DE60128037T2 - Verfahren und System zur Antriebsregelung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kraftfahrzeugs, wie dies im Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 4 festgelegt ist und beispielsweise in US-4533011-A geoffenbart wurde.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes System zum Steuern des Antriebs sowie ein Verfahren zu liefern.
  • Dieses sowie andere Ziele werden erfindungsgemäß mit einem Antriebs-Steuersystem, dessen Hauptmerkmale im angeschlossenen Anspruch 1 festegelegt sind, und mit dem Verfahren erreicht, das im Anspruch 4 festgelegt ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
  • 1 die vereinfachte Darstellung eines Systems gemäß der Erfindung; und
  • 2a und 2b Diagramme, in denen das Verhalten von einigen Größen in einem Steuersystem gemäß der Erfindung als Funktion der Zeit t dargestellt ist, die auf der Abszisse aufgetragen ist.
  • 1 zeigt vereinfacht und teilweise ein Kraftfahrzeug V, das mit einem Verbrennungsmotor 1 sowie mit einer Kraftübertragung 2 ausgestattet ist, die ein Getriebe 3 mit diskreten übersetzungsverhältnissen aufweist, im Besonderen ein Getriebe mit Zahnrädern.
  • Beim Getriebe 3 handelt es sich um ein sogenanntes Automatikgetriebe oder Servogetriebe, das heißt um ein Getriebe, das Stelleinrichtungen besitzt, beispielsweise elektrohydraulische Stelleinrichtungen, um das Einrücken/Ausrücken von Zahnrädern durchzuführen.
  • Das Kraftfahrzeug V besitzt weiters eine umsteuerbare elektrische Maschine 4, die einen Rotor 5 und einen Stator 6 aufweist. Diese elektrische Maschine 4 liegt zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der Kraftübertragung 2 und kann wahlweise als Generator und als Elektromotor arbeiten.
  • Eine erste Kupplung und eine zweite Kupplung, die in 1 mit den Bezugsziffern 7 und 8 versehen sind, können mit entsprechenden Stellgliedern 9 und 10 betätigt werden, beispielsweise mit elektrohydraulischen Stellgliedern, die wahlweise betätigt werden können, um das Kuppeln des Rotors 5 der elektrischen Maschine 4 mit der Eingangswelle 11 der Kraftübertragung bzw. mit der Welle 12 des Verbrennungsmotors 1 zu steuern.
  • Ein Steuersystem, das allgemein das Bezugszeichen CS trägt, ist dem oben beschriebenen Antriebssystem zugeordnet. Bei der beispielhaft gezeigten Ausführungsform von 1 enthält das Steuersystem CS vier elektronische Steuereinheiten ECU1, ECU2, ECU3 und ECU4, die miteinander über ein Kommunikationsnetzwerk 13 verbunden sind, das beispielsweise in Übereinstimmung mit dem CAN-Protokoll arbeitet.
  • Bei der Steuereinheit ECU1 handelt es sich grundsätzlich um eine Einheit, die das Management des Verbrennungsmotors 1 überwacht. Mit dieser Einheit sind ein Stellungssensor 14, der dem Gaspedal P zugeordnet ist, ein Sensor 15, um die Drehzahl der Welle 12 des Motors 1 abzutasten, sowie weitere Sensoren verbunden, die in 1 allgemein mit der Bezugsziffer 16 versehen sind, beispielsweise ein Sensor zum Abtasten der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs usw.
  • Die Steuereinheit ECU2 ist dazu vorgesehen, um eine allgemeine Funktion des Kraftfahrzeugs zu steuern und die verschiedenen anderen Steuereinheiten zu koordinieren. Mit dieser Einheit sind (unter anderem) ein Instrumentenbrett 18, das am Armaturenbrett angeordnet ist, ein EIN/AUS-Schalter 19, der beispielsweise mit einem Schlüssel 20 betätigt werden kann, sowie ein mit der Hand zu betätigender Schalter 21 verbunden, um die Arbeitsweise des Antriebssystems mit einem Hybridantrieb oder wahlweise mit einem reinen Elektroantrieb auszuwählen.
  • Die Steuereinheit ECU3 ist dazu vorgesehen, um das Getriebe zu steuern, wobei sie mit den Gebern, die in der Zeichnung allgemein mit der Bezugsziffer 22 versehen sind, um die Zahnräder des Getriebes 3 einzurücken/auszurücken, mit einer mit der Hand zu betätigenden Einrichtung, um das Getriebe zu steuern, beispielsweise mit einem sogenannten Joystick 23, der mit Sensoren ausgestattet ist, mit Sensoren 31 und 32, um Signale zu liefern, die die Drehzahl (Umdrehungen pro Zeiteinheit) des Rotors 5 der elektrischen Maschine 4 bzw. der Eingangswelle 11 der Kraftübertragung angeben, sowie mit einem wahlweisen Stellungssensor 33 verbunden ist, um Signale zu liefern, die die Stellung des Stellglieds 9 angeben, das der Kupplung 7 zugeordnet ist, die zwischen der elektrischen Maschine 4 und der Kraftübertragung 3 angeordnet ist.
  • Weitere Sensoren, die allgemein die Bezugsziffer 24 tragen, beispielsweise Sensoren für die Anzeige des Übersetzungsverhältnisses, das tatsächlich im Getriebe eingerückt ist, sind ebenfalls mit der Steuereinheit ECU3 verbunden.
  • Die Steuereinheit ECU3 ist weiters mit den Stellgliedern 9 und 12 verbunden, die der Kupplung 7 bzw. 8 zugeordnet sind. Eine mit der Hand zu betätigende Auswahleinrichtung 30 ist ebenfalls mit der Einheit ECU3 verbunden und kann vom Fahrer des Fahrzeugs betätigt werden, um eine erste Betriebsart einzurichten, in der die Einheit ECU3 Gangwechsel in Übereinstimmung mit den Befehlen vornimmt, die sie von der Hand-Auswahleinrichtung 23 erhält, oder eine zweite Betriebsart einzurichten, in der das Getriebe vollautomatisch gesteuert wird. In dieser zweiten Betriebsart wird das Getriebe von der Einheit ECU3 aufgrund der Betriebszustände des Fahrzeugs automatisch gesteuert (mit Signalen, die von den oben beschriebenen Sensoren geliefert werden).
  • Schließlich überwacht die Steuereinheit ECU4 die Steuerung der elektrischen Maschine 4. Der Ausgang dieser Einheit ist mit der elektrischen Maschine 4 über eine Dreiphasen-Leitung 29 verbunden. Eine Batterie 28 liegt an der Einheit ECU4.
  • Die Architektur des Steuersystems CS, die in vier Einheiten geteilt ist, ist lediglich beispielhaft angeführt. Für Fachleute ist ersichtlich, dass alle Funktionen des Steuersystems und im Besonderen jene Funktionen, die unten beschrieben werden, von einem Steuersystem ausgeführt und gesteuert werden können, das eine unterschiedliche Architektur besitzt oder sogar in Form einer einzigen Mikroprozessor-Steuereinheit hergestellt ist.
  • Das Steuersystem CS ist so aufgebaut, dass es die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors 1, der elektrischen Maschine 4, der Kupplungen 7 und 8 sowie der Stellglieder 22 zum Einrücken/Ausrücken der Zahnräder des Getriebes auf vorgegebene Art in Abhängigkeit von den Signalen steuert, die von den Sensoren 14-16, 31-33 und in der ersten oben erwähnten Betriebsart von jenen Sensoren geliefert werden, die der Hand-Auswahleinrichtung 23 zugeordnet sind.
  • Wenn im Besonderen die Steuerung für den Automatikbetrieb des Getriebes mit der Auswahleinrichtung 30 ausgewählt wurde, ist das Steuersystem CS so aufgebaut, dass es eine Start/Stop-Funktion ausführt, die dazu dient, um den Kraftstoffverbrauch sowie Schadstoffemissionen herabzusetzen.
  • Diese Start/Stop-Funktion sieht das Ausführen eines Stop-Schritts, bei dem der Verbrennungsmotor 1 von der elektrischen Maschine und von der Kraftübertragung 2 dadurch getrennt ist, dass die Kupplung 8 ausgerückt ist, in ersten vorgegebenen Betriebszuständen des Fahrzeugs vor, die mit Hilfe der oben erwähnten Sensoren abgetastet werden, beispielsweise in Zuständen, in denen das Kraftfahrzeug langsamer wird, wenn es in einer Kolonne fährt oder bei Ampeln anhält. während des Stop-Schritts wird der Verbrennungsmotor 1 unter der Steuerung der Einheit ECU1 abgeschaltet.
  • Auf den Stop-Schritt folgt ein Start-Schritt, der als Ergebnis des Auftretens von vorgegebenen Zuständen gestartet wird, beispielsweise mit einem Befehl, den der Fahrer gibt, z.B. durch die Betätigung des Gaspedals P.
  • Während des Start-Schritts wird der Verbrennungsmotor 1 mit Hilfe der elektrischen Maschine 4 wieder gestartet, die als Motor arbeitet, und dann wieder mit der Kraftübertragung 2 verbunden, wie dies später beschrieben wird.
  • Das Steuersystem CS ist während des Anfangsteils des Start-Schritts so aufgebaut, dass es die elektrische Maschine 4 als Elektromotor in Betrieb setzt, während die Kupplung 8 ausgerückt ist, wobei die Kupplung 7 fortlaufend so gesteuert wird, dass sie ein Drehmoment zur Welle 11 überträgt. Im Besonderen wird die Kupplung 7 so gesteuert, dass sie ohne Rutschen ein Drehmoment übertragen kann, das etwas größer als jenes Drehmoment ist, das von der Maschine 4 tatsächlich geliefert wird, um ein unnötiges Rutschen und einen Energieverlust zu verhindern. In diesem Zustand ist die elektrische Maschine 4 die einzige Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs, wobei ihre Drehzahl n5 mit der Drehzahl n11 der Eingangswelle der Kraftübertragung 11 übereinstimmt. Im Zusammenhang mit 2a erfolgt diese Aktivierung zum Zeitpunkt t1.
  • Mit Hilfe der Steuereinheit ECU1 überwacht das Steuersystem CS den Wert des Antriebsdrehmoments, der vom Fahrer angefordert wird und der im Start-Schritt dem Betätigungsgrad (der Stellung) des Gaspedals P entspricht. Sobald das angeforderte Drehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, der beispielsweise einer Beschleunigung des Fahrzeugs von 1,5 m/s2 entspricht, hält das System CS die Kupplung 7 in einem gesteuerten, teilweise ausgerückten Zustand mit Hilfe der Steuereinheit ECU3 und dem Stellglied 9 (Zeitpunkt t2 in 2a und 2b), um ein Drehmoment, das gleich dem Schwellenwert ist, an die Eingangswelle der Kraftübertragung 11 anzulegen, während die elektrische Maschine 4 dazu gebracht wird, dass sie das maximale Drehmoment liefert, das sie liefern kann.
  • Dadurch wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Beschleunigung des Fahrzeugs sicher gestellt, die dem Schwellenwert des Drehmoments entspricht, während die Drehzahl n5 der elektrischen Maschine 4 durch die Drehzahl n11 der Eingangswelle der Kraftübertragung 11 nicht eingeschränkt wird.
  • Sobald die Drehzahl n5 der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der zumindest gleich der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 1 ist, und sobald die Differenz zwischen der Drehzahl n5 der elektrischen Maschine und der Drehzahl n11 der Eingangswelle der Kraftübertragung einen vorgegebenen Wert überschritten hat, verursacht die Steuereinheit ECU3 mit Hilfe des Stellglieds 10 ein erstes Einrücken der Kupplung 8. Ausgehend von einem Zeitpunkt t3 in 2a und 2b wird damit die Welle 12 des Verbrennungsmotors 1 von der elektrischen Maschine 4 in Drehung versetzt, um ihn zu starten.
  • Die Kupplung 7 wird weiterhin so gesteuert, wie dies oben gezeigt wurde, so dass als Ergebnis des übertragenen Drehmoments die Drehzahl n11 der Eingangswelle der Kraftübertragung 11 weiterhin ansteigt, während sie unterhalb der Drehzahl n5 der elektrischen Maschine 5 bleibt. Dadurch wird verhindert, dass der Benutzer das Starten des Verbrennungsmotors wahrnimmt.
  • 2b zeigt größenmäßig das Verhalten des Drehmoments C8, das von der Kupplung 8 auf die Welle 12 des Verbrennungsmotors 1 übertragen wird. Ausgehend vom Zeitpunkt t4 steigt das Drehmoment C8 abrupt an.
  • Das oben erwähnte erste Einrücken der Kupplung 8 besitzt vorzugsweise eine Dauer T, die so berechnet wird, dass der Motor 1 während des Start-Schritts den ersten Kompressionsschritt durchlaufen kann. Nach dem Zeitintervall T ist die Kupplung 8 bis zu einem Zeitpunkt t4 in 2b wiederum im Wesentlichen ausgerückt, bis während des Start-Schritts der Mittelwert des Widerstandsdrehmoments des Motors 1 übertragen wird. Dieses kräftige Ausrücken der Kupplung 8 ermöglicht, dass die Drehzahl n11 der Eingangswelle 11 der Kraftübertragung 2 von der Drehzahl der Antriebseinheit "losgelöst" ist, die diese Welle über die Kupplungen 7 und 8" sieht", wobei diese Antriebseinheit sowohl durch die elektrische Maschine 4, die als Motor arbeitet, als auch durch den gestarteten Verbrennungsmotor 1 gekennzeichnet ist.
  • Ausgehend vom Zeitpunkt t4, an dem erkannt wird, dass der Motor 1 gestartet ist, wird die Kupplung 8 endgültig wieder eingerückt, zuerst teilweise und dann ganz.
  • Die Drehzahl n1 des gestarteten Verbrennungsmotors 1 und die Drehzahl n5 des Rotors 5 der elektrischen Maschine 4 werden daher einander gleich, während die Kupplung 7 allmählich eingerückt wird, was zu einer Einschränkung des Antriebsdrehmoments führt, womit die Drehzahl n5 der Welle der elektrischen Maschine auch auf den Wert n11 der Eingangswelle der Kraftübertragung 11 gebracht wird.
  • Das Steuersystem CS unterbricht die Arbeitsweise der elektrischen Maschine 4 als Motor mit Hilfe der Einheit ECU4, sobald das vom Verbrennungsmotor 1 gelieferte Drehmoment groß genug ist, so dass es die Anforderung des Fahrers erfüllen kann, die über das Gaspedal P erfolgt.
  • Das oben beschriebene Steuersystem verhindert, dass das Fahrzeug während des Start-Schritts unter einem "Loch" in der Beschleunigung leidet, das vom Fahrer als nachteilig empfunden wird, wenn durch den Fahrer ein plötzlicher Bedarf an einem großen Drehmoment gegeben ist. Dies wird im Besonderen durch ein geregeltes Ausrücken der Kupplungen während des Start-Schritts erreicht.
  • Selbstverständlich bleibt das Prinzip der Erfindung gleich, wobei Arten der Ausführungsform und Details im Aufbau gegenüber der Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels und den Zeichnungen weit verändert werden können, ohne dadurch vom Bereich der Erfindung abzuweichen, der in den angeschlossenen Ansprüchen festgelegt ist.

Claims (6)

  1. System zum Steuern des Antriebs für ein Kraftfahrzeug (v) mit: einem Verbrennungsmotor (1), einer Kraftübertragung (2) , die ein Getriebe (3) aufweist, das mit einer zugeordneten Stelleinrichtung (22) versehen ist, einer umsteuerbaren elektrischen Maschine (4), die einen Rotor (5) und einen Stator (6) aufweist und die zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der Kraftübertragung (2) liegt und so aufgebaut ist, dass sie wahlweise als Generator und als Elektromotor arbeitet, einer ersten Kupplung und einer zweiten Kupplung (7, 8), die so aufgebaut sind, dass sie wahlweise betätigt werden können, um das Kuppeln des Rotors (5) der elektrischen Maschine (4) mit der Kraftübertragung (2) bzw. mit dem Verbrennungsmotor (1) zu steuern, Sensoreinrichtungen (14-16, 24, 31-33), um elektrische Signale zu liefern, die die Betriebszustände des Fahrzeugs (V), des Verbrennungsmotors (1) sowie der elektrischen Maschine (4) angeben, und einer Steuereinrichtung (CS), die so aufgebaut ist, dass sie den Verbrennungsmotor (1), die elektrische Maschine (4), die erste Kupplung und die zweite Kupplung (7, 8) sowie die Stelleinrichtung (22) für das Getriebe gemäß vorgegebenen Verfahren in Abhängigkeit von den Signalen steuert, die von den Sensoreinrichtungen geliefert werden, wobei die Steuereinrichtung (CS) im Besonderen so aufgebaut ist, dass sie eine Start/Stop-Funktion ausführt, bei der in einem Stop-Schritt der Verbrennungsmotor (1) von der elektrischen Maschine (4) und von der Kraftübertragung (2) getrennt und in ersten vorgegebenen Betriebszuständen des Fahrzeugs (V) abgeschaltet und dann nach dem Auftreten von zweiten vorgegebenen Betriebszuständen, beispielsweise einem vom Fahrer gegebenen Befehl, in einem nachfolgenden Start-Schritt von der elektrischen Maschine (4) wieder gestartet wird, die als Motor arbeitet, und dann wieder mit der Kraftübertragung (2) verbunden wird, wobei die Steuereinrichtung (CS) so aufgebaut ist, dass sie während des Start-Schritts hervorruft: eine Inbetriebsetzung der elektrischen Maschine (4) als Motor, während die zweite Kupplung (8) im Wesentlichen ausgerückt und die erste Kupplung (7) gesteuert eingerückt ist, um einen Antrieb der Kraftübertragung (2) durch die elektrische Maschine (4) hervor zu rufen, eine Überwachung des angeforderten Drehmoments, das dem Betätigungsgrad des Gaspedals (P) entspricht, und dann, wenn dieses Drehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, ein erstes Einrücken der zweiten Kupplung (8), sobald die Drehzahl (n5) der elektrischen Maschine (4) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, so dass der Verbrennungsmotor (1) in Drehung versetzt wird, um mit Hilfe der elektrischen Maschine (4) gestartet zu werden; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuereinrichtung (CS) so aufgebaut ist, dass sie während des Start-Schritts dann, wenn das angeforderte Antriebsdrehmoment den vorgegebenen Schwellenwert erreicht, ein teilweises Ausrücken der ersten Kupplung (7) hervorruft, das so gesteuert wird, dass ein Drehmoment, das gleich dem Schwellenwert ist, fortlaufend an die Kraftübertragung (2) gelegt wird, während die elektrische Maschine (4) dazu veranlasst wird, im Wesentlichen ihr maximales Drehmoment zu liefern; die Steuereinrichtung (CS) so aufgebaut ist, dass sie das erste Einrücken der zweiten Kupplung (8) dann hervorruft, wenn die Differenz zwischen der Drehzahl (n5) der elektrischen Maschine (4) und der Drehzahl (n11) der Eingangswelle (11) der Kraftübertragung (2) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei das erste Einrücken der zweiten Kupplung (8) eine vorgegebene Dauer (T) besitzt, nach der die zweite Kupplung (8) im Wesentlichen wieder ausgerückt und dann endgültig wieder eingerückt wird.
  3. System gemäß Anspruch 2, wobei nach dem endgültigen Wiedereinrücken der zweiten Kupplung (8) die erste Kupplung (7) ebenfalls fortschreitend wieder eingerückt wird.
  4. Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kraftfahrzeugs, das versehen ist mit: einem Verbrennungsmotor (1), einer Kraftübertragung (2), die ein Getriebe (3) aufweist, das mit einer zugeordneten Stelleinrichtung (22) versehen ist, einer umsteuerbaren elektrischen Maschine (4), die einen Rotor (5) und einen Stator (6) aufweist und die zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der Kraftübertragung (2) liegt und so aufgebaut ist, dass sie wahlweise als Generator und als Elektromotor arbeitet, einer ersten Kupplung und einer zweiten Kupplung (7, 8), die wahlweise betätigt werden können, um das Kuppeln des Rotors (5) der elektrischen Maschine (4) mit der Kraftübertragung (2) bzw. mit dem Verbrennungsmotor (1) zu steuern, wobei das Verfahren das Ausführen einer Start/Stop-Funktion enthält, die aufweist: einen Stop-Schritt, bei dem der Verbrennungsmotor (1) von der elektrischen Maschine (4) und von der Kraftübertragung (2) getrennt und abgeschaltet ist, und einen nachfolgenden Start-Schritt, bei dem der Verbrennungsmotor (1) mit Hilfe der elektrischen Maschine (4), die als Motor arbeitet, wieder gestartet und dann wieder mit der Kraftübertragung (2) verbunden wird, wobei im Start-Schritt: die elektrische Maschine (4) als Motor gestartet wird, während die zweite Kupplung (8) im Wesentlichen ausgerückt und die erste Kupplung (7) gesteuert eingerückt ist, um einen Antrieb der Kraftübertragung (2) mit der elektrischen Maschine (4) hervor zu rufen, das Antriebsdrehmoment, das dem Betätigungsgrad des Gaspedals (P) des Kraftfahrzeugs entspricht, überwacht wird, wobei dann, wenn dieses Drehmoment einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, ein erstes Einrücken der zweiten Kupplung (8) hervorgerufen wird, sobald die Drehzahl (n5) der elektrischen Maschine (4) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, um den Verbrennungsmotor (1) in Drehung zu versetzen, um ihn mit Hilfe der elektrischen Maschine (4) zu starten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass im Start-Schritt dann, wenn das angeforderte Antriebsdrehmoment den vorgegebenen Schwellenwert erreicht, ein teilweises Ausrücken der ersten Kupplung (7) hervorgerufen und so gesteuert wird, dass ein Drehmoment, das gleich dem Schwellenwert ist, weiterhin an die Kraftübertragung (2) gelegt wird, während die elektrische Maschine (4) dazu veranlasst wird, im Wesentlichen ihr maximales Drehmoment zu liefern; das erste Einrücken der zweiten Kupplung (8) veranlasst wird, wenn die Differenz zwischen der Drehzahl (n5) der elektrischen Maschine (4) und der Drehzahl (n11) der Eingangswelle (11) der Kraftübertragung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das erste Einrücken der zweiten Kupplung (8) eine vorgegebene Dauer (T) besitzt, worauf die zweite Kupplung (8) im Wesentlichen ausgerückt und dann endgültig wieder eingerückt wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei nach dem endgültigen Wiedereinrücken der zweiten Kupplung (8) die erste Kupplung (7) ebenfalls fortschreitend wieder eingerückt wird.
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