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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Turbolader werden zum Unterstützen von Verbrennungsmotoren bei Fahrzeugen eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer einen Turbolader und eine elektrische Maschine umfassenden Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhafterweise lässt sich eine mit einem Turbolader gekoppelte elektrische Maschine so betreiben, dass die Spannung in einem mit der elektrischen Maschine gekoppelten elektrischen Bordnetz während eines Betriebs der elektrischen Maschine in einem zulässigen Bereich bleibt.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer einen Turbolader und eine elektrische Maschine umfassenden Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug, wobei die elektrische Maschine mit einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs gekoppelt oder koppelbar ist und eine Bordnetzspannung des Bordnetzes durch einen Betrieb der elektrischen Maschine beeinflussbar ist, umfasst die folgenden Schritte:
- Einlesen eines Bordnetzspannungssignals, das eine aktuelle Bordnetzspannung des Bordnetzes repräsentiert, zumindest eines Grenzwertsignals, das einen Grenzwert für die Bordnetzspannung repräsentiert, eines Betriebsgrößensignals, das einen Sollwert für eine Betriebsgröße der elektrischen Maschine repräsentiert, und optional zumindest eines Limitsignals, das ein Limit für den Reglereingriff repräsentiert; und
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Bestimmen zumindest eines Einstellsignals zum Einstellen der Betriebsgröße unter Verwendung des Bordnetzspannungssignals, des zumindest einen Grenzwertsignals, des Betriebsgrößensignals und optional des zumindest einen Limitsignals.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein bekanntes Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor handeln, der von der Turboladereinrichtung unterstützt werden kann. Bei dem Turbolader und der elektrischen Maschine kann es sich um bekannte Komponenten eines Abgasturboladers handeln, wie er in bekannten Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Das Bordnetz kann von einer Batterie gespeist werden und elektrische Komponenten des Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgen. Wenn die elektrische Maschine den Turbolader unterstützt, entnimmt die elektrische Maschine dem Bordnetz elektrische Energie. Dies kann zu einem Spannungsabfall in dem Bordnetz führen. Wenn die elektrische Maschine von dem Turbolader angetrieben wird, speist die elektrische Maschine elektrische Energie in das Bordnetz ein. Dies kann zu einem Spannungsanstieg in dem Bordnetz führen. Durch das Grenzwertsignal kann ein zulässiger oder gewünschter unterer und zusätzlich oder alternativ oberer Spannungswert für die Bordnetzspannung definiert sein. Durch das Betriebsgrößensignal kann ein Parameter einer gewünschten Funktion der elektrischen Maschine vorgegeben werden, beispielsweise ein Wert eines gewünschten Antriebsmoment der elektrischen Maschine. Wird der durch das Grenzwertsignal vorgegebene Spannungswert unter- oder überschritten, wird das Einstellsignal durch Limitierung der Betriebsgröße so bestimmt, dass die Spannung in dem Bordnetz in einem gewünschten Bereich gehalten wird. Die elektrische Maschine wird dann an einem Betriebspunkt betrieben, der bei Einhaltung des durch das Grenzwertsignal vorgegebenen Spannungsgrenzwertes so nahe wie möglich an dem durch das Betriebsgrößensignal vorgegebenen liegt. Zudem können in dem Bordnetz auftretende Spannungsänderungen durch eine gezielte Aktivierung oder Überführung der elektrischen Maschine in einen geänderten Betriebszustand kompensiert werden. Das Limitsignal stellt ein Limit für die Eingriffsmöglichkeit des Verfahrens dar. Das Limit kann beispielsweise verhindern, dass der Algorithmus die Maschine vom motorischen in den generatorischen Betrieb überführt ohne dass eine solche Betriebsart durch das Betriebsgrößensignal explizit vorgegeben wäre.
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Somit kann das Einstellsignal vorteilhafterweise zum Einstellen der Betriebsgröße der elektrischen Maschine verwendet werden, also beispielsweise als Sollgröße für die Regelung oder auch Steuerung der elektrischen Maschine. Solange die Spannung in dem Bordnetz in dem gewünschten Bereich liegt, entspricht das Einstellsignal dem Betriebsgrößensignal. Wenn ein Limit der Spannung über- oder unterschritten wird, wird die Einstellgröße derart bestimmt, dass die Spannung in dem Bordnetz am durch das Grenzwertsignal vorgegebenen Limit gehalten wird, was als kaskadierte Regelung der Bordnetzspannung angesehen werden kann - mit der Regelung der elektrischen Maschine als unterlagerte Regelschleife
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Beispielsweise kann das Einstellsignal zum Einstellen eines Drehmoments der elektrischen Maschine oder eines Motorstroms der elektrischen Maschine oder eines Ausgangsstroms der elektrischen Maschine bestimmt werden. Somit können unterschiedliche Betriebsgrößen geregelt werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Ermittelns des Limitsignals unter Verwendung des Bordnetzspannungssignals umfassen. Auf diese Weise kann das Limit an eine aktuelle Situation, beispielsweise im Bordnetz, angepasst werden. Auf diese Weise kann das Limit für eine Stellgröße des Verfahrens angepasst werden.
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Dabei kann ein Vorzeichenwechsel des Limitsignals durchgeführt werden, so dass das Verfahren eine Änderung der Betriebsart der elektrischen Maschine aktiv bewirken oder zumindest zulassen kann. Durch die Änderung der Betriebsart kann die elektrische Maschine beispielsweise vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb wechseln. Ein solcher Wechsel ist beispielsweise sinnvoll, wenn ein zusätzliches Einspeisen elektrischer Energie in das Bordnetz erforderlich ist, um einen zu großen Spannungsabfall zu vermeiden.
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Im Schritt des Einlesens kann zumindest ein Zustandssignal eingelesen werden, das einen Zustand des Bordnetzes oder einer Batterie zum Bereitstellen der Bordnetzspannung repräsentiert. Im Schritt des Bestimmens kann das Einstellsignal unter Verwendung des Zustandssignals bestimmt werden. Auf diese Weise kann schnell auf einen aktuellen Zustand des Bordnetzes reagiert werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben einer einen Turbolader und eine elektrische Maschine umfassenden Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug ist ausgebildet, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine Vorrichtung zum Betreiben einer Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Verbrennungsmotor 102 und einer Turboladereinrichtung 104. Die Turboladereinrichtung 104 umfasst einen Turbolader 106 und eine elektrische Maschine 108 zum Unterstützen des Turboladers 106. Die elektrische Maschine 108 ist mit einem elektrischen Bordnetz 110 des Fahrzeugs 100 gekoppelt. Das Bordnetz 110 wird beispielhaft von einer Batterie 112 gespeist. Der Turbolader 106 ist entsprechend bekannter Turbolader 106 mit einem Abgasstrom 114 des Verbrennungsmotors 102 gekoppelt. Der Turbolader 106 und die elektrische Maschine 108 sind beispielsweise über eine gemeinsame Welle miteinander gekoppelt. Wenn die elektrische Maschine 108 im Motorbetrieb betrieben wird, nimmt die elektrische Maschine 108 elektrische Energie aus dem Bordnetz 110 auf und treibt den Turbolader 106 an. Dadurch kann es zu einem Spannungsabfall im Bordnetz 110 kommen. Wenn die elektrische Maschine 108 im Generatorbetrieb betrieben wird, wird die elektrische Maschine 108 von dem Turbolader 106 angetrieben und gibt elektrische Energie an das Bordnetz 110 ab. Dadurch kann es zu einem Spannungsanstieg im Bordnetz 110 kommen. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 102 umfasst das Fahrzeug ein Motorsteuergerät 116, das eine Verbindung zum Motor 102 aufweist.
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Das Fahrzeug 100 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 120 zum Betreiben der elektrischen Maschine 108 auf. Die Vorrichtung 120 kann auch als Teil der Turboladereinrichtung 104 oder eines anderen Steuergeräts des Fahrzeugs 100, beispielsweise des Motorsteuergeräts 116, ausgeführt sein.
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Die Vorrichtung 120 ist ausgebildet, ein Einstellsignal 122 zum Einstellen einer Betriebsgröße der Turboladereinrichtung 104 zu bestimmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Einstellsignal 122 verwendet, um die Betriebsgröße, beispielsweise eine Betriebsgröße der elektrischen Maschine 108, einzustellen. Beispielhaft handelt es sich bei der Betriebsgröße um ein Drehmoment, das von der elektrischen Maschine 108 bereitgestellt oder aufgenommen wird. Somit wird die Betriebsgröße gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele beispielsweise verwendet um ein Drehmoment, einen Motorstrom oder einen Ausgangsstrom der elektrischen Maschine 108 einzustellen. Beispielsweise kann das Einstellsignal 122 dabei verwendet werden, um ein Stellglied geeignet anzusteuern, beispielsweise einen Aktor oder eine elektrische Schaltung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 120 ausgebildet, um das Einstellsignal 122 unter Verwendung eines Bordnetzspannungssignals 124, eines Grenzwertsignals 126, eines Beriebsgrößensignals 128 und eines Limitsignals 130 zu bestimmen. Dazu ist die Vorrichtung 120 ausgebildet, die Signale 124, 126, 128, 130 über geeignete Schnittstellen einzulesen und unter Verwendung einer geeigneten Bestimmungsvorschrift zum Bestimmen des Einstellsignals 122 zu verwenden. Die Bestimmungsvorschrift umfasst beispielsweise eine Regelschleife. Die Ermittlung des Betriebsgrößensignals 128 kann zumindest teilweise auch Bestandteil der Vorrichtung 120 sein. Beispielsweise wird vom Motorsteuergerät 116 eine Solldrehzahl bereitgestellt, die in der Vorrichtung 120 von einem Drehzahlregler in ein Solldrehmoment als Betriebsgröße der elektrischen Maschine umgesetzt wird
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Das Bordnetzspannungssignal 124 repräsentiert eine aktuelle Bordnetzspannung des Bordnetzes 110 und wird beispielsweise von einer geeigneten Messeinrichtung bereitgestellt. Das Grenzwertsignal 126 repräsentiert einen Grenzwert für die Bordnetzspannung. Das Grenzwertsignal 126 kann fest vorgegeben sein oder beispielsweise unter Verwendung einer Ermittlungseinrichtung 132 ermittelt werden. Je nach Betriebssituation kann das Grenzwertsignal 126 einen oberen oder einen unteren Grenzwert für die Bordnetzspannung definieren. Wenn sowohl Unterspannung als auch Überspannung verhindert werden, wird normalerweise dauerhaft sowohl das untere als auch das obere Limit bereitgestellt. Alternativ werden beide Grenzwerte als feste Zahlenwerte in der Vorrichtung 120 gespeichert. Das Betriebsgrößensignal 128 repräsentiert einen Sollwert für die Betriebsgröße der elektrischen Maschine 108 und wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft von dem Motorsteuergerät 116 bereitgestellt. Das Limitsignal 130 repräsentiert eine Grenze, über die hinaus das Verfahren die Betriebsgröße bei der Bestimmung des Einstellsignals nicht verändern darf. Beispielsweise kann mittels des Limitsignals ein Wechsel der Betriebsart (motorisch bzw. generatorisch) unterbunden werden, der nicht explizit durch die Betriebsgröße angefordert wird. Das Limitsignal 130 kann fest vorgegeben sein oder beispielsweise unter Verwendung der Ermittlungseinrichtung 132 ermittelt werden. Die Ermittlungseinrichtung 132 kann Teil der Vorrichtung 120 sein. Je nach Betriebssituation kann das Limitsignal 130 einen oberen oder einen unteren Grenzwert für die Betriebsgröße definieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 120 ausgebildet, um das Einstellsignal 122 ferner unter Verwendung eines Zustandssignals 134 zu bestimmen. Beispielsweise repräsentiert das Zustandssignal 134 einen Zustand des Bordnetzes 110 oder der Batterie 112. Das Zustandssignal 134 wird beispielsweise über eine geeignete Schnittstelle eingelesen. Beispielhaft wird das Zustandssignal 134 von einem Batteriesteuergerät 136 bereitgestellt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 120 ausgebildet, um das Einstellsignal 122 so zu bestimmen, dass die Bordnetzspannung des Bordnetzes 110 an den durch das Grenzwertsignal 126 vorgegebenen Grenzwert für die Bordnetzspannung angepasst wird, sofern dieser - im Falle der Vermeidung von Überspannung - überschritten oder - im Falle der Vermeidung von Unterspannung - unterschritten wird. Dazu ist die Vorrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet um das Limit 228 des Limitierungsblocks 210 und damit das Einstellsignal 122 so einzustellen, dass sich die Bordnetzspannung dem Grenzwert annähert. Optional ist die Vorrichtung 120 dabei ausgebildet, um die elektrische Maschine 108 von dem Motorbetrieb in den Generatorbetrieb, oder umgekehrt, umzuschalten, wenn dies zur Annäherung der Bordnetzspannung an den Grenzwert erforderlich ist oder geeignet erscheint. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Ermittlungseinrichtung 132 ausgebildet ist, um einen Vorzeichenwechsel des Limitsignals 130 zu bewirken. Optional ist die Ermittlungseinrichtung 132 dabei ausgebildet, um das Bordnetzspannungssignal 124 einzulesen und das Limitsignal 130 unter Verwendung der von dem Bordnetzspannungssignal 124 repräsentierten aktuellen Bordnetzspannung zu ermitteln. Generell handelt es sich dabei aber eher um eine Entscheidung bzgl. Betriebsstrategie, die vom Motorsteuergerät getroffen wird. Um z.B. bei Unterspannung das Bordnetz zu „stützen“, müsste in den generatorischen Betrieb gewechselt, d.h. der Turbolader gebremst werden. Hierbei gibt es eine Interaktion mit der Ladedruckregelung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Turboladereinrichtung 104 als ein elektrisch unterstützter Turbolader ausgeführt, der aus dem Turbolader 106 in Form eines Abgasturboladers (ATL) und der elektrischen Maschine 108 besteht. Der Rotor der elektrischen Maschine 108 sitzt auf der Welle des Turboladers 106. Durch das Drehmoment der elektrischen Maschine 108 wird das Hochbeschleunigungen des Turboladers 106 unterstützt - insbesondere in Betriebspunkten, in denen die Abgasenthalpie des Verbrennungsmotors 102 klein ist. Auf diese Weise kann das sogenannte Turboloch vermieden oder abgemildert werden.
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Zusätzlich kann Energie aus dem Abgas des Abgasstroms 114 rekuperiert werden, d.h. der Turbolader 106 wird gebremst, und so Energie in das elektrische Bordnetz 110 zurückgespeist. Derartige Komponenten, die als Generator betrieben werden können, dürfen die Spannung im Bordnetz 110 nicht über eine gewisse Grenze anheben oder unter eine gewisse Grenze absenken, um andere Komponenten am Bordnetz 110 nicht in Ihrer Funktion zu beeinträchtigen. Wenn sicherheitsrelevante Teilnehmer am selben Bordnetz 110 angeschlossen sind, kann diese Anforderung auch mit einer ASIL-Einstufung belegt sein.
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Die Vorrichtung 120 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, die Turboladereinrichtung 104 so anzusteuern, dass die elektrische Maschine 108 die ins Netz zurückgespeiste Leistung reduziert, wenn die Spannung ansonsten zu hoch werden würde - selbst wenn von außerhalb als Sollwert, beispielsweise über das Betriebsgrößensignals 128, eine höhere Leistung angefordert wird. In gleicher Weise ist die Vorrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, die Turboladereinrichtung 104 so anzusteuern, dass die aus dem Bordnetz 110 entnommene Leistung reduziert wird, wenn die Spannung ansonsten zu stark absinken würde.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 120 ausgebildet sicherzustellen, dass die Turboladereinrichtung 104 in Form des elektrischen Turboladers nicht zu einer Erhöhung oder Absenkung der Bordnetzspannung über oder unter einen zulässigen Maximalwert oder Minimalwert beiträgt. Dazu wird beispielsweise bei einer drohenden Überschreitung oder Unterschreitung eines Spannungslimits, das beispielsweise über das Grenzwertsignal 126 angezeigt wird, das Generatormoment oder das Motormoment der elektrischen Maschine 108 reduziert, bis die Spannung im erlaubten Bereich liegt oder bis keine Energie mehr ins Bordnetz 110 zurückgespeist oder aus dem Bordnetz 110 entnommen wird.
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Dazu ist die Vorrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Spannungsregelung und/oder Spannungsbegrenzung für die Turboladereinrichtung 104 zu realisieren. Beispielsweise setzt die Vorrichtung 120 einen Regler ein, der die beispielsweise durch das Bordnetzspannungssignal 124 angezeigte aktuelle Spannung mit der beispielsweise durch das Grenzwertsignal 126 angezeigten maximal zulässigen Spannung vergleicht und bei einer zu hohen Spannung das Generatormoment beispielsweise durch Anpassung des Einstellsignals mittels des Limits 228 sukzessive reduziert bis das Spannungslimit wieder eingehalten wird oder bis keine Energie mehr ins Bordnetz 110 zurückgespeist wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 120 ausgebildet Informationen über den Zustand der Batterie 112 und/oder des Bordnetzes 110, welche beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, von einem Batteriesteuergerät 136 bereitgestellt werden, für eine Vorsteuerung des Reglers zu nutzen. Eine entsprechende Information wird beispielsweise unter Verwendung des Zustandssignals 134 bereitgestellt. Damit kann ein von der Vorrichtung 120 umgesetzter Algorithmus nicht nur auf eine zu hohe Spannung reagieren, sondern bereits im Vorfeld die Rückspeisung reduzieren, um eine zu hohe Spannung von vornherein zu vermeiden. Somit können Informationen, beispielsweise aus dem Batteriesteuergerät 136 in einer durch die Vorrichtung 120 umgesetzten Vorsteuerung verwendet werden, um eine Reaktion der elektrischen Maschine 108 zu bewirken, unabhängig davon, ob die aktuelle Bordnetzspannung bereits einen Wert aufweist, der eine Reaktion der elektrischen Maschine 108 erforderlich macht. Eine Kommunikation zwischen dem Batteriesteuergerät 136 und der Vorrichtung 120 erfolgt beispielsweise über das Zustandssignal 134
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In gleicher Weise lässt sich der von der Vorrichtung 120 umgesetzte Algorithmus im motorischen Betrieb der Turboladereinrichtung 104 einsetzen, um Unterspannung zu vermeiden. Der Einfachheit halber beschränkt sich die Beschreibung im Folgenden auf den generatorischen Betrieb und das Vermeiden von Überspannung.
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2 zeigt eine Vorrichtung 120 zum Betreiben einer einen Turbolader und eine elektrische Maschine umfassenden Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Ausführungsbeispiel der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung. Gezeigt ist eine Struktur eines Algorithmus zum Durchführen einer geeigneten Regelung.
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Im Folgenden wird das von der Vorrichtung 120 bestimmte Einstellsignal 122 auch als Tlimited, das Bordnetzspannungssignal 124 auch als UDC,act, das Grenzwertsignal 126 auch als UDC,max, das Betriebsgrößensignal 128 auch als Tdes und das Limitsignal 130 auch als Tmin,max bezeichnet. Beispielhaft wird das Limitsignal 130 von der Ermittlungseinrichtung 132 bereitgestellt. Das Grenzwertsignal 126 wird beispielswiese aus einer Speichereinrichtung ausgelesen oder von einer weiteren Ermittlungseinrichtung bestimmt.
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Die Vorrichtung 120 umfasst einen Regler 200, optional eine Vorsteuerung 202 und einen Addierer 204, einen Minimierer 206, einen Begrenzer 208, einen Ausgangsbegrenzer 210 und optional einen Eingangsbegrenzer 212.
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Der Addierer 204 ist ausgebildet, um ein Ausgangssignal 220 des Reglers 200 und ein Ausgangssignal 222 der Vorsteuerung 202 zu addieren und ein Summensignal 224 bereitzustellen. Der Minimierer 206 ist ausgebildet, um entweder das Betriebsgrößensignal 128 oder das Limitsignal 130 als unteres Limitsignal 226 auszugeben. Das untere Limitsignal 224 wird auch als Tmin,min bezeichnet. Der Begrenzer 208 ist ausgebildet, das Summensignal 224 unter Verwendung des Limitsignals 130 und des unteren Limitsignals 224 zu begrenzen und ein Regelsignal 228 auszugeben, das auch als Tmin bezeichnet wird. Der Ausgangsbegrenzer 210 ist ausgebildet, um das Betriebsgrößensignal 128 unter Verwendung des Regelsignals 228 zu begrenzen und als das Einstellsignal 122 auszugeben. Der Regler 200 ist ausgebildet, um das Ausgangssignal 220 unter Verwendung des Bordnetzspannungssignals 124, des Grenzwertsignals 126, des Summensignals 224 und des Regelsignals 228 zu bestimmen. Die Vorsteuerung 202 ist ausgebildet, um das Ausgangssignal 222 unter Verwendung des Grenzwertsignals 126 und des Zustandssignals 134 bereitzustellen. Der Eingangsbegrenzer 212 ist ausgebildet, um ein ursprüngliches Betriebsgrößensignal 230 unter Verwendung eines oberen Limits und eines unteren Limits zu begrenzen und als das Betriebsgrößensignal 128 auszugeben.
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Somit sind gemäß einem Ausführungsbeispiel Eingangsgrößen für den Regler 200, der auch als Controller bezeichnet wird, die von dem Bordnetzspannungssignal 124 repräsentierte gemessene Spannung UDC,act und die von dem Grenzwertsignal 126 repräsentierte maximal erlaubte Spannung UDC,max, welche variabel sein kann, und beispielsweise via CAN übermittelt werden kann. Aufgabe des Reglers 200 ist es zunächst die Spannung UDC,act auf den Wert UDC,max einzuregeln. Als Stellgröße steht dem Regler 200 dafür das untere Limit des Ausgangsbegrenzungsblocks 210 zur Verfügung, mit dem das von außen oder durch eine überlagerte Regelschleife vorgegebene und durch das Betriebsgrößensignal 128 repräsentierte Drehmoment Tdes beschränkt wird.
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Wie bereits erwähnt, kann der vorgeschlagene Algorithmus direkt auf das Vermeiden einer Unterspannung im motorischen Betrieb übertragen werden. Die verwendete Stellgröße wäre entsprechend das obere Limit des Ausgangsbegrenzungsblocks 210.
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Das vorgegebene Drehmoment Tdes kann bereits zuvor durch den Eingangsbegrenzungsblock modifiziert worden sein, z.B. auf das physikalisch realisierbare Drehmoment der elektrischen Maschine oder zur Umsetzung von Derating-Maßnahmen, z.B. aufgrund thermischer oder anderer Auslegungsgesichtspunkte.
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Zur Realisierung des Reglers 200 können beliebige Ansätze aus der Literatur herangezogen werden, wie z.B. PID, wie nachfolgend gezeigt, Zustandsregler, Sliding-mode control, etc.
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Der Regler 200 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel um die Vorsteuerung 202 (Feedforward) ergänzt, welche Informationen über den Zustand des Bordnetzes bzw. der Batterie verwendet, welche üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, vom Batteriesteuergerät zur Verfügung gestellt werden. z.B. über CAN, Flexray, o.ä. Eine solche Information, die beispielsweise über das Zustandsignal 134 bereitgestellt wird, kann z.B. der Innenwiderstand, der Ladezustand (SOC), der Gesundheitszustand oder die Batteriespannung der Batterie sein. Eine weitere Eingangsgröße ist die maximal zulässige Spannung UDC,max. Die Vorsteuerung 202 setzt diese Informationen dann, z.B. mit Hilfe eines Modells der Batterie oder von Batterie und Bordnetz in ein minimales Drehmoment um, welches nicht unterschritten werden darf, um das Spannungslimit nicht zu überschreiten. Das minimale Drehmoment entspricht dabei einem maximalen generatorischen Drehmoment.
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Wie üblich werden die Ausgänge von Vorsteuerung 202 und Regler 200 addiert.
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Die zur Verfügung stehende Stellgröße unterliegt einer Beschränkung, was durch die Begrenzung im Anschluss an die Addition dargestellt wird. Das von dem Begrenzer 208 verwendete obere Limit Tmin,max kann z.B. Null sein, wenn der Algorithmus die elektrische Maschine, beispielsweise in Form eines Motors, nicht in den motorischen Betrieb zwingen soll bzw. wenn es ausreicht, dass der elektrisch unterstützte Turbolader nicht zu einer Erhöhung der Bordnetzspannung beiträgt.
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Optional ist es möglich, dieses Limit, das beispielsweise durch das Limitsignal 130 repräsentiert wird, höher, d.h. positiv, zu wählen. Als Folge würde die elektrische Maschine bei tatsächlichem oder drohendem Überschreiten des Spannungslimits, z.B. aufgrund anderer Komponenten am Bordnetz, aktiv gegensteuern, indem die elektrische Maschine in den motorischen Betrieb wechselt und Energie aufnimmt. Hierbei sind Wechselwirkungen mit anderen Systemen, wie z.B. der Ladedruckregelung zu beachten. Beispielsweise wird in einem solchen Fall, das sogenannte Wastegate, also ein Bypass des Abgasstroms vorbei an dem Turbolader, geöffnet, um einer ungewollten Beschleunigung des Turboladers entgegenzuwirken. Das Limit Tmin,max kann im Allgemeinen über der Zeit variabel sein.
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Das untere Limit Tmin,min, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch das unteres Limitsignal 226 repräsentiert wird, ist durch das Minimum des gewünschten Drehmoments Tdes und dem oberen Limit Tmin,max gegeben. Solange Tdes größer ist als Tmin,max kann der Algorithmus nicht eingreifen. Sobald Tdes < Tmin,max gilt, ist die untere Stellgrößenbeschränkung für den Regler 200 durch Tdes gegeben. Die Rückführung des Drehmomentes unmittelbar nach der Addition der Ausgangssignale 222, 220 von Vorsteuerung 202 und Regler 200 in Form des Summensignals 224, sowie des Drehmomentes in Form des Regelsignals 228 nach der Stellgrößenbeschränkung durch den Begrenzer 208 erlauben es dem Regler 200 zu erkennen, dass er am Stellgrößenlimit operiert. Für diesen Fall ist der Regler 200 ausgebildet, entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen, z.B. Anti-Windup im optionalen Integrator etc.
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Da ein Turbolader stets in einer festgelegten Drehrichtung betrieben wird, wird in den beschriebenen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass sich die elektrische Maschine nur in eine Richtung dreht und zwar - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - in die positiv definierte Richtung. Ein Drehmoment mit einem positiven Vorzeichen ist demnach ein motorisches Drehmoment, ein Drehmoment mit einem negativen Vorzeichen ein generatorisches Drehmoment. Eine Adaption auf den Fall einer in beide Richtungen drehenden elektrischen Maschine ist aber in entsprechender Weise möglich. Dann wird am Beispiel der Vermeidung von Überspannung das Signal 228 gleichzeitig mit Minus 1 multipliziert auf das obere Limit des Blocks 210 geführt. Auch eine gleichzeitige Vermeidung von Über- und Unterspannung ist dann immer noch in entsprechender Weise möglich.
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3 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der anhand von 2 beschriebenen Vorrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die vom Batteriesteuergerät zur Verfügung gestellten Informationen sind in diesem Fall der Innenwiderstand der Batterie Ri, der beispielsweise von einem weiteren Zustandssignal 334 repräsentiert wird, sowie die aktuelle Spannung an der Batterie Ubat, die beispielsweise von dem Zustandssignal 134 repräsentiert wird.
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Die Vorsteuerung 202 verwendet gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Modell der Batterie und optional des Bordnetzes. Als Modell wird beispielsweise die folgende Gleichung verwendet:
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Dabei repräsentiert UDC die Spannung an den Klemmen und IDC den DC-Strom der elektrischen Maschine. Daraus lässt sich ein minimaler DC-Strom IDC,min berechnen, um die maximale Spannung an der Klemme - vorgegeben durch UDC,max - nicht zu überschreiten. Mit Hilfe eines statischen oder dynamischen Modells 302 von Elektronik und elektrischer Maschine wird dieser Wert dann in ein zulässiges minimales Drehmoment Tmin,FF umgerechnet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel repräsentiert der minimale DC-Strom IDC,min eine Eingangsgröße und das zulässige minimale Drehmoment Tmin,FF eine Ausgangsgröße des Modells 302. Das zulässige minimale Drehmoment Tmin,FF wird dabei durch das Ausgangssignal 222 repräsentiert. Das verwendete einfache Modell von Batterie und Bordnetz vernachlässigt den Leitungswiderstand zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine sowie weitere Verbraucher am gleichen Bordnetz, d.h. es wird angenommen, dass, immer wenn der elektrisch unterstützte Turbolader betrieben wird, keine weitere Komponente im selben Bordnetz aktiv ist. Diese Annahme wird in vielen Fällen nicht zutreffen, was zu Modellfehlern führt, die dann durch den Regler 200 ausgeglichen werden. Der Regler 200 umfasst in diesem Beispiel einen PID-Regler 300, der mit Anti-Windup für den Integrator ausgeführt ist. Als oberes Stellgrößenlimit für den Begrenzer 208 des Regelalgorithmus wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel Null gewählt, d.h. der Algorithmus darf die elektrische Maschine nicht in den motorischen Betrieb zwingen.
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Generell kann der vorgeschlagene Ansatz anstelle auf das Drehmoment auf alle weiteren Größen in der physikalischen Wirkkette angewandt werden, wie z.B. auf den DC-Strom oder auf den drehmomentbildenden Motorstrom - üblicherweise als Querstrom Iq bezeichnet, etc.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 120. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nur der Regler 200 mit einem Modell 402 ohne zusätzliche Vorsteuerung eingesetzt. Dazu werden zum einen neben der gemessenen DC-Spannung, die in Form des Bordnetzspannungssignals 124 als Spannung UDC,act bereitgestellt wird, weitere Messgröße wie der aktuelle DC-Strom IDC,act, der beispielsweise durch das zusätzliche Zustandssignal 434 repräsentiert wird, zurückgeführt. Ferner wird die Information aus dem Batteriesteuergerät, beispielsweise der von dem weiteren Zustandssignal 334 repräsentierte Innenwiderstand der Batterie Ri, direkt im Regler 200 anstatt in einer Vorsteuerung verwendet.
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Im gezeigten Beispiel wird basierend auf dem Modell UDC = Ubat - RilDC aus dem aktuellen Abstand von der maximal erlaubten Spannung berechnet, wieviel kleiner der DC-Strom - ausgehend vom aktuell gemessenen - noch werden darf.
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Ein entsprechender minimaler Strom IDC,min wird durch ein Stromsignal 440 repräsentiert. Durch die Verwendung des gemessenen DC-Stromes in jedem Zeitschritt ergibt sich eine Art I-Regler.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden das Bordnetzspannungssignal 124 und das Grenzsignal 126 einem Subtrahierer zugeführt, ein Ergebnissignal aus dieser Subtraktion sowie das weitere Zustandssignal 334 einem Divisor und ein Ergebnissignal aus dieser Division sowie das zusätzliche Zustandssignal 434 einem weiteren Subtrahierer zugeführt. Ein Ergebnis dieser weiteren Subtraktion stellt das Stromsignal 440 dar.
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Der Begrenzer 208 verwendet ein oberes Limit Tmin,max sowie ein unteres Limit Tmin,ext. Der Eingangsbegrenzer 212 verwendet ein oberes Limit sowie ein unteres Limit. Der Ausgangsbegrenzer 210 verwendet ein oberes Limit sowie als unteres Limit das von dem Begrenzer 208 bereitgestellte Regelsignal 228.
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Der anhand der Figuren beschriebene Ansatz hat als Ziel die Spannung auf ein erlaubtes Maß zu begrenzen. Als Variante kann das Verfahren in ähnlicher Weise angewandt werden, um Informationen über den Zustand von Batterie und Bordnetz nicht nur zur Begrenzung sondern zur Regelung der Bordnetzspannung zu verwedenden. Die von außen vorgegebene Sollgröße wäre in diesem Fall kein Wunschdrehmoment sondern eine gewünschte DC-Spannung.
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Aus der aktuellen Spannung und dem aktuellen DC-Strom, bzw. aus einer Änderung des DC-Stroms und der zugehörigen Änderung der Spannung, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer geeigneten Software des elektrisch unterstützten Turboladers der Innenwiderstand der Batterie inklusive des Leitungswiderstandes von der Batterie zur elektrischen Maschine berechnet. Der Wert kann zu Diagnosezwecken herangezogen werden. Um eine möglichst präzise Berechnung zu erzielen, wird dem elektrisch unterstützten Turbolader z.B. via CAN, Flexray, o.ä. gemäß einem Ausführungsbeispiel mitgeteilt, ob andere Komponenten am selben Bordnetz aktiv sind. Die Berechnung des Widerstandswertes findet dann statt, wenn der elektrisch unterstützte Turbolader gerade die einzig aktive Komponente ist. Weitere Diagnosen, die in ähnlicher Art und Weise durchgeführt werden, sind realisierbar.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer einen Turbolader und eine elektrische Maschine umfassenden Turboladereinrichtung für ein Fahrzeug. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung einer anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung umgesetzt werden.
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In einem Schritt 501 werden mehrere Signale, insbesondere ein Bordnetzspannungssignal, das eine aktuelle Bordnetzspannung eines Bordnetzes des Fahrzeugs repräsentiert, ein Grenzwertsignal, das einen Grenzwert für die Bordnetzspannung repräsentiert, ein Betriebsgrößensignal, das einen Sollwert für eine Betriebsgröße der elektrischen Maschine repräsentiert, ein Limitsignal, das ein Limit für die Betriebsgröße repräsentiert, und optional zumindest ein Zustandssignal eingelesen, das einen Zustand des Bordnetzes oder einer Batterie zum Bereitstellen der Bordnetzspannung repräsentiert.
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In einem Schritt 503 wird unter Verwendung der im Schritt 501 eingelesenen Signale ein Einstellsignal zum Einstellen der Betriebsgröße bestimmt.
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Optional wird das im Schritt 505 bestimmte Einstellsignal verwendet, um die Betriebsgröße der elektrischen Maschine einzustellen. Ebenso optional umfasst das Verfahren einen Schritt 507 in dem zumindest das Limitsignal ermittelt wird. Die Schritte 501, 503, 505, 507 werden wiederholt ausgeführt, um einen Betrieb der elektrischen Maschine kontinuierlich regeln zu können.
