DE112010002438T5

DE112010002438T5 - Verfahren und System zum Steuern eines Elektromotors in elnem Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE112010002438T5
Application number: DE112010002438T
Authority: DE
Inventors: Stefan Larsson
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2010143077A3; SE0950646A1; WO2010143077A2; SE535739C2

Abstract

Die Erfindung umfasst ein System und ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug, bei dem ein Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie aufweist, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist, wobei das System aufweist: eine Neigungseinheit zum Ermitteln der Straßenneigung α, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist und zum Erzeugen eines Neigungssignals auf dieser Basis; eine Ladeeinheit zum Ermitteln des Ladezustands (SOC) der Batterie und zum Erzeugen eines SOC-Signals S auf dieser Basis; einen Regler, der dazu ausgebildet ist, das Neigungssignal und das SOC-Signal als Eingangssignale zum Berechnen eines Gewichtungsfaktors zu verwenden und ein Gewichtungssignal β auf dieser Basis zu erzeugen; eine Drehmomenteinheit, die dazu ausgebildet ist, ein von dem Fahrer angefordertes Drehmoment zu ermitteln und ein Drehmomentsignal M auf dieser Basis zu erzeugen; eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal für die elektrische Vorrichtung basierend auf dem Gewichtungssignal β und dem Drehmomentsignal M zu berechnen, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal gesteuert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Hintergrund der Erfindung
Eine der größten Herausforderungen der Lastkraftwagenindustrie ist es, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Die Kraftstoffkosten stellen ungefähr 30% der Kosten eines Lebenszyklus eines Lastkraftwagens dar. Durchschnittlich wird eine Distanz von ungefähr 150.000 km pro Jahr zurückgelegt und der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch Hegt bei in etwa 32 Liter pro 100 km. Eine leichte Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt daher zu einer großen Verringerung der Kraftstoffkosten. Ein guter Weg zum Kraftstoffsparen ist es, Bremsenergie zu regenerieren und bei Bedarf zurück zu den Rädern zu führen, anstatt durch die Verwendung von konventionellen Bremsen die kinetische Energie mehr oder weniger in Wärme umzuwandeln. Dies wird durch die Verwendung von Hybridfahrzeugen anstelle von konventionellen Fahrzeugen möglich.
Ein Hybridfahrzeug ist ein herkömmliches Fahrzeug mit wenigstens zwei Energiequellen. Beispielsweise kann ein Verbrennungsmotor zusätzlich mit einer elektrischen Vorrichtung versehen sein. Die elektrische Vorrichtung kann Motor und Generator sein, was dem Fahrzeug erlaubt, die elektrische Vorrichtung als Mittel zum Verringern der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu nutzen, wobei die Vorrichtung als Generator zu wirkt. In diesem Fall wird die kinetische Energie zum Erzeugen eines Stroms genutzt, der anschließend zum Aufladen der Batterie verwendet wird. Dadurch kann Energie eingespart und später verwendet werden, anstatt die kinetische Energie wie bei konventionellen Bremssystemen in Wärme umzuwandeln. In Fahrsituationen, die einen hohen Kraftstoffverbrauch mit sich bringen, kann der Kraftstoffverbrauch durch die Verwendung des Elektromotors zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor stark reduziert werden. Derartige Situationen treten typischerweise während der Beschleunigung und an nach oben gerichteten Steigungen auf.
Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Hybridsystemen, beispielsweise seriell geschaltete Hybride, Parallelhybride und Kombinationen davon, die als Leistungsverteilungssystem oder serieller Parallelhybrid bezeichnet werden. In einem seriell geschalteten Hybridsystem, das in 1 dargestellt ist, treibt der Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an, anstatt direkt die Räder des Fahrzeugs anzutreiben. Der Generator lädt nicht nur eine Batterie, sondern liefert auch Energie für einen Elektromotor, der das Fahrzeug antreibt. Wenn große Mengen von Energie benötigt werden, zieht der Elektromotor Energie von der Batterie und dem Generator ab. Der Verbrennungsmotor ist daher nicht in das Antriebssystem des Fahrzeugs integriert, da der Antrieb vollständig mittels des Elektromotors erfolgt. In Parallelhybridfahrzeugen sind der Verbrennungsmotor und die elektrische Vorrichtung, die als Generator und Motor verwendet werden kann, über Motorwellen mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel eines Parallelhybridsystems ist in 2 dargestellt. Die Verbindung kann zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Vorrichtung vorgesehen sein, was einen rein elektrischen Antrieb des Fahrzeugs möglich macht. Da der Verbrennungsmotor und die elektrische Vorrichtung mit der exakt gleichen Drehzahl rotieren (wenn die Verbindung hergestellt ist), unterstützen sie einander und laufen parallel. Seriell geschaltete Parallelhybridsysteme sind eine bekannte Technologie bei Personenkraftwagen, aber herkömmlicherweise zu komplex für Lastkraftwagen.
Als Letztes stießen Ladehybride (auch bekannt als Kabel-Hybride oder Einsteck-Hybride) zu der Familie der Hybridfahrzeuge. Die Ladehybride können über das Elektrizitätsnetzwerk geladen werden, wenn das Fahrzeug geparkt ist. Ladehybride haben größere Elektromotoren und starke Batterien, die in wenigen Stunden vollständig über eine elektrische Steckdose mittels eines Kabels geladen werden können.
Die Patentanmeldung US 2005/0274553 beschreibt ein prädiktives Energiemanagementsystem für elektrische Hybridfahrzeuge. Das System verwendet verschiedene Arten von Informationen wie den derzeitigen Standort und 3D-Karten und erzeugt optimale Motoranweisungen basierend auf einer Minimierung einer Kostenfunktion, die durch Restriktionen für eine Batterie beschränkt ist.
Die Patentanmeldung DE 100 35 027 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Betriebszustands eines Hybridfahrzeugs und verwendet unter anderem Straßenprofile zum Ermitteln der verschiedenen Zustände.
Die Patentanmeldung US 2005/0274553 beschreibt ein prädiktives Energiemanagementsystem für Hybridkraftfahrzeuge. Die Verwendung einer prädiktiven Regelstrategie erlaubt Motorbefehle zu erzeugen, die den Strom des Hybridfahrzeugs und die zukünftige Betätigung optimieren, jedoch ist die angewandte Regelstrategie komplex und benötigt eine relativ große Berechnungskapazität.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen besseren Weg zum Reduzieren des Energieverbrauchs eines Hybridfahrzeugs vorzuschlagen.
Abriss der Erfindung
Die voranstehend beschriebene Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung durch ein System zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug gelöst, wobei der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie umfasst, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist. Das System umfasst:

– eine Neigungseinheit zum Ermitteln der Straßenneigung α, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist, und zum Erzeugen eines Neigungssignals auf dieser Basis,
– eine Ladeeinheit zum Ermitteln des Ladezustands (SOC) der Batterie und zum Erzeugen eines SOC-Signals (S) auf dieser Basis;
– einen Regler, der dazu ausgelegt ist, das Neigungssignal und das SOC-Signal als Eingangssignal zum Berechnen eines Gewichtungsfaktors zu verwenden und ein Gewichtungssignals β auf dieser Basis zu erzeugen;
– eine Drehmomenteinheit, die dazu ausgelegt ist, ein von dem Fahrer angefordertes Drehmoment zu übermitteln und ein Drehmomentsignal (M) auf dieser Basis zu erzeugen;
– eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, für die elektrische Vorrichtung ein Steuersignal basierend auf dem Gewichtungssignal β und dem Drehmomentsignal (M) zu berechnen, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal steuerbar ist.

Die Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt durch ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug gelöst, wobei der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie umfasst, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist. Das Verfahren umfasst:

(A) Ermitteln der Straßenneigung α, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist;
(B) Ermitteln des Ladezustands (SOC) der Batterie;
(C) Verwenden der Straßenneigung α und des Ladezustands der Batterie als Eingangssignale für einen Regler zum Berechnen eines Gewichtungsfaktors;
(D) Ermitteln eines von dem Fahrer angeforderten Drehmoments;
(E) Berechnen eines Steuersignals für die elektrische Vorrichtung basierend auf dem Gewichtungsfaktor und dem von dem Fahrer angeforderten Drehmoment, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal gesteuert wird.

Intelligente Lösungen zum Verbessern des Betriebs des Fahrzeugs können auf Basis der Straßenneigung, an der das Fahrzeug zu einer bestimmten Zeit ist, dem SOC der Batterie und dem von dem Fahrer angeforderten Drehmoment erstellt werden. Auf diesem Weg kann das Fahrzeug seinen Energieverbrauch unter Verwendung der Energie der Batterie an nach oben gerichteten Neigungen reduzieren und anschließend die Batterien bei nach unten gerichteten Neigungen aufladen. Das Kraftfahrzeug kann also mehr Leistung aufbringen, wenn sie am meisten benötigt wird, beispielsweise bei starken nach oben gerichteten Neigungen.
Die Fuzzy-Logik ist ein Beispiel einer Regelstrategie, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann und die auf einem nützlichen Weg Eingangssignalregionen zu Ausgangssignalregionen aufzeigt. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer Liste von als Regeln bezeichneter ”wenn...dann” Sätze erfolgen, die sich auf Variablen beziehen und die diese beschreibenden Adjektive. Der Wahrheitsgehalt jedes Satzes bleibt eine graduelle Frage. Mitgliedsfunktionen (englisch: member functions) können verwendet werden, die in Form einer Kurve beschrieben werden können. Die Kure legt fest, wie jeder Punkt in der Eingangssignalregion einem Mitgliedswert (englisch: member value) zugeordnet werden kann oder dem Grad der Mitgliedschaft (englisch: membership) zwischen 0 und 1. Andere Regelstrategien sind ebenfalls in Verbindung mit der Erfindung verwendbar.
Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung beschrieben.
Kurzbeschreibung der beigefügten Figuren
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 einen Antriebsstrang eines seriellen Hybridfahrzeugs darstellt;
2 einen Antriebsstrang eines parallelen Hybridfahrzeugs darstellt;
3 einen bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Antriebsstrang anzeigt;
4 die Straßenneigung α darstellt;
5 das System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
6 eine Regelbasis zum Verwendung einer Fuzzy-Logik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 die Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen in einen Fuzzy-Logik-Regler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
8 die Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen in eine Fuzzy-Logik-Regler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
9 ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einem parallelen Hybridsystem beschrieben, kann jedoch auch mit anderen Arten von Hybridsystemen verwendet werden. Der Antriebsstrang eines Parallelhybridfahrzeugs, das in 3 dargestellt ist, ist das System in dem Fahrzeug, dass die Energie von dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Vorrichtung über die Kupplung, das Getriebe, die Antriebswellen und die Räder auf die Straßenoberfläche überträgt. Der Verbrennungsmotor kann mit Diesel, Benzin oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit oder einem Gas betrieben werden. Die Kupplung weist eine Reihe von Reibungsscheiben auf, die zusammenwirkend den Verbrennungsmotor von dem Rest des Antriebsstrangs trennen können. Die Kupplung kann von dem Fahrer über ein Pedal oder automatisch betätigt werden, wobei in diesem Fall ein Steuersystem die Gangwechsel und die Kupplungsbetätigung ausführt. Die zweite Energiequelle in einem parallelen Hybridfahrzeug ist die elektrische Vorrichtung. Die elektrische Vorrichtung weist zwei Elemente auf, das heißt einen Rotor und einen Stator. Der Rotor ist ein rotierendes Element der elektrischen Vorrichtung und hat eine Welle, die mit Permanentmagneten oder Windungen versehen ist, die elektromagnetisch wirken, wenn sie mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind. Im letzten Fall muss der Grad der Magnetisierung gesteuert werden. Der Stator ist die äußere Schale, die die elektrische Vorrichtung einschließt und Windungen in sich aufweist, welche mit Energiekabeln verbunden werden. Wenn die elektrische Vorrichtung als ein Motor verwendet wird, legt die Energie von den Kabeln ein magnetisches Feld an dem Stator an. Wenn die elektrische Vorrichtung als Generator verwendet wird, leitet der Rotor einen Strom in die Statorwindungen ein, der anschließend als elektrische Energie in der Batterie gespeichert wird. Beispielsweise kann die elektrische Vorrichtung eine 36 kW Permanentmagnetsynchronvorrichtung sein, die eine Drei-Phasen-Vorrichtung ist, in der der Rotor synchron mit dem sich drehenden magnetischen Feld in dem Stator rotiert.
Ein Wandler (nicht dargestellt) ist mit der elektrischen Vorrichtung verbunden, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, falls die Maschine als Generator verwendet wird und die Batterie lädt. Der Wandler wandelt Gleichstrom in Wechselstrom, wenn die Batterie Energie zu der elektrischen Vorrichtung zuführt, die dann als Motor verwendet wird. Zum Nutzen einer langen Lebensdauer benötigt die Leistungselektronik eine Kühlung, die beispielsweise wasserbasiert sein kann. Es kann daher notwendig sein, einen externen Kühlkreislauf zu installieren. Die Batterie ist mit der elektrischen Vorrichtung verbunden und weist eine Anzahl von Zellen auf, die in Serie geschaltet sind, um die Spannung zu erhöhen. Die seriell geschalteten Zellen sind wiederum parallel geschaltet, um die Kapazität der gesamten Batteriepackung zu erhöhen. Beispielsweise kann es sich bei den Batterien um NiMH-Batterien handeln, bei denen jede Zelle eine Nominalspannung von 1,2 V aufweist. Weitere Beispiele sind Lithium-Ionen (Li-ion) Batterien, die bessere W/kg- und Wh/kg-Werte haben, was sie kleiner und leichter macht als die NiMH-Batterien.
Der Zweck des Getriebes und des Endantriebszahnrads ist es, die Geschwindigkeit des Antriebsstrangs an der Eingangswelle des Getriebes mit der Drehzahl der Räder zu synchronisieren. Das Übertragungsverhältnis in dem Getriebe kann durch Gangwechsel variiert werden, wobei die Kräfte des Endantriebszahnrads konstant sind.
4 zeigt ein System zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs weist einen Verbrennungsmotor und eine Batterie auf, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist, wie in 3 dargestellt ist. Das System gemäß der Erfindung weist eine Neigungseinheit zum Ermitteln der Straßenneigung α auf, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist und zum Erzeugen eines Neigungssignals L auf dieser Basis, eine Ladeeinheit, die zum Ermitteln des Ladezustands SOC der Batterie und zum Erzeugen eines SOC-Signals S auf dieser Basis ausgebildet ist, und eine Leseeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein von dem Fahrer angefordertes Drehmoment zu ermitteln und ein Drehmomentsignals M auf dieser Basis zu erzeugen. Das System weist ferner einen Regler auf, der dazu ausgebildet ist, das Neigungssignal und das SOC-Signal als Eingangssignale zum Berechnen eines Gewichtungsfaktors zu verwenden und ein Gewichtungssignals β auf dieser Basis zu erzeugen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal Y für die elektrische Maschine basierend auf dem Gewichtungssignal β und dem Drehmomentsignal M zu berechnen. Die elektrische Maschine wird anschließend gemäß dem Steuersignal Y gesteuert. Das Ergebnis ist ein System zum Steuern der elektrischen Vorrichtung derart, dass die in der Batterie gespeicherte Energie verwendet werden kann, wenn Sie am meisten benötigt wird, das heißt an nach oben gerichteten Straßenneigungen.
Das Gewichtungssignal β beschreibt daher wie viel Energie in Abhängigkeit von der derzeitigen Straßenneigung und dem derzeitigen SOC von der Batterie abgezogen werden soll. Die Steuereinheit erzeugt anschließend ein Steuersignal Y für die elektrische Vorrichtung, das anzeigt, wie viel Energie von der Batterie abgezogen werden soll, falls der Fahrer ein bestimmtes Drehmoment M anfordert. Der Regler ist bevorzugt dazu ausgelegt, ein Gewichtungssignal β zu berechnen, dass ein standardisierter Skalierungsfaktor ist. Der Gewichtungsfaktor ist auf einen Wert zwischen beispielsweise [0 1] standardisiert. Gemäß einer Ausführungsform wird der Skalierungsfaktor β mit einem vorbestimmten Wert für ein maximales Drehmoment multipliziert, das die elektrische Vorrichtung bereitstellen kann. Falls beispielsweise das maximale Drehmoment 300 Nm ist und der Skalierungsfaktor 0,6, gibt das Kontrollsignal Y an, dass die elektrische Vorrichtung 300 × 0,6 = 180 Nm an dem Antriebsstrang bereitstellen kann. Die Kontrolleinheit stellt sicher, dass das von dem Fahrer angeforderte Drehmoment M nicht überschritten wird. Ein verbleibendes Drehmoments, das benötigt wird, den Antriebsstrang mit dem von dem Fahrer angeforderten Drehmoment zu versorgen, wird anschließend von dem Verbrennungsmotor abgezogen.
Die Straßenneigung α ist in 5 dargestellt und die Neigungseinheit weist gemäß einer Ausführungsform Sensoren in dem Fahrzeug zum Bestimmen der Neigung α auf. Daher kann die momentane Neigung der Straße kontinuierlich bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Ableitungen der Neigung analysiert und die Ergebnisse zum Vorhersagen der Art der vorausbefindlichen Neigung verwendet, die in die Berechnungen in dem Regler und/oder der Steuereinheit eingebunden ist, um ein Steuersignal für die elektrische Vorrichtung bereitzustellen.
Die in dem System verwendeten Signale werden bevorzugt über CAN in dem Fahrzeug gesendet. CAN (Controller Area Network) ist ein serielles Bussystem, das speziell für die Verwendung in Fahrzeugen entwickelt wurde. Der CAN-Datenbus macht den Austausch digitaler Daten zwischen Sensoren, Reglerkomponenten, Aktuatoren, Steuerungsvorrichtungen usw. möglich und stellt sicher, dass zwei oder mehrere Steuervorrichtungen Zugang zu Signalen von einem vorbestimmten Sensor haben, um diese zur Steuerung von mit ihnen verbundenen Komponenten zu verwenden.
Der Ladezustand SOC ist ein Verhältnis zwischen dem derzeitigen Ladeniveau und einer maximalen Ladung und wird durch die Formel
berechnet, wobei Q_max die maximale Ladekapazität der Batterie, SOC_init der anfängliche Ladezustandwert und i(t) der Strom durch die Batterie ist. Die volle Batterie der wird niemals genutzt, da zu große Zirkulationen der Energie erhebliche Schäden in der Batterie nach sich ziehen können. Es existieren daher ein oberer Grenzwert SOC_u und ein unterer Grenzwert SOC_l für den Ladezustand. Der Bereich zwischen diesen beiden Grenzwerten ist als SOC-Fenster bekannt.
Der Ladezustand wird bevorzugt skaliert, wenn er als Eingangssignal für den Regler verwendet wird, um die Konfiguration auf Basis des Wissens zu vereinfachen, dass der Ladezustand immer innerhalb eines Bereichs [0 1] ist. Die Skalierung wird durch Verwendung der Gleichung vorgenommen
Die Ladeeinheit ist bevorzugt dazu ausgelegt, die Signale für die voranstehend beschriebenen Berechnungen zu messen, und die Berechnungen zum Erzeugen eines SOC-Signals S auszuführen.
Die in der Batterie zirkulierende Energie ist der gesamte Fluss durch die Batterie, berechnet als E_tot = ∫|i_bat(t)·u_bat(t)|dt (3) wobei i_bat und u_bat der Strom und die Spannung der Batterie sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Regler ein regelbasierter Regler, beispielsweise ein Fuzzy-Logik-Regler. Fuzzy-Logik beinhaltet die Verwendung einer Liste von als Regeln bezeichneten ”wenn...dann”-Sätzen. Mitgliedsfunktionen (englisch: member functions) werden verwendet, um Antworten bereitzustellen, die graduelle Unterschiede ausdrücken, nicht einfach ”ja” oder ”nein”. Eine Mitgliedsfunktion (MF) ist eine Kurve, die festhält, wie sich jeder Punkt in der Eingangssignalregion auf einen Mitgliedswert (englisch: member value) (oder Grad der Mitgliedschaft) zwischen 0 und 1 bezieht. Zwei oder mehr Mitgliedswerte werden als Eingangssignal für einen Fuzzy-Operator bereitgestellt, der ein Ausgangssignal als einen wahren Wert erzeugt. En Fuzzy-Operator kann ein Logik-Operator wie zum Beispiel UND (AND), ODER (OR) oder NICHT (NOT) sein. 6 stellt eine Regelbasis für einen Fuzzy-Logik-Regler dar. In diesem Beispiel sind zwei Mitgliedsfunktionen für die Neigungseingangssignale L, das heißt ”Hoch” (”High”) und ”Niedrig” (”Low”). Für das SOC-Eingangssignal L gibt es zwei Mitgliedsfunktionen, die ebenso als ”Hoch” (”High”) und ”Niedrig” (”Low”) bezeichnet werden. Das Ausgangssignal des Fuzzy-Reglers hat ebenfalls zwei Mitgliedsfunktionen ”Hoch” (”High”) und ”Niedrig” (”Low”). 7 und 8 zeigen zwei Beispiele eines grafisch dargestellten Fuzzy-Reglers, bei dem die Eingangssignale und die Ausgangssignale an verschiedenen Achsen erscheinen. Die Fläche zeigt klar, wie der Regler arbeitet. Der erste Regler gemäß 7 hat nahezu nur einen Zustand, was ein starkes Gewichtungssignal β bedeutet. Die Stärke des Gewichtungssignals nimmt etwas ab, wenn der SOC abnimmt und wenn die Neigung weniger steil ist. In dem in 7 dargestellten System mit dem zweiten Regler ist der Regler dazu ausgebildet, ein Gewichtungssignal β für die Steuereinheit zu berechnen, das graduell mit der Zunahme des Neigungssignals L und der Zunahme des SOC-Signals S zunimmt, um eine gleichmäßige Energiezufuhr von der Batterie zu erreichen. Der in 8 dargestellte Regler ist dadurch signifikant weicher als der in 7 dargestellte Regler, dass, wenn der SOC hoch und die Straßenneigung stark ist, das Ausgangssignal β nahe dem Maximalwert ist. Die Unterstützung von der elektrischen Vorrichtung kommt jedoch, wenn die Straßenneigung relativ steil ist. An kleineren Neigungen muss der SOC relativ hoch sein für den Regler, um zu reagieren. Der Kraftstoffverbrauch kann signifikant reduziert werden, bei einer Regelung des Elektromotors in dieser Weise.
Das System ist daher bevorzugt dazu ausgebildet, ein Steuersignal für die elektrische Vorrichtung zu berechnen, um Energie von der Batterie zu verwenden, wenn der SOC der Batterie zwischen SOC_min und SOC_max ist und die Straßenneigung α eine nach oben gerichtete Neigung anzeigt. Das Fahrzeug erhält dann extra Energie, wenn sie am meisten benötigt wird, insbesondere an nach oben gerichteten Steigungen. Eine Bedingung zum Verwenden der Energie von der Batterie ist diese, dass sich der SOC zwischen den voranstehend beschriebenen Grenzwerten befindet.
Andere Regelstrategien sind ebenso denkbar und die Fuzzy-Logik wird hier nur als ein Beispiel beschrieben.
Das System ist bevorzugt dazu ausgebildet, Bremsenergie zu der Batterie zurückzuführen, wenn die Straßenneigung α eine nach unten gerichtete Neigung anzeigt. Das Fahrzeug wird sich dann hangabwärts bewegen und die Batterie kann unter Ausnutzung der vorteilhaft von dem Fahrzeug bereitgestellten kinetischen Energie aufgeladen werden. Wenn die Geschwindigkeit verringert werden muss, wird dies gewöhnlich durch eine hydraulische Retardereinheit, eine Motorbremse und/oder den Radbremsen in Kombination mit der elektrischen Vorrichtung vorgenommen. Solange die Batterie aufgeladen werden darf, das heißt so lange SOC_u nicht überschritten wurde, und das Fahrzeug gebremst werden muss, kann die elektrische Vorrichtung so häufig wie möglich als Generator verwendet werden.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Lastkraftwagen, bei dem der Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie aufweist, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist. Das Verfahren wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm gemäß 9 beschrieben.
Dementsprechend umfasst das Verfahren:
(A) Ermitteln einer Straßenneigung α, wenn sich das Fahrzeug bewegt; (B) Ermittein eines Ladezustands (SOC) der Batterie; (C) Verwenden der Straßenneigung α und des SOC der Batterie als Eingangssignale für einen Regler, um einen Gewichtungsfaktor zu berechnen; (D) Ermitteln eines von dem Fahrer angeforderten Drehmoments; und (E) Berechnen eines Steuersignals für die elektrische Vorrichtung basierend auf dem Gewichtungsfaktor und dem von dem Fahrer angeforderten Drehmoment, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal gesteuert wird. Das beschriebene Verfahren ermöglicht dem Verbrennungsmotor mehr Energie von der Batterie zu erhalten, wenn die Straße steil und der SOC ausreichend ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein regelbasierter Regler, beispielsweise ein Fuzzy-Logik-Regler, in Schritt (C) verwendet werden. Dadurch können Steuerwerte zum Reduzieren des Kraftstoffverbrauchs für die elektrische Vorrichtung derart berechnet werden, dass keine hohe Berechnungskapazität benötigt wird. Unter Verwendung eines Regler mit dem die Steuersignale in Schritt (D) graduell zunehmend berechnet werden, kann eine gleichmäßige Energiezufuhr von der Batterie zum Antreiben des Fahrzeugs erreicht werden.
In Schritt (C) wird der Gewichtungsfaktor bevorzugt als ein standardisierter Skalierungsfaktor berechnet, so dass ein Wert zwischen [0 1] erhalten wird, der einfach zu der Berechnung verwendet werden kann, wie groß der von der Batterie zu verwendende Anteil sein sollte.
Die Straßenneigung α wird gemäß einer Ausführungsform mittels Sensoren in dem Fahrzeug ermittelt. Die vorliegende Neigung kann daher kontinuierlich bestimmt werden.
In Schritt (D) wird das Steuersignal bevorzugt derart berechnet, dass die Energie von der Batterie bereitgestellt wird, wenn ihr SOC zwischen SOC_min und SOC_max und die Straßenneigung α eine nach oben gerichtete Neigung anzeigt. Die Energie wird dann von der Batterie abgezogen, wenn sie verfügbar ist und das Fahrzeug extra Energie an nach oben gerichteten Steigungen benötigt.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Gewichtungsfaktor für die Steuereinheit in Schritt (D) graduell zunehmend berechnet, wenn die Neigung zunimmt und der SOC ansteigt, um eine gleichförmige Energiezufuhr von der Batterie zu erreichen. Das Ergebnis ist ein gleichförmiger Abzug der Energie von der Batterie, der weniger Abnutzungserscheinungen an der Batterie verursacht. Die Batterie ist in vielen Fällen eine der teuersten Komponenten des Fahrzeugs.
Die Bremsenergie wird bevorzugt zu der Batterie zurückgeführt, wenn die Straßenneigung α eine nach unten gerichtete Neigung anzeigt. Die von dem Fahrzeug hangabwärts erzeugte kinetische Energie wird daher verwendet anstatt einfach ”weggebremst” zu werden.
Die vorliegende Erfindung weist ebenso ein Computerpragrammprodukt auf, das Computerprogramminstruktionen umfasst, um einem Computersystem in einem Fahrzeug die Ausführung der Schritte gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren zu ermöglichen, wenn die Computerprogramminstruktionen in einem Computersystem ausgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Computerprogramminstruktionen auf einem Medium gespeichert, dass von einem Computerprogramm lesbar ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Alternativen, Modifikationen und Äquivalente können verwendet werden. Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränken daher nicht den Schutzbereich der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0274553 [0006, 0008]
DE 10035027 [0007]

Claims

System zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahrzeug, in dem ein Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie aufweist, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System aufweist: – eine Neigungseinheit zum Ermitteln der Straßenneigung α, wenn das Fahrzeug in Bewegung und zum Erzeugen eines Neigungssignals (L) auf dieser Basis, – eine Ladeeinheit zum Ermitteln des Ladezustands (SOC) der Batterie und zum Erzeugen eines SOC-Signals (S) auf dieser Basis; – einen Regler, der dazu ausgebildet ist, das Neigungssignal und das SOC-Signal als Eingangssignale zum Berechnen eines Gewichtungsfaktors zu verwenden und ein Gewichtungssignal β auf dieser Basis zu berechnen; – eine Leseeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein von dem Fahrer angefordertes Drehmoment zu ermitteln und ein Drehmomentsignal (M) auf dieser Basis zu erzeugen; – eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal (Y) für die elektrische Maschine basierend auf dem Gewichtungssignal β und dem Drehmomentsignal (M) zu berechnen, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal (Y) steuerbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Regler dazu ausgebildet ist, ein Gewichtungssignal (β) zu berechnen, dass ein standardisierter Skalierungsfaktor ist.
System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Regler ein regelbasierter Regler ist, beispielsweise ein Fuzzy-Logik-Regler.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das System dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal für die elektrische Vorrichtung zu berechnen, um Energie von der Batterie zu verwenden, wenn der SOC der Batterie zwischen SOC_min und SOC_max ist und die Straßenneigung α ein nach oben geneigte Neigung anzeigt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Regler dazu ausgebildet ist, für die Steuereinheit ein Gewichtungssignal β zu berechnen, das graduell mit dem ansteigenden Neigungssignal (L) und dem ansteigenden SOC-Signal (S) zunimmt, um eine gleichförmige Energiezuführung von der Batterie zu erreichen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Neigungseinheit Sensoren in dem Fahrzeug zum Ermitteln der Straßenneigung α aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das System dazu ausgebildet ist, Bremsenergie zu der Batterie zurückzuführen, wenn die Straßenneigung α eine nach unten gerichtete Neigung anzeigt.
Verfahren zum Steuern einer elektrischen Vorrichtung in einem Hybridfahr zeug, in dem ein Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor und eine Batterie aufweist, die mit der elektrischen Vorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren aufweist: (A) Ermitteln der Straßenneigung α, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist; (B) Ermitteln des Ladezustands der Batterie (SOC); (C) Verwenden der Straßenneigung α und den SOC der Batterie als Eingangssignale für einen Regler zum Berechnen eines Gewichtungsfaktor; (D) Ermitteln eines von dem Fahrer erwünschten Drehmoments; (E) Berechnen eines Steuersignals für die elektrische Vorrichtung basierend auf dem Gewichtungsfaktor und dem von dem Fahrer angeforderten Drehmoment, wobei die elektrische Vorrichtung gemäß dem Steuersignal gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Gewichtungsfaktor, der ein standardisierter Skalierungsfaktor ist, in Schritt (C) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein regelbasierter Regler, zum Beispiel ein Fuzzy-Logik-Regler, in Schritt (C) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Steuersignal bei (D) derart berechnet wird, dass die Energie der Batterie verwendet wird, wenn der SOC der Batterie zwischen SOC_min und SOC_max ist und die Straßenneigung α eine nach oben gerichtete Neigung anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Gewichtungsfaktor für die Steuereinheit in Schritt (D) graduell zunehmend mit der Zunahme der Neigung und des ansteigenden SOC berechnet wird, um eine gleichförmige Energiezuführung von der Batterie zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Straßenneigung α mittels Sensoren in dem Fahrzeug ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Bremsenergie zu der Batterie zurückgeführt wird, wenn die Straßenneigung α eine nach unten gerichtete Neigung anzeigt.
Computerprogrammprodukt aufweisend Computerprogramminstruktionen, um ein Computersystem in einem Fahrzeug anzuweisen die Schritte gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14 auszuführen, wenn die Computerprogramminstruktionen auf dem Computersystem ausgeführt werden.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15, wobei die Computerprogramminstruktionen auf einem Medium gespeichert sind, das von einem Computersystem lesbar ist.