DE102021210071A1

DE102021210071A1 - Steuereinheit für einen Antrieb und Antrieb mit einer Steuereinheit

Info

Publication number: DE102021210071A1
Application number: DE102021210071.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Oschmann; Botond Szeles; Joerg Spang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-03-16
Also published as: CN118019931A; WO2023036674A1

Abstract

Offenbart ist eine Steuereinheit für einen Antrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler hat, eingerichtet mit einem Modell über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist.Offenbart ist zudem ein Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine, wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler und mit einer derartigen Steuereinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie einen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Ein gattungsgemäßer Antrieb hat eine Verbrennungskraftmaschine und einen oder mehrere davon antreibbare Leistungswandler. Der Antrieb kann beispielsweise als Fahrantrieb ausgebildet sein, wobei die Verbrennungskraftmaschine insbesondere im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen als Dieselmotor und die Leistungswandler als Hydromotoren oder Hydrozylinder ausgestaltet sind.
Zur Leistungslimitierung derartiger Antriebe mit Verbrennungskraftmaschinen als primärer Leistungsquelle kennt der Stand der Technik eine rein drehzahlbasierte Limitierung, wobei die Ist-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mit der Soll-Drehzahl verglichen wird und basierend auf dem Unterschied oder Verhältnis der beiden die Stellgrößen der Leistungswandler, beziehungsweise -abnehmer, limitiert werden.
Nachteilig an dieser Lösung ist eine Neigung zur Schwingung, da eine solche reine Regelung ohne jeglichen Vorsteuerungs-Anteil ausgeführt wird.
Eine andere Lösung nutzt die Bestimmung eines maximal möglichen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl, wobei in Folge dieses maximal mögliche Drehmoment als Führungsgröße für die Leistungslimitierung der Leistungswandler/-abnehmer verwendet wird.
Nachteilig ist, dass die zur Bestimmung herangezogene Drehmomenthüllkurve nur für einen stationären bis quasistationären Zustand der Verbrennungskraftmaschine gilt, nicht aber für dynamischere Belastungswechsel, wenn die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise bei niedriger Leistungsaufnahme relativ schnell belastet wird. Daher ist zur Leistungsbegrenzung weiterhin der Bezug zur vorgenannten drehzahlbasierten Limitierung nötig.
Eine weitere Möglichkeit ist die Berechnung des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmomentes, beispielsweise basierend auf mittels dem Netzwerkprotokoll SAE J1939 mittels CAN-Bus zur Verfügung stehender Informationen der Verbrennungskraftmaschine. Dies sind insbesondere: das aktuelle Prozent-Drehmoment, das Referenz-Drehmoment und die Prozent-Last bei aktueller Drehzahl.
Zwar ist diese Lösung auch für dynamische Belastungsänderungen geeignet, jedoch ist die Signalgüte der Informationen häufig nicht ausreichend. So kann dieses Verfahren entweder gar nicht oder nur mit zusätzlicher und aufwendiger Verarbeitung der ermittelten Führungsgröße (begrenztes Drehmoment) verwendet werden. Hierbei eingesetzte, spezielle Algorithmen erweisen sich als teilweise instabil.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Steuereinheit für einen Antrieb zu schaffen, über die die Leistung der Verbrennungskraftmaschine ausschöpfbar und die Leistungsaufnahme von Leistungswandlern oder -abnehmern stabiler begrenzbar ist. Zudem besteht die Aufgabe darin, einen Antrieb mit Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, deren Leistung ausschöpfbar und die Leistungsaufnahme von Leistungswandlern oder -abnehmern stabiler begrenzbar ist.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Eine Steuereinheit ist für einen Antrieb vorgesehen, insbesondere für den Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren, insbesondere hydraulischen Leistungswandler hat. Dabei ist die Steuereinheit mit einem Modell eingerichtet, insbesondere mit einem Modell der Verbrennungskraftmaschine, über das ein von dem oder den Leistungswandlern aktuell angefordertes Drehmoment auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist. Das Drehmoment ist beispielsweise von einem Bedienpersonal, beispielsweise mittels Auslenkung eines Bedienelementes (Joystick), oder von einer Maschinensteuerung anforderbar. Erfindungsgemäß hat das Modell ein dynamisches Teilmodell, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, über das zumindest in Abhängigkeit einer jeweils aktuellen Drehzahl und Belastung der Verbrennungskraftmaschine ein von dieser zu einem zukünftigen Zeitpunkt, also einem minimal späteren als dem aktuellen Zeitpunkt, bereitstellbares Drehmoment ermittelbar ist. In Abhängigkeit von dem ist dann wiederum das genannte Grenz-Drehmoment ermittelbar.
Diese modellbasierte Abbildung der dynamischen Entwicklung des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine stellt die Ausnutzung der maximal möglichen Leistung bei gewünschter Verbrennungsmotordrehzahl sicher, ohne unerwünschte Drehzahleinbrüche. Dies ist vor allem bei Dieselmotoren ab Stufe Tier4 interim vorteilhaft, da diese oft über eine nur geringe Drehmomentenreserve und strikte Vorgaben bezüglich der erlaubten Drehzahl-Drückung verfügen und dadurch eine genaue und stabile Leistungslimitierung der Leistungswandler, beziehungsweise Leistungsabnehmer erforderlich ist.
Die Abbildung des dynamischen Verhaltens der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht es, eine drehzahlbasierte Regelung des Leistungslimits zu reduzieren, ja sogar zu vermeiden. Die eingangs genannte, drehzahlbasierte Limitierungsregelung ist vorzugsweise deshalb zu vermeiden, weil deren Regelkreis gegenüber einer internen Drehzahlreglung der Verbrennungskraftmaschine aufschwingen kann.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit ermöglicht somit eine schnelle, stetige und stabile Ermittlung des zur Verfügung stehenden Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine als Führungsgröße zur Leistungslimitierung der Leistungswandler, -abnehmer, ohne dass dabei unangenehme oder abrupte Änderungen der Drehzahl, oder gar ein „Abwürgen“, auftritt.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit das Grenz-Drehmoment als Führungsgröße für die Limitierung der Leistungsaufnahme des oder der Leistungswandler ermittelbar. Alternativ kann eine solche Führungsgröße über die Steuereinheit aus dem Grenz-Drehmoment ermittelt werden. Insbesondere ist dies der Fall, wenn mehrere Leistungswandler angetrieben werden. Dann muss das ermittelte Grenz-Drehmoment über die Steuereinheit zunächst auf die Leistungswandler „verteilt“ werden, es wird also pro Leistungswandler ein individuelles Grenz-Drehmoment ermittelt In Abhängigkeit der jeweiligen Führungsgröße ist dann der jeweilige Leistungswandler steuerbar, insbesondere vorsteuerbar, um seine Leistungsaufnahme zu begrenzen. Durch eine derartige Vorsteuerung kann eine Regelung der Leistungsaufnahme des betreffenden Leistungswandlers minimiert oder sogar überflüssig werden.
Zur konkreten Ansteuerung des Leistungswandlers ist in einer Weiterbildung über die Steuereinheit ein Sollwert einer Stellgröße des Leistungswandlers ermittelbar, von der dessen Drehmoment abhängt. Im Falle eines als volumenverstellbare Hydromaschine ausgebildeten Leistungswandlers ist eine solche Stellgröße beispielsweise das Verdrängungsvolumen.
In einer Weiterbildung hat die Steuereinheit ein erstes statisches, stationäres oder quasistationäres Teilmodell, insbesondere ein Kennfeld, über das ein erstes aktuell maximal erlaubtes Drehmoment, insbesondere in Abhängigkeit zumindest der aktuellen Drehzahl und Belastung, insbesondere des aktuellen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine, ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist über das dynamische Teilmodell das zukünftig bereitstellbare Drehmoment in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments ermittelbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist über das dynamische Teilmodell das zukünftig bereitstellbare Drehmoment in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments mittels einem Verzögerungsglied n-ter Ordnung, insbesondere zweiter Ordnung, ermittelbar. Vorzugsweise ist eine dynamische Rampenlimitierung vorgesehen.
Vorzugsweise ist Eingangssignalen der jeweiligen Modelle eine Glättung, insbesondere ein Filter, insbesondere mit PT-1 Charakteristik vorgeschaltet.
In einer Weiterbildung hat das dynamische Teilmodell wenigstens einen über die Steuereinheit periodisch oder wiederkehrend aktualisierbaren Eingang, wobei das zukünftig bereitstellbare Drehmoment, insbesondere in gleichem Intervall, aktualisierbar ermittelbar ist. Vorzugsweise steht an diesem Eingang das erste aktuell maximal erlaubte Drehmoment an.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist über die Steuereinheit das erste aktuell maximal erlaubte Drehmoment über die Steuereinheit periodisch oder wiederkehrend aktualisierbar, vorzugsweise mit der gleichen Periode oder zu den gleichen Aktualisierungszeitpunkten wie der Eingang des dynamischen Teilmodells.
In einer Weiterbildung ist die genannte Verzögerung änderbar oder variabel vorgesehen, insbesondere von einem aktuellen Zeitpunkt zu einem zukünftigen oder von einer Aktualisierung zu einer nächsten.
In einer Weiterbildung weist das Modell ein zweites statisches Teilmodell eines zweiten aktuell maximal erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur, ein drittes statisches Teilmodell, insbesondere einer Drehmomenthüllkurve, eines dritten maximal erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl, und/oder ein Referenz-Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine auf, in Abhängigkeit von dem oder denen das zukünftig bereitstellbare Drehmoment aufs Grenz-Drehmoment begrenzbar ist.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit in Abhängigkeit von insbesondere über CAN-Bus/J1939 bereitstellbaren Informationen der Verbrennungskraftmaschine ein aktuell theoretisch maximal nutzbares Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Kombinationseinrichtung vorgesehen, über die in Abhängigkeit des begrenzten oder unbegrenzten, zukünftig bereitstellbaren Drehmoments und des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmoments ein Hybrid-Drehmoment ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Auswahleinrichtung vorgesehen, über die das begrenzte oder unbegrenzte, zukünftig bereitstellbare Drehmoment, das aktuell theoretisch maximal nutzbare Antriebsmoment und das Hybrid-Drehmoment einzeln auswählbar ist, wobei in Abhängigkeit der Auswahl das Grenz-Drehmoment ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Summationseinrichtung vorgesehen, über die eine Summe aus der Auswahl und einem anforderbaren oder abgebbaren Drehmoment wenigstens eines nebengeordneten Leistungswandlers und/oder einem Drehmoment eines Schwungmassenmodells der Verbrennungskraftmaschine bildbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Überlastungsschutzeinrichtung für die Verbrennungsmaschine vorgesehen, über die das Grenz-Drehmoment auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment derart reduzierbar ist, dass die zulässige Drückung unterschritten ist.
Vorzugsweise weist die Überlastungsschutzeinrichtung einen PI-Regler auf und die zulässige Drückung der Verbrennungskraftmaschine ist jeweils separat für einen P-Regleranteil und für einen I-Regleranteil des PI-Reglers, in Abhängigkeit einer Soll-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine verfügbar.
In einer Weiterbildung ist der PI-Regler in Abhängigkeit der aktuellen Belastung, insbesondere des aktuellen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine aktivierbar, beziehungsweise deaktivierbar, damit eine erste Belastung der Verbrennungskraftmaschine möglich ist und die Leistungswandler, -abnehmer möglichst dynamisch beschleunigen zu können.
In einer Weiterbildung hat ein I-Regleranteil des PI-Reglers Regelparameter, die von einem Gradienten der aktuellen Drehzahl abhängig sind oder einstellbar sind. Die unterschiedlichen Regelparameter ermöglichen so, je nach Drehzahländerungsrichtung, eine Reduzierung des Soll-Drehmomentes ohne Schwingungen, bei kontinuierlicher, maximal möglicher Belastung der Verbrennungskraftmaschine.
In einer Weiterbildung ist die Überlastungsschutzeinrichtung bei einer Leerlaufdrehzahl inaktivierbar oder inaktiv und oberhalb einer aktuellen Soll-Drehzahl aktivierbar oder aktiv.
In einer Weiterbildung ist eine Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung vorgesehen, über die eine aktuelle Soll-Drehzahl in Abhängigkeit einer Änderung des aktuell angeforderten Drehmoments übersteuerbar ist.
Ein Antrieb, insbesondere ein Fahrantrieb, Arbeitsantrieb oder Fahr- und Arbeitsantrieb einer mobilen Arbeitsmaschine, hat eine Verbrennungskraftmaschine, von der wenigstens ein Leistungswandler, -teilnehmer oder -abnehmer antreibbar, insbesondere angetrieben ist. Er hat zudem eine Steuereinheit, die insbesondere nach wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist, mit einem Modell der Verbrennungskraftmaschine, über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist. Erfindungsgemäß ist ein dynamisches Teilmodell der Verbrennungskraftmaschine beinhaltet, über das in Abhängigkeit zumindest einer aktuellen Belastung und einer aktuellen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz-Drehmoment ermittelbar ist.
Im Folgenden wird je ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs und einer erfindungsgemäßen Steuereinheit in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schema eines Antriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 ein Schema einer Steuereinheit des Antriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 ein Schema eines in der Steuereinheit abgelegten Modells zur Ermittlung einer Drehmomentgrenze der Verbrennungskraftmaschine als Führungsgröße für angetriebene Leistungswandler,
4 ein statisches Eingangsmodell des dynamischen Modells gemäß 3,
5 ein Diagramm eines zukünftig von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Drehmoments in Abhängigkeit eines aktuell erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine,
6 eine Kombinationslogik zur Verrechnung statischer und dynamischer Teilmodelle,
7 ein Schema einer Überlastungsschutzeinrichtung der Verbrennungsmaschine, und
8 ein Diagramm mit zeitabhängigen Verläufen von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine und eines als Hydropumpe ausgebildeten Leistungswandlers ohne und mit eingreifender Soll-Drehzahl Übersteuerungseinrichtung.

Gemäß 1 hat ein Antrieb 1 eine Verbrennungskraftmaschine 2 und mehrere davon angetriebene Leistungswandler 4, 6. Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist beispielsweise eine Antriebsmaschine einer mobilen Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) und als Dieselmotor ausgestaltet. Mit dessen Antriebswelle gekoppelt sind Triebwellen der Leistungswandler 4, 6. Im Falle der mobilen Arbeitsmaschine sind die Leistungswandler 4, 6 beispielsweise Hydromaschinen, die vorzugsweise im Pumpenbetrieb arbeiten, um wiederum hydraulische Verbraucher, wie beispielsweise Hydraulikzylinder oder -motoren, anzutreiben. Die Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 2 kann insbesondere bei Unterversorgung, wenn die von den Leistungswandlern 4, 6 benötigte oder angeforderte Leistung nicht vollständig von der Verbrennungskraftmaschine 2 gedeckt werden kann, über einen Leistungsmanager des Antriebes auf die Triebwellen der Leistungswandler 4, 6 distribuiert werden. Hierzu ist sowohl mit der Verbrennungskraftmaschine 2, als auch mit den Leistungswandler 4, 6 eine Steuereinheit 8 über einen CAN-Bus 10 signalverbunden.
2 zeigt ein detaillierteres Schema der Steuereinheit 8 gemäß 1, die einerseits an den CAN-Bus 10 und andererseits an weitere Maschinensteuerungsfunktionen 12 angebunden ist. Um eine Überlastung zu vermeiden und insbesondere ein „Abwürgen“ der Verbrennungskraftmaschine 2 bei stark steigender Leistungsaufnahme oder -anforderung der Leistungswandler 4, 6 zu verhindern, ist eine Drehmomentermittlungseinrichtung 14 zur modellbasierten Ermittlung eines von der Verbrennungskraftmaschine 2 bereitstellbaren Grenz-Drehmoments M_{Mdl Grenz} beinhaltet.
Das Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz} geht gemäß 2 in eine im gezeigten Ausführungsbeispiel optionale Überlastungsschutzeinrichtung 16 ein und kann dort weiter auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment M_{MdlGrenz red} abgesenkt werden, sodass eine zulässige Drehzahl-Drückung Δn_lim noch sicherer unterschritten bleibt.
Zusätzlich ist eine im gezeigten Ausführungsbeispiel optionale Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 vorgesehen, über die eine aktuelle Soll-Drehzahl n_{akt soll} der Verbrennungskraftmaschine 2 in Abhängigkeit einer Änderung des aktuell angeforderten Drehmoments ΔM_{akt soll} übersteuerbar ist. Auch dies dient dem Zweck, die zulässige Drückung Δn_lim zuverlässig nicht zu überschreiten und zudem gering zu halten.
Die Steuereinheit 8 hat einen Leistungsmanager 20, um das mittels der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 und der Überlastungsschutzeinrichtung 16 ermittelte, reduzierte Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz red} auf die Leistungsteilnehmer 4, 6 zu distribuieren. Ohne die zuvor erwähnte, optionale Überlastungsschutzeinrichtung 16 würde am Leistungsmanager 20 das Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz} als Eingangsgröße anstehen.
3 zeigt den Aufbau der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 im Detail. Eingänge sind dabei zumindest die aktuellen Werte der Drehzahl n_akt, des Drehmoments M_akt und der Betriebstemperatur T_akt der Verbrennungskraftmaschine 2, sowie das gemäß Netzwerkprotokoll SAE J193 vom CAN-Bus 10 bereitgestellte, aktuelle Prozent-Drehmoment M_akt, Referenz-Drehmoment M_Ref und die Prozent-Last bei aktueller Drehzahl L_akt. Über im Ausführungsbeispiel jeweils als PT-1 Glied ausgebildete Filter 20, 22, 24 werden dabei die Eingänge M_akt und L_akt geglättet.
Eingangsseitig weist die Drehmomentermittlungseinrichtung 14 zwei Abschnitte oder Teilmodelle 26, 28 auf. Ein erstes Teilmodell 26 dient gemäß 3 der Berechnung des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmomentes M_{akt th max nutz}, basierend auf den genannten, mittels Netzwerkprotokoll SAE J1939 über den CAN-Bus 10 zur Verfügung gestellten Informationen der Verbrennungskraftmaschine 2. Das zweite Teilmodell 28 dient der dynamischen, modellbasierten Ermittlung eines Drehmomentes M_Mdl für einen minimal, ca. 50 - 400 msec, späteren Zeitpunkt in Abhängigkeit der aktuellen Werte n_akt, M_akt, T_akt. Das aktuelle Drehmoment M_akt stellt dabei für sich alleine genommen oder zusammen mit der aktuellen Drehzahl n_akt ein Maß für die aktuelle Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 dar.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 gehen die beiden Ausgänge M_{akt th max nutz} und M_Mdl der Abschnitte 26, 28 in eine optional vorgesehene Kombinationseinrichtung 30 gemäß 6 ein, über die aus beiden ein „Hybrid-Drehmoment“ M_Hyb ermittelbar ist. In dessen Ermittlung geht insbesondere eine Rampenfunktion des Luftsystems ein. Die Eingangssignale M_{akt th max nutz} und M_Mdl durchlaufen dabei jeweils einen Filter, insbesondere PT-1 -Filter 38, 40, und in Folge eine Ableitung 42, 44. Die Ableitung 44 des Eingangssignals M_Mdl wird mittels einem größer-gleich-Vergleich mit einem minimalen Gradienten dM_{Mdl min} des Eingangssignals M_Mdl verglichen. Die Ableitung 42 des Eingangssignals M_{akt th max nutz} wird mittels einem größer-gleich-Vergleich mit einem minimalen Gradienten dM_{nutz min} des Eingangssignals M_{akt th max nutz} und mittels einem kleiner-gleich-Vergleich mit dessen maximalem Gradienten dM_{nutz max} verglichen.
Die Ergebnisse der beiden letztgenannten Vergleiche werden gemäß 6 mit einer Und-Verknüpfung kombiniert und gehen in eine Oder-Verknüpfung mit dem Ergebnis des erstgenannten Vergleichs ein. Parallel dazu wird das kleinere der beiden Drehmomente M_{akt th max nutz} und M_Mdl von der Kombinationseinrichtung 30 ermittelt. Über einen Schalter 46 kann in Folge das als kleiner ermittelte der beiden Drehmomente M_akt _{th max nutz} und M_Mdl oder das modellbasiert ermittelte, verfügbare Drehmoment M_Mdl ausgewählt werden, wobei der Auswahl der aus der Oder-Verknüpfung hervorgehende Gradient aufgeschaltet ist. Die letztgenannte Auswahl geht dann in eine Rampenfunktion 48 ein, deren Ausgang schlussendlich das Hybrid-Drehmoment M_Hyb bildet.
Grundlegend ist das modellbasiert ermittelte, verfügbare Drehmoment M_Md, des Teilmodells 28 gemäß 3 in allen Betriebszuständen des Antriebes 1 ein stabiles Signal. Für die Fälle niedrigerer und demgegenüber höherer und maximaler Signalwechselhäufigkeit ist zudem eine variable Parametereinstellung der PT2-Charakteristik des dynamischen Teilmodells 18 vorgesehen. Aufgrund von Unterschieden zwischen den idealen Eigenschaften dieses Modells und realen Bedingungen eines ICE-Luftsystems der Verbrennungskraftmaschine 2, wie beispielsweise der Luftmenge und der Temperatur, insbesondere im Turbo, kann die Last der Verbrennungskraftmaschine 2 höher sein als vom ICE bewältigbar. In diesem Fall wird die CAN-basierte Berechnung gemäß dem Teilmodell 26 einen niedrigeren Wert M_{akt th max nutz} liefern, als das modellbasierte Signal M_Mdl gemäß dem Teilmodell 28. Erstgenanntes erweist sich auch als stabil, weil sich ein Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 2 unter Last nicht so schnell ändert, als dass dies die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 negativ beeinflussen würde. In diesem Fall ist das CAN-basierte Signal M_{akt th max nutz} als Basis für eine damit durchgeführte Vorsteuerung ausreichend. In anderen Fällen, wenn die Verbrennungskraftmaschine 2 eine gewisse Reserve hat, kann die CAN-basierte Berechnung von M_{akt th max nutz} zu schnell wechselnden Vorsteuerungssignalen führen, die die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 negativ beeinflussen würden.
Um auf diese unterschiedlichen Startbedingungen flexibel reagieren zu können, gehen die beiden Drehmomente M_{akt th max nutz} und M_Mdl, sowie das daraus über die Kombinationseinrichtung 30 gemäß 6 gebildete Hybrid-Drehmoment M_Hyb als Eingangssignale in eine Auswahleinrichtung 32 ein. Hierbei findet vorzugsweise eine Auswahl des kleinsten der drei Drehmomente M_{akt th max nutz}, M_Mdl und M_Hyb statt. Die Auswahl erfolgt vorzugsweise automatisiert. Alternativ oder ergänzend können andere Auswahlkriterien, insbesondere in Abhängigkeit von vom CAN-Bus 10 bereitstellbaren Zustandsgrößen des Antriebes 1, vorgesehen sein.
Wird in der Auswahleinrichtung 32 das modellbasiert ermittelte Drehmoment M_Mdl in einer Beschleunigungsphase der Leistungswandler 4, 6 ausgewählt, ergibt sich eine gewisse Drehmomentreserve im ICE. Dies ist gewollt, da eine stabile und gleichmäßige Bewegungsgeschwindigkeit bei maximal möglicher Dynamik wichtiger ist, als eine maximale Leistungsaufnahme.
Das in der Auswahleinrichtung 32 ausgewählte Drehmoment, sei es nun M_{akt th max nutz}, M_Mdl oder M_Hyb, geht in eine im Ausführungsbeispiel optionale Summationseinrichtung 34 gemäß 3 ein, in der ein Drehmoment oder Drehmomente von Neben-Leistungswandlern, und ergänzend, ein über ein Schwungmassenmodell der Verbrennungskraftmaschine 2 errechnetes Drehmoment berücksichtigt werden, um schließlich das modellbasierte Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz} zu errechnen.
4 zeigt ein für stationäre Betriebszustände gültiges Kennfeld eines ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments M_{Mdl stat akt max 1} in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl n_akt und des nach J1939 übermittelten, aktuellen Drehmoments M_akt (dimensionslos). Das aus dem Kennfeld ermittelte, erste aktuell maximal erlaubte M_{Mdl stat akt max 1} Drehmoment geht ins dynamische Teilmodell 18 ein, woraus das zukünftig bereitstellbares Drehmoment M_{Mdl dyn} mittels einer Rampenlimitierung und einer Verzögerung zweiter Ordnung berechnet wird. Der Begriff „zukünftig“ richtet sich dabei insbesondere nach Stellzeiten der Leistungswandler 4, 6, die insbesondere im Bereich von etwa 50 bis 400 msec liegen.
Das Diagramm gemäß 5 zeigt die periodische, fortlaufend aktualisierte Berechnung des von der Verbrennungskraftmaschine 2 zukünftig bereitstellbaren Drehmoments M_{Mdl dyn} in Abhängigkeit des ersten aktuell erlaubten Drehmoments M_Mdl _{stat akt max 1} der Verbrennungskraftmaschine 2. Zur Orientierung ist das von den Leistungswandlern 4, 6, beziehungsweise für die Leistungswandler 4, 6 angeforderte Soll-Drehmoment M_{akt soll} im Diagramm eingetragen. Die Berechnung des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments M_{Mdl dyn} erfolgt jedoch unabhängig davon.
Zu einem Zeitpunkt t₁ wird mittels dem in der Steuereinheit 8 abgelegten Kennfeld gemäß 4 das erste aktuell erlaubte Drehmoment M_{Mdl stat akt max 1}, _t1 in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl n_akt und des aktuellen Belastungszustandes M_akt gemäß J1939/SPN513 ermittelt.
Das Drehmoment M_{Mdl stat akt max 1}, _t1 stellt zum Zeitpunkt t₁ den Eingang ins dynamische Teilmodell 18 dar. Mittels dessen PT-2 Charakteristik und einer Rampenlimitierung wird in Abhängigkeit des Eingangssignals M_{Mdl stat akt max 1} der zeitliche Verlauf des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments M_{Mdl dyn}, _t1 für Zeitpunkte nach t₁ ermittelt. Gut zu erkenn ist dabei, dass sich das zukünftig bereitstellbare Drehmoment M_{Mdl dyn}, _t1 dem ersten aktuell erlaubten Drehmoment M_{Mdl stat akt max 1}, _t1 mit einer PT-2 Charakteristik annähert und damit für alle Zeitpunkte vor dieser Annäherung kleiner ist als das erste aktuell erlaubte Drehmoment M_{Mdl stat akt max 1}, _t1. Zum Zeitpunkt t₂ erfolgt auf Basis aktualisierter Werte der aktuellen Drehzahl n_akt und des aktuellen Belastungszustandes M_akt gemäß J1939/SPN513 die Neuberechnung des Eingangssignals M_{Mdl stat akt max 1}, _t2 und in Abhängigkeit davon des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments M_{Mdl dyn}, _t2, und so weiter. Über die Zeit (t₁ bis t_n) ergibt sich gesamthaft der Verlauf M_{Mdl dyn}.
Diese periodisch aktualisierte Ermittlung erfolgt mit in der Steuereinheit 8 abgelegten, vorbestimmten Zeitabständen Δt_calc, so dass basierend auf den stets aktuell erfassten und über den CAN-Bus 10 übermittelten Informationen der Verbrennungskraftmaschine 2 die modellbasierte Momentengrenze M_{Mdl dyn} berechnet werden kann. Je größer dabei die Zeitabstände Δt_calc gewählt sind, umso treppenstufiger wird die resultierende Kennlinie M_{Mdl dyn}. Je öfter die Aktualisierung erfolgt, das heißt je kleiner die Zeitabstände Δt_calc sind und je öfter neue Informationen zur Verfügung stehen, umso glatter ist die resultierende Kennlinie M_{Mdl dyn}.
Das errechnete zukünftig bereitstellbares Drehmoment M_{Mdl dyn} kann gemäß 3 weiterhin optional durch weitere statische Modelle M_{Mdl stat akt 3} (drehzahlabhängige Drehmoment-Hüllkurve), k_{Mdl stat akt 2} (temperaturabhängiger Drehmomentfaktor) und/oder ein Referenz-Drehmoment M_Ref der Verbrennungskraftmaschine 2 verändert, insbesondere weiter begrenzt werden, bevor es, wie vorbeschrieben, in die Kombinationseinrichtung 30 und die Auswahleinrichtung 32 eingeht.
7 zeigt die Struktur der Überlastungsschutzeinrichtung 16 gemäß dem Ausführungsbeispiel. Sie basiert auf der Logik eines P-I Reglers, über den das von der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 gemäß der vorangegangenen Beschreibung ermittelte Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz} derart reduzierbar ist, dass eine unerlaubte negative Drehzahländerung der Verbrennungskraftmaschine 2 vermieden wird. Folgende Funktionalitäten weist die in 7 dargestellte Überlastungsschutzeinrichtung 16 auf:

- Für den Zustand das die Soll-Drehzahl n_soll von einer Leerlaufdrehzahl („idle“) wieder auf Betriebsdrehzahl hochdrehen soll, falls beispielsweise Bedienpersonal nach einer Pause den Antrieb 1 wieder betreiben möchte: Durch die Rampenlimitierung dn_{soll lim} der Soll-Drehzahl n_soll greift die Funktion bei Erhöhung der Drehzahl n erst dann ein, wenn die Betriebsdrehzahl eingestellt wurde;
- Für den P- und den I-Regleranteil werden Soll-Drehzahl-abhängige, erlaubte Drehzahldrückungen Δnlim jeweils separat ermittelt;
- Eine vom aktuellen Drehmoment M_akt (J1939/SPN513, „Actual Engine Percent Torque“) abhängige Aktivierung des jeweiligen Regleranteils, damit eine erste Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 erlaubt wird, um dynamisch die Leistungswandler beschleunigen zu können;
- Der I-Regler verfügt über unterschiedliche I-Anteile/Parameter, je nach Vorzeichen, beziehungsweise Richtung der Drehzahländerung, um die Reduzierung des Grenz-Drehmoments M_{Mdl Grenz} auf das reduzierte Grenz-Drehmoment M_{Mdl Grenz red} ohne Schwingungen aber bei kontinuierlicher und maximal möglicher Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 sicherzustellen.

8 links zeigt den Verlauf der aktuellen Drehzahl n_akt in Abhängigkeit eines Lastsprungs M_soll bei bestimmungsgemäß gleichbleibender Soll-Drehzahl n_soll. 8 rechts zeigt hingegen den Verlauf der aktuellen Drehzahl n_akt in Abhängigkeit des Lastsprungs M_soll bei von der optionalen Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 übersteuerter Drehzahl n_soll'. Ziel der Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 ist, die Reaktionszeit der Verbrennungskraftmaschine 2 zu verringern, indem diese durch die Übersteuerung der bestimmungemäßen Soll-Drehzahl n_soll mit einer Drehzahldifferenz Δn auf eine kommende Last vorbereitet wird. Insbesondere Tier4/Euro5 Verbrennungsmotoren (ICE) erhöhen ihr inneres Drehmoment durch den Drehzahlregler nur, wenn eine Drehzahlabweichung auftritt. Dadurch ist die Ist- oder aktuelle Drehzahl niedriger als die Soll-Drehzahl, mehr Kraftstoff wird in die Verbrennung eingespritzt und der Ladedruck wird erhöht. Das Provozieren dieser Drehzahlabweichung durch Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 durch die Leistungsaufnahme der Leistungswandler 4, 6 (Ausschwenken des Schwenkwinkels α der als Hydropumpe ausgestalteten Leistungswandler 4, 6) führt zur gegenüber dem Lastsprungs M_soll verzögerten Leistungsbereitstellung L_akt (8 links).
Um diese Verzögerung zu verringern oder zu vermeiden, wird über die Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 eine positive Drehzahlabweichung +Δn durch Erhöhen der Solldrehzahl n_soll über deren normalen Betriebswert hinaus (Waagrechte vs. Spitze in 8 rechts) erzeugt, bevor die angetriebenen Hydropumpen 4, 6 ausschwenken (Anstieg des Schwenkwinkels α) oder eine andere Komponente im Antrieb 1 beginnt, ihre Leistungsaufnahme von der Verbrennungskraftmaschine 2 zu erhöhen.
Hierdurch erhöht ein Drehzahlregler des ICEs insbesondere ein inneres Drehmoment und einen Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine 2.
Die Höhe der positiven Drehzahlabweichung +Δn ist vorzugsweise von der Höhe einer Änderung des angeforderten Drehmoments M_soll abhängig (erste Ableitung des Gesamtdrehmomentbedarfs der direkt von der Verbrennungskraftmaschine 2 angetriebenen Leistungswandler).
Über die Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 ist die positive Drehzahlabweichung +Δn vorzugsweise derart ermittelbar, dass sie zur Soll-Drehzahl n_soll addierbar ist.
Um eine positive Drehzahlabweichung +Δn zu vermeiden, die auf einer nicht realisierbaren, angeforderten Drehmomentänderung basiert, ist vorzugsweise ein Minimum aus verfügbarem Drehmoment und angefordertem Drehmoment heranziehbar.
Sollte die angeforderte Drehmomentänderung größer als das verfügbare Drehmoment sein, so ist, insbesondere über die Steuereinheit 8, insbesondere über den Leistungsmanager 20, eine Volumenstromanforderung der Leistungswandler 4, 6 mittels dem M_{Mdl Grenz} oder M_{Mdl Grenz red} als Führungsgröße begrenzbar oder begrenzt.
Um eine stabile positive Drehzahlabweichung +Δn zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein in die Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 eingehendes Drehmoment filterbar.
Um eine Anpassungsfähigkeit der Funktion an andere Verbrennungskraftmaschinen mit unterschiedlicher Dynamik eines Luftaufladungssystems zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein Skalierungsfaktor als P-Anteil vorgesehen.
Vorzugsweise ist die Drehzahlabweichung Δn positiv und negativ ermittelbar, insbesondere in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Ableitung des angeforderten Soll-Drehmoments M_soll.
Bei zunehmendem Soll-Drehmoment M_soll erfolgt die Drehzahlerhöhung +Δn, bei abnehmendem Soll-Drehmoment M_soll erfolgt eine Drehzahlsenkung -Δn.
Ein Betrag der Drehzahlabweichung Δn ist vorzugsweise über eine Sättigung begrenzbar, um störende Drehzahlabweichungen zu vermeiden, die vom Bedienpersonal wahrnehmbar sind.
Eine Änderungsrate der Drehzahlabweichung Δn ist vorzugsweise über einen Geschwindigkeitsbegrenzer wie folgt begrenzbar: Eine steigende und eine fallende Anstiegsgeschwindigkeit sind vorzugsweise separat über eine Schnittstelle konfigurierbar. Die Übersteuerung der Soll-Drehzahl n_soll erfolgt im Falle eines oszillierenden Drehmomentsignal und bei kleinen Drehmomentsignaländerungen vorzugsweise nicht. Sie muss durch die Skalierung der Anstiegsgeschwindigkeits-Parameter sichergestellt werden. Die Skalierung soll vom abgeleiteten & gefilterten Drehmomentsignal abhängig sein und über eine Kurve einstellbar sein, insbesondere mittels einer intelligenten Filterung des Soll-Drehzahl-Äderungsbetrages.
Die Steuereinheit 8 gemäß der Erfindung kombiniert unterschiedliche Teilmodelle oder Herangehensweisen, um sowohl den dynamischen, als auch den statischen oder stationären Be-, und Entlastungszustand der Verbrennungskraftmaschine 2 abzudecken und eine stabile und stetige Limitierung der Leistungswandler oder - abnehmer sicherzustellen, indem eine Führungsgröße für die Leistungslimitierung, insbesondere das Grenzdrehmoment M_{Mdl Grenz} oder M_{Mdl Grenz red}, so bereitstellbar ist, dass auf eine Regelung im Zuge der Leistungslimitierung weitestgehend verzichtet werden kann.
Offenbart ist eine Steuereinheit für einen Antrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler oder -abnehmer hat, eingerichtet mit einem Modell über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler zumindest in Abhängigkeit einer zulässigen Drückung der Verbrennungskraftmaschine auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist.
Offenbart ist zudem ein Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine, wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler und mit einer derartigen Steuereinheit.

Claims

Steuereinheit für einen Antrieb (1), der eine Verbrennungskraftmaschine (2) und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler (4, 6) hat, eingerichtet mit einem Modell, über das ein aktuell anforderbares Drehmoment (M_{akt soll}) des oder der Leistungswandler (4, 6) auf ein Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) begrenzbar ist, mit einem dynamischen Teilmodell, über das in Abhängigkeit einer aktuellen Drehzahl (n_akt) und einer aktuellen Belastung (M_akt) der Verbrennungskraftmaschine (2) ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment (M_{Mdl dyn}) ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 1, über die in Abhängigkeit des Grenz-Drehmoments (M_{Mdl Grenz}) eine Leistung oder Leistungsaufnahme des wenigstens einen Leistungswandlers (4, 6) begrenzbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2 mit einem ersten statischen Teilmodell, über das ein erstes aktuell maximal erlaubtes Drehmoment (M_{Mdl stat akt max 1}) der Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere in Abhängigkeit zumindest der aktuellen Drehzahl (n_akt) und der aktuellen Belastung (M_akt), ermittelbar ist, wobei in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments (M_{Mdl stat akt max 1}) über das dynamische Teilmodell (18) das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (M_{Mdl dyn}) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 3, wobei über das dynamische Teilmodell (18) das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (M_{Mdl dyn}) mit einer Verzögerung n-ter Ordnung zum ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoment (M_{Mdl stat akt max 1}) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit periodisch aktualisierbaren Eingängen (n_akt, M_akt, M_{Mdl stat akt max 1}) des dynamischen Teilmodells (18), wobei das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (M_{Mdl dyn}) periodisch aktualisierbar ermittelbar ist.
Steuereinheit zumindest nach Anspruch 4, insbesondere nach Anspruch 4 und Anspruch 5, wobei die Verzögerung änderbar oder variabel vorgesehen ist, insbesondere von einem aktuellen Zeitpunkt zu einem zukünftigen oder von einer Aktualisierung zu einer nächsten.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten statischen Teilmodell eines zweiten aktuell maximal erlaubten Drehmomentfaktors (k_{Mdl stat akt max 2}) der Verbrennungskraftmaschine (2) in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur (T), einem dritten statischen Teilmodell, insbesondere einer Drehmomenthüllkurve, eines dritten maximal erlaubten Drehmoments (M_{Mdlstat akt max 3}) der Verbrennungskraftmaschine (2) in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl (n_akt), und/oder einem Referenz-Drehmoment (M_ref) der Verbrennungskraftmaschine (2), in Abhängigkeit von dem oder denen das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (M_{Mdl dyn}) aufs Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) begrenzbar ist.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, über die in Abhängigkeit von Informationen der Verbrennungskraftmaschine (2) ein aktuell theoretisch maximal nutzbares Antriebsmoment (M_{akt th max nutz}) der Verbrennungskraftmaschine (2) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 8 mit einer Kombinationseinrichtung, über die in Abhängigkeit des begrenzten oder unbegrenzten, zukünftig bereitstellbaren Drehmoments (M_{Mdl dyn}) und des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmoments (M_{akt th max nutz}) ein Hybrid-Drehmoment (M_Hyb) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 9 mit einer Auswahleinrichtung, über die das begrenzte oder unbegrenzte, zukünftig bereitstellbare Drehmoment (M_Mdl), das aktuell theoretisch maximal nutzbare Antriebsmoment (M_{akt th max nutz}) oder das Hybrid-Drehmoment (M_Hyb) auswählbar ist, wobei in Abhängigkeit der Auswahl das Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) ermittelbar ist.
Steuereinheit nach Anspruch 10 mit einer Summationseinrichtung, über die eine Summe aus der Auswahl (M_{akt th max nutz}, M_Mdl, M_Hyb) und einem Drehmoment wenigstens eines nebengeordneten Leistungswandlers und/oder einem Drehmoment eines Schwungmassenmodells der Verbrennungskraftmaschine (2) bildbar ist.
Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Überlastungsschutzeinrichtung für die Verbrennungsmaschine (2), über die das Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz red}) derart reduzierbar ist, dass eine zulässige Drückung (Δn_lim) der Verbrennungskraftmaschine (2) unterschritten ist.
Steuereinheit nach Anspruch 12, wobei die Überlastungsschutzeinrichtung einen PI-Regler hat und die zulässige Drückung (Δn_lim) jeweils separat für einen P-Regleranteil und für einen I-Regleranteil des PI-Reglers in Abhängigkeit einer Soll-Drehzahl (n_soll) der Verbrennungskraftmaschine (2) abgelegt ist.
Steuereinheit nach Anspruch 13, wobei der PI-Regler in Abhängigkeit der aktuellen Belastung (M_akt) der Verbrennungskraftmaschine (2) aktivierbar und deaktivierbar ist.
Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine (2) und wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler (4, 6) mit einer Steuereinheit (8) mit einem Modell (14), über das ein aktuell anforderbares Drehmoment (M_{akt soll}) des oder der Leistungswandler (4, 6) auf ein Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) begrenzbar ist, mit einem dynamischen Teilmodell, über das in Abhängigkeit zumindest einer aktuellen Drehzahl (n_akt) und einer aktuellen Belastung (M_akt) der Verbrennungskraftmaschine (2) ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment (M_{Mdl dyn}) ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz-Drehmoment (M_{Mdl Grenz}) ermittelbar ist.