DE60225753T2

DE60225753T2 - Steuerungsverfahren für ein Hybridfahrzeug während eines Rückwärtsmanövers

Info

Publication number: DE60225753T2
Application number: DE60225753T
Authority: DE
Inventors: Ming Lang Canton Kuang; Prabhakar B. Southfield Patil; James Paul Milford McCarthy
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: CA2387317A1; JP2003083111A; EP1260397B1; JP3795833B2; US20030001391A1; US6603215B2; DE60225753D1; EP1260397A3; EP1260397A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein elektrisches Hybridfahrzeug (hybrid electric vehicle – HEV) und insbesondere auf eine Steuerstrategie zur Regelung eines HEV mit geteiltem Triebstrang, wenn das Fahrzeug im Rückwärtsgang fährt, und der Ladezustand des Fahrzeuges niedrig ist.
Die Notwendigkeit, den Verbrauch von fossilen Kraftstoffen sowie die Emissionen bei Kraftfahrzeugen und anderen, hauptsächlich mittels Brennkraftmaschinen angetriebenen Fahrzeugen zu senken, ist bekannt. Mit Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge versuchen, diesem Bedarf entgegenzukommen. Eine andere alternative Lösung besteht darin, eine kleinere Brennkraftmaschine zusammen mit Elektromotoren in einem Fahrzeug zu kombinieren. Derartige Fahrzeuge kombinieren die Vorteile von Brennkraftmaschinen mit denen von Elektrofahrzeugen und werden im allgemeinen als elektrische Hybridfahrzeuge (hybrid electric vehicles – HEV) bezeichnet. Siehe hierzu allgemein die US-Patentschrift Nr. 5,343,970 von Severinsky.
Dieses HEV ist in einer Reihe von Ausgestaltungen offenbart. Viele HEV-Patente offenbaren Systeme, in welchen der Benutzer zwischen dem elektrischen Betrieb und dem Betrieb mit Verbrennungsmotor wählen muß. In anderen Ausgestaltungen treibt der Elektromotor einen Satz Räder an, und der Verbrennungsmotor treibt einen anderen Satz Räder.
Es sind auch andere nützlichere Ausführungen entwickelt worden. Ein serielles elektrisches Hybridfahrzeug (SHEV) zum Beispiel ist eine Ausgestaltung mit einem Motor (in aller Regel einem Verbrennungsmotor), der mit einem als Generator bezeichneten Elektromotor verbunden ist. Der Generator wiederum liefert elektrische Energie an eine Batterie und einen anderen Elektromotor, der als Antriebsmotor bezeichnet wird. Im SHEV ist der Antriebsmotor die einzige Quelle für Radantriebsmoment. Zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebsrädern besteht keine mechanische Verbindung. Ein Parallel-Elektro-Hybridfahrzeug (PHEV) weist einen Motor auf (in der Regel einen Verbrennungsmotor) und einen Elektromotor, die zu unterschiedlichen Anteilen zusammenarbeiten, um das erforderliche Raddrehmoment an die Antriebsräder des Fahrzeuges abzugeben.
Zusätzlich dazu kann in der PHEV-Ausführung der Elektromotor als Generator verwendet werden, um die Batterie mittels der von der Brennkraftmaschine gelieferten Energie aufzuladen.
Ein elektrisches Hybridfahrzeug mit Parallel-/Seriell-Schaltung (PSHEV) weist die Merkmale sowohl der PHEV- als auch der SHEV-Anordnungen auf und wird bisweilen als "Leistungsverzweigungsanordnung" oder "Powersplit"-Anordnung bezeichnet. Bei einer von mehreren Typen von PSHEV-Ausführungen ist die Brennkraftmaschine in einem Planeten-Achsgetriebe mechanisch mit den beiden Elektromotoren gekoppelt. Ein erster Elektromotor, der Generator, ist mit dem Sonnenrad gekoppelt. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Planetenträger verbunden. Ein zweiter Elektromotor, der Antriebsmotor, ist über weitere Getrieberäder im Achs getriebe mit einem Zahnkranz (Abtrieb) verbunden. Drehmoment vom Verbrennungsmotor kann den Generator zum Laden der Batterie antreiben. Der Generator kann auch zum erforderlichen Radantriebsmoment beitragen (an der Abtriebswelle), wenn das System eine Freilaufkupplung hat. Der Antriebselektromotor wird dazu eingesetzt, zum Raddrehmoment beizutragen, und Bremsenergie zum Laden der Batterie zurückzugewinnen. In dieser Ausführungsform kann der Generator selektiv Gegendrehmoment liefern, das zur Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann. Der Verbrennungsmotor, der Generatormotor und der Antriebselektromotor können praktisch wie ein stufenlos verstellbares Getriebe (continuously variable transmission – CVT) wirken. Außerdem bietet das HEV eine Möglichkeit, den Motorleerlauf gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen besser zu regeln, indem der Generator zur Regelung der Motordrehzahl eingesetzt wird.
Daß es wünschenswert ist, eine Brennkraftmaschine mit einem Elektromotor zu kombinieren, ist einleuchtend. Es besteht ein hohes Potential, den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges und seine Emissionen zu senken, und zwar ohne nennenswerten Verlust an Fahrzeugleistung bzw. Fahrvermögen. Das HEV ermöglicht den Einsatz kleinerer Motoren, regenerativer Bremsung, elektrischer Leistungssteigerung und sogar den Betrieb des Fahrzeuges mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor. Trotzdem müssen neue Wege entwickelt werden, die potentiellen Vorteile eines HEV zu optimieren.
Ein solches Gebiet für die Weiterentwicklung von HEV ist die Steuerung eines HEV mit Leistungsteilung (powersplit) beim Betrieb im Rückwärtsgang. Im bisherigen Stand der Technik wird in einem Getriebe ein Rückwärtsgang eingelegt, wenn der Fahrzeugführer einen Schalthebel in die Stellung "rückwärts" oder "R" bewegt. Bei einem HEV können eine Reihe von Triebstranganordnungen ausgehend von den Fahrzeugbetriebsbedingungen neue Strategien erfordern, um das Fahrzeug im Rückwärtsgang zu bewegen.
Eine Strategie zur Bewegung eines HEV im Rückwärtsgang ist aus dem bisherigen Stand der Technik bekannt. Siehe hierzu die US-Patentschrift Nr. 5,847,469 von Tabata u. a. Tabata u. a. offenbaren ein HEV, bei welchem ein herkömmliches Getriebe zum Antreiben der Räder des Fahrzeuges eingesetzt wird. Die Patentschrift beschreibt ein auf den elektrischen Antriebsmotor beschränktes System, um die Fahrtrichtung des Fahrzeuges umzukehren, ohne die Drehrichtung des Motors umzukehren, solange genügend Batterieladung vorhanden ist. Wenn nicht, wird der Verbrennungsmotor angelassen, um den Elektromotor zu unterstützen.
Ein herkömmliches Getriebe mit Rückwärtsgang kann als ineffizient und als unnötige Komplikation und Ausgabe in einem HEV mit geteiltem Triebstrang betrachtet werden. Alternativ dazu kann der elektrische Antriebsmotor alleine eingesetzt werden, um das Fahrzeug in Rückwärtsrichtung anzutreiben. Beim Rückwärtsfahren wirkt das Drehmoment am Zahnkranz, das vom Verbrennungsmotor abgegeben wird, der Fahrt des Fahrzeuges im Rückwärtsgang entgegen. Es ist daher unerwünscht, den Verbrennungsmotor zu betreiben, wenn sich das Fahrzeug rückwärts bewegt. Wenn aber der Ladezustand der Batterie niedrig ist, kann es sein, daß der Verbrennungsmotor laufen muß, um einen Generator zum Laden der Batterie anzutreiben, und den Betrieb des Elektromotors zu erlauben.
Die EP 0829387 , welche den Oberbegriff des Patentanspruches 1 darstellt, offenbart einen Triebstrang mit Leistungsteilung für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zwei Elektromotoren, welche über ein Planetengetriebe arbeiten, um den Betrieb des Fahrzeuges im Rückwärtsgang entgegen der Drehrichtung des Verbrennungsmotors zu erzielen.
Leider ist aber keine Strategie bekannt, ein HEV mit geteiltem Triebstrang zu steuern, wenn das Fahrzeug rückwärts fahrt, während der Verbrennungsmotor läuft, weil der Ladezustand der Batterie schwach ist, und weil der elektrische Antriebsmotor dann zum Antrieb im Rückwärtsgang vom Generator erzeugte elektrische Energie benötigt.
Einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Triebstrang für ein elektrisches Hybridfahrzeug mit Leistungsverzweigung gestellt, mit einem Verbrennungsmotor, einem Antriebselektromotor, einem Generatormotor, einer Speichervorrichtung für elektrische Energie zum Speichern von elektrischer Energie, wobei die elektrische Energiespeichervorrichtung mit dem Antriebsmotor verbunden ist, um den Antriebsmotor zu bestromen, und mit dem Generatormotor zur Aufnahme von von dem Generatormotor erzeugter elektrischer Energie verbunden ist, wobei der Triebstrang des weiteren eine Leistungsübertragungsvorrichtung aufweist, welche wenigstens eine Vorwärtsfahrposition enthält, um das Fahrzeug in einer Vorwärtsrichtung anzutreiben, und wenigstens eine Rückwärtsfahrposition, um das Fahrzeug in einer Rückwärtsfahrtrichtung anzutreiben, wobei die Leistungsübertragungsvorrichtung mit dem Motor, dem Antriebsmotor und dem Generatormotor gekoppelt ist, einen vom Fahrer betätigbaren Fahrstellungswählhebel mit einer Rückwärtsfahrbetriebsstellung, und eine Fahrzeugsystemsteuerung mit einer Rückwärtsfahrbetriebssteuerung, welche aktiviert wird, wenn sich der Fahrstellungswählhebel in der Rückwärtsfahrbetriebsstellung befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtsfahrbetriebssteuerung so betätigbar ist, daß sie bestimmt, ob der Motor und der Generatormotor laufen;
daß sie eine Nutzleistung vom Verbrennungsmotor berechnet, wenn der Motor und der Generatormotor laufen;
daß sie die Nutzleistung mit einem ersten vorgegebenen Wert vergleicht;
daß sie bestimmt, ob eine fahrerseitige Drehmomentforderung plus das Generatormotordrehmoment größer als ein vorgegebenes maximales Antriebsmotordrehmoment ist, wenn die Nutzleistung größer oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert ist;
daß sie eine neue Generatormotor-Drehmomentforderung berechnet, wenn die fahrerseitige Drehmomentforderung plus das Generatormotordrehmoment größer als das vorgegebene maximale Drehmoment ist;
daß sie bestimmt, ob die neue Generatormotor-Drehmomentforderung größer oder gleich einem zweiten vorgegebenen Wert ist;
daß sie eine neue Generatormotordrehzahl für die neue Generatormotor-Drehmomentforderung berechnet, wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung größer oder gleich dem zweiten vorgegebenen Wert ist;
daß sie bestimmt, ob die neue Generatormotordrehzahl kleiner oder gleich einer maximalen Generatormotordrehzahl ist; und
daß sie eine neue Generatormotor-Drehmomentforderung bestimmt, wenn die neue Generatormotordrehzahl kleiner oder gleich der maximalen Generatormotordrehzahl ist.
Die Nutzleistung vom Verbrennungsmotor kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: ηgτeωe – (1/ηm – ηg)τrωr
Die Berechnung der neuen Generatormotor-Drehmomentforderung kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: τg_req = (τm_max – τd_req@m)/T
Die neue Antriebsmotor-Drehmomentforderung kann dadurch bestimmt werden, daß das vom Fahrer geforderte Drehmoment zur neuen Generatormotor-Drehmomentforderung addiert wird.
Die Steuerung für die Rückwärtsfahrbetriebsart kann einen Motorstoppbefehl beinhalten, wenn die Nutzleistung kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.
Die Steuerung für die Rückwärtsfahrbetriebsart kann des weiteren einen Motorstoppbefehl beinhalten, wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung kleiner als der zweite vorgegebene Wert ist.
Die Steuerung für die Rückwärtsfahrbetriebsart kann des weiteren einen Motorstoppbefehl beinhalten, wenn die neue Generatormotordrehzahl größer als eine Generatormotor-Höchstdrehzahl ist.
Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Steuerung eines Rückwärtsfahrbetriebes in einem elektrischen Hybridfahrzeug gestellt, wenn sich ein Fahrbetriebswählhebel in einer Rückwärtsfahrbetriebsstellung befindet, um zu verhindern, daß ein Ladezustand einer elektrischen Energiespeichervorrichtung kontinuierlich abfällt, während die fahrerseitige Forderung befriedigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
Bestimmen, ob ein Verbrennungsmotor und ein Generatormotor laufen;
Berechnen einer Nutzleistung vom Verbrennungsmotor, wenn der Motor und der Generatormotor laufen;
Vergleichen der Nutzleistung mit einem ersten vorgegebenen Wert;
Bestimmen, ob eine fahrerseitige Drehmomentforderung plus Generatormotordrehmoment größer als ein vorgegebenes maximales Antriebsmotordrehmoment ist, wenn die Nutzleistung größer oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert ist;
Berechnen einer neuen Generatormotor-Drehmomentforderung, wenn die fahrerseitige Drehmomentforderung plus Generatormotordrehmoment größer als das vorgegebene maximale Antriebsmotordrehmoment ist;
Bestimmen, ob die neue Generatormotor-Drehmomentforderung größer oder gleich einem zweiten vorgegebenen Wert ist;
Berechnen einer neuen Generatormotordrehzahl für die neue Generatormotor-Drehmomentforderung, wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung größer oder gleich dem zweiten vorgegebenen Wert ist;
Bestimmen, ob die neue Generatormotordrehzahl kleiner oder gleich einer maximalen Generatormotordrehzahl ist; und
Bestimmen einer neuen Antriebsmotor-Drehmomentforderung, wenn die neue Generatormotordrehzahl kleiner oder gleich der maximalen Generatormotordrehzahl ist.
Der Schritt der Bestimmung der Nutzleistung vom Verbrennungsmotor kann folgende Gleichung verwenden: ηgτeωe – (1/ηm – ηg)τrωr
Die Berechnung der neuen Generatormotor-Drehmomentforderung kann anhand folgender Gleichung bestimmt werden: τg_req = (τm_max – τd_req@m)/T
Der Schritt der Bestimmung der neuen Antriebsmotor-Drehmomentforderung kann dadurch erzielt wird, daß die fahrerseitige Drehmomentforderung zur neuen Generatormotor-Drehmomentforderung addiert wird.
Das Verfahren kann des weiteren den Schritt des Abschaltens des Motors beinhalten, wenn die Nutzleistung kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.
Das Verfahren kann des weiteren den Schritt des Abschaltens des Motors beinhalten, wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung kleiner als der zweite vorgegebene Wert ist.
Das Verfahren kann des weiteren den Schritt des Abschaltens des Motors beinhalten, wenn die Generatormotor-Drehzahl größer als die Höchstdrehzahl des Generatormotors ist.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: eine Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung eines elektrischen Hybridfahrzeuges (HEV);
2: eine Veranschaulichung des Kraftflusses innerhalb des Triebstranges; und
3: eine Veranschaulichung der Strategie der vorliegenden Erfindung für ein HEV beim Fahren im Rückwärtsgang.
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Fahrzeuge und insbesondere elektrische Hybridfahrzeuge (hybrid electric vehicles – HEV). 1 veranschaulicht dabei nur eine mögliche Ausgestaltung, insbesondere eine Ausgestaltung eines Parallel-/Seriell-Elektro-Hybridfahrzeuges (mit Leistungsverzweigung).
Im Grundaufbau eines Hybridfahrzeuges oder HEV befindet sich ein Planetengetriebe 20, welches einen Planetenträger 22 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 24 koppelt, und zwar über eine Freilaufkupplung 26 zur Vermeidung eines Mitdrehens des Motors in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn (counter-clockwise – CCW). Das Planetengetriebe 20 stellt auch eine mechanische Koppelung eines Sonnenrades 28 mit einem Generatormotor 30 und mit einem Zahnkranz (Abtrieb) 32 her. Der Generatormotor 30 ist auch mechanisch mit einer Generatorbremse 34 gekoppelt und elektrisch mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (Batterie) 36 verbunden, die elektrische Energie aufnimmt, die von dem Generatormotor 30 aus mechanischer Energie gewonnen wird. Ein Antriebselektromotor 38 ist über einen zweiten Getriebezug 40 mechanisch mit dem Zahnkranz 32 des Planetengetriebes 20 verbunden und elektrisch an der Batterie 36 angeschlossen. Der Zahnkranz 32 des Planetengetriebezuges 20 und der Antriebselektromotor 38 sind über eine Abtriebswelle 44 mechanisch mit den Antriebsrädern 42 des Fahrzeuges gekoppelt. Die mechanische Koppelung stellt insgesamt gesehen eine Kraftübertragungsvorrichtung dar, wobei diese Kraftübertragungsvorrichtung mit dem Verbrennungsmotor 24, dem Antriebselektromotor 38 und dem Generatormotor 30 verbunden ist. Diese Kraft- bzw. Leistungsübertragungsvorrichtung kann so ausgelegt sein, daß sie wenigstens eine Vorwärtsfahrtstellung hat, in welcher sie das HEV in einer Vorwärtsrichtung bewegen kann, und wenigstens eine Rückwärtsfahrtstellung, um das HEV in einer Rückwärtsrichtung anzutreiben. Ein (nicht dargestellter) vom Fahrer betätigbarer Fahrtrichtungswahlhebel (Gangschalthebel) bestimmt, ob das Fahrzeug in Vorwärts richtung oder in Rückwärtsrichtung fahren soll.
Das Planetengetriebe 30 verteilt die vom Motor 24 abgegebene Leistung auf einen seriellen bzw. in Reihe liegenden Übertragungsweg vom Motor 24 zum Generatormotor 30 und einen parallelen Übertragungsweg vom Motor 24 auf die Antriebsräder 42. Die Motordrehzahl kann dadurch gesteuert werden, daß der Anteil auf dem seriellen Übertragungsweg verändert wird, während die mechanische Verbindung über den Parallelweg aufrecht erhalten wird. Der Antriebselektromotor 38 steigert die Leistung vom Verbrennungsmotor 24 zum Antrieb der Antriebsräder 42 auf dem parallelen Übertragungsweg über den zweiten Getriebezug 40. Der Antriebselektromotor 38 bietet auch die Möglichkeit, Energie direkt aus dem in Reihe geschalteten Übertragungsweg abzuziehen, im wesentlichen durch den Betrieb mit von dem Generatormotor 30 erzeugtem Strom. Dadurch werden Verluste gesenkt, die mit der Umwandlung von Energie in und aus chemische(r) Energie in der Batterie 36 verbunden sind, und es besteht die Möglichkeit, daß die gesamte Energie des Verbrennungsmotors 24, minus die Umwandlungsverluste, an die Antriebsräder 42 gelangen zu lassen.
Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) 46 steuert zahlreiche Komponenten in dieser HEV-Ausführung, indem sie an die Steuerung jeder der Komponenten angeschlossen ist. Eine (nicht dargestellte) Motorsteuereinheit (ECU) ist über eine entsprechende materielle (Hardware) Schnittstelle mit dem Motor 24 verbunden. Die ECU und die VSC 46 können in derselben Einheit aufgebaut sein, sind jedoch tatsächlich separate Steuerungen. Die VSC 46 kommuniziert mit der ECU sowie mit einer Batterieregeleinheit (BCU) 50 und einer Achsgetriebeverwaltungseinheit (TMU) 52 über ein Kommunikationsnetzwerk wie z. B. ein Steuerungsbereichsnetzwerk (controller area network – CAN) 54. Die BCU 50 ist mit der Batterie 36 über eine materielle Schnittstelle verbunden. Die TMU 52 steuert den Generatormotor 30 und den Antriebselektromotor 38 über eine materielle Schnittstelle.
Alle Fahrzeuge müssen ab und zu im Rückwärtsgang betrieben werden. Eine solche Bewegung beginnt in der Regel damit, daß ein Fahrer einen Gangwahlhebel von Hand in eine Rückwärtsfahrstellung (oder "R"-Stellung) verstellt. Bei der Triebstranganordnung der vorliegenden Erfindung stellt der Motor 24 beim Fahren im Rückwärtsgang nicht den Primärantrieb für das Fahrzeug. Es gibt keine echten Rückfahrschaltmittel, insofern keine diskrete Umschaltung von Kraftflußelementen stattfindet, die einen Rückwärtsgang im Gegensatz zu einem Vorwärtsgang herstellen würde. Drehmoment vom Verbrennungsmotor 24 würde beim Rückwärtsfahren nämlich der Rückwärtsfahrt des Antriebselektromotors 38 entgegenwirken. Trotzdem kann es zum Betreiben des Antriebsmotors 38 in Rückwärtsdrehrichtung sein, daß der Motor 24 die Batterie 36 nachladen muß, wenn sich die Batterie 36 in einem schwachen Ladezustand befindet. Während des Betriebes des Motors 24 zur Erzeugung von elektrischem Strom würde der Motor 24 über den zweiten Getriebezug 40 Drehmoment erzeugen, das bestrebt wäre, die Antriebsräder in Vorwärtsrichtung anzutreiben. Nur über das Gleichgewicht zwischen relativem Vorwärts- und Rückwärtsdrehmoment kann das Nettodrehmoment des Fahrzeuges in Rückwärtsrichtung erhöht werden.
Wenn zum Beispiel das Fahrzeug mit einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit (gleich ω_r) rückwärts fährt, dann ist die Ausgangsleistung, die am Antriebsmotor 38 für diese Fahrzeuggeschwindigkeit erforderlich ist, P_v. Es sei des weiteren angenommen, daß der Motor 24 mit einer konstanten Leistungsabgabe (τ_eω_e) läuft, und daß die Wirkungsgrade sowohl des Planetengetriebes 20 als auch des zweiten Getriebezuges 40 gleich eins sind. Das aus dem Motordrehmoment 24 (τ_e) resultierende Drehmoment am Abtriebszahnkranz 32 ist τ_r = τ_e/(1 + ρ). ρ ist dabei das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Sonnenrad 28 und dem Zahnkranz 32 (N_s/N_r). η_g und η_m sind jeweils die Wirkungsgrade des Generatormotors und des Antriebsmotors. Der Kraftfluß innerhalb des Triebstranges unter diesen Voraussetzungen ist in 2 dargestellt. Die im folgenden aufgelisteten Symbole helfen beim Verständnis der vorliegenden Erfindung:

ω_r: = Drehzahl des Zahnkranzes
ω_e: = Motordrehzahl
P_v: = abgegebene Leistung
τ_eω_e: = Motorleistungsabgabe
τ_e: = Motordrehmoment
τ_r: = Drehmoment am Zahnkranz
ρ: = Übersetzungsverhältnis zwischen Sonnenrad und Zahnkranz
Ns: = Zähnezahl am Sonnenrad
Nr: = Zähnezahl am Zahnkranz
η_g: = Gesamtwirkungsgrad des Generators
η_m: = Gesamtwirkungsgrad des Motors
P_batt: = Strom zum Nachladen der Batterie
η_gτ_eω_e: = elektrische Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors (über den Generator)
P_v/η_m: = (elektrische) Eingangsleistung des Elektromotors
(1/η_m – η_g)τ_rω_r: = Stromfließverluste zwischen Elektromotor und Generator
τ_{d_req@m}: = fahrerseitige Drehmomentforderung an den Motor
τ_g: = Generatordrehmoment
ω_g: = Generatordrehzahl
W_Nutz: = Nutzleistung aus dem Verbrennungsmotor
K_w: = vorgegebener Wert von W_Nutz
τ_{m_max}: = maximales Motordrehmoment
τ_{g_req}: = Generatordrehmomentforderung
τ_{g_min}: = minimale Generatordrehmomentforderung
ω_{g_cal}: = berechnete Generatordrehzahl
ω_{g_max}: = Höchstdrehzahl des Generators
T: = Übersetzungsverhältnis zwischen Generator und Motor

Der in 2 dargestellte Kraftfluß veranschaulicht, daß ein Teil der Ausgangs leistung des Antriebsmotors 38 (die zur Überwindung der Abtriebsleistung des Verbrennungsmotors 24 am Zahnkranz 32 erforderliche τ_rω_r) auch Teil des Generatormotoreinganges 30 ist, welcher elektrischen Strom erzeugt. Es handelt sich hier eindeutig um einen Leistungsfluß zwischen dem Antriebsmotor 38 und dem Generatormotor 30, aus dem ein Stromfließverlust im Triebstrangsystem entsteht.
Der zum Laden der Batterie 36 dienende Strom ist P_batt und läßt sich wie folgt darstellen: Pbatt = ηg(τeωe + τrωr) – (Pv + τrωr)/ηm oder Pbatt = ηgτeωe – Pv/ηm – (1/ηm – ηg)τrωr
In diesem Beispiel ist η_gτ_eω_e die (über den Generatormotor 30) vom Motor 24 abgegebene elektrische Leistung, P_v/η_m ist die (elektrische) Eingangsleistung am Antriebsmotor 38, die erforderlich ist, das Fahrzeug anzutreiben, und (1/η_m – η_g)τ_rω_r sind die Stromfließverluste zwischen dem Antriebsmotor 38 und dem Generatormotor 30. Sind die Stromfließverluste größer als die, oder nahe der elektrischen Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 24, dann ist es ohne jeden Vorteil, den Verbrennungsmotor 24 betreiben, weil die Leistungsabgabe des Motors 24 nur Wärme im Antriebsmotor 38 und im Generatormotor 30 erzeugt und nicht die Batterie 36 lädt.
Um sicherzustellen, daß der Betrieb des Motors 24 auch einen Nutzen bringt, wenn das Fahrzeug im Rückwärtsgang führt und der Ladezustand der Batterie 36 niedrig ist, dann muß die Fahrzeugsystemsteuerung VSC 46 das Triebstrangsystem so steuern, daß das oben dargestellte Ergebnis vermieden wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuerstrategie in der VSC 46 zur wirksamen Steuerung des dargestellten HEV-Triebstrangsystems mit Leistungsverzweigung, wenn das Fahrzeug rückwärts fährt, und der Ladezustand der Batterie 36 niedrig ist. Die Rückwärtsbetriebssteuerung wird aktiviert, wenn sich der Gangwahlhebel in der Rückwärtsfahrstellung befindet. Die vorliegende Erfindung betreibt das Triebstrang system effizient und verhindert, daß der Ladezustand der Batterie 36 kontinuierlich weiter abfällt, während sie dennoch die fahrerseitige Forderung befriedigt. Dargestellt wird die Strategie in 3.
Bei Schritt 60 liest die Steuerstrategie für den Rückwärtsfahrbetrieb zuerst die folgenden Fahrzeugeingänge 58: PRND-Position, die fahrerseitige Drehmomentforderung an den Elektromotor (τ_{d_req@m}) das Generatordrehmoment (τ_g) und seine Drehzahl (ω_g), die Fahrzeuggeschwindigkeit (zur Berechnung der Drehzahl ω_r des Zahnkranzes), die Motordrehzahl (ω_e) und den Status des Verbrennungsmotors und des Generators. Die PRND-Position stellt einen vom Fahrer betätigten Fahrstellungs- oder Gangwahlhebel dar (nicht gezeigt), der vom Fahrzeugführer manuell verstellt wird. Befindet sich der Gangwahlhebel in der Stellung "R", dann liegt eine Forderung des Fahrers vor, daß das Fahrzeug rückwärts fahren soll.
In Schritt 62 bestimmt das Verfahren als nächstes, ob der Gangwahlhebel in der Position "R" steht. Wenn nicht, endet die Strategie hier.
Ist in Schritt 62 "R" gewählt worden, bestimmt die Strategie als nächstes in Schritt 64, ob sowohl der Verbrennungsmotor 24 als auch der Generatormotor 30 laufen. Wenn nicht, endet die Strategie. Wenn aber sowohl der Motor 24 als auch der Generatormotor 30 in Schritt 64 laufen, berechnet die Strategie in Schritt 66 als nächstes die Nutzleistung W_Nutz vom Motor 24 unter Einsatz der Gleichung WNutz = ηgτeωe – (1/ηm – ηg)τrωr
Als nächstes bestimmt die Strategie in Schritt 68, ob W_Nutz größer als oder gleich ein(em) ersten vorgegebenen Wert K_w ist. Dieser Wert zeigt an, daß es wünschenswert ist, den Motor 24 zu betreiben, um die Batterie 36 aufzuladen.
Ist W_Nutz in Schritt 68 größer als oder gleich K_w, dann bestimmt die Strategie in Schritt 72 als nächstes, ob die Summe aus fahrerseitiger Drehmomentforderung an den Elektromotor (τ_{d_req@m}) plus Generatormotordrehmoment 30, wie es an der Motorwelle ablesbar ist (τ_gT, worin T das Übersetzungsverhältnis zwischen Generator und Elektromotor ist, und wie es aus dem bisherigen Stand der Technik bekannt ist), größer als das vorgegebene Höchstdrehmoment (τ_{m_max}) des Elektromotors ist. Ist W_Nutz kleiner als K_w, dann führt die Strategie in Schritt 70 einen Motorstopp-Vorgang aus und beendet die Strategie.
Ist die Summe in Schritt 72 größer als das vorgegebene Höchstdrehmoment des Motors, berechnet die Strategie eine neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) in Schritt 74, so daß die fahrerseitige Drehmomentforderung nicht beeinträchtigt wird, und die Rückwärtsbeschleunigung des Fahrzeuges der vom Fahrer kommenden Forderung entspricht. Die Berechnung ist wie folgt: τg_req = (τm_max – τd_req@m)/T
Wenn nicht, fährt die Strategie damit fort, in Schritt 76 eine neue Drehmomentforderung (τ_{m_req}) für den Antriebselektromotor 38 zu berechnen, unter Einsatz der Gleichung: τm_req = τd_req@m + τg_reqTund dann endet die Strategie.
Als nächstes bestimmt die Strategie in Schritt 78, ob die neue Drehmomentforderung (τ_{g_req}) am Generatormotor 30 größer oder gleich einem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist. Das bedeutet, daß das Generatormotor-Drehmoment 30 genau geregelt werden kann. Wenn (τ_{g_req}) in Schritt 78 größer oder gleich dem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist, geht die Strategie weiter dazu über, in Schritt 80 die rechnerische Drehzahl (ω_{g_cal}) des Generatormotors 30 für die gegebene Drehmomentforderung an den Generatormotor 30 zu bestimmen. Andernfalls fährt die Strategie damit fort, den Motor bei Schritt 70 abzuschalten, und die Strategie zu beenden. Mit der neuen Drehmomentforderung (τ_{g_req}) an den Generatormotor 30 kann eine neue Motordrehzahl 24 (ω_e) bestimmt werden, und dann kann die in Schritt 80 berechnete Drehzahl (ω_{g_cal}) des Generatormotors 30 abgeleitet werden, ausgehend von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 24 und der Drehzahl des Zahnkranzes 32 (welche der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht).
Als nächstes bestimmt die Strategie in Schritt 82, ob die berechnete Motordrehzahl (ω_{g_cal}) des Generatormotors 30 kleiner oder gleich einer vorgegebenen Höchstdrehzahl (ω_{g_max}) des Generatormotors 30 ist. Wenn ja, dann geht die Strategie in Schritt 76 (wie oben beschrieben) dazu über, die neue Drehmomentforderung an den Antriebselektromotor 38 zu berechnen, die erforderlich ist, die fahrerseitige Drehmomentforderung zu befriedigen. Diese Drehmomentforderung kompensiert das Drehmoment am Zahnkranz 32, das aus dem Abtriebsmoment des Motors 24 resultiert, um die fahrerseitige Drehmomentforderung zu befriedigen. Ist in Schritt 82 die Drehzahl (ω_{g_cal}) des Generatormotors 30 größer als die maximale Drehzahl (ω_{g_max}) des Generatormotors 30, dann geht die Strategie weiter auf Schritt 70, wo sie den Motorabschaltvorgang ausführt und die Strategie beendet.
Die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung ist ausschließlich zum Zwecke der beispielartigen Darstellung angegeben. Zahlreiche andere Varianten, Abänderungen und Anwendungen der Erfindung sind machbar.

Claims

Triebstrang für ein elektrisches Hybridfahrzeug mit Leistungsverzweigung, mit einem Motor (24), einem Antriebsmotor (38), einem Generatormotor (30), einer Speichervorrichtung (36) für elektrische Energie zum Speichern von elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung (36) zum Speichern von elektrischer Energie mit dem Antriebsmotor (38) verbunden ist, um den Antriebsmotor (38) zu bestromen, und mit dem Generatormotor (30) zur Aufnahme von von dem Generatormotor (30) erzeugter elektrischer Energie, wobei der Triebstrang des weiteren eine Leistungsübertragungsvorrichtung (20) aufweist, welche wenigstens eine Vorwärtsfahrposition enthält, um das Fahrzeug in einer Vorwärtsrichtung anzutreiben, und wenigstens eine Rückwärtsfahrposition, um das Fahrzeug in einer Rückwärtsfahrtrichtung anzutreiben, wobei die Leistungsübertragungsvorrichtung mit dem Motor (24), dem Antriebsmotor (38) und dem Generatormotor (30) gekoppelt ist, einen vom Fahrer betätigbaren Fahrstellungswählhebel mit einer Rückwärtsfahrbetriebsstellung, und eine Fahrzeugsystemsteuerung (46) mit einer Rückwärtsfahrbetriebssteuerung, welche aktiviert wird, wenn sich der Fahrstellungswählhebel in der Rückwärtsfahrbetriebsstellung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtsfahrbetriebssteuerung so betätigbar ist (64), daß sie bestimmt, ob der Motor (24) und der Generatormotor (30) laufen; daß sie eine Nutzleistung (W_Nutz) vom Motor (24) berechnet (66), wenn der Motor (24) und der Generatormotor (30) laufen; daß sie die Nutzleistung (W_Nutz) mit einem ersten vorgegebenen Wert (K_W) vergleicht (68); daß sie bestimmt (72), ob eine fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) plus das Generatormotordrehmoment (τ_g) größer als ein vorgegebenes maximales Antriebsmotordrehmoment (τ_{m_max}) ist, wenn die Nutzleistung (W_Nutz) größer oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert (K_W) ist; daß sie eine neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) berechnet (74), wenn die fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) plus das Generatormotordrehmoment (τ_g) größer als das vorgegebene maximale Drehmoment (τ_{m_max}) ist; daß sie bestimmt (78), ob die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) größer oder gleich einem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist; daß sie eine neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) für die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) berechnet (80), wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) größer oder gleich dem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist; daß sie bestimmt (82), ob die neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) kleiner oder gleich einer maximalen Generatormotordrehzahl (ω_{g_max}) ist; und daß sie eine neue Antriebsmotor – Drehmomentforderung (τ_{m_req}) bestimmt (76), wenn die neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) kleiner oder gleich der maximalen Generatormotordrehzahl (ω_{g_max}) ist.
Triebstrang nach Anspruch 1, worin die neue Antriebsmotor-Drehmomentforderung (τ_{m_req}) dadurch bestimmt wird, daß die fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) zu der neuen Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) addiert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Rückwärtsfahrbetriebes in einem elektrischen Hybridfahrzeug, wenn sich ein Fahrbetriebswählhebel in einer Rückwärtsfahrbetriebsstellung befindet, um zu verhindern, daß ein Ladezustand einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (36) kontinuierlich abfallt, während die fahrerseitige Forderung befriedigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Bestimmen (64), ob ein Motor (24) und ein Generatormotor (30) laufen; Berechnen (66) einer Nutzleistung (W_Nutz) vom Motor (24), wenn der Motor (24) und der Generatormotor (30) laufen; Vergleichen (68) der Nutzleistung (W_Nutz) mit einem ersten vorgegebenen Wert (K_W); Bestimmen (72), ob eine fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) plus Generatormotordrehmoment (τ_g) größer als ein vorgegebenes maximales Antriebsmotordrehmoment (τ_{m_max}) ist, wenn die Nutzleistung (W_Nutz) größer oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert (K_W) ist; Berechnen (74) einer neuen Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}), wenn die fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) plus Generatormotordrehmoment (τ_g) größer als das vorgegebene maximale Antriebsmotordrehmoment (τ_{m_max}) ist; Bestimmen (78), ob die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) größer oder gleich einem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist; Berechnen (80) einer neuen Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) für die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}), wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) größer oder gleich dem zweiten vorgegebenen Wert (τ_{g_min}) ist; Bestimmen (82), ob die neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) kleiner oder gleich einer maximalen Generatormotordrehzahl (ω_{g_max}) ist; und Bestimmen (76) einer neuen Antriebsmotor-Drehmomentforderung (τ_{m_req}), wenn die neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) kleiner oder gleich der maximalen Generatormotordrehzahl (ω_{g_max}) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Schritt (66) der Bestimmung der Nutzleistung (W_Nutz) des Motors (24) folgende Gleichung verwendet: ηgτeωe – (1/ηm – ηg)τrωr
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, worin die Berechnung (74) der neuen Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) durch folgende Gleichung bestimmt wird: τg_req = (τm_max – τd_req@m)/T
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, worin der Schritt (76) der Bestimmung der neuen Antriebsmotor-Drehmomentforderung (τ_{m_req}) dadurch erzielt wird, daß die fahrerseitige Drehmomentforderung (τ_{d_req@m}) zur neuen Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) addiert wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 6, außerdem den Schritt (70) des Abschaltens des Motors (24) beinhaltend, wenn die Nutzleistung (W_Nutz) kleiner als der erste vorgegebene Wert (K_W) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 7, des weiteren den Schritt (70) des Abschaltens des Motors (24) beinhaltend, wenn die neue Generatormotor-Drehmomentforderung (τ_{g_req}) kleiner als der zweite vorgegebene Wert (τ_{g_min}) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 8, des weiteren den Schritt (70) des Abschaltens des Motors (24) beinhaltend, wenn die neue Generatormotordrehzahl (ω_{g_cal}) größer als die maximale Generatormotordrehzahl (ω_{g_max}) ist.