieben werden. Die Regelung des verbrennungsmotorischen Betriebs bei optimalem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors VM 112 umfasst typischerweise auch die Einregelung des verbrennungsmotorischen Betriebspunktes auf einen optimalen Systemwirkungsgrad, wobei sich der optimale Systemwirkungsgrad aus dem verbrennungsmotorischen Wirkungsgrad bei dem jeweiligen verbrennungsmotorischen Betriebspunkt, einem Lade-/Entladewirkungsgrad des elektrischen Energiespeichers 104 bei dem jeweiligen verbrennungsmotorischen Betriebspunkt, dem generatorischen Wirkungsgrad der ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 und/oder einem elektromotorischen Wirkungsgrad der ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 ergibt.
Weiterhin ist ein Fahrleistungs-Sonderbetriebsmodus möglich. In diesem Fahrleistungs-Sonderbetriebsmodus kann der Verbrennungsmotor VM kurzzeitig bei Lasten oberhalb des Bereichs optimalen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors VM betrieben werden. Hierdurch wird ermöglicht, dass kurzzeitig die bei dem Fahrzustand des Fahrzeugs maximal verfügbare Leistung des Verbrennungsmotors 112 abgerufen werden kann, auch wenn dies zu einer Wirkungsgradverschlechterung des verbrennungsmotorischen Betriebs führt.
Wie bereits oben dargelegt, kann die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze von dem Ladezustand 210 des Energiespeichers 104 abhängen. Die Auswahl eines Betriebsmodus bzw. eines Regelbereichs kann somit von einer Kombination von Betriebsparametern abhängen. Insbesondere kann mit sinkendem Ladezustand 210 die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze reduziert werden (und umgekehrt). Dies bedeutet, dass bei abnehmendem Batterieladezustand der erste Regelbereich, in dem ausschließlich elektromotorisch gefahren wird, hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten 220 reduziert wird. Dies kann im Extremfall bei völlig entladenem Batteriezustand dazu führen, dass der Übergang in einen rein verbrennungsmotorischen Betrieb bereits bei 0 km/h erfolgt. Zusätzlich kann bei geringem Batterieladezustand und negativer Ladebilanz der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors VM 112 oberhalb des Bereichs optimaler Wirkungsgrade in Richtung Volllast verschoben werden, um eine höhere Ladeleistung zu generieren.
Andererseits kann mit steigendem Batterieladezustand die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze erhöht werden. Insbesondere kann die E-Fahrgeschwindigkeitsgrenze erhöht werden, wenn der Batterieladezustand 210 einen bestimmten Grenzwert übersteigt und eine Ladeleistung des Verbrennungsmotors 112 größer Null ist. Alternativ oder ergänzend kann der Betrieb des Verbrennungsmotors VM 112 auf eine Last unterhalb des Bereichs optimalen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors VM so eingeregelt werden, dass die Ladeleistung durch den Verbrennungsmotor VM gleich Null ist.
In den beschriebenen Betriebsmodi kann neben der Systemwirkungsgrade der Batterieladezustand 210 ein Kriterium für die Wahl des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors 112 und somit auch für die Ladeleistung sein. Für sehr hohe Batterieladezustände (optional in Verbindung mit einer positiven mittleren Ladebilanz) kann die Ladeleistung bis auf Null oder ins Negative verringert werden. Für sehr niedrige Batterieladezustände (optional in Verbindung mit einer negativen mittleren Ladebilanz) kann die Ladeleistung bis zur Volllast des Verbrennungsmotors 112 erhöht werden.
Es kann von Vorteil sein, dass der Verbrennungsmotor 112 im zweiten Regelbereich auch in Schubphasen bei konstantem Betriebspunkt weiter befeuert betrieben wird (ein sogenannter befeuerter Schub). Der befeuerte Schub ist insbesondere dann von Vorteil, wenn kurzfristig viel Ladeenergie (durch die Elektromaschinen 111 und/oder 121) generiert werden soll.
Weiterhin kann ein optional vom Fahrer anwählbarer E-Fahrbetriebsmodus bereitgestellt werden, in dem das Antriebsmoment des Kraftfahrzeugs 100 im gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs 100 nur mittels der Elektromaschinen EM1 und/oder EM2 erzeugt wird.
Desweiteren ist auch ein rein verbrennungsmotorischer Betrieb im gesamten Dauergeschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs 100 darstellbar. Darüber hinaus kann eine kombinierte, zeitvariante maximale Geschwindigkeit des Fahrzeugs 100 dargestellt werden. Sofern ein hoher Schaltkomfort erwünscht ist, können ein oder mehrere der Elektromaschinen 111, 121 bei rein verbrennungsmotorischem Betrieb nur in Schaltphasen kurzzeitig eine Stützfunktion während des Schaltvorgangs übernehmen.
2 veranschaulicht unterschiedliche Betriebsmodi für den Antrieb des Fahrzeugs 100. Die unterschiedlichen Betriebsmodi können z. B. in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit 220 und in Abhängigkeit von dem Ladezustand 210 des Energiespeichers 104 aktiviert werden. Insbesondere zeigt 2 eine Stufenkurve 203, welche den Bereich möglicher Fahrgeschwindigkeiten 220 und Ladezustände 210 in eine obere Hälfte und in eine unterer Hälfte unterteilt. Die Stufenkurve 203 kann in Abhängigkeit von Fahrzeugtyp, in Abhängigkeit von gesetzlichen Anforderungen, in Abhängigkeit von einem Fahrerwunsche, etc. verschoben werden. Dies wird durch den alternativen gestrichelten Verlauf 202 der Stufenkurve beispielhaft veranschaulicht. Desweiteren kann für den Übergang von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus eine anderer Stufenkurve 203 verwendet werden, als für den Übergang von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus (Stufenkurve 201).
Desweiteren veranschaulicht 2 unterschiedliche Ladezustands-Schwellenwerte 211, 212, 213, 214, 215.
Oberhalb der Stufenkurve 203 ergibt sich ein Bereich 231, in dem der Antrieb des Fahrzeugs 100 rein elektrisch (d. h. im ersten Betriebsmodus) erfolgen kann. In dem Bereich 231 erfolgt somit ein Verbrauch der in dem Energiespeicher 104 gespeicherten elektrischen Energie. Ggf. kann in Abhängigkeit von einer Betätigung des Fahrpedals 103 (z. B. eine 100% Auslenkung und/oder ein Kick-Down) ein Ausstieg aus dem ersten Betriebsmodus (und ein Übergang in den zweiten Betriebsmodus bzw. in einen anderen Hybrid-Betriebsmodus) erfolgen.
Unterhalb der Stufenkurve 203 ergeben sich Bereiche 232, 233, 234, 235 in denen ein Betrieb mit Verbrennungsmotor und mit den ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen EM2 erfolgt. Dabei kann in dem Bereich 232 (d. h. insbesondere im zweiten Betriebsmodus) bei relativ hohen Fahrgeschwindigkeiten 220 und bei relativ hohen Ladezuständen 210 auf eine Lastpunktanpassung des Verbrennungsmotors VM verzichtet werden. Der Verbrennungsmotor VM kann (ggf. ausschließlich) dazu verwendet werden die Grundlast für den Fahrbetrieb und die Last des elektrischen Bordnetzes bereitzustellen. Der dynamische Leistungsbedarf kann durch die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen EM2 (und als Boost ggf. durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen EM1) abgedeckt werden.
Wenn der Ladezustand 210 unter den Ladezustands-Schwellenwert 212 fällt (Bereich 233), so kann durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen EM1 eine Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors VM erfolgen, um elektrische Energie zum Laden des Energiespeichers 104 zu generieren. Ansonsten erfolgt ein Betrieb wie im Bereich 232. Der Ladezustands-Schwellenwert 212 wird in diesem Dokument auch als der erste Ladezustands-Schwellenwert bezeichnet.
Bei weiter sinkendem Ladezustand 210 (unter den Ladezustands-Schwellenwert 213, welcher auch als der zweite Ladezustands-Schwellenwert bezeichnet wird) kann in einem weiteren Bereich 234 ein Teil der Fahrdynamik von dem Verbrennungsmotor VM übernommen werden. Der Verbrennungsmotor VM kann dabei weiterhin (wie im Bereich 232) in einem Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden. Die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen EM2 übernehmen dann nur noch einen verbleibenden Teil der Fahrdynamik. So kann bei unveränderter Fahrdynamik der elektrische Energieverbrauch der ein oder mehreren EM2 reduziert werden.
Wenn der Ladezustand 210 unter den Ladezustands-Schwellenwert 214 fällt (welcher auch als der dritte Ladezustands-Schwellenwert bezeichnet wird), so kann der Verbrennungsmotor VM in einem Betriebspunkt betrieben werden, in dem eine maximale Leistung bereitgestellt wird, um den Energiespeicher 104 zu laden (Bereich 235). Ansonsten erfolgt der Betrieb wie in Bereich 234.
Wenn der Ladezustand 210 weiter fällt (unter den Ladezustands-Schwellenwert 215, welcher auch als der vierte Ladezustands-Schwellenwert bezeichnet wird) so kann das Fahrzeug 100 auf einen rein verbrennungsmotorischen Antrieb degradiert werden. Die Elektromaschinen EM1 und EM2 können dann ggf. dazu verwendet werden, eine Lastpunktanpassung des Verbrennungsmotors VM durchzuführen und/oder um elektrische Energie in Bremsphasen zu rekuperieren.
Der in 2 dargestellte Pfeil 204 deutet an, wie der Antrieb des Fahrzeugs 100 mit sinkendem Ladezustand 210 nach und nach von einem kombinierten Hybrid-Antrieb auf einen reinen verbrennungsmotorischen Antrieb degradiert werden kann.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 112 und ein oder mehrere erste Elektromaschinen 111 zum Antrieb eines ersten Rades 102 und ein oder mehrere zweite Elektromaschinen 121 zum Antrieb eines zweiten Rades 102 des Fahrzeugs 100. Dabei ist das erste Rad 102 in einem Frontbereich (z. B. an einer Frontachse) und das zweite Rad 102 in einem Heckbereich (z. B. an einer Heckachse) des Fahrzeugs 100 angeordnet (oder umgekehrt).
Das Verfahren 300 kann das Aufteilen 301 einer für den Betrieb des Fahrzeugs 100 erforderlichen Gesamtleistung in eine Grundleistung und in eine dynamische Leistung umfassen. Wie bereits oben dargelegt, kann anstelle der Aufteilung der Leistung eine Aufteilung eines zu erbringenden Moments erfolgen. Eine Aufteilung der Gesamtleistung kann somit implizit erfolgen. Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Ermitteln 302 eines Betriebsparameters 210, 220 (z. B. einer Fahrgeschwindigkeit 220) des Fahrzeugs 100. Desweiteren umfasst das Verfahren 300 das Betreiben 303 des Fahrzeugs 100 in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus, in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter 210, 220.
Dabei wird in dem ersten Betriebsmodus die Grundleistung durch die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen 111 und die dynamische Leistung durch die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 erbracht. In dem zweiten Betriebsmodus wird die Grundleistung durch den Verbrennungsmotor 121 und die dynamische Leistung durch die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen 121 erbracht.
Der zweite Betriebsmodus ist ein Beispiel für einen Hybrid-Betriebsmodus. Wie in Zusammenhang mit 2 dargestellt, können durch Degradation des nicht-verbrennungsmotorischen Anteils des zweiten Betriebsmodus weitere Hybrid-Betriebsmodi bereitgestellt werden, bei denen z. B. eine Betriebspunktanhebung des Verbrennungsmotors 112 erfolgt, z. B. um einen Ladezustand 210 des Energiespeichers 104 zu erhalten (Charge Sustain) oder anzuheben.
Die in diesem Dokument beschriebenen Betriebsstrategien für einen Zwei-Achs-Hybrid-Antrieb ermöglichen es, in effizienter Weise in sämtlichen Fahrsituationen den Charakter eines heckgetrieben (bzw. frontgetriebenen) Fahrzeugs 100 reproduzierbar darzustellen. Außerdem ist ein rein elektrischer bzw. ein kombinierter Allradbetrieb darstellbar. Durch eine Typ-spezifische Segmentierung der verbauten Elektromaschinen (bspw. EM1 als hocheffiziente PSM zur Übernahme der Grundlast (mit einem hohen Zeitanteil), EM2 als Leistungssteller als SSM mit deutlich reduzierten Schleppverlusten) kann die Effizienz des Antriebs erhöht werden. Desweiteren ergibt sich z. B. im sogenannten Stauschieben bzw. bei Kaltabfahren die Möglichkeit des seriellen Hybrid-Betriebs. Es kann dann der Heckcharakter des Fahrzeugs 100 bei stabilem Fahrzeugverhalten aufrechterhalten bleiben.
Insbesondere werden in diesem Dokument ein erster Betriebsmodus und ein zweiter Betriebsmodus beschrieben. In beiden Betriebsmodi kann durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ein reproduzierbares Fahrzeugverhalten sichergestellt werden. Des Weiteren ermöglicht die Bereitstellung von ersten und zweiten Elektromaschinen eine Entkopplung der Dynamik-Anforderung von einem Teil der Elektromaschinen (z. B. von den ein oder mehreren ersten Elektromaschinen). Daraus ergeben sich erweiterte Möglichkeiten bezüglich der Energiebereitstellung durch den Verbrennungsmotor. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor durch eine Lastpunktanhebung mittels der ersten Elektromaschinen akustisch noch unauffälliger betrieben werden. Es kann somit der Charakter eines rein elektrischen Fahrzeugs noch besser erhalten werden (auch bei einem Hybrid-Betrieb).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Verfahren (300) zum Betrieb eines Fahrzeugs (100), wobei das Fahrzeug (100) einen Verbrennungsmotor (112) und ein oder mehrere erste Maschinen (111) zum Antrieb eines ersten Rades (102) und ein oder mehrere zweite Maschinen (121) zum Antrieb eines zweiten Rades (102) des Fahrzeugs (100) umfasst; wobei die ein oder mehreren ersten und zweiten Maschinen (111, 121) eingerichtet sind, kinetische Energie des Fahrzeugs (100) zu rekuperieren; wobei das erste Rad (102) in einem Frontbereich und das zweite Rad (102) in einem Heckbereich des Fahrzeugs (100) angeordnet sind, oder umgekehrt; wobei das Verfahren (300) umfasst, – Ermitteln (302) eines Betriebsparameters (210, 220) des Fahrzeugs (100); – Betreiben (303) des Fahrzeugs (100) in einem ersten Betriebsmodus (231) oder in einem zweiten Betriebsmodus (232), in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter (210, 220), wobei – in dem ersten Betriebsmodus (231) eine Grundleistung für den Betrieb des Fahrzeugs (100) durch die ein oder mehreren ersten Maschinen (111) und eine dynamische Leistung für den Betrieb des Fahrzeugs (100) durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen (121) erbracht wird; und – in dem zweiten Betriebsmodus (232) die Grundleistung durch den Verbrennungsmotor (112) und die dynamische Leistung durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen (121) erbracht wird.
Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter (210, 220) umfasst, – eine Fahrgeschwindigkeit (220) des Fahrzeugs (100); und/oder – einen Ladezustand (210) eines Energiespeichers (104) des Fahrzeugs (100), wobei der Energiespeicher (104) eingerichtet ist, Energie für den Betrieb der ein oder mehreren ersten und zweiten Maschinen (111, 121) und/oder Energie, welche von den ein oder mehreren ersten und zweiten Maschinen (111, 121) generiert wurde, zu speichern.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundleistung, die Leistung umfasst, – die erforderlich ist, um das Fahrzeug (100) auf einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit (220) des Fahrzeugs (100) zu halten; und/oder – die zum Betrieb eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs (100) benötigt wird.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamische Leistung die Leistung umfasst, die erforderlich ist, um das Fahrzeug (100) ausgehend von einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit (220) zu beschleunigen.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300) weiter umfasst, – Ermitteln eines ersten Betriebspunktes des Verbrennungsmotors (112) zum Erbringen der Grundleistung; – Ermitteln eines zweiten Betriebspunktes des Verbrennungsmotors (112) zum Erbringen der Grundleistung; wobei der zweite Betriebspunkt im Vergleich zu dem ersten Betriebspunkt einen höheren Wirkungsgrad aufweist; und wobei der Verbrennungsmotor (112) im zweiten Betriebspunkt eine höhere Leistung erbringt als im ersten Betriebspunkt; und – Betreiben der ein oder mehreren ersten Maschinen (111) als Last derart, dass der Verbrennungsmotor (112) im zweiten Betriebspunkt betrieben wird.
Verfahren (300) gemäß Anspruch 5, wobei – der erste Betriebspunkt und der zweite Betriebspunkt die gleiche Drehzahl des Verbrennungsmotors (112) aufweisen; – der Verbrennungsmotor (112) im zweiten Betriebspunkt ein höheres Drehmoment erzeugt als im ersten Betriebspunkt; und – durch die Differenz aus dem Drehmoment des ersten Betriebspunktes und des zweiten Betriebspunktes die ein oder mehreren ersten Maschinen (111) angetrieben werden.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug (100) im zweiten Betriebsmodus (232) betrieben wird, wenn eine Fahrgeschwindigkeit (220) des Fahrzeugs (100) höher als oder gleich wie ein Fahrgeschwindigkeits-Schwellenwert ist.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300) weiter umfasst, – Ermitteln, dass die dynamische Leistung eine Maximalleistung übersteigt, die durch die ein oder mehreren zweiten Maschinen (121) erbracht werden kann; und – Betreiben der ein oder mehreren ersten Maschinen (111), so dass zumindest ein über die Maximalleistung hinausgehender Anteil der dynamischen Leistung durch die ein oder mehreren ersten Maschinen (111) erbracht wird.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300) weiter umfasst, – Ermitteln eines Ladezustands (210) eines Energiespeichers (104) des Fahrzeugs (100); und – Degradieren eines nicht-verbrennungsmotorischen Anteils ausgehend von dem zweiten Betriebsmodus (232), derart dass, – zusätzlich zur Erbringung der Grundleistung durch den Verbrennungsmotor (112) eine Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors (112) auf einen Betriebspunkt mit erhöhtem Wirkungsgrad erfolgt, wenn der Ladezustand (210) unterhalb von einem ersten Ladezustands-Schwellenwert (212) fällt; – die dynamische Leistung zumindest teilweise von dem Verbrennungsmotor (112) erbracht wird, wenn der Ladezustand (210) unterhalb von einem zweiten Ladezustands-Schwellenwert (213) fällt; – der Verbrennungsmotor (112) in einem Betriebspunkt mit erhöhter Leistung, insbesondere oberhalb eines Wirkungsgrad-optimalen Betriebspunktes betrieben wird, wenn der Ladezustand (210) unterhalb von einem dritten Ladezustands-Schwellenwert (214) fällt; und/oder – die Gesamtleistung durch den Verbrennungsmotor (112) erbracht wird, wenn der Ladezustand (210) unterhalb von einem vierten Ladezustands-Schwellenwert (215) fällt.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300) weiter umfasst, – Ermitteln eines Zustands eines Fahrpedals (103) des Fahrzeugs (100); und – Übergehen von dem ersten Betriebsmodus (231) in den zweiten Betriebsmodus (232), in Abhängigkeit von dem Zustand des Fahrpedals (103).
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (300) weiter umfasst, – Ermitteln, dass das Fahrzeug (100) verzögert werden soll; – Ermitteln einer ersten Bremskraft und einer zweiten Bremskraft in Abhängigkeit von einer für das Fahrzeug (100) vordefinierten Bremskraftverteilung; – Betreiben der ein oder mehreren ersten Maschinen (111) um die erste Bremskraft zu bewirken; und – Betreiben der ein oder mehreren zweiten Maschinen (121) um die zweite Bremskraft zu bewirken.
Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die ein oder mehreren ersten und/oder zweiten Maschinen (111, 121) ein oder mehrere erste und/oder zweite Elektromaschinen umfassen; und/oder – die ein oder mehreren ersten Elektromaschinen (111) ein oder mehrere Permanentmagnet erregte Synchronmaschinen umfassen; und/oder – die ein oder mehreren zweiten Elektromaschinen (121) Strom erregte Synchronmaschinen umfassen.