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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Fahrzeug, wobei die Maschine wahlweise in einem drehmomentbasierten oder einem drehwinkelbasierten Steuermodus betrieben werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuervorrichtung, welche zum Ausführen des Verfahrens ausgebildet ist, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Steuervorrichtung.
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Rein elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge verfügen zum Antrieb ausschließlich über Elektromotoren. Hybridfahrzeuge verfügen zum Antrieb neben zumindest einer elektrischen Maschine zusätzlich über einen Verbrennungsmotor.
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Grundsätzlich ist sowohl bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen als auch bei Hybridfahrzeugen ein bestmöglicher Fahrkomfort wünschenswert.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerverfahren bzw. ein Regelverfahren sowie eine entsprechende Steuervorrichtung bzw. Regelvorrichtung für ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen, mittels dessen der Fahrkomfort verbessert werden kann. Eine weitere Aufgabe ist in der Bereitstellung eines Fahrzeugs mit zumindest einem elektrischen Antrieb zu sehen, welches sich durch einen verbesserten Fahrkomfort auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer elektrischen Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs gemäß dem Anspruch 1, wird die elektrische Maschine bei Erfüllung zumindest einer Bedingung zum Antrieb des Fahrzeugs in einem drehwinkelbasierten Steuermodus gesteuert bzw. geregelt und ansonsten in einem drehmomentbasierten Steuermodus gesteuert bzw. geregelt.
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Elektromotoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen wurden zur Fortbewegung des Fahrzeugs bisher in einem drehmomentgeregelten Steuermodus betrieben. Dabei ermittelt z.B. eine übergeordnete Antriebssteuereinheit einen Sollwert für das Drehmoment, welcher dann durch eine untergeordnete Steuerungseinheit des Elektromotors durch entsprechende Bestromung des Elektromotors umgesetzt wird. Sollwerte und sonstige Informationen werden zwischen diesen Steuerungen üblicherweise über ein Bussystem ausgetauscht (z.B. CAN-Bus oder FlexRay-Bus). Dieser drehmomentbasierte Steuermodus ist insbesondere vorteilhaft bei nennenswerter Geschwindigkeit des Fahrzeugs und nennenswerter Drehzahl der antreibenden elektrischen Maschine(n). Eine exakte Steuerung der Bewegung des Fahrzeuges und insbesondere eine exakte Positionierung des Fahrzeugs an einer gewünschten Position bei geringer Geschwindigkeit kann jedoch schwierig sein, da sich in diesem Fall unterschiedliche Regelprozesse überlagern (Geschwindigkeitsregelung/Positionsregelung überlagern die Drehmomentregelung). Dies ist beispielweise problematisch bei sich änderndem Untergrund oder kleinen Hindernissen, oder bei einer Bewegung des Fahrzeugs aus dem Stillstand heraus, wo Losbrechmomente wirken. Eine exakte Steuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten und die exakte Positionierung des Fahrzeuges kann jedoch von besonderer Bedeutung sein:
- - bei Ein- und Ausparksituationen oder anderen Rangiersituationen, z.B. mit Unterstützung durch eine Fahrerassistenzfunktion.
- - beim (teil-)automatisierten Positionieren des Fahrzeugs relativ zu einer Ladeeinheit, insbesondere einer kontaktlos betriebenen Ladeeinheit, denn hier ist eine präzise Positionierung entscheidend für die effektive Energieübertragung mit hohem Wirkungsgrad...
- - beim (teil-)automatisierten Positionieren des Fahrzeugs relativ zu einer Service-Einrichtung, z.B. für einen automatisierten Batterietausch oder für das Positionieren auf einer Hebebühne.
- - beim Anhalten des Fahrzeuges oder Losfahren des Fahrzeugs mit geringem Drehmomentwunsch, beispielsweise sogenanntes „Kriechen“ ohne aktiven Fahrerwunsch, insbesondere auf Steigungen.
- - beim Halten des Fahrzeuges an einer Steigung oder in der Ebene, insbesondere, wenn Kräften auf das Fahrzeug wirken, die das Fahrzeug in Bewegung versetzen könnten, z.B. Wind.
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Gemäß Anspruch 1 wird die zumindest eine elektrische Maschine in zumindest zwei unterschiedlichen Steuermodi bzw. Regelmodi betrieben, einem drehmomentgeregelten Modus und einem drehwinkelgeregelten Modus. Die Steuerung der elektrischen Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus erfolgt bei Erfüllung zumindest einer vorgegebenen Bedingung, welche z.B. repräsentativ ist für eine der oben genannten Fahrsituationen.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine basierend auf dem Drehwinkel einer Welle (z.B. der Abtriebswelle) der elektrischen Maschine. Im drehmomentbasierten Steuermodus erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine basierend auf dem von der elektrischen Maschine produzierten Drehmoment.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird im drehwinkelbasierten Steuermodus der Drehwinkel, die Drehwinkeländerungsrate (Drehwinkelgeschwindigkeit) oder die Drehzahl einer Welle der elektrischen Maschine als die zu steuernde bzw. regelnde Größe verwendet.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus wird also ein Soll-Drehwinkel, eine Soll-Drehwinkeländerungsrate oder eine Soll-Drehzahl als Sollgröße/Führungsgröße der Steuerung bzw. Regelung vorgegeben. Ein entsprechender Steuer- bzw. Regelalgorithmus stellt diese Sollwerte dann durch Eingriff auf die Regelgröße (z.B. die Stromzufuhr der elektrischen Maschine) entsprechend ein. Im drehwinkelbasierten Steuermodus greift die Steuerung des Elektromotors auf die Ausgangswert von Sensoren zu, welche die Drehwinkellage der Welle des Elektromotors widergeben. Diese Sensoren sind üblicherweise Sinus- und Cosinus-Sensoren, welche zumeist ohnehin vorhanden sind. Die schnelle Regelung in der Steuerung des Elektromotors ist in der Lage, z.B. die Änderungen des Rollwiderstandes oder unbekannte Hangabtriebskräfte besonders effektiv zu kompensieren.
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Es kann sich dabei um eine Steuerung (offener Regelkreis ohne Rückführgröße) oder um eine echte Regelung (geschlossener Regelkreis mit Rückführgröße) handeln. Im Unterschied dazu wird im drehmomentbasierten Steuermodus dem Regler bzw. der Steuerung ein Soll-Drehmoment vorgegeben, welches dann auch auf gleiche Art und Weise eingestellt wird.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus kann der Steuerung als Sollwert bzw. Führungsgröße auch eine gewünschte Soll-Drehwinkeländerung der Welle des Elektromotors vorgegeben werden, wobei sich die Drehwinkeländerung beispielsweise auf einen aktuell vorliegenden Referenzdrehwinkel der Welle bei Aktivierung des drehwinkelbasierten Steuermodus bezieht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird die elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus gesteuert, wenn die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird die elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus gesteuert, wenn eine Rangiersituation erkannt.
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Eine Rangiersituation wird beispielsweise erkannt, wenn der Fahrer die Rückfahrstufe des Getriebes wählt und die Geschwindigkeit sehr klein oder Null ist.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird die elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus gesteuert, wenn das Fahrzeug zumindest von einer Fahrerassistenzfunktion teilautomatisiert oder vollautomatisiert betrieben wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 handelt es sich bei einer ersten Fahrerassistenzfunktion um eine Fahrzeugpositionierfunktion, welche das Fahrzeug relativ zu zumindest einem Objekt außerhalb des Fahrzeugs und/oder an einer vorgegebenen Position teilautomatisiert oder vollautomatisiert positioniert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 7 handelt es sich bei einer zweiten Fahrerassistenzfunktion um eine Fahrzeughaltefunktion, welche das Fahrzeug an einer Steigung an einer konstanten Position ohne Zutun des Fahrzeugführers hält.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 8 handelt es sich bei einer dritten Fahrerassistenzfunktion um eine Anfahrhilfefunktion, welche das Anfahren des Fahrzeugs aus dem Stillstand bis zum Erreichen einer vorgegebenen Geschwindigkeit ohne Zutun des Fahrzeugführers steuert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9 wird die elektrische Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus gesteuert, wenn die Fahrgeschwindigkeit größer oder gleich dem Schwellenwert ist.
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Der drehmomentbasierte Steuermodus wird demnach für den Fahrbetrieb nur bei nennenswerten Fahrgeschwindigkeiten verwendet. Dagegen wird der drehwinkelbasierte Steuermodus vor allem in definierten Fahrsituationen aktiviert, bei denen entweder eine niedrige Fahrgeschwindigkeit, das Halten des Fahrzeuges im Stillstand oder eine Rangiersituation erkannt werden, oder das exakte Positionieren des Fahrzeugs erforderlich ist.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 10 weist das Fahrzeug einen mit der elektrischen Maschine trieblich koppelbaren und entkoppelbaren Verbrennungsmotor auf, wobei zur Steuerung der elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine trieblich entkoppelt werden.
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In Hybridfahrzeugen empfiehlt es sich, die elektrische Maschine vom Verbrennungsmotor trieblich zu entkoppeln, bevor die elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus betrieben wird. Die Kopplung/Entkopplung erfolgt beispielsweise mittels einer Trennkupplung. Ansonsten würden während der Bewegung des Fahrzeuges die Kompressions- bzw. Expansionskräfte der Zylinder des Verbrennungsmotors die drehwinkelbasierte Steuerung der elektrischen Maschine zusätzlich erschweren und zusätzlichen Energieaufwand erfordern. Die Entkopplung bietet auch den Vorteil, dass der Elektromotor z.B. während des Einparkens auch im rückwärtsdrehenden Betrieb arbeiten kann, was mit einem angekoppelten Verbrennungsmotor aus Gründen der Reibverhältnisse nicht zulässig ist. Vorwärts- und Rückwärtsfahren sind auf diese Weise kontinuierlich regelbar, ohne dass ein Getriebe zwischen einem Vorwärts- und Rückwärtsgang wechseln müsste. Das Verfahren kann so insbesondere bei einem P2-, P3- oder P4-Hybridantrieb mit entkoppeltem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Im Fall des P2-Hybrids kann dabei Vorwärts- und Rückwärtsfahren ohne Änderung des eingelegten Ganges im Getriebe erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 11 wird sowohl im drehmomentbasierten Steuermodus als auch im drehwinkelbasierten Steuermodus eine den Fahrerwunsch repräsentierende Größe berücksichtigt.
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Dies bedeutet, dass der Fahrerwunsch zur Ermittlung der entsprechenden drehwinkelbasierten Steuergröße bzw. Sollgröße (Drehwinkel, Drehwinkeländerung, Drehwinkeländerungsrate, Drehzahl) herangezogen wird. Dies ermöglicht z.B. die Steuerung der Geschwindigkeit durch den Fahrer auch im drehwinkelgesteuerten Modus. Eine den Fahrerwunsch repräsentierende Größe ist beispielsweise der Betätigungsgrad bzw. Betätigungswinkel des Fahrpedals. Im drehwinkelbasierten Steuermodus entspricht ein größerer Betätigungswinkel demnach einem größeren Soll-Drehwinkel oder einer größeren Soll-Drehwinkeländerung oder einer größeren Soll-Drehwinkeländerungsrate oder einer größeren Soll-Drehzahl, je nachdem, welche dieser drehwinkelbasierten Größen als Führungsgröße bzw. Sollgrößen für die Steuerung herangezogen werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 12 werden für einen Wechsel von dem drehmomentbasierten Steuermodus zum drehwinkelbasierten Steuermodus folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus,
- - Erfassen des aktuellen Werts einer Betriebsgröße der elektrischen Maschine, welche auf dem Drehwinkel der Welle basiert,
- - Wechsel von dem drehmomentbasierten Steuermodus zum drehwinkelbasierten Steuermodus, wobei als initialer Sollwert für die drehwinkelbasierte Steuerung der aktuelle Wert der Betriebsgröße verwendet wird.
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 13 werden für einen Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus,
- - Ermitteln des aktuellen Werts des von der elektrischen Maschine produzierten Drehmoments,
- - Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus, wobei als initialer Sollwert für die drehmomentbasierten Steuerung der aktuelle Wert des Drehmoments verwendet wird.
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus.
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Durch die Übergangsverfahren kann der Steuermodus nicht nur im Stillstand gewechselt werden, sondern auch während des Fahrbetriebs. So kann z.B. beim Anfahren am Berg zunächst der drehwinkelbasierte Modus (z.B. mit Winkeländerungsrate gleich Null) aktiviert werden und dann eine automatisierte Bremse gelöst werden, während die Drehwinkelsteuerung das Fahrzeug im Stillstand hält. Ferner kann im drehwinkelbasierten Steuermodus dabei bereits eine langsame Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges („Kriechen“) initiiert werden. Während des Kriechens, oder wenn der Fahrer durch Treten des Fahrpedals Drehmoment anfordert, kann dann auf die beschriebene Weise ein kontinuierlicher Übergang in den drehmomentbasierten Steuermodus erfolgen, ohne störendes Ruckeln durch Momentensprünge.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 14 wird vor dem Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus eine Größe erfasst, welche den Drehmomentwunsch des Fahrers repräsentiert, und daraus ein Wunschdrehmoment des Fahrers ermittelt, wobei der Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus erst dann erfolgt, wenn der Wert des Wunschdrehmoments den aktuellen Wert des von der elektrischen Maschine produzierten Drehmoments übersteigt.
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Eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs gemäß dem Anspruch 15 ist derart ausgestaltet ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführen kann.
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Dazu weist diese Vorrichtung insbesondere einen Mikroprozessor und ein Speicherelement auf und verfügt über passende und ausreichend viele Schnittstellen, um mit anderen Steuervorrichtungen, einer Energieversorgung, mit Sensoren und Aktuatoren datenübertragend verbunden zu werden. Ferner ist in der Steuervorrichtung das Verfahren in Form von Software implementiert und gespeichert. Es handelt sich demnach um eine Computerprogrammprodukt.
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Ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 16 weist zumindest eine elektrische Antriebsmaschine und zumindest einer Steuervorrichtung nach Anspruch 15 auf.
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Mit dieser Steuervorrichtung und diesem Fahrzeug kann ein besonders hoher Fahrkomfort erreicht werden, insbesondere eine sehr präzise Fahrzeugpositionierung, ein sehr präzises und komfortables Rangieren/Einparken sowie eine komfortable Haltefunktion an Steigungen.
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Insgesamt wird durch die Erfindung eine sehr schnelle interne Positionsregelung des Elektromotors und eine spürbar verbesserte Regelungsqualität erreicht. Es wird ein verbessertes Halten des Fahrzeugs im Stillstand (insbesondere am Hang) möglich, da die interne Positionsregelung des Elektromotors auf kleinste Winkeländerungen mit hoher Geschwindigkeit und z.B. ohne Verzögerungen durch Signalübertragung über ein Bussystem reagieren kann.
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Beim Anfahren am Hang erfolgt durch die drehwinkelbasierte Steuerung bzw. Regelung zunächst im Stillstand eine Ermittlung des Hangabtriebmoments, das als Startwert für die drehmomentbasierte Steuerung genutzt werden kann, ohne dass dabei eine nennenswerte Fahrzeugbewegung stattfindet.
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Durch die Möglichkeit eines kontinuierlichen Übergangs zwischen den beiden Steuermodi kann im allgemeinen Fahrbetrieb die dem Stand der Technik entsprechende drehmomentbasierte Steuerung unverändert verwendet werden, während in spezifischen Situationen die Vorteile der drehwinkelbasierten Steuerung genutzt werden können. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Steuervorrichtung
- 2 ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel eines in der Steuervorrichtung implementierten Steuerverfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs 100 schematisch dargestellt. Das Fahrzeug 100 ist als Hybridfahrzeug ausgestaltet. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug 100 zum Antrieb sowohl zumindest eine elektrischen Antriebsmaschine 200 als auch einen Verbrennungsmotor 300 aufweist. Die elektrische Maschine 200 enthält einen steuerbaren Inverter (nicht dargestellt) und ist über ein steuerbares Getriebe 400 (Automatikgetriebe) mit einer Antriebsachse 101 des Fahrzeugs trieblich koppelbar. Eine zweite Achse 102 des Fahrzeugs ist im Ausführungsbeispiel nicht angetrieben. Der Verbrennungsmotor 300 und die elektrische Maschine 200 sind über eine automatisierte Kupplung C0 wahlweise koppelbar oder entkoppelbar. Im gekoppelten Zustand (Kupplung C0 geschlossen) sind der Verbrennungsmotor 300 und die elektrische Maschine 200 drehmomentübertragend gekoppelt, wobei der Drehmomentfluss in beide Richtungen möglich ist. In diesem Zustand können sowohl der Verbrennungsmotor 300 und die elektrische Maschine 200 wahlweise einzeln oder zusammen Drehmoment an die Antriebsachse 101 übertragen oder durch die kinetische Fahrzeugenergie geschleppt werden. Die elektrische Maschine ist dazu ausgebildet, kinetische Fahrzeugenergie zu rekuperieren. Bei geöffneter Kupplung C0 sind der Verbrennungsmotor 300 und die elektrische Maschine 200 trieblich entkoppelt. In diesem Fall ist eine Drehmomentübertragung nur zwischen der elektrischen Maschine 200 und der Antriebsachse 101 möglich. Das Fahrzeug 100 kann sowohl vorwärts (Pfeil V) als auch rückwährts (Pfeil R) bewegt werden, sodass Rangiervorgänge möglich sind. In dem Fall, dass der Verbrennungsmotor 300 mit der Antriebsachse trieblich verbunden ist, muss für den Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb ein entsprechenden Schaltvorgang zwischen Vorwärtsgang und Rückwärtsgang im Getriebe 400 vorgenommen werden. Im dem Falls, dass nur die elektrische Maschine 200 mit der Antriebsachse gekoppelt ist, ist beim Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb kein Gangwechsel notwendig, da die elektrische Maschine 200 problemlos in entgegengesetzten Drehrichtungen betrieben werden kann, was beim Verbrennungsmotor 300 nicht der Fall ist.
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Die Steuerung des Getriebes 400 und der Kupplung C0 erfolgt durch eine Getriebesteuervorrichtung 401, welche auf entsprechende Aktuatoren zugreift.
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Die Steuerung des Verbrennungsmotors 300 erfolgt durch eine Motorsteuerung 301 (ECU).
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Die elektrische Maschine 200 wird von einem elektrischen Energiespeicher 500, z.B. Lithium-Ionen Akkumulator, mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuerung und Überwachung des elektrischen Energiespeichers 500 übernimmt ein Energiespeichersteuergerät 501.
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Das Fahrzeug weist ferner einen oder mehrere Umgebungssensoren 600 (Radar, Ultraschall, Infrarot, etc.) auf, um die Umgebung des Fahrzeugs zu überwachen und Objekte zu erkennen. Auch eine GPS-Einheit 700 zur Positionsermittlung ist vorgesehen.
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Ein Fahrer kann über den Betätigungsgrad eines Fahrpedals 800 einen Fahrerwunsch hinsichtlich der Fahrgeschwindigkeit äußern. Mittels eines Lenkrads 900 kann der Fahrer auch die Fahrtrajektorie beeinflussen. Dazu ist an der Antriebsachse 101 auch ein elektrisches Lenkgetriebe 1000 angeordnet, über welches der Einschlagswinkel der Fahrräder beeinflussbar ist.
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Das Fahrzeug weist eine eigene Steuereinheit 1100 mit implementierten Fahrerassistenzfunktionen auf. Diese Fahrerassistenzfunktionen übernehmen teilautomatisch (d.h. mit reduziertem Beitrag des Fahrers) oder vollautomatisch (ohne Beitrag des Fahrers) beispielsweise folgende Aufgaben:
- - Einparken,
- - Rangieren,
- - Positionieren des Fahrzeugs relativ zu einem Objekt, wie beispielsweise einer Ladesäule oder einer induktiven Ladeplattform, oder einer Batteriewechselstation
- - Halten des Fahrzeugs an einer konstanten Position, auch an Steigungen,
- - Anfahren des Fahrzeugs aus dem Stillstand, auch an Steigungen.
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Dazu ist die Steuereinheit 1100 mit den Umgebungssensoren 600 und der GPS-Einheit 700 datenübertragend verbunden.
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Das Fahrzeug 100 weist eine zentrale Steuereinheit 1200 auf, welche mit allen anderen Steuerungen, Einheiten und Sensoren datenübertragend verbunden ist. Auch Steuerbefehle können übertragen werden. Insbesondere ist die zentrale Steuereinheit 1200 mit dem Fahrpedal 800, der GPS-Einheit 700, der Steuereinheit mit den Fahrerassistenzfunktionen 1100, dem Lenkrad 900, dem Energiespeichersteuergerät 501, dem Getriebesteuergerät 401, dem Motorsteuergerät 301 und der elektrischen Maschine 200 verbunden.
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Über die zentrale Steuereinheit 1200 hat die Steuereinheit 1100 Einfluss auf das Lenkgetriebe 1000, die elektrischen Maschine 200, die Motorsteuerung 301 und die Getriebesteuerung. Ferner kann die Steuereinheit 1100 Einfluss nehmen auf die Stellung des elektrischen Lenkgetriebes. Damit ist die Steuereinheit 1200 bzw. die darin implementierten Fahrerassistenzfunktionen in der Lage, die weiter oben genannten Assistenzfunktionen teilautonom (d.h. mit reduziertem Beitrag des Fahrers) oder vollautonom (ohne Beitrag des Fahrers) durchzuführen.
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Die zentrale Steuereinheit 1200 ist dazu ausgebildet, die elektrische Maschine 200 wahlweise in einem drehwinkelbasierten Steuermodus oder in einem drehmomentbasierten Steuermodus zu steuern bzw. zu regeln. Im Folgenden ist unter dem Begriff „Steuern“ sowohl eine offene Regelung ohne Rückkopplung (klassische Steuerung) als auch eine geschlossene Regelung mit Rückkopplung (klassische Regelung) zu verstehen. Beide Alternativen sind möglich.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine 200 basierend auf dem Drehwinkel einer Welle 201 (z.B. der Abtriebswelle) der elektrischen Maschine 200. Im drehmomentbasierten Steuermodus erfolgt die Steuerung der elektrischen Maschine 200 basierend auf dem von der elektrischen Maschine 200 produzierten Drehmoment. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 200 wird durch die zentrale Steuereinheit 1200 basierend auf Spulenströmen der elektrische Maschine 200 ermittelt.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus kann der Drehwinkel, die Drehwinkeländerungsrate (Drehwinkelgeschwindigkeit) oder die Drehzahl einer Welle der elektrischen Maschine als die zu steuernde bzw. regelnde Größe verwendet werden. Der Drehwinkel wird von einem nicht dargestellten Drehwinkelsensor ermittelt.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus wird ein Soll-Drehwinkel, eine Soll-Drehwinkeländerungsrate oder eine Soll-Drehzahl als Sollgröße/Führungsgröße der Steuerung bzw. Regelung vorgegeben. Eine entsprechender Steuer- bzw. Regelalgorithmus stellt diese Sollwerte dann durch Eingriff auf die Regelgröße (z.B. die Stromzufuhr der elektrischen Maschine) entsprechend ein. Im drehwinkelbasierten Steuermodus greift die Steuerung der elektrischen Maschine 200 auf die Ausgangswerte von Sensoren (nicht dargestellt) zu, welche die Drehwinkellage der Welle 201 der elektrischen Maschine 200 widergeben. Diese Sensoren sind üblicherweise Sinus- und Cosinus-Sensoren, welche zumeist ohnehin vorhanden sind. Die schnelle Regelung in der Steuerung des Elektromotors ist in der Lage, z.B. die Änderungen des Rollwiderstandes oder unbekannte Hangabtriebskräfte besonders effektiv zu kompensieren.
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Im drehwinkelbasierten Steuermodus kann der Steuerung als Sollwert bzw. Führungsgröße auch eine gewünschte Soll-Drehwinkeländerung der Welle des Elektromotors vorgegeben werden, wobei sich die Drehwinkeländerung auf einen aktuell vorliegenden Referenzdrehwinkel der Welle bei Aktivierung des drehwinkelbasierten Steuermodus bezieht.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens für das Fahrzeug 100 wird mit Bezug auf 2 beschrieben. Das Steuerverfahren ist in der zentralen Steuereinheit 1200 in Form von Software implementiert. Das Verfahren startet mit Schritt 100, beispielsweise beim Start des Fahrzeugs durch den Fahrer.
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In einem Schritt 200 wird geprüft, ob zumindest eine der folgenden vorgegebenen Bedingungen erfüllt ist:
- - Die Fahrgeschwindigkeit ist unterhalb einem vorgegebenen Schwellenwert, z.B. 10 km/h.
- - Eine Fahrerassistenzfunktion ist aktiviert, z.B. automatisches Halten des Fahrzeugs an einer Steigung oder in der Ebene, automatisches Positionieren des Fahrzeugs gegenüber einem Objekt (z.B. Ladesäule oder Tanksäule) außerhalb des Fahrzeugs, automatisches Positionieren des Fahrzeugs an einer vorgegebenen Position (z.B. in einer Parklücke), automatisches Anfahren an einer Steigung oder in der Ebene. Dabei kann die Aktivierung der Fahrerassistenzfunktion entweder ohne Fahrereingriff oder mit Fahrereingriff erfolgen.
- - Erkennen einer Rangiersituation, beispielswiese wenn der Rückwärtsgang eingelegt ist, das Lenkrad gedreht wird und die Fahrgeschwindigkeit unter dem Schwellenwert liegt.
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Falls in Schritt 200 zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist, so wird in Schritt 300 in den drehwinkelbasierten Steuermodus geschalten und die weitere Steuerung der elektrischen Maschine 200 erfolgt im drehwinkelbasierten Steuermodus. Gleichzeitig wird die Kupplung CO geöffnet, um den Verbrennungsmotor 300 von der elektrischen Maschine 200 zu trennen.
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Während die elektrische Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus gesteuert wird, wird In Schritt 300 kontinuierlich geprüft, ob die zumindest eine Bedingung weiterhin erfüllt ist. Falls ja, wird der drehwinkelbasierte Steuermodus weiter aufrechterhalten. Falls nein, so wird ein Übergang in den drehmomentbasierten Steuermodus 500 durchgeführt. Dieser Übergang findet zwingend statt, wenn die Fahrgeschwindigkeit größer oder gleich dem Schwellenwert ist.
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Die elektrische Maschine wird auch dann im drehmomentbasierten Steuermodus gesteuert, falls im Schritt 200 keine der genannten Bedingungen erfüllt ist. In diesem Fall geht das Verfahren von Schritt 200 direkt zu Schritt 500.
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Die elektrische Maschine wird nun solange im drehmomentbasierten Steuermodus gesteuert, bis wiederrum im Schritt 200 erkannt wird, dass zumindest einer der Bedingungen erfüllt ist.
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Für einen Wechsel von dem drehmomentbasierten Steuermodus zum drehwinkelbasierten Steuermodus werden zusätzlich folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt:
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus,
- - Erfassen des aktuellen Werts der Betriebsgröße der elektrischen Maschine 200, welche der Führungsgröße der drehwinkelbasierten Steuerung entspricht, z.B. Drehwinkel, Drehwinkeländerung, Drehwinkeländerungsrate,
- - Wechsel von dem drehmomentbasierten Steuermodus zum drehwinkelbasierten Steuermodus, wobei als initialer Sollwert für die drehwinkelbasierte Steuerung der aktuelle Wert der Betriebsgröße verwendet wird.
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus.
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Für einen Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus werden zusätzlich folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehwinkelbasierten Steuermodus,
- - Ermitteln des aktuellen Werts des von der elektrischen Maschine produzierten Drehmoments, z.B. durch Auswerten des der elektrischen Maschine zugeführten Stroms,
- - Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus, wobei als initialer Sollwert für die drehmomentbasierten Steuerung der aktuelle Wert des Drehmoments verwendet wird.
- - Steuern der elektrischen Maschine im drehmomentbasierten Steuermodus.
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Vor dem Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus kann eine Größe erfasst werden, welche den Drehmomentwunsch des Fahrers repräsentiert, z.B. den Betätigungsgrad des Fahrpedals 800. Daraus wird ein Wunschdrehmoment des Fahrers ermittelt. Der Wechsel von dem drehwinkelbasierten Steuermodus zum drehmomentbasierten Steuermodus erfolgt erst dann, wenn der Wert des Wunschdrehmoments den aktuellen Wert des von der elektrischen Maschine produzierten Drehmoment übersteigt.
