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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die eine Verbrennungskraftmaschine, einen eine elektrische Maschine aufweisenden Abgasturbolader, einen dem Abgasturbolader zugeordneten und ein betätigbares Stellventil aufweisenden Bypass sowie einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die elektrische Maschine mit dem Energiespeicher zum generatorischen und motorischen Betrieb verbindbar ist, und wobei das Stellventil und die elektrische Maschine in Abhängigkeit von einem angeforderten Drehmoment und/oder einer angeforderten Drehzahl für die Verbrennungskraftmaschine angesteuert werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens sowie eine Antriebsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren wird heutzutage versucht, den Hubraum der Verbrennungskraftmaschinen einerseits immer weiter zu verkleinern, und andererseits die spezifische Hubraumleistung so weit zu erhöhen, dass insgesamt die Verbrennungskraftmaschine trotz reduzierten Hubraums zumindest die gleiche Leistung gewährleistet. Die Maßnahmen zu Leistungssteigerungen erfordern jedoch einen erhöhten Kraftstoff- und Luftmassendurchsatz. Um den Luftmassendurchsatz zu erhöhen, kann der Durchmesser eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Turboladers vergrößert werden. Dies führt jedoch in einem Abgasturbolader zu einem verschlechterten Beschleunigungsverhalten. Es werden daher aktuell auch Abgasturbolader angeboten, die eine elektrische Maschine aufweisen, welche zumindest der Turbolader des Abgasturboladers elektromotorisch angetrieben werden kann, sodass beispielsweise auf eine Vergrößerung des Durchmessers verzichtet werden kann. Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2017 207 532 A1 ist es beispielsweise bekannt, die elektrische Maschine einem Verdichter eines Abgasturboladers derart zuzuordnen, dass der Rotor stromaufwärts seines Verdichterrads liegt, sodass der Stator von dem der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftstrom durchströmt wird. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine ist dies von Vorteil, wenn auch wenig Abgasenthalpie zum Antrieb des Abgasturboladers zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist es bekannt, die elektrische Maschine in bestimmten Betriebspunkten auch generatorisch zu betreiben, sodass durch die vom Abgasstrom angetriebene elektrische Maschine eine elektrische Leistung erzeugt und beispielsweise in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert oder zwischengespeichert werden kann. Um den Luftmassenstrom, der von dem Abgasturbolader der Brennkraftmaschine zugeführt wird, vorteilhaft zu steuern und zu regeln, ist es außerdem bekannt, dem Abgasturbolader einen Bypass zuzuordnen, dessen Durchströmungsquerschnitt durch ein Stellventil einstellbar ist. Dadurch besteht eine hohe Flexibilität bei der Erzeugung des Luftmassenstroms, der notwendig ist, um eine gewünschte Drehzahl und/oder ein gewünschtes Drehmoment durch die Brennkraftmaschine zu erzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein verbessertes Zusammenspiel zwischen Ladedruckregelung und Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgt. Dabei wird insbesondere eine energieeffiziente Koordinierung geboten, die eine gleichbleibende Regelgüte bei der Ladedruckregelung unabhängig vom Betriebszustand der Antriebsvorrichtung beziehungsweise eines die Antriebsvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs erlaubt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein aktueller und/oder erwarteter Betriebszustand von zumindest einer der elektrischen Komponenten der Antriebsvorrichtung ermittelt und das Stellventil und die elektrische Maschine zusätzlich in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand angesteuert werden, um unabhängig von dem ermittelten Betriebszustand einen Luftmassenstrom von dem Abgasturbolader zu der Verbrennungskraftmaschine stets gleich oder nahezu gleich einzustellen. Unter der elektrischen Komponente der Antriebsvorrichtung werden insbesondere Komponenten verstanden, die elektrisch betrieben werden. So handelt es sich bei der Komponenten beispielsweise um die elektrische Maschine selbst, um den Energiespeicher selbst, oder auch um außerhalb der Antriebsvorrichtung liegende elektrische Komponenten, wie beispielsweise eine Kraftfahrzeugbeleuchtung, Aktuatoren einer Klimaanlage, Aktuatoren von Sitzverstelleinrichtungen, Lichtanlagen oder dergleichen. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur der aktuelle Betriebszustand bezogen auf den Luftmassenstrom berücksichtigt wird, sondern vielmehr auch die elektrische Energie, die zum Betreiben der elektrischen Maschine zur Verfügung steht. Damit werden das Stellventil und die elektrische Maschine auch in Abhängigkeit von den im System vorliegenden und erwarteten elektrischen Leistungen angesteuert, wodurch für den Benutzer der Antriebsvorrichtung stets das gleiche oder das im Wesentlichen gleiche Verhalten der Brennkraftmaschine unabhängig von dem Betriebszustand des elektrischen Systems geboten wird. Darüber hinaus ergibt sich dadurch automatisch eine besonders energieeffiziente Ansteuerung von Stellventil und elektrischer Maschine, weil beispielsweise das Unterschreiten eines kritischen Ladezustands des Energiespeichers vermieden und daher der Betrieb der Antriebsvorrichtung in für den Benutzer gewohnter Art und Weise dauerhaft aufrecht erhalten bleibt. Das Stellventil weist zweckmäßigerweise einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator, beispielsweise einen elektromotorischen oder elektromagnetischen Aktuator auf, mittels dessen das Stellventil zum Einstellen eines gewünschten Durchströmungsquerschnitts in dem Bypass betätigbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird ein Ladezustand des Energiespeichers erfasst und bei der Ansteuerung des Stellventils und/oder der elektrischen Maschine berücksichtigt. Somit wird erreicht, dass der Luftmassenstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers und damit insbesondere die Ansteuerung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von dem Ladezustand erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein unerwünschter oder unerwarteter Luftmassenstromabbruch einem unerwarteten Abfall der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung erfolgt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass für die Berücksichtigung des Ladezustands ein Faktor aus dem Verhältnis des aktuellen Ladezustands zu dem maximal möglichen Ladezustand berücksichtigt wird. Der Faktor hat den Vorteil, dass ihn noch weitere Zustände aus dem elektrischen System der Antriebsvorrichtung und/oder des Kraftfahrzeugs in einfache Art und Weise berücksichtigen lassen. Vorzugsweise wird der Faktor mit einem datenbasierten Modell, beispielsweise Gauß-Prozess-Modell GP, berechnet, das von dem Ladezustand, dem Alterungszustand und einem erwarteten Einbruch in der Bordnetzspannung abhängig ist. Mit dieser hybriden Modellstruktur ist es dann möglich, mehrere Einflüsse aus dem Bordnetz gleichzeitig bei der Koordination der Aktuatoren, also des Stellventils und der elektrischen Maschine, zu berücksichtigen.
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Insbesondere wird ein Alterungszustand des Energiespeichers ermittelt und bei der Bestimmung des Ladezustands und damit bei der Bestimmung des oben genannten Faktors mit berücksichtigt. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass mit zunehmendem Alter des Energiespeichers dessen Ladekapazität abnehmen und dadurch das Ansteuern von Stellventil und/oder elektrischer Maschine beeinträchtigen kann.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass ein erwarteter Betriebszustand eines den Energiespeicher aufweisenden Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ermittelt und bei der Bestimmung des Ladezustands berücksichtigt wird. Dadurch wird insbesondere berücksichtigt, dass abgesehen von der elektrischen Maschine auch noch andere Komponenten in dem Kraftfahrzeug beziehungsweise in dem Bordnetz elektrische Energie verbrauchen können. Um zu vermeiden, dass beispielsweise aufgrund einer erhöhten Leistungsanforderung durch weitere Komponenten in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs eine nur noch reduzierte elektrische Leistung für den Antrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung steht, wird der erwartete Betriebszustand in Abhängigkeit der zumindest einen weiteren Komponenten des Bordnetzes berücksichtigt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass bevorzugt zur Bestimmung des erwarteten Betriebszustands ein erwartetes Verhalten von zumindest einem elektrischen Verbraucher des Bordnetzes ermittelt wird. Dazu werden beispielsweise ausgewählte Betriebszustände des Kraftfahrzeugs überwacht, um zu ermitteln, ob mit dem Aktivieren oder Deaktivieren eines Verbrauchers aufgrund sich verändernder Betriebszustände und/oder Umgebungsverhältnisse schließen lässt. Beispielsweise wird hierzu der Betriebszustand einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs überwacht, wobei insbesondere eine aktuelle Innenraumtemperatur des Kraftfahrzeugs überwacht wird, um zu ermitteln, ob das Einschalten der Klimaanlage zum Aufrechterhalten oder Einstellen eines gewünschten Innenraumklimas, insbesondere einer gewünschten Innenraumtemperatur, zu erwarten ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Innentemperatur von einer Wunschtemperatur über ein vorgebbares Maß hinaus abweicht oder droht, abzuweichen. Wird erfasst, dass ein Einschalten der Klimaanlage notwendig ist, wird erkannt, dass ein elektrischer Verbraucher, in diesem Fall die Klimaanlage, aktiviert werden wird. Ebenso kann auf diese Art und Weise ermittelt werden, ob die Klimaanlage ausgeschaltet werden soll und dadurch das Bordnetz weniger stark belastet wird.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ansteuerung der elektrischen Maschine mit einer kaskadierten Struktur aus Ladestromregler und Stromregler und optional Drehzahlregler erfolgt. Bei der Verwendung einer Struktur ohne Drehzahlregler wird ein Soll-Wert für den Drehmoment-bildenden Strom der elektrischen Maschine bevorzugt direkt berechnet, ohne dass hierzu eine Drehzahlregelung vorgesehen werden muss.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass sie als Steuergerät ausgebildet ist, das speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren, wie es vorstehend beschrieben wurde, durchführt. Es ergeben sich hierdurch die oben bereits genannten Vorteile.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Auch hierdurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Zum Erfassen der Betriebszustände und/oder erwarteten Betriebszustände, insbesondere des elektrischen Leistungsbedarfs von elektrischen Verbrauchern des Bordnetzes, aktuell oder erwartet, weisen die Vorrichtung und/oder die Antriebsvorrichtung vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren auf, welche es erlauben, das Verhalten der elektrischen Verbraucher vorhersagen zu können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine vorteilhafte Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 ein vereinfachtes Modell einer Vorrichtung zum Ansteuern der Antriebsvorrichtung aus 1.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Antriebsvorrichtung
1, die eine Verbrennungskraftmaschine
2 in Form eines Hubkolbenmotors aufweist. Der Verbrennungskraftmaschine
2 ist ein Abgasturbolader
3 zugeordnet, der einen Verdichter
4 und eine damit mechanisch gekoppelte Turbine
5 aufweist. Ein Verdichterrad des Verdichters
4 und ein Turbinenrad der Turbine
5 sind dabei durch eine gemeinsame Welle
6 mechanisch miteinander gekoppelt. Der Welle
6 ist bevorzugt eine elektrische Maschine
7 zugeordnet, die zur einfachen Darstellung zwischen Verdichter
4 und Turbine
5 angeordnet ist. Bevorzugt ist die elektrische Maschine
7 jedoch in dem Verdichter
4 angeordnet, nämlich stromaufwärts des Verdichterrads im Strömungsweg der der Verbrennungskraftmaschine
2 zugeführten Frischluft, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2017 207 532 A1 beschrieben.
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Der Turbine 5 ist vorliegend ein Bypass 8 zugeordnet, in welchem ein Stellventil 9 angeordnet ist, mittels dessen ein Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals 8 variabel einstellbar ist. Dazu weist das Stellventil 9 einen hier nicht näher dargestellten Aktuator auf, der elektrisch betreibbar ist, um ein Stellelement des Stellventils zu verlagern. Der Bypasskanal 8 zweigt stromaufwärts der Turbine 5 von einem von der Verbrennungskraftmaschine 2 kommenden Abgaskanal 10 ab und mündet stromabwärts der Turbine 5 wieder zurück in den Abgaskanal 10.
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Die elektrische Maschine 7 wird bevorzugt durch eine Leistungselektronik 11 angesteuert, die mit einem elektrischen Energiespeicher 12 der Antriebsvorrichtung 1 verbunden ist. Der Energiespeicher 12 ist bevorzugt außerdem mit einem hier nur als Block schematisch dargestellten Bordnetz 13 eines die Antriebsvorrichtung 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs verbunden oder verbindbar, welches einen oder mehrere elektrische Verbraucher 14 aufweist.
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Die Antriebsvorrichtung 1 weist außerdem ein Steuergerät 15 auf, das mit der Leistungselektronik 11, dem Stellventil 9 und optional auch mit einem oder mehreren dem Bordnetz 13 zugeordneten Sensoren verbunden ist. Außerdem ist das Steuergerät 15 dazu ausgebildet, eine Drehmomentanforderung für die Verbrennungskraftmaschine 2, die beispielsweise von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs oder von einem Fahrsystem des Kraftfahrzeugs angefordert wird, zu erfassen.
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2 zeigt eine beispielhafte Realisierung des Steuergeräts 15 als Vorrichtung zum Betreiben der Antriebsvorrichtung 1.
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In Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung P
Soll werden durch einen Bypasskontroller
16 und die Leistungselektronik
11 das Stellventil
9 beziehungsweise die elektrische Maschine
7 angesteuert, wobei diese Ansteuerung in Abhängigkeit von Daten, die durch das Steuergerät
15 erfasst wurden, durch einen Koordinator
17 beeinflusst werden. Insbesondere ist das Steuergerät
15 dazu ausgebildet, einen aktuellen Ladezustand SOC des elektrischen Speichers
12, einen Alterungszustand SOH des elektrischen Speichers
12 sowie einen aktuellen oder erwarteten Einbruch einer Bordnetzspannung U
Load des Bordnetzes
13 zu erfassen oder zu berechnen. Insbesondere werden der Alterungszustand SOH sowie der Einbruch einer Bordnetzspannung U
Load in Abhängigkeit von einem erwarteten Betriebszustand des Bordnetzes
13 beziehungsweise von den elektrischen Verbrauchern
14 und/oder weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs sowie der Antriebsvorrichtung
1 bestimmt. Insbesondere wird in Abhängigkeit von dem Ladezustand SOC, dem Alterungszustand SOH und dem Einbruch der Bordnetzspannung U
Load ein Faktor α bestimmt. Dazu wird vorliegend folgender Ansatz verwendet:
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Dabei entspricht der Faktor α gemäß Gleichung (2) dem Verhältnis aus dem aktuellen Ladezustand und dem maximal möglichen Ladezustand SOC
max. A
byp,sp ist der Parameter für die durchströmte Fläche des Stellventils
9 in dem Bypass
8 als Soll-Wert nach Koordination durch den Koordinator
17, A
byp,des ist der Parameter für die durchströmte Fläche des Stellventils
9 des Bypass
8 als Wunsch-Soll-Wert vor Koordination, I
q,sp ist der Parameter für den drehmomentbildenden Strom als Soll-Wert nach Koordination und I
q,des ist der Parameter des drehmomentbildenden Stroms als Wunsch-Soll-Wert vor Koordination. Werden auch noch der Alterungszustand und der Einbruch der Bordnetzspannung berücksichtigt, ergibt sich für den Faktor α insbesondere folgendes:
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Der Faktor α wird dabei insbesondere als Gewichtungsfaktor bevorzugt mit einem datenbasierten Modell, um beispielsweise Gauß-Prozess-Modell GP, berechnet. Mit dieser hybriden Modellstruktur ist es dann möglich, mehrere Einflüsse aus dem Bordnetz 13 gleichzeitig bei der Koordination der elektrischen Aktuatoren der Antriebsvorrichtung 1, also des Stellventils 9 sowie der elektrischen Maschine 7, bei der Ladedruckregelung zu berücksichtigen. Dabei liegt vorliegend der Fokus insbesondere darauf, dass die Regelgüte bei der Ladedruckregelung unabhängig von dem Aktuator wird, mit dem die Regelaufgabe umgesetzt wird. Dadurch erfolgt aus Fahrzeugsicht eine energieeffiziente Ansteuerung der Aktuatoren sowie der Verbrennungskraftmaschine 2 und weniger eine sportliche.
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Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 kann entweder eine kaskadierte Struktur aus Ladedruckregler, Drehzahlregler und Stromregler verwendet werden. Oder es wird eine vereinfachte Struktur ohne Drehzahlregler verwendet, bei welcher ein Soll-Wert für den Drehmoment-bildenden Strom direkt berechnet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207532 A1 [0003, 0014]
