DE4438914A1 - Getriebesteuerung für Elektrofahrzeuge - Google Patents

Getriebesteuerung für Elektrofahrzeuge

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DE4438914A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein automati­ sches Getriebe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einem Elektrofahrzeug muß der Energieverbrauch mög­ lichst gering sein um bei dem begrenzten Energieinhalt des Energiespeichers eine ausreichende Reichweite zu erzielen. Neben der Optimierung des Wirkungsgrades einzelner Antriebskomponenten kann auch durch eine energieverbrauchsgünstige Steuerung des Getriebes die Reichweite erhöht werden.
Es ist bekannt, daß diese Möglichkeit in Getriebesteuerun­ gen für Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und einem Automatikge­ triebe zur Verringerung des Benzinverbrauchs genutzt wird. So beziehen sich die DE 39 28 814 C2, DE 41 11 644 A1 und DE 39 22 051 C2 alle auf ein mit einer Brennkraftmaschine ausgerüstetes Fahrzeug.
Bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb sind diese Steuergeräte jedoch nicht einsetzbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Getriebesteuerein­ richtung für ein automatisches Getriebe zu schaffen, die in Fahrzeugen mit Elektroantrieb eingesetzt werden kann. Mit dieser Getriebesteuereinrichtung ist es auch möglich den Energiever­ brauch des Elektrofahrzeuges zu verringern.
Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß erst­ malig ein Getriebesteuergerät für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden kann. Zum verbrauchsoptimalen Schalten werden für die Gangwahlfunktion drei verschieden Verfahren vorgeschlagen. Beim ersten Verfahren werden im Getriebesteuergerät verbrauchsoptima­ le Schaltlinien abgelegt. Diese optimalen Schaltlinien berück­ sichtigen alle Verluste in den Teilsystemen Batterie, Leistungs­ stellglied, Elektromotor, Getriebe und Zusatzverbraucher. Bei der zweiten Variante werden zeitlich nicht konstante Einfluß­ parameter auf die Verluste durch eine Adaptierung der optimalen Schaltlinie berücksichtigt. Das dritte Verfahren arbeitet ohne optimale Schaltlinien. Hier werden die momentanen Verluste in Echtzeit berechnet und zur Gangwahl herangezogen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der folgenden Zeich­ nungen erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Antriebsstruktur für ein Elektrofahrzeug,
Fig. 2 Struktur des Getriebesteuergerätes,
Fig. 3 Ablauf eines Schaltvorgangs,
Fig. 4 Optimale Schaltlinien (theoretisch),
Fig. 5 Optimale Schaltlinien (real),
Fig. 6 Einfluß der Getriebetemperatur auf die optimale Schaltlinie I-II,
Fig. 7 Einfluß der Motortemperatur auf die optimale Schaltli­ nie I-II,
Fig. 8 Einfluß des Entladegrades der Batterie auf die optima­ le Schaltlinie I-II,
Fig. 9 Leerlaufspannung und Innenwiderstand einer Bleibatte­ rie als Funktion des Ladezustands,
Fig. 10 Korrekturfaktoren zur Adaptierung der optimalen Schaltlinie (OSL).
Der Gesamtantrieb (Fig. 1) besteht aus den Rädern (1), einem Achsgetriebe (2), einem Schaltgetriebe (3), dem Getriebe­ steuergerät (5) mit dem dazugehörigen Stellglied (4), einem Antriebsmotor (6) einem Leistungsstellglied (7), der Fahrzeug- und Motorsteuerung (8) und dem Energiespeicher (9).
Bei dem Getriebe (3) handelt es sich um ein mehrstufiges Schaltgetriebe. Die Stufenzahl ist beliebig aber größer als Eins. Die Getriebebauform ist ebenfalls beliebig. Üblich sind Vorgelege- oder Planetengetriebe. Das Getriebe dient zur Dreh­ zahl-Drehmomentenanpassung des Antriebsmotors an die Anforderun­ gen die durch das Fahrzeug gestellt werden. Das Getriebe kann lastschaltbar oder nicht-lastschaltbar sein.
Das Schaltgetriebe (3) verfügt über eine geeignete Schalt­ einrichtung oder ein Getriebestellglied (4), welches das Bewegen der Getriebeschaltelemente (z. B. Kupplungen) bei den Schalt­ vorgängen ermöglicht. Diese Bewegung wird von dem Getriebesteu­ ergerät (5) ausgelöst. Die Art des Stellgliedes und die Art der hierzu benötigten Hilfskraft ist beliebig. Möglich sind z. B. elektromotorische, elektromagnetische, hydraulische und pneuma­ tische Stellglieder.
Bei dem Antriebsmotor (6) handelt es sich um einen beliebi­ gen Elektromotor. Einsetzbare Typen sind z. B. Gleichstrom-, Asynchron-, Synchron-, permanent erregte Synchron-, Reluktanz- und Brushless DC-Maschinen.
Der Antriebsmotor (6) wird über ein elektronisches Lei­ stungsstellglied (7) mit Energie versorgt. Das Leistungsstell­ glied (7) ist passend zum Motortyp gewählt und wird über die Fahrzeug- und Motorsteuerung (8) angesteuert. Eine weitere Auf­ gabe der Fahrzeugsteuerung ist z. B. das Erzeugen der Stromsoll­ werte aus der Gas- und Bremspedalstellung, Vorwärts- Rückwärts­ umschaltung, Losfahrschutz, Tempomat usw.
Als Energiespeicher (9) können verschiedene Systeme zum Einsatz kommen, z. B. Brennstoffzellen, Batterien, oder auch ein Generator einschließlich Verbrennungsmotor (serieller Hybrid). Die Fahrzeug- und Motorsteuerung (8) und die Getriebesteuerung (5) sind miteinander über eine analoge oder digitale Schnitt­ stellen verbunden.
Bei der Realisierung der verschiedenen Steuergeräte (5, 8) (Hardware), kann es sich um eine elektronische Schaltung oder um einen Kleinrechner (z. B. Microcontroller) handeln. Die Funktio­ nen der Fahrzeug- und Motorsteuerung und der Getriebesteuerung können auch in einem gemeinsamen elektronischen Gerät realisiert werden.
Die Struktur des Getriebesteuergerätes ist in Fig. 2 darge­ stellt. Das Schaltgetriebe (7) benötigt zum Schalten mehrere Kupplungen die gemeinsam über eine Schaltwelle bewegt werden können (6). Bei der beschriebenen Getriebesteuerung werden an die Schaltwelle des Getriebes zwei Stellglieder (5) so angebaut daß alle Kupplungen geschaltet werden können. Eine Ansteuerung der einzelnen Kupplungen ist ebenfalls möglich, sofern die hierfür nötigen Stellglieder vorhanden sind.
Die Stellglieder (5) werden über die im Getriebesteuer­ gerät vorgesehenen Treiberbausteine (4) angesteuert.
Das Getriebesteuergerät besitzt mehrere Funktionsblöcke, die Schaltablaufsteuerung (3), die Gangwahl (2), den Synchroni­ sierblock (10) und den Kommunikationsblock (9). Der notwendige Datenaustausch zwischen der Fahrzeug- und Motorsteuerung (1) und dem Kommunikationsblock (9) erfolgt über eine Bus-Schnittstelle oder über Steuerleitungen.
Im Folgenden wird die Schaltablaufsteuerung für ein auto­ matisiertes nichtlastschaltbares Getriebe beschrieben. Das Fluß­ diagramm des Schaltablaufs ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Schaltablaufsteuerung (3) erhält von dem Gangwahlblock (2) lediglich die Signale "Schalten" und den gewünschten Gang. Die Ansteuersignale für die Stellglieder werden von der Schalt­ ablaufsteuerung bestimmt. Hierbei müssen die Stellungen der Stellglieder berücksichtigt werden.
Zu Beginn des Schaltvorgangs wird der Sollwert für die Motorstromregelung gesperrt um den Antriebsstrang zu entlasten. Es folgt eine Auskuppelphase in der das Stellglied in die Leerlaufstellung schaltet. Wenn die Leerlaufstellung erreicht ist muß die Motordrehzahl und auf die synchrone Drehzahl des ge­ wünschten Ganges geregelt werden. Der Drehzahlregler ist jedoch Teil der Motorenregelung und muß über die Signalleitungen (Bus) gesteuert werden. Der Synchronisiervorgang wird durch die Schaltablaufsteuerung gestartet. Damit wird nun von dem Syn­ chronisierblock kontinuierlich der Drehzahlsollwert aus der Achsdrehzahl und dem gewünschten Gang berechnet und über den Kommunikationsblock (9) zum Drehzahlregler in der Motorsteuerung (1) übertragen. Zur Überprüfung ob die synchrone Drehzahl er­ reicht ist, benötigt die Schaltablaufsteuerung eine Rückmeldung. Hierzu wird im Synchronisierblock die Drehzahlabweichung ermit­ telt. Ist die synchrone Drehzahl erreicht, kann die Schal­ tablaufsteuerung einen Schritt weiter gehen. Es wird in den neuen Gang eingekuppelt. Wenn der Einkuppelvorgang beendet ist, wird der Drehzahlregler abgeschaltet und der Fahrsollwert wieder freigegeben. Der Schaltvorgang ist beendet.
Für eine störungsfreien Schaltvorgang sind verschiedene Überwachungsfunktionen nötig die in Fig. 3 als Fehlerabfrage zu erkennen sind. Die Überwachungsfunktionen sind die Stellungs­ rückmeldungen, die Synchronlaufrückmeldung und die Überwachung - der Datenübertragung über den Bus. Es werden gegebenenfalls ent­ sprechende Fehlerroutinen abgearbeitet.
Die beschriebene Schaltablaufsteuerung ist für ein automa­ tisiertes nicht lastschaltbares Schaltgetriebe. Kommt ein last­ schaltbares Getriebe zum Einsatz, so muß lediglich die Schalt­ ablaufsteuerung angepaßt werden. Die anderen Funktionen bleiben unverändert.
Nachfolgend sollen die im Getriebesteuergerät realisierten Gangwahlfunktionen erläutert werden. Dies sind: ein einfaches Steuerverfahren, ein erweitertes adaptiertes Steuerverfahren und ein Steuerverfahren mittels Echtzeitberechnung der Verluste.
Zuerst erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 4 und Fig. 5 die Be­ schreibung des einfachen Steuerverfahrens.
Bei diesem Steuerverfahren sind die optimalen Schaltlinien als feste Kennlinien gespeichert. Zur Schaltpunktbestimmung ermittelt das Getriebesteuergerät unter Berücksichtigung ver­ schiedener Istwertsignale, wie z. B. Achsdrehzahl und Drehmoment oder Motorstrom, aus den optimalen Schaltlinien den Umschalt­ zeitpunkt.
Die im Getriebesteuergerät abgelegten optimalen Schaltli­ nien sind Fahrzeugspezifisch und müssen für den gesamten Antrieb berechnet werden. Ein Beispiel für die berechneten optimalen Schaltlinien bei einen Antrieb mit einem Viergang-Schaltgetriebe zeigt Fig. 4. Bei der Berechnung werden alle Verluste in den Teilsystemen Batterie, Leistungsstellglied, Elektromotor, Ge­ triebe und Zusatzverbraucher berücksichtigt. Bei Elektroantrie­ ben ist im Gegensatz zu Antrieben mit Brennkraftmaschinen die Berücksichtigung aller Verluste notwendig. So wird in ATZ 94 (1992) S. 134-141 für optimierte Getriebe in Verbindung mit Brennkraftmaschinen gezeigt, daß zur Ermittlung der verbrauchs­ günstigsten Umschaltpunkte lediglich das Verbrauchskennfeld des Verbrennungsmotors herangezogen wird.
Eine weitere Besonderheit bei den hier vorgestellten opti­ malen Schaltlinien ist, daß sie praktisch aus zwei Teilen be­ steht. Durch die Möglichkeit des elektrischen Bremsens können auch negative Zugkräfte (Bremsmomente) auftreten. Bremsschaltun­ gen werden bei Antrieben mit automatisierten Getrieben (nicht­ lastschaltbar) unterdrückt. Lediglich die Ausrollschaltungen (Motorstrom ist Null) sind zugelassen. Bei dem Einsatz des Getriebesteuergerätes mit einem lastschaltbaren Getriebe können auch die Bremsschaltungen zugelassen werden. Dies bedeutet, daß hier die optimalen Schaltlinienzweige bei negativen Zugkräften mit berücksichtigt werden.
Die ermittelten optimalen Schaltlinien (Fig. 4) müssen jedoch für den praktischen Einsatz modifiziert werden. Insbeson­ dere der annähernd parallele Verlauf der drei optimalen Schalt­ linien bei niedrigen Zugkräften führt zu Schaltpendelungen. Aus dem selben Grund ist die Einführung eine angepaßten Schalthyste­ rese notwendig. Hierzu wird die Hochschaltlinie vorzugsweise zu höheren Drehzahlen hin verschoben.
Die optimalen Schaltlinien bestehen in der einfachsten Form aus einer Tabelle mit Wertepaaren aus Achsdrehmoment und Achs­ drehzahl (Geschwindigkeit). Da das Achsdrehmoment in den meisten Antriebssystemen nicht als Istwert (Meßwert) zur Verfügung steht werden die zu den Drehmomenten gehörigen Motorströme berechnet. In den Tabellen der optimalen Schaltlinien werden dann Wertepaa­ re aus Motorströmen und Achsdrehzahlen abgelegt.
Ein Beispiel für optimale Schaltlinien bei denen die oben genannten Modifikationen durchgeführt wurden zeigt Fig. 5.
Nachfolgend soll nun unter Bezugnahme der Fig. 6-9 ein erweitertes Verfahren zur Gangauswahl mit adaptierten optimalen Schaltlinien beschrieben werden.
Verschiedene Systemgröße des Antriebs sind beim Fahren nicht konstant, obwohl sie bei der Berechnung der oben beschrie­ benen optimalen Schaltlinien als konstant angenommen werden mußten. Hier sind insbesondere die Getriebe- und Motortemperatur und der Ladezustand des Energiespeichers zu nennen. Die Fig. 6-8 zeigen die Einflüsse verschiedene Parameter auf die optima­ len Schaltlinien. Wegen der besseren Übersicht ist in den Fig. 6-8 nur noch eine optimale Schaltlinie dargestellt.
In Fig. 6 ist der Einfluß der Getriebeöltemperatur auf die optimale Schaltlinie dargestellt. Fig. 7 zeigt den Einfluß der Motortemperatur am Beispiel der Temperatur im Ankerkreis einer Gleichstrommaschine und Fig. 8 den Einfluß des Entladezustands der Batterie am Beispiel einer Bleibatterie. Zur Verdeutlichung des Letzteren sind in Fig. 9 die Systemgrößen Zellspannung und Innenwiderstand der Batterie in Abhängigkeit von dem Entladegrad aufgetragen.
Wie man an den hier gezeigten Bildern (Fig. 6-8) erkennt ist die optimale Schaltlinie nicht konstant. Die genannten Einfluß­ parameter werden bei der adaptierten Schaltpunktberechnung berücksichtigt. Basierend auf den optimalen Schaltlinien ohne Parameteradaptierung (Fig. 4-5) werden Korrekturfaktoren einge­ führt welche die Einflußparameter berücksichtigen.
In Fig. 10 zeigt Gleichung (1) eine allgemeine Darstellung einer optimalen Schaltlinie als Tabelle. Gleichung (2) ist eine Tabelle für eine adaptierte Schaltlinie.
In den Gleichungen (3) und (4) werden für die Parametera­ daptierung die Korrekturfaktoren kB, kM und kG eingeführt. Der Faktor kB berücksichtigt den Ladezustand der Batterie, kM die Motortemperatur und kG die Getriebetemperatur.
Zur Berechnung von kB (5) braucht man die aktuellen Werte der Batterieleerlaufspannung und den momentanen Innenwiderstand. Beide Werte beschreiben zusammen den Entladezustand der Batterie und können in der Fahrzeug- und Motorsteuerung (oder falls vor­ handen im Batteriemanagement) ermittelt werden. Die Werte werden dann zur Getriebesteuerung übertragen.
Bei der Berechnung von kM (6) wird der Einfluß der Motor­ temperatur kompensiert. Der Momentanwert der Motortemperatur wird ebenfalls schon durch die Motorsteuerung gemessen. Der Wert wird zum Getriebesteuergerät übertragen.
Zur Berechnung von kG (7) benötigt man den Momentanwert der Getriebetemperatur. Diese Größe wird durch das Getriebesteuerge­ rät ermittelt.
Soll nur ein Einflußparameter, z. B. der Ladezustand des Energiespeichers, bei der Adaptierung der optimalen Schaltlinie berücksichtigt werden, so besteht auch die Möglichkeit mehrere Kennlinien (Kennlinienschar oder auch ein Kennfeld) im Speicher abzulegen. Bei einer größeren Anzahl von berücksichtigten Para­ metern ist diese Möglichkeit nicht mehr praktizierbar, es muß die oben beschriebene Adaptierung mit Korrekturfaktoren benutzt werden.
Im Folgenden wird die dritte Realisierungsmöglichkeit der Gangwahlfunktion beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit für die optimale Gangwahl ist eine Echtzeitberechnung der momentanen Verluste und Wirkungsgrade in den verschiedenen Gangstufen. Hierzu wird im aktuellen Gang g und für die Gänge g+1 und g-1 die momentanen Gesamtverluste berechnet. Dabei werden alle Verlustquellen des gesamten An­ triebssystems berücksichtigt. Durch den Vergleich der Verluste in den verschiedenen Gängen kann man eine Entscheidung treffen in welchem Gang die gesamten Verluste am geringsten sind und der Gesamtwirkungsgrad am größten. Sind die Verluste im aktuellen Gang am geringsten erfolgt kein Schaltvorgang. Sind die Verluste im einem anderen Gang (g+1 oder g-1) geringer, so wird ein Schaltvorgang in den Gang mit den geringsten Verlusten ausge­ führt. Um Schaltpendelungen zu vermeiden müssen die Verluste im Gang g+1 oder g-1 aber um einen Mindestbetrag geringer sein als im Gang g. Hierdurch wird ein Hystereseeffekt erzielt. Um auch Schaltpendelungen bei kleinen Leistungen zu vermeiden werden Hochschaltungen erst ab einer Mindestgeschwindigkeit zugelassen.
Anzeige des optimalen Gangs
Besitzt das beschriebene Getriebe kein Stellglied zum auto­ matischen Schalten der Gänge, so kann das Getriebesteuergerät dazu benutzt werden eine Anzeige anzusteuern, die dem Fahrer anzeigt in welchem Gang die Verluste am geringsten sind.

Claims (14)

1. Steuergerät zur Steuerung des Gangwechsels eines automa­ tisch schaltbaren Getriebes eines insbesondere mit einem Elek­ tromotor angetriebenen Elektro- oder Hybridfahrzeugs dadurch gekennzeichnet, daß durch das Steuergerät automatisch der Gang gewählt wird, in dem die gesamten Verluste im Antriebssystem am geringsten sind.
2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Funktionsblock "Gangwahl" die optimalen Schaltlinien als konstante Kennlinien abgespeichert sind.
3. Steuergerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem Funktionsblock "Gangwahl" die Einflüsse aller zeitabhängigen, die Verluste beeinflussenden Systemgrößen über eine Anpassung der optimalen Schaltlinie berücksichtigt werden.
4. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die optimalen Schaltlinien so angepaßt werden, daß die Einflüsse der Getriebetemperatur auf die optimalen Schaltlinien berücksichtigt sind.
5. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die optimalen Schaltlinien so angepaßt werden, daß die Einflüsse der Motortemperatur auf die optimalen Schaltlinien be­ rücksichtigt sind.
6. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die optimalen Schaltlinien so angepaßt werden, daß die Einflüsse der Batterieleerlaufspannung auf die optimalen Schalt­ linien berücksichtigt sind.
7. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die optimalen Schaltlinien so angepaßt werden, daß die Einflüsse des Batterieinnenwiderstands auf die optimalen Schalt­ linien berücksichtigt sind.
8. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Vermeiden von Schaltpendelungen insbesondere im Bereich niedriger Antriebsmomente und niedriger Motorendrehzah­ len von der optimalen Schaltlinie abgewichen wird.
9. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Vermeiden von Schaltpendelungen insbesondere im Bereich mittlerer bis zu maximalen Antriebsmomenten die Hoch­ schaltlinien zu höheren Geschwindigkeiten verschoben werden und dadurch eine Hysterese entsteht.
10. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß auch beim elektrischem Bremsen und der Steuerung eines lastschaltbaren Getriebes optimale Schaltlinien zur Schaltpunkt­ auswahl herangezogen werden.
11. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten Verluste im Antriebssystem, im momentan ge­ wählten Gang, in einer höheren und einer niedrigeren Gangstufe, in Echtzeit berechnet werden und durch Vergleich der berechneten Verluste der optimale Umschaltpunkt bestimmt wird.
12. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem handgeschaltetem Getriebe die optimalen Schaltli­ nien zum Anzeigen des optimalen Ganges genutzt werden können und der Fahrer gegebenenfalls manuell schaltet.
13. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Funktionen des Steuergerätes auch in einem vorhandenen Fahrzeug- und Motorsteuergerät mit bearbeitet wer­ den, was bedeutet, daß nur eine gemeinsame Hardware für die Antriebs- und Getriebesteuerung notwendig ist.
14. Steuergerät nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Schaltvorgang die Motordrehzahl elek­ trisch auf die dem gewählten Gang entsprechende Drehzahl syn­ chronisiert wird.
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