DE102015224003A1

DE102015224003A1 - Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs

Info

Publication number: DE102015224003A1
Application number: DE102015224003.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs, der mindestens einen Verbrennungsmotors und mindestens eine elektrische Maschine eines Fahrzeugs mit einer Abgasanlage, die einen Katalysator aufweist, und einer zum Aufwärmen der Abgasanlage geeigneten Heizvorrichtung und einer Steuervorrichtung, die das Aufwärmen der Heizvorrichtung steuert, umfasst. In einem ersten Verfahrensschritt A wird bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor und rein elektrischem Betrieb des Hybridantriebs die Temperatur Tc der Abgasanlage, insbesondere des Katalysators, und der aktuellen Umgebungstemperatur Tamb zu einem Zeitpunkt t0 ermittelt. In einem zweiten Verfahrensschritt B wird der Vorhersagezeitpunkt tpred u.a. mittels der Temperatur Tc und der Umgebungstemperatur Tamb berechnet, wonach die Temperatur Tc des Katalysators der Light-Off Temperatur Tlo des Katalysators entspricht. In einem dritten Verfahrensschritt C wird aus dem Vorhersagezeitpunkt tpred die maximale Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens berechnet, innerhalb derer zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators unterbleiben. Schließlich wird in einem vierten Verfahrensschritt D die maximale Zeitdauer tel auf einem Display im Fahrzeug dargestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines mindestens einen Verbrennungsmotors und mindestens eine elektrische Maschine umfassenden Hybridantriebs.
Stand der Technik
Neben den stetig strenger werdenden Emissionsvorschriften müssen Fahrzeughersteller zukünftig auch Einschränkungen für den Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge einhalten. Ein Ansatz zum Erreichen dieser Verbrauchsvorgaben stellt das Hybridkonzept dar. Ein Hybridfahrzeug bzw. Hybridelektrokraftfahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor und einem weiteren Energiewandler angetrieben wird. Normalerweise ist der weitere Energiewandler ein Verbrennungsmotor. Dabei wird die Energie aus einer Speichereinrichtung, die im Fahrzeug verbaut ist (Traktionsbatterie) als auch aus einem Betriebskraftstofftank bezogen.
Ein Hybridantrieb kann in vielen unterschiedlichen Variationen gestaltetet werden. Im Serienautomobilbau wird er eingesetzt, um die Effizienz zu verbessern, den fossilen Kraftstoffverbrauch zu verringern oder die Leistung niedrigen Drehzahlbereich zu steigern. Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb häufiger und länger in einem günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Akkuladung verwendet. Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden. Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird der größere Teil der Bremsenergie in den Akkumulator zurückgeführt. Insbesondere im Stadtverkehr trägt diese Rückgewinnung zur Verbrauchsminderung bei. Der Verbrennungsmotor ist abgeschaltet, wenn keine oder wenig Antriebsleistung benötigt wird. Abhängig von der Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebs unterscheidet man Mikro-, Mild- und Vollhybridfahrzeuge. Besteht bei einem Hybridfahrzeuge die Möglichkeit, die Antriebsbatterie mittels elektrischen Stroms aus dem Stromnetz zu laden, spricht man von einem Plug-in Hybridfahrzeug. Diese besitzen leistungsfähige Batterien, so dass längere Strecken allein mit dem elektrischen Antrieb zurückgelegt werden können. Entscheidend für die realisierten Kraftstoffverbräuche eines Hybridfahrzeugs ist die in der elektronischen Steuerung des Fahrzeugs (Fahrzeugführungsrechner) verwendete Hybridbetriebsstrategie. Diese bestimmt die Verwendung des elektrischen und konventionellen Antriebskonzepts. Die Optimierung der Betriebsstrategie führt zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs.
Fährt das Hybridfahrzeug rein elektrisch, führt dies nachteilig zu einem Auskühlen der Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Ist diese Auskühlung zu stark, müssen beim erneuten Start des Verbrennungsmotors Maßnahmen zur Erwärmung des Katalysators durchgeführt werden (Kat-Heizmaßnahmen). Zum Aufwärmen der Abgasanlage sind dann nachteilig Heizmaßnahmen notwendig, welche einen Kraftstoffmehrverbrauch erfordern. Die Betriebsstrategie kann zusätzlich optimiert werden, wenn Informationen über die zu fahrende Strecke bekannt sind. Diese Informationen beinhalten nicht nur den Weg der Strecke, sondern auch Informationen über die Art und Weise wie die Strecke abgefahren werden soll. Diese zuletzt genannten Informationen beinhalten das geplante Geschwindigkeitsprofil, die Verkehrssituationen und ähnliche Information. Eine solche Betriebsstrategie wird prädiktive Betriebsstrategie genannt.
Mit der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Antriebsbatterien werden heute längere Abschnitte des elektrischen Fahrens möglich. Es besteht daher ein Bedarf nach einer effizienteren prädiktiven Betriebsstrategie, um Katalysator-Heizmaßnahmen zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass auf Grundlage des aktuellen Zustands der Abgasanlage und der bekannten/geschätzten Streckeninformationen eine prädiktive Strategie erstellt wird, die die maximal mögliche Zeit des rein elektrischen Fahrbetriebs festlegt, ohne dass Heizmaßnahmen zur Erwärmung des Katalysators vorgenommen werden müssen.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass das Verfahren zur Steuerung eines mindestens einen Verbrennungsmotors und mindestens eine elektrische Maschine umfassenden Hybridantriebs eines Fahrzeugs, mit einer Abgasanlage, die einen Katalysator umfasst, einer zum Aufwärmen der Abgasanlage geeigneten Heizvorrichtung und einer Steuervorrichtung, die das Aufwärmen der Heizvorrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Verfahrensschritt A bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor und rein elektrischem Betrieb des Hybridantriebs die Temperatur Tc der Abgasanlage, insbesondere des Katalysators, und der aktuellen Umgebungstemperatur Tamb zu einem Zeitpunkt t0 ermittelt wird, anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt B der Vorhersagezeitpunkt tpred u.a. mittels der Temperatur Tc und der Umgebungstemperatur Tamb berechnet wird, wonach die Temperatur Tc des Katalysators der Light-Off Temperatur Tlo des Katalysators entspricht, daraufhin in einem dritten Verfahrensschritt C aus dem Vorhersagezeitpunkt tpred die maximale Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens berechnet wird, innerhalb derer zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators unterbleiben und schließlich in einem vierten Verfahrensschritt D die maximale Zeitdauer tel auf einem Display im Fahrzeug dargestellt wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass somit die Zeitdauer errechnet wird und dem Fahrer als Information zur Verfügung gestellt wird, die die maximale Dauer des elektrischen Fahrens darstellt, innerhalb derer zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators durch Eingriffe in die Steuerung des Verbrennungsmotors bei dessen zukünftigen Betrieb vermieden werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhafterweise werden die einzelnen Verfahrensschritte A bis D kontinuierlich wiederholt. Auf diese Weise erfolgt eine permanente Berechnung der maximalen Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens. Diese Zeitdauer tel entspricht dabei der Dauer der Abkühlung des Katalysators, bevor die Temperatur Tc des Katalysators der Light-Off Temperatur Tlo (Anspringtemperatur) des Katalysators entspricht, ab der dieser wirksam wird, bzw. unterhalb der der Katalysator wenig wirksam bis unwirksam wird und die Reaktionen innerhalb des Katalysators nur mit ungenügend kleinen Konversionsraten stattfinden.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass vor oder bei Beendigung der maximalen Zeitdauer tel die Abgasanlage durch die Heizvorrichtung aufgeheizt wird. Dies ist insofern sinnvoll, als dadurch vermieden wird, dass so lange elektrisch gefahren wird bis die Temperatur Tc des Katalysators der Light-Off Temperatur Tlo des Katalysators entspricht. Wird in diesem Zustand des Katalysators vom elektrischen Fahrbetrieb auf Verbrennungsmotorbetrieb umgeschaltet, wäre der Katalysator ohne vorherige Aufheizung nicht wirksam bzw. unwirksam.
Vorteilhafterweise wird in einem fünften Verfahrensschritt E die Abgasanlage mittels der Heizvorrichtung erwärmt, wenn die Temperatur Tc der Abgasanlage insbesondere des Katalysators der Light-Off Temperatur Tlo entspricht und in einem sechsten Verfahrensschritt F der Verbrennungsmotor wieder in Betrieb genommen und der rein elektrische Betrieb des Hybridantrieb unterbrochen. Fährt das Fahrzeug rein elektrisch, führt dies nachteilig zu einem Auskühlen der Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Durch die vorgeschlagenen Verfahrensschritte würde der Verbrennungsmotor wieder in Betrieb genommen werden und der rein elektrische Fahrbetrieb abgebrochen, bevor die Auskühlung der Abgasanlage zu stark ausfällt, sodass der Katalysator wenig bzw. unwirksam wäre.
Weiterhin ist vorteilhaft dass für die Berechnung der maximalen Zeitdauer tel des elektrischen Fahrens Streckeninformationen bzw. der zu fahrende geplante Weg berücksichtigt werden. In diesen Streckeninformationen sind Verkehrsinformationen wie zum Beispiel Baustellen, Verkehrsstaus und ähnliches enthalten, sodass die maximale Zeitdauer tel des elektrischen Fahrens angepasst berechnet werden kann.
Auch ist vorteilhaft, dass die Streckeninformationen ein geplantes Geschwindigkeitsprofil beinhalten. Dieses Geschwindigkeitsprofil kann beispielsweise ebenso Höheninformationen (Berg- und Talfahrt) wie auch Stadt- oder Autobahnfahrten enthalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs gemäß des erfinderischen Verfahrens;
2: eine schematische Darstellung des Verfahrens;
3: eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs / Hybridfahrzeugs 10. Fahrzeug 10 umfasst einen Hybridantrieb 11, mindestens eine elektrische Maschine 13 und einen Verbrennungsmotor 12 aufweist. Weiterhin weist das Fahrzeug 10 eine Abgasanlage 14 auf, die einen Katalysator 15 umfasst. Zusätzlich ist eine zum Aufwärmen der Abgasanlage 14 geeignete Heizvorrichtung 16 vorgesehen, die mittels einer Steuervorrichtung 17 das Aufwärmen der Heizvorrichtung 16 steuert.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt A bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 und rein elektrischem Betrieb des Hybridantriebs 11 wird die Temperatur Tc der Abgasanlage 14 insbesondere des Katalysators 15 und der aktuellen Umgebungstemperatur Tamb zu einem Zeitpunkt t0 ermittelt. Die Umgebungstemperatur Tamb ist hierbei die Temperatur der abkühlenden Gasströmung, die als Luftstrom den Katalysator umspült und diesen durch erzwungene Konvektion kühlt. In einem zweiten Verfahrensschritt B wird der Vorhersagezeitpunkt tpred unter anderem mittels der Temperatur Tc und der Umgebungstemperatur Tamb berechnet, wonach die Temperatur Tc des Katalysators 15 der Light-Off Temperatur Tlo des Katalysators 15 entspricht. In einem dritten Verfahrensschritt C wird aus dem Vorhersagezeitpunkt Tpred die maximale Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens berechnet, innerhalb derer zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators 15 unterbleiben. Schließlich wird in einem vierten Verfahrensschritt die maximale Zeitdauer tel auf einem Display 18 im Fahrzeug 10 dargestellt. Diese einzelnen Schritte A bis D des Verfahrens werden kontinuierlich wiederholt, sodass die maximale Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens kontinuierlich berechnet und dem Fahrer als Information zur Verfügung gestellt werden kann.
Simulationsrechnungen an detaillierten Katalysatormodellen zeigen, dass das Auskühlverhalten des Katalysators 15 mittels des folgenden Zusammenhangs beschrieben werden kann: MC dTc(t) / dt = –α(t)(Tc(t) – Tamb) (1)
Hierbei sind:

– Tc(t) Temperatur des Katalysators in Abhängigkeit der Zeit
– Tamb Temperatur der abkühlenden Gasströmung
– α(t) Wärmeübergangskoeffizient der erzwungenen äußeren Konvektion
– t Zeit
– M Masse des Katalysators
– C Massenspezifische Wärmekapazität des Katalysators

Darin ist der Koeffizient der äußeren, erzwungenen Konvektion α von der Zeit t abhängig. Diese Abhängigkeit hat ihren Grund in der Abhängigkeit des Koeffizienten α von der Geschwindigkeit der umgebenden Strömung, der Temperatur der Katalysatoroberfläche sowie der Temperatur der umgebenden Strömung. Die wesentliche Abhängigkeit ergibt sich dabei aus der Strömungsgeschwindigkeit. Da die Strömungsgeschwindigkeit durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, ist es möglich den zeitlichen Verlauf des Koeffizienten α bei bekanntem vorhergesagtem Fahrprofil vorherzubestimmen.
Bei bekanntem Verlauf α(t) kann die Gleichung (1) gelöst werden:
Vorteile dieses Ansatzes sind folgende

(a) im Gegensatz zu bekannten Temperaturmodellen von Komponenten des Abgasstrangs muss hier keine Differentialgleichung gelöst werden;
(b) die rechte Seite der Gleichungen (2) und beinhaltet nur das vorhergesagte zeitliche Verhalten des Wärmeübergangskoeffizienten α(t) und ist somit im Wesentlichen vom vorhergesagten Geschwindigkeitsprofil abhängig.

Unter Ausnutzung der Gleichung (2) werden zu jedem Zeitpunkt t0

• aus dem vorhergesagtem Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten α(t), t ∊ [t0, t0 + Dtpred] für den bekannten Vorhersagezeitraum [t0, t0 + Dtpred],
• der aktuellen Umgebungstemperatur Tamb(t0)
• und der aktuellen Katalysatortemperatur Tc(t0)

15

12

Die Zeitdauer bis zum Erreichen dieses Zeitpunkts stellt die maximale Dauer des elektrischen Fahrens dar, wenn zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators durch Eingriffe in die Steuerung des Verbrennungsmotors bei dessen zukünftigen Betrieb vermieden werden sollen. Die Vermeidung dieser Maßnahmen im Rahmen der Betriebsstrategie ist notwendig, weil diese Maßnahmen zu einem deutlichen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch führen würden.
Die Information der maximalen Dauer des elektrischen Fahrens wird also im Rahmen einer prädiktiven Hybridbetriebsstrategie genutzt, um Katalysatorheizmaßnahmen während des Fahrzeugbetriebs zu vermeiden.
Sofern die Berechnung der Funktion mit festem Zeitraster Δt und fester Dauer des Vorhersagezeitraums Δt_pred erfolgt, kann dabei das Integral auf der rechten Seite von Gleichung (2) effizient bestimmt werden:
Das erste Integral auf der rechten Seite der Gleichung ist dabei aus dem vorherigen Rechenschritt bekannt. Lediglich die beiden verbleibenden Integrale auf der rechten Seite von Gleichung (3) sind für jeden Rechenschritt neu zu berechnen. Das erste Integral auf der rechten Seite der Gleichung (3) muss dabei im Rahmen der Initialisierung der Funktion nach dem Festlegen des vorhergesagten Fahrprofils bestimmt werden. Vor oder bei Beendigung der maximalen Zeitdauer tel wird die Abgasanlage 14 durch die Heizvorrichtung 16 aufgeheizt. Für die Berechnung der maximalen Zeitdauer tel werden weiterhin Streckeninformationen wie zum Beispiel der zu fahrende geplante Weg wie auch ein geplantes Geschwindigkeitsprofil berücksichtigt.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Fortsetzung des in 2 beschriebenen Verfahrens zur Steuerung eines Hybridantriebs 11. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In einem fünften Verfahrensschritt E wird die Abgasanlage 14 mittels der Heizvorrichtung 16 erwärmt, wenn die Temperatur Tc der Abgasanlage 14 insbesondere des Katalysators 15 der Light-Off Temperatur Tlo entspricht. In einem sechsten Verfahrensschritt F wird schließlich der Verbrennungsmotor 12 wieder in Betrieb genommen und der rein elektrische Betrieb des Hybridantriebs unterbrochen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines mindestens einen Verbrennungsmotors (12) und mindestens eine elektrische Maschine (13) umfassenden Hybridantriebs (11) eines Fahrzeugs (10), mit einer Abgasanlage (14), die einen Katalysator (15) umfasst, einer zum Aufwärmen der Abgasanlage (14) geeigneten Heizvorrichtung (16) und einer Steuervorrichtung (17), die das Aufwärmen der Heizvorrichtung (16) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Verfahrensschritt (A) bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor (12) und rein elektrischem Betrieb des Hybridantriebs (11) die Temperatur Tc der Abgasanlage (14), insbesondere des Katalysators (15), und der aktuellen Umgebungstemperatur Tamb zu einem Zeitpunkt t0 ermittelt wird, – in einem zweiten Verfahrensschritt (B) der Vorhersagezeitpunkt tpred u.a. mittels der Temperatur Tc und der Umgebungstemperatur Tamb berechnet wird, wonach die Temperatur Tc des Katalysators (15) der Light-Off Temperatur Tlo des Katalysators (15) entspricht, – in einem dritten Verfahrensschritt (C) aus dem Vorhersagezeitpunkt tpred die maximale Zeitdauer tel des noch möglichen elektrischen Fahrens berechnet wird, innerhalb derer zusätzliche Maßnahmen für das Aufheizen des Katalysators (15) unterbleiben, – in einem vierten Verfahrensschritt (D) die maximale Zeitdauer tel auf einem Display (18) im Fahrzeug (10) dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte (A) bis (D) kontinuierlich wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder bei Beendigung der maximalen Zeitdauer tel die Abgasanlage (14) durch die Heizvorrichtung (16) aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem fünften Verfahrensschritt (E) die Abgasanlage (14) mittels der Heizvorrichtung (16) erwärmt wird, wenn die Temperatur Tc der Abgasanlage (14) insbesondere des Katalysators (15) der Light-off Temperatur Tlo entspricht, – in einem sechsten Verfahrensschritt (F) der Verbrennungsmotor (12) wieder in Betrieb genommen wird und der rein elektrische Betreib des Hybridantriebs (11) unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der maximalen Zeitdauer tel weiterhin Streckeninformationen, vorzugsweise der zu fahrende geplante Weg, berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckeninformationen ein geplantes Geschwindigkeitsprofil beinhalten.