DE19858348A1

DE19858348A1 - Fahrzeug-Antriebssystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems

Info

Publication number: DE19858348A1
Application number: DE19858348A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pels; Klaus Revermann
Original assignee: ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG; Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Temic Automotive Electric Motors GmbH
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: DE19858348B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Antriebssystem mit einer das Fahrzeug mechanisch antreibenden Brennkraftmaschine (1) mit angekoppelter elektrischer Maschine (5), bei welchem die Brennkraftmaschine (1) und die elektrische Maschine (5) bei der Aufbringung von Drehmoment zusammenwirken, wobei eine äußere Steuervorgabe direkt auf die Steuerung der elektrischen Maschine (5) einwirkt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Brennkraftmaschine (1) indirekt erfolgt, und zwar in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen der elektrischen Maschine (5) oder des sie speisenden elektrischen Systems. Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Antriebssystems gerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine für den Antrieb des Fahrzeugs, die eine angekoppelte elektrische Maschine aufweist, bei welchem die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine bei der Auf bringung von Drehmoment zusammenwirken, wobei eine äußere Steuervorgabe direkt auf die Steuerung der elektrischen Ma schine einwirkt.

Ein derartiges Antriebssystem ist beispielsweise aus der DE 29 43 554 A1 bekannt. Und zwar handelt es sich um das An triebssystem eines Parallelhybrid-Fahrzeugs, welches wahlwei se durch die Brennkraftmaschine oder die elektrische Maschine mechanisch angetrieben werden kann. Möglich ist auch eine Be triebsart, bei der beide Maschinen bei der Aufbringung eines Drehmoments zusammenwirken. Dieses kann fahrzeugbeschleuni gend oder -bremsend sein. Die Steuerung der Fahrgeschwindig keit erfolgt durch Betätigung eines Fahrpedals, welches einer zentralen elektronischen Regeleinrichtung ein der Fahrpedal- Auslenkung proportionales Steuersignal zuführt. Diese bildet daraus ein entsprechendes Stellsignal für die Steuereinrich tung der elektrischen Maschine. Gleichzeitig steuert das Fahrpedal auch die Brennkraftmaschine.

Aus der WO 97/08456 ist ein Kraftfahrzeug-Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem drehmoment starken elektrischen Starter gekoppelt ist. Die Starterma schine ist auch dafür vorgesehen, die Brennkraftmaschine bei der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu unterstützen.

Die DE 197 04 153 A1 betrifft die Leerlaufkonstanthaltung bei einem Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine mit ange koppelter elektrischer Maschine. Als äußere Steuervorgabe ist hier die konstante Leerlaufdrehzahl anzusehen. Im Fall der Aufschaltung eines bremsenden mechanischen Lastmoments wird das Drehmoment der Brennkraftmaschine in entsprechendem Maße erhöht. Wegen des relativ langsamen Ansprechvermögens kann diese das erforderliche erhöhte Drehmoment jedoch nicht in stantan, sondern nur mit einer gewissen Zeitverzögerung und einem relativ langsamen Momentenanstieg bereitstellen. Um in dieser Übergangszeit ein Absinken der Leerlaufdrehzahl zu vermeiden, bringt die - wesentlich schneller ansprechende - elektrische Maschine vorübergehend das fehlende Drehmoment auf.

Aus der nicht gattungsgemäßen EP 0 583 184 B1 ist ein Verfah ren zur Leerlaufdrehzahlsteuerung bei einem Kraftfahrzeug be kannt, bei dem eine zu weitgehende Entladung der Starterbat terie im Leerlauf vermieden werden soll. Hierzu wird vorge schlägen, die Batteriespannung zu messen und bei Unterschrei tung eines unteren Grenzwerts die Drehzahl des Verbrennungs motors und damit des Generators zu erhöhen, um so die Lade leistung zu vergrößern. Bei dieser Druckschrift wirken Ver brennungsmotor und elektrische Maschine nicht zur Aufbringung von Drehmoment zusammen. Die vorgeschlagene Erhöhung der Leerlaufdrehzahl ist im übrigen nur sinnvoll bei Generatoren, die so leistungsschwach sind, daß sie den benötigten höheren Ladestrom nicht bei der niedrigen Leerlaufdrehzahl allein durch eine größere Erregung liefern können.

Bei den gattungsgemäßen Vorschlägen erlaubt das Zusammenwir ken von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine vorteil hafte neuartige Betriebsweisen im Vergleich zu solchen An triebssystemen, bei denen Brennkraftmaschine und elektrische Maschine nur jeweils für sich arbeiten. Was die gemeinsame Steuerung von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine betrifft, haben die obengenannten Veröffentlichungen offenbar eine gemeinsame direkte Steuerung von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine im Auge. Eine derartige Steuerungsauf gabe ist jedoch relativ kompliziert, so daß eine befriedigen de Lösung in der Praxis einen relativ hohen Aufwand erfor dert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Steue rung eines Fahrzeug-Antriebssystems der eingangs genannten Art zu vereinfachen.

Gemäß Patentanspruch 1 wird diese Aufgabe bei einem Fahrzeug- Antriebssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerung der Brennkraftmaschine indirekt, und zwar in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen der elek trischen Maschine oder des sie speisenden elektrischen Sy stems erfolgt. Insbesondere handelt es sich bei der bzw. den elektrischen Zustandsgrößen um gemessene Größen. Im allgemei nen handelt es sich hierbei um solche Größen, die ohne Mes sung nicht oder zumindest nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt sind.

Die erfindungsgemäße Unterordnung der Brennkraftmaschine un ter die elektrische Maschine in steuerungstechnischer Hin sicht stellt bei Systemen der eingangs genannten Art etwas grundsätzlich Neuartiges dar. Bei Antriebssytemen nach Art der obengenannten Veröffentlichungen WO 97/08456 und DE 197 04 153 A1 ist nämlich die Brennkraftmaschine die Hauptan triebsmaschine, die elektrische Maschine ist ihr steuerungs technisch untergeordnet. Bei einem Parallelhybrid-Antrieb nach Art der obengenannten DE 29 43 554 A1 sind die Brenn kraftmaschine und die elektrische Maschine gleichberechtigte Antriebsmaschinen, die steuerungstechnisch nebengeordnet sind. Die erfindungsgemäße steuerungstechnische Überordnung der elektrischen Maschine über die Brennkraftmaschine ist bei einem Fahrzeug mit mechanisch antreibender Brennkraftmaschine daher fernliegend. Sie schafft eine wesentliche Vereinfachung des Steuersystems im Vergleich zu vorbekannten Lösungen.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen.

Gemäß Anspruch 2 sitzt die elektrische Maschine - bei der es sich vorzugsweise um eine Drehfeldmaschine in Synchron- oder asynchron Bauart handelt - koaxial zu Kurbelwelle der Brenn kraftmaschine. Sie ist vorteilhaft mit dieser drehfest oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe gekoppelt, so daß sie über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine mit läuft.

Wie im Zusammenhang mit dem Stand der Technik bereits ausge führt wurde, kann das Fahrzeug ein im wesentlichen durch die Brennkraftmaschine angetriebenes Fahrzeug sein. Die elektri sche Maschine kann dabei die Brennkraftmaschine mit beschleu nigendem oder bremsendem Drehmoment unterstützen. Sie kann außerdem als Starter für die Brennkraftmaschine, als Genera tor zur Bordnetzversorgung und/oder als Aktivdämpfer gegen Drehungleichförmigkeiten fungieren. Bei einem Parallelhybrid- Fahrzeug dient sie außerdem als (alleiniger) Antriebsmotor in Betriebsphasen, bei denen die Brennkraftmaschine abgestellt ist.

Das von der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine aufgebrachte Moment kann dem Beschleunigen oder Bremsen des Fahrzeugs dienen (Anspruch 3). Wie bereits im Zusammenhang mit der DE 197 04 153 A1 erläutert wurde, kann das Drehmoment aber auch der Leerlaufdrehzahl-Konstanthaltung bei Aufschal tung einer mechanischen Last dienen (Anspruch 4).

Bei den in Anspruch 1 genannten Zustandsgrößen handelt es sich vorzugsweise um Größen, die nicht a priori bekannt sind, sondern durch Messung ermittelt werden. Solche Meßgrößen kön nen den tatsächlichen Betriebszustand des Antriebssystems wiedergeben, der von einer Vielzahl äußerer und innerer Ein flußgrößen abhängen kann, z. B. der Belastung des Fahrzeugs, der zu überwältigenden Steigung, dem Ladezustand eines elek trischen Energiespeichers etc.

Eine für die indirekte Steuerung der Brennkraftmaschine sehr aussagekräftige Zustandsgröße ist die Spannung des die elek trische Maschine speisenden Energiespeichers (Anspruch 5). Wird beispielsweise das Fahrpedal des Fahrzeugs durch den Fahrer betätigt, wird anfangs nicht die Brennkraftmaschine, sondern allein der Elektromotor zur Beschleunigung des Fahr zeugs herangezogen. Durch die damit verbundene Energieentnah me aus dem elektrischen Energiespeicher sinkt dessen Span nung. Zum Absinken der Spannung können im wesentlichen die folgenden beiden Effekte beitragen: i) die Abnahme der im Energiespeicher vorhandenen Ladung und ii) der Spannungsab fall am Innenwiderstand des Energiespeichers aufgrund des Entladestroms. Bei den für die Zwecke der Erfindung haupt sächlich geeigneten Hochleistungsspeichern spielt die La dungsabnahme die Hauptrolle, der Innenwiderstand dieser Spei cher ist i. a. so klein, daß der diesbezügliche Spannungsab fall nur einen relativ geringen Beitrag darstellt. Der Span nungsabfall wird durch eine einfache Spannungsmessung er kannt, woraus die Steuerung Signale für die Brennkraftmaschi ne (z. B. Stellsignale für Drosselklappe oder Einspritzmenge) ableitet, so daß diese ihr Drehmoment erhöht, und so zur Fahrzeugbeschleunigung beitragen oder diese übernehmen kann. Als Folge hiervon verringert sich der von der elektrischen Maschine zu erbringende Beitrag zunehmend. Anschließend wird die entnommene Energie wieder durch generatorische Wirkung der elektrischen Maschine "erzeugt" und in den Energiespei cher zurückgeladen, so daß die Spannung des Energiespeichers wieder auf ihren Sollwert zunimmt. Als Steuergröße für die Speicheraufladung kann wiederum die gemessene Zwischen kreisspannung dienen. Es ist aber auch möglich, im Verlauf der Energieentnahme den Entnahmebetrag zu messen und diesen Betrag unter Berücksichtigung des bekannten Lade- und Entla dewirkungsgrads zurückzuladen.

Analog hierzu kann eine Leerlaufdrehzahlregelung funktionie ren, bei der die Leerlaufdrehzahl konstant gehalten wird: bei Aufschaltung einer mechanischen Last (z. B. durch Einkuppeln eines mechanisch angetriebenen Klimakompressors) bringt die elektrische Maschine instantan oder mit sehr kurzer Zeitver zögerung ein entsprechend großes antreibendes Moment auf, so daß die Leerlaufdrehzahl konstant bleibt. Dies führt zu einem Absinken der Energiespeicherspannung, welche wiederum eine Verstellung des Verbrennungsmotors dahingehend nach sich zieht, daß dieser ein höheres Drehmoment entwickelt (durch entsprechende Drosselklappen- oder Einspritzpumpenverstel lung). Mit zunehmenden Eingriff der Brennkraftmaschine geht derjenige der elektrischen Maschine entsprechend zurück, bis die Energiespeicherspannung wieder auf ihren Sollwert ange stiegen ist.

Eine Drehfeldmaschine arbeitet vorteilhaft auf einer Span nung, die höher als die übliche Kraftfahrzeug-Bordnetz spannung (12 V oder 24 V) liegt, z. B. im Bereich von 42 V bis hin zu deutlich höheren Spannungen, wie 200-300 V. Eine Mög lichkeit besteht darin, als Energiespeicher eine Batterie oder einen anderen elektrischen Speicher mit entsprechend ho her Spannung zu verwenden. Bei einer anderen Möglichkeit ver wendet man eine herkömmliche Niederspannungs-Batterie und setzt deren Spannung auf das erhöhte Spannungsniveau hoch. Ein zur Erzeugung der erforderlichen Drehströme vorgesehener Wechselrichter bezieht dann seine Energie aus einem Kreis mit der hochgesetzten Spannung, den man als "Zwischenkreis" be zeichnet. Im Zwischenkreis befindet sich in der Regel ein Hochleistungs-Energiespeicher, wie z. B. ein Kondensatorspei cher, der kurzfristig hohe Energiemengen bereitstellen kann. Bei derartigen Systemen ist es vorteilhaft, als zu messende Zustandsgröße die Zwischenkreisspannung heranzuziehen (Anspruch 6). Die Zwischenkreisspannung stellt einen sehr empfindlichen Indikator für den Ladungszustand des Zwischen kreisspeichers und, allgemeiner, für den "Belastungszustand" des elektrischen Systems dar.

Regelungstechnisch gesehen stellt die Energiespeicherspannung bzw. die Zwischenkreisspannung die Regelgröße dar, welche konstantgehalten werden soll. StellgröZe ist die Drosselklap penstellung und/oder Kraftstoffeinspritz-Einstellung der Brennkraftmaschine. Störgröße ist die elektrische Maschine, welche dem Energiespeicher bzw. dem Zwischenkreis Energie entnimmt (bei motorischem Betrieb) oder in diesen einspeist (bei generatorischem Betrieb) und damit die Energiespeicher- bzw. Zwischenkreisspannung verändert, so daß diese vom Soll wert abweicht. Die darauf folgende Veränderung der Stellgröße (z. B. die Drosselklappenstellung) bewirkt, daß die Regelgröße (z. B. die Zwischenkreisspannung) im wesentlichen konstant ge halten wird.

Eine Zustandserfassung dieser Art ist auch möglich, wenn die elektrische Maschine als Aktivdämpfer arbeitet. Bei dieser Betriebsart bringt sie schnell alternierend bremsende und an treibende Drehmomente auf, die den von Gas- und Massenkräften der Brennkraftmaschine hervorgerufenen Drehungleichförmigkei ten entgegenwirken. In der Bremsphase arbeitet die elektri sche Maschine jeweils generatorisch, liefert also elektrische Energie. In der jeweils anschließenden Antriebsphase arbeitet sie hingegen als Motor, entnimmt also elektrische Energie. Im stationären Betrieb sind diese beiden Energiebeträge gleich. Es muß also nur der jeweils in der Bremsphase gewonnene Ener giebetrag kurzfristig in einem Zwischenkreisspeicher gespei chert werden. Es braucht aber - von Verlusten abgesehen - keine Energie in das System hinein oder aus ihm herausflie ßen. Sobald nun die elektrische Maschine zusätzlich fahrzeug beschleunigend wirken soll, überlagert sie den schnell wech selnden Drehmomenten ein quasi-konstantes antreibendes Drehmoment. Die jeweils in der Bremsphase gewonnene Energie reicht nun nicht mehr für die folgende Antriebsphase aus. Es muß vielmehr Energie aus dem Energiespeicher in das System hineinfließen. Dies führt zu einer Verringerung der Zwischen kreisspannung, wie es auch ohne Aktivdämpferfunktion der Fall ist. Die Regelung der Brennkraftmaschine kann also auch bei Aktivdämpferfunktion in der oben erläuterten Weise auf der Regelgröße Energiespeicher- bzw. Kreisspannung beruhen.

Für die Regelung der Brennkraftmaschine werden vorteilhaft weitere Zustandsgrößen der elektrischen Maschine herangezo gen, und zwar vorzugsweise deren Drehwinkelstellung und/oder Drehzahl (Anspruch 7). Diese Größen können vorteilhaft ohne entsprechenden Sensor, allein aus der gemessenen Phase und Frequenz des die elektrische Maschine speisenden Strom ermit telt werden (Anspruch 8). Bei einer Synchronmaschine ist die Drehzahl gleich der Frequenz des Speisestroms, die Phase des Stromes gegenüber der Spannung zeigt hier die Winkelstellung des Rotors an und ist damit ein Maß für das Drehmoment. Bei einer Asynchronmaschine - bei der die Drehzahl auf Grund des Schlupfes von der Frequenz des Speisestroms abweicht - ist die Drehzahl aus der gemessenen Phase zwischen Strom und Spannung ermittelbar.

Allein durch Messung der elektrischen Größen Energiespeicher- bzw. Zwischenkreisspannung, Phasenstrom und Frequenz ist so mit eine vollständige Regelung sowohl des Elektromotors als auch des Verbrennungsmotors möglich, ohne das ein Drehzahl sensor oder ein Winkelstellungssensor erforderlich wäre. Dies stellt eine beträchtliche Vereinfachung der bislang für die Verbrennungsmotorregelung erforderlichen Signalerfassung dar.

Wie bereits oben erwähnt wurde, kann die äußere Vorgabe für die Steuerung der elektrischen Maschine durch eine, von einer Bedienungsperson betätigten Stelleinrichtung erfolgen (An spruch 9). Hierbei handelt es sich insbesondere um ein Fahr pedal. Eine bestimmte Stellung des Fahrpedals kann mit einer bestimmten Soll-Fahrgeschwindigkeit, Soll-Drehzahl oder Soll- Leistung oder einem bestimmten Soll-Drehmoment korrespondie ren (Anspruch 10). Wie eben bereits oben ausgeführt wurde, kann die Stellgröße für die indirekte Steuerung der Brenn kraftmaschine die Drosselklappenstellung und/oder die einge spritzte Kraftstoffmenge sein (Anspruch 11).

Die Erfindung ist gemäß Anspruch 12 auch auf ein entsprechen des Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gerichtet. Die oben erläuterten Ausgestaltungen des Antriebssystems sind auch für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft (Anspruch 13).

Ein weiterer Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 14 betrifft die Steuerung einer Brennkraftmaschine mit angekoppelter elektrischer Maschine, für den Fall, daß die beiden Maschinen nicht gemeinsam Drehmoment aufbringen, sondern vielmehr die Brennkraftmaschine die elektrische Maschine zwecks Bereit stellung elektrischer Energie antreibt und eine Steuerung der elektrischen Maschine vorgibt, wieviel elektrische Leistung sie liefern soll. Bei der Aufschaltung einer elektrischen Last erhöht sich die zu liefernde Leistung; entsprechend er höht sich auch das Bremsmoment der elektrischen Maschine. Herkömmliche Leerlaufregelungen beruhen darauf, daß der dar aus resultierende Drehzahlabfall detektiert wird, was einen entsprechenden Regeleingriff an der Brennkraftmaschine her vorruft. Derartige Regelungen sind jedoch relativ träge. Ge mäß dem vorliegenden Erfindungsaspekt veranlaßt hingegen die Steuerung der elektrischen Maschine bei einer Erhöhung oder Erniedrigung der von dieser zu liefernden elektrischen Lei stung, das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment entsprechend zu erhöhen, bzw. zu erniedrigen. Diese Art der Steuerung beruht darauf, daß die Steuereinrichtung der elek trischen Maschine - indem sie dieser vorgibt, welche Leistung sie liefern soll - einen Erwartungswert für das dieser gelie ferten Leistung entsprechende Bremsmoment kennt. Der Eingriff in die Brennkraftmaschine ist derart, daß sie ein dem Bremsmoment betragsmäßig entsprechendes Antriebsmoment auf bringt. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine so dimen sioniert, daß sie auch bei der relativ niedrigen Leerlauf drehzahl ausreichende elektrische Leistung für die vorhande nen Verbraucher aufbringt. Bei der Zuschaltung eines elektri schen Verbrauchers wird die erforderliche elektrische Lei stung also allein durch Vergrößerung der Erregung, des Pha senwinkels (bei einer Synchronmaschine) oder des Schlupfes (bei einer Asynchronmaschine) bewirkt, so daß eine Erhöhung der Drehzahl ist nicht erforderlich.

Die oben erläuterten Unteranspruchsgegenstände, und zwar ins besondere die Gegenstände der Ansprüche 2, 4-8 und 11 sind auch im Zusammenhang mit dem zuletzt genannten Erfin dungsaspekt vorteilhaft.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktions blöcke eines Antriebssystems;

Fig. 2 eine Variante der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 3 Diagramme der Drehzahl, des Moments der elektri schen Maschine, der Zwischenkreisspannung, sowie des Moments der Brennkraftmaschine als Funktion der Zeit, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 4 Drehmomentdiagramme als Funktion der Zeit bei Ak tivdämpferbetrieb;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben des Antriebssystems von Fig. 1 und 2 gemäß dem er sten Aspekt der Erfindung;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm gemäß dem zweiten Aspekt der Er findung.

Ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, z. B. eines Perso nenkraftwagens, weist gemäß Fig. 1 einen Verbrennungsmotor 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2 (z. B. die Kur belwelle) des Verbrennungsmotor 1 und eine damit verbundene Wellenfortsetzung, eine Kupplung 3 und ein Getriebe 4 (nicht gezeigte) Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Auf der An triebswelle 2 sitzt eine ebenfalls als Antriebsquelle dienen de elektrische Maschine 5, hier eine Asynchron-Drehstrom maschine. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 2 sit zenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 6 sowie einen z. B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 gegen Drehung abge stützten Ständer 7 auf. Die elektrische Maschine 5 sowie die unten näher beschriebenen Einrichtungen zu ihrer Speisung und zur Energiespeicherung sind so dimensioniert, daß sie im Leerlauf des Verbrennungsmotors 1 die Drehzahl bei Lastauf schaltung durch (nicht gezeichnete) mechanische Verbraucher konstant halten kann und das Fahrzeug beschleunigen und Ab bremsen kann. Hierbei ist keine Über- oder Untersetzung zwi schen der elektrischen Maschine 5 und dem Verbrennungsmotor 1 vorgesehen, so daß beide über den gesamten Drehzahlbereich permanent mit gleicher Drehzahl zusammenlaufen. Bei (nicht dargestellten Ausführungsformen) ist zwischen der Antriebs welle 2 und der elektrischen Maschine 5 ein Untersetzungsge triebe angeordnet, z. B. in Form eines Planetengetriebes, so daß die elektrische Maschine 6 beispielsweise mit der doppel ten Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 dreht. Die (nicht dar gestellte) Wicklung des Ständers 7 wird durch einen Wechsel richter 8 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt sich z. B. um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis- Wechselrichter, welcher aus einer im wesentlichen konstanten Gleichspannung eines Zwischenkreises 9 mit Hilfe von elektro nischen Schaltern z. B. sinusbewertete breitenmodulierte Pul se herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 5 - nahezu sinusförmige Wechselströme der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase ergeben. Der Zwischenkreis 9 verbindet den Wechselrichter 8 mit einem in beiden Richtungen arbeitenden Gleichspannungs-Gleichspan nungs-Wandler 10 ("DC/DC-Wandler"). Dieser verbindet den Zwi schenkreis 9 mit einer Batterie 11. Diese liegt auf dem nied rigen Spannungsniveau eines Fahrzeugbordnetzes (z. B. 12 V oder 24 V). Ein Hochleistungsspeicher 12, der kurzzeitig sehr hohe Leistungen abgeben kann, also schnell entladbar ist, hat eine dem Zwischenkreisniveau angepaßte Spannung, z. B. im Bereich von 36-300 V, und liegt - elektrisch gesehen - im Zwischen kreis 9. Es handelt sich bei ihm beispielsweise um einen Kon densatorspeicher, eine Kurzzeitbatterie, und/oder ein elek trisch betriebenes Schwungrad.

Eine Steuereinrichtung 13, hier ein Mikrorechner, ist für die Steuerung des Antriebssystems verantwortlich. Er enthält als Eingangssignale die Fahrpedalstellung, einen Abgriff des vom Wechselrichter 8 zur elektrischen Maschine 5 fließenden Stroms und einen Abgriff der Zwischenkreisspannung sowie der Batteriespannung. Der Abgriff der Batteriespannung ist nicht erforderlich für die Steuerung des Verbrennungsmotors, gibt aber Information über den Ladezustand der Batterie 11. Der Mikrorechner 13 steuert den Wechselrichter 8, den DC/DC- Wandler 10 sowie die Drosselklappenstellung und/oder die Ein spritzmenge beim Verbrennungsmotor 1. Die elektrische Maschi ne 2 kann ein antreibendes Drehmoment auf die Antriebswelle 2 aufbringen, wobei sie der Batterie 11 elektrische Energie über dem DC/DC-Wandler 10, den Zwischenkreis 9 und den Wech selrichter 8 entnimmt. Ein solches Drehmoment kann dem Star ten des Verbrennungsmotors 1, dessen Unterstützung bei der Fahrzeugbeschleunigung und der Leerlaufdrehzahlregelung die nen. Die elektrische Maschine 5 kann auch als generatorische Bremse wirken, wobei sie über den umgekehrten Weg Energie in die Batterie 11 einspeist. Dies kann der üblichen Generator funktion zur Ladung der Batterie 11 und Versorgung des Bord netzes oder der Fahrzeugbremsung (ggf. in Unterstützung des bremsenden Verbrennungsmotors 1) dienen.

Bei der Variante gemäß Fig. 2 übernimmt der im Zwischenkreis 9 liegende Hochleistungsspeicher 12' auch die Funktion der Batterie 11, die somit entfallen kann. Er liefert und spei chert also für kurze Zeit sehr hohe Leistung, sowie über län gere Zeiträume. Da die Zwischenkreisspannung und die Batte riespannung hier zusammenfallen, hat der Mikrorechner 13 ei nen diesbezüglichen Spannungsabgriff statt zweier gesonderter Abgriffe für Zwischenkreis- und Batteriespannung. Zur Versor gung eines (hier nicht dargestellten) Niederspannungsbordnet zes aus dem Zwischenkreis ist ein DC/DC-Wandler 10' vorgese hen, der nur in einer Richtung zu arbeiten braucht.

Bei beiden Ausführungsformen sinkt bei einem motorischen Be trieb der elektrischen Maschine 5 die Versorgungsspannung des Wechselrichters 8 ab. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 handelt es sich hierbei um die Zwischenkreisspannung und ggf. um die Batteriespannung (wenn auch aus der Batterie entnommen wird), während es sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 nur um die eine vorhandene Spannung (hier als "Zwischenkreisspannung" bezeichnet) handelt. Der Grund für das Absinken der Spannung liegt - wie oben erläutert - haupt sächlich in der zunehmenden Entladung des Hochleistungsspei chers 12, 12', sowie in geringerem Umfang in dessen Innenwi derstand sowie ggf. in dem effektiven Innenwiderstand der Batterie 11 und des DC/DC-Wandlers 10.

Der Hochleistungsspeicher 12; 12' hat vorteilhaft eine Entlade dauer von weniger als 7 Minuten, vorzugsweise weniger als 4 Mi nuten, besonders vorzugsweise weniger als 2 Minuten, und insbe sondere weniger als 1 Minute. Unter Entladedauer wird hier die minimale Zeitdauer zwischen voller Ladung und praktische voll ständiger Entladung bei höchster zulässiger Dauerbelastung ver standen.

Die Funktionsweise des Antriebssystems gemäß Fig. 1 und 2 wird nun anhand von vier Diagrammen (Fig. 3a bis 3d) bei spielhaft erläutert. Alle vier Diagramme zeigen verschiedene Größen in Abhängigkeit von der Zeit t. Soweit diese Diagramme Unstetigkeit, Knicke und lineare Änderungen zeigen, handelt es sich um Idealisierungen, die nur aus Gründen der besseren Anschaulichkeit gewählt wurden. Und zwar veranschaulicht Fig. 3a, wie sich die Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs bei ei ner Änderung der Fahrpedalstellung entwickelt. Im vorliegen den Beispiel wird angenommen, daß jede bestimmte Fahrpedal stellung einer bestimmten Soll-Leistung des Fahrzeugs ent spricht. Bis zum Zeitpunkt t₁ behält der Fahrer des Fahrzeugs eine bestimmte Fahrpedalstellung bei. Entsprechend fährt das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit v₁. Zum Zeit punkt t₁ verstellt der Fahrer das Fahrpedal in eine neue, stärker gedrückte Stellung, die er von da an konstant beibe hält. Bei Erreichen einer größeren Endgeschwindigkeit v₂ nach einer Beschleunigungsphase zum Zeitpunkt t₄ nimmt der Fahrer das Fahrpedal zurück, so daß das Fahrzeug von da an diese Ge schwindigkeit konstant beibehält. Die Fahrpedalstellung ist Eingangsgröße der Steuerung (des Mikrocomputers 13).

Fig. 3b zeigt das von der elektrischen Maschine 5 auf die Antriebswelle 2 aufgebrachte Drehmoment M_el. In der Zeit vor dem Zeitpunkt t₁ ist dieses Moment leicht negativ (Wert: -G), da die elektrische Maschine 5 als Generator zur Ladung des Hochleistungsspeichers 12, 12' und der Batterie 11 sowie zur Bordnetzversorgung dient. Zum Zeitpunkt t₁ veranlaßt der Mi krorechner 13 den Wechselrichter 8 dazu, die elektrische Ma schine so zu steuern, daß sie das zur Erzielung der vom Fahr pedal vorgegebenen Gesamtleistung erforderliche Antriebsmo ment aufbringt. Dies geschieht wegen des praktisch trägheits losen Ansprechens der elektrischen Maschine 5 nahezu instan tan. Dieses Moment bleibt bis zu einem Zeitpunkt t₂ bestehen, und nimmt dann allmählich ab, bis es zu einem Zeitpunkt t₃ den Wert 0 erreicht. Nach dem Ende der Beschleunigungsphase bei t₄ arbeitet die elektrische Maschine 5 dann wieder als Generator, zunächst mit einem erhöhten Bremsmoment zum Rück ladendes Hochleistungsspeichers 12, 12', und nach Abschluß des Rückladens bei t₅ wieder mit dem Ausgangsmoment -G.

Die antreibende Wirkung der elektrischen Maschine 5 und die damit einhergehende Entladung des Hochleistungsspeichers 12, 12' spiegelt sich gemäß Fig. 3c in entsprechender Weise in der Zwischenkreisspannung U_ZK wider: bis zum Zeitpunkt t₁ hat diese einen konstanten, relativ hohen Wert U₀, der ab diesem Zeitpunkt rasch und ab t₂ zunehmend langsamer abnimmt und ab t₃ bis zum Zeitpunkt t₄ auf einem niedrigen Wert verharrt. Ab t₄ wird der Hochleistungsspeicher 12, 12' wieder aufgeladen. Entsprechend nimmt die Zwischenkreisspannung U_ZK von dort wieder allmählich wieder zu, bis sie zum Zeitpunkt t₅ den Ausgangswert U₀ wieder erreicht.

Wie Fig. 3d zeigt, veranlaßt das Absinken der Zwischenkreis spannung eine derartige Veränderung der Drosselklappenstel lung, daß das Drehmoment M_Vb des Verbrennungsmotors 1 nach Ablauf einer trägheitsbedingten Totzeit bei t₂ ansteigt, bis dieser bei t₃ das gesamte Beschleunigungsmoment aufbringt. Entsprechend verringert die elektrische Maschine 5 in diesem Zeitraum unter der Regie der überlagerten Regelung der Ge samtleistung das von ihr aufgebrachte elektrische Moment, wo mit auch ein langsameres Absinken der Zwischenkreisspannung einhergeht. Die bei t₃ eingenommene Drosselklappenstellung wird nun für den weiteren Beschleunigungsvorgang beibehalten. Ab dem Ende des Beschleunigungsvorgangs zum Zeitpunkt t₄ nimmt das nun teilweise dem Rückladen dienende Antriebsmoment entsprechend der nun zunehmenden Zwischenkreisspannung U_ZK ab, bis es bei t₅ den zur Aufrechterhaltung der dann wieder konstanten Fahrgeschwindigkeit und des Generatormoments -6 erforderlichen Wert erreicht. Das Moment der elektrischen Ma schine 5, die Zwischenkreisspannung U_ZK und die Ladung des Zwischenkreisspeichers 12, 12' befinden sich wieder im An fangszustand.

Die Darstellung der Fig. 3a und 3b gilt für den (vereinfach ten) Fall, daß während des Beschleunigungsvorgangs keine elektrische Energie für elektrische Verbraucher benötigt wird. Wenn hingegen elektrische Energie benötigt wird, muß die elektrische Maschine 5 wegen des bereits teilweise entla denen Zwischenkreisspeichers 12, 12' schon während des Be schleunigungsvorgangs als Generator arbeiten und entsprechend bremsend wirken. Das Antriebsmoment M_Vb des Verbrennungsmo tors steht dann nicht vollständig für die Fahrzeugbeschleuni gung zur Verfügung.

In entsprechender Weise funktioniert die Leerlaufdrehzahl- Konstanthaltung, nur daß hier statt der Fahrzeugleistung die Leerlaufdrehzahl die Sollgröße bildet. Eine Aufschaltung ei ner mechanischen Last ergibt eine Drehzahlabsenkung, die durch Moment der elektrischen Maschine 5 umgehend wieder aus geregelt wird. Der zeitliche Ablauf von M_el, U_ZK und M_Vb ent spricht im wesentlichen dem der Fig. 3b-3d.

Die Fig. 4a und 4b veranschaulichen, daß die oben erläu terte Zustandserfassung des Antriebs durch Messung der Zwi schenkreis- bzw. Batteriespannung auch funktioniert, wenn die elektrische Maschine 5 als Aktivdämpfer arbeitet. Fig. 4a zeigt das Drehmoment M_el der elektrischen Maschine 5 als Funktion der Zeit, ohne Überlagerung eines konstanten Drehmo ments. Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor erbringt auf Grund der Gas- und Massenkräfte ein sich periodisch änderndes Drehmo ment, wie in Fig. 4a ebenfalls dargestellt ist. Beispiels weise treten diese Drehmomentschwankungen bei einem Vierzy linder-Viertaktmotor hauptsächlich in der zweiten Ordnung auf, so daß sie etwa bei einer Drehzahl von 600 min^-1 eine Frequenz von 20 s^-1 haben. Zur Unterdrückung dieser Ungleich förmigkeiten bringt die elektrische Maschine ungefähr be tragsgleiche, aber um 180° Phasen versetze Phasenmoment schwankungen auf die Antriebswelle 2 auf, woraus zu jedem Zeitpunkt ein praktisch konstantes Gesamt-Antriebsmoment re sultiert. Die Energieinhalte der antreibenden und bremsenden Antriebsphasen sind im wesentlichen gleich, so daß - von Ver lusten abgesehen - keine elektrische Energie in mechanische umgewandelt wird. Es ist vielmehr nur erforderlich, die bei einer bremsenden Halbperiode gewonnene Energie bis zu deren Wiederverwendung in der folgenden antreibenden Halbperiode zwischenzuspeichern. Hierfür kann beispielsweise ein Konden sator dienen.

Wenn nun die elektrische Maschine 5 zwecks Fahrzeugbeschleu nigung oder Leerlaufkonstanthaltung ein (in zeitlichen Mit teln nicht verschwindendes) beschleunigendes Drehmoment auf bringen muß, so geschieht dies durch Verschiebung des Gleich gewichts zwischen bremsenden und antreibenden Phasen, ent sprechend einer Verschiebung der Nullinie bei einer periodi schen Schwingung. Wie in Fig. 4b gezeigt ist, verringern sich dadurch die Amplitude und Dauer der bremsenden Phasen, während diejenigen der antreibenden Phasen zunehmen. Im zeit lichen Mittel bringt die elektrische Maschine 5 nun ein An treibendes Drehmoment auf. Hierfür muß im zeitlichen Mittel elektrische Energie in mechanische umgewandelt werden, und zwar durch Entnahme aus der Batterie 11. Als Folge sinkt die Zwischenkreisspannung bzw. die Batteriespannung in genau dem gleichen Ausmaß ab, wie dies ohne Aktivdämpferfunktion beim Aufbringen eines konstanten Drehmoments der Größe M_E der Fall wäre. Die Batteriespannung bzw. Zwischenkreisspannung kann also analog zu den obengenannten Ausführungsbeispielen als Regelgröße für die Verbrennungsmotorregelung dienen, voraus gesetzt, daß über die der Dämpfung dienenden Drehmomentun gleichförmigkeiten gemittelt wird.

Fig. 5 veranschaulicht verfahrensmäßig die beiden vorliegen den Regelkreise. In dem ersten Regelkreis ist die Regelgröße z. B. die Drehzahl der Antriebswelle 2, welche beispielsweise nach Art einer automatischen Geschwindigkeits-Konstantrege lung durch die Fahrpedalstellung vorgegeben wird. In einem ersten Schritt S1 des ersten Regelkreises wird abgefragt, ob die momentane Istdrehzahl der Antriebswelle 2 kleiner oder größer der momentanen Solldrehzahl angegebenen ist. Falls dies nicht zutrifft, also Gleichheit herrscht, wird diese Ab frage ohne weitere Aktion wiederholt. Falls jedoch Ungleich heit herrscht, bringt die elektrische Maschine 5 ein antrei bendes bzw. bremsendes Drehmoment auf, dessen Betrag vorzugs weise mit zunehmender Differenz zwischen Ist- und Solldreh zahl zunimmt. Anschließend kehrt der Ablauf zum Schritt S1 zurück.

In dem zweiten Regelkreis wird in einem ersten Schritt T1 ab gefragt, ob die Zwischenkreisspannung kleiner oder größer als ein Sollwert ist. Falls dies nicht zutrifft, also Überein stimmung mit dem Sollwert herrscht, wird der Schritt T1 ohne weitere Aktion wiederholt. Falls hingegen eine Abweichung festgestellt wird, wird der Verbrennungsmotor 1 durch ent sprechende Verstellung von Drosselklappe und/oder Kraftstoff einspritzung zur Erhöhung bzw. Erniedrigung des von Ihm ange gebenen Drehmoments veranlaßt. Anschließend kehrt der Ablauf zum Schritt T1 zurück.

Die beiden Schleifen werden zwar parallel durchlaufen, sind aber miteinander verkoppelt. Beispielsweise würde eine Erhö hung des Verbrennungsmotor-Drehmoments im zweiten Regelkreis zu einer Drehzahlerhöhung führen, welche wegen der überlager ten Drehzahlregelung im ersten Regelkreis eine Herabsetzung des Drehmoments der elektrischen Maschine bewirken würde. Der Verbrennungsmotor 1 ist regelungstechnisch der elektri schen Maschine 5 untergeordnet, da eine Abweichung von der Solldrehzahl direkt nur auf letztere einwirkt. Erst wenn als Folge hiervon die Zwischenkreisspannung vom Zwischenkreisspan nungs-Sollwert abweicht, findet eine Einwirkung auf den Ver brennungsmotor statt. Dieser ist also nur indirekt von einer Abweichung der Drehzahl vom Sollwert betroffen.

Die Antriebssysteme der Fig. 1 und 2 verkörpern bei entspre chenden steuerungstechnischer Auslegung auch den zweiten Aspekt der Erfindung, welcher verfahrensmäßig in Fig. 6 ver anschaulicht ist. Die Maschine 5 arbeitet im generatorischen Betrieb ("Schritt" U₁). Im Schritt U₂ wird ein größerer elek trischer Verbraucher aufgeschaltet, beispielsweise ein elek trisch angetriebener Klimakompressor oder eine elektrische Heizeinrichtung. Dieser kann elektrische Energie aus dem Nie derspannungs-Bordnetz oder, vorzugsweise, direkt aus dem Zwi schenkreis 9 mit erhöhter Spannung abziehen. Die Steuerein richtung 13 detektiert den erhöhten Verbrauch elektrischer Energie beispielsweise an einer Abnahme der Zwischen kreisspannung. Sie veranlaßt die elektrische Maschine 5 im Schritt U₃ dazu, durch entsprechende Steuerung des Wechsel richters 8 die gelieferte elektrische Leistung entsprechend zu erhöhen. Praktisch gleichzeitig veranlaßt die Steuerein richtung 13 auf der Grundlage ihrer "Kenntnis" der geliefer ten elektrischen Leistung eine Drosselklappen- bzw. Ein spritzmengenverstellung, die zu einer Zunahme des Verbren nungsmotordrehmoments entsprechend dem Erwartungswert der Zu nahme des generatorischen Bremsmoments der elektrischen Ma schine 5 führen soll.

Claims

1. Fahrzeug-Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine (1) für den mechanischen Antrieb des Fahrzeugs, die eine an gekoppelte elektrische Maschine (5) aufweist, bei welchem die Brennkraftmaschine (1) und die elektri sche Maschine (5) bei der Aufbringung von Drehmoment zu sammenwirken,
wobei eine äußere Steuervorgabe direkt auf die Steuerung der elektrischen Maschine (5) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerung der Brennkraftmaschine (1) indirekt er folgt, und zwar in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen der elektrischen Maschine (5) oder des sie speisenden elektrischen Systems.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem die elektri sche Maschine (5) koaxial zur Antriebswelle (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet und mit dieser dreh fest oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe verbun den ist und über den gesamten Drehzahlbereich der Brenn kraftmaschine (1) mitdreht.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Drehmoment dem Beschleunigen oder Bremsen des Fahrzeugs dient.

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Drehmoment der Leerlaufdrehzahl-Regelung bei Aufschaltung einer Last dient.

5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Zustandsgrößen die Spannung eines die elek trische Maschine (5) speisenden Energiespeichers (11) umfaßt/umfassen.

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die elektrische Maschine (5) von einem Zwischen kreis-Wechselrichter (8, 9, 10) angesteuert wird, und die Zustandsgrößen die Zwischenkreisspannung um faßt/umfassen.

7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Zustandsgrößen die Drehwinkelstellung und/oder Drehzahl der elektrischen Maschine (5) um faßt/umfassen.

8. Antriebssystem nach Anspruch 7, bei welchem die Drehwin kelstellung bzw. die Drehzahl ohne entsprechenden Sensor aus Phase und Frequenz des die elektrische Maschine (5) speisenden Stroms ermittelt wird.

9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die äußere Steuervorgabe der Stellung einer, von einer Bedienungsperson betätigten Stelleinrichtung, ins besondere eines Fahrpedals entspricht.

10. Antriebssystem nach Anspruch 9, bei welchem die Bedie nungsperson der elektrischen Maschine (5) mit der Stel leinrichtung Fahrgeschwindigkeit, Drehzahl oder Leistung vorgibt.

11. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die indirekte Steuerung der Brennkraftmaschine (1) über eine Steuerung der Drosselklappenstellung und/oder der Kraftstoffeinspritzung erfolgt.

12. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeug-Antriebssystem mit einer das Fahrzeug mechanisch antreibenden Brenn kraftmaschine (1) mit angekoppelter elektrischer Maschi ne (5),
bei welchem die Brennkraftmaschine (1) und die elektri sche Maschine (5) zur Aufbringung von Drehmoment zusam menwirken,
wobei eine äußere Steuervorgabe direkt auf die Steuerung der elektrischen Maschine (5) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennkraftmaschine (1) indirekt gesteuert wird, und zwar in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustands größen der elektrischen Maschine (5) oder des sie spei senden elektrischen Systems.

13. Verfahren nach Anspruch 12, ausgestaltet gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11.

14. Fahrzeug-Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine (1) für den mechanischen Antrieb des Fahrzeugs, die eine an gekoppelte elektrische Maschine (5) aufweist, bei wel chem die Brennkraftmaschine (1) die elektrische Maschine (5) zwecks Bereitstellung elektrischer Energie antreibt, wobei eine Steuerung der elektrischen Maschine (5) vor gibt, wieviel elektrische Leistung sie liefern soll, da durch gekennzeichnet, daß die Steuerung die Brennkraftmaschine (1) bei einer Erhö hung oder Erniedrigung der zu liefernden elektrischen Leistung veranlaßt, das von der Brennkraftmaschine (5) abgegebene Drehmoment entsprechend zu erhöhen bzw. zu erniedrigen.