WO2008125414A2 - Verfahren zum aufbau von drehmomentreserven in einem hybridantrieb - Google Patents

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Definitions

  • the invention is based on a hybrid drive with an internal combustion engine and an electric machine.
  • the internal combustion engine is driven to provide too high a generation torque, i.e., high torque, depending on the desired acceleration.
  • the compensation of the excess torque can then be quickly reduced to realize a corresponding acceleration, the engine has already been driven in a corresponding operating range. For example, when increasing the filling results in an excess torque.
  • the generation torque increased by the surplus should only be propelled if this requires the desired acceleration, since otherwise a jerky acceleration results.
  • the ignition angle is changed such that counteracting the engine by compensating the ignition angle efficiency compensates for the excess torque, thereby avoiding undesirable acceleration.
  • the degree of compensation of the excess torque is limited by the maximum adjustable ignition angle.
  • only an excess can be compensated by reducing the torque.
  • the ignition angle is affected by the change in the ignition angle. Disclosure of the invention
  • the invention provides a method for operating an internal combustion engine and at least one unit which is connected to the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is at an operating point which is optimal or otherwise desirable for the internal combustion engine and which is defined by one or more operating parameters. is operated. Operating at the operating point so selected may result in a torque that is different than the torque required to drive or momentarily desired for the drive. The difference is, for example, in addition to the compensation by annihilation by Zündwinkelver ein, inventively either degraded by the connected unit, i. destroyed, or recorded and converted into storable energy and cached. As an aggregate, an electric machine can be used which compensates for the excess (or missing) torque to temporarily store (or generate) it.
  • an electric machine is preferably used, the torque caches as electrical energy and / or destroys the torque, for example by conversion into heat.
  • another internal combustion engine comes into question, which can perform the torque compensation completely or partially by appropriate control, for example, the ignition angle or other parameters.
  • a fuel cell can be used which, via a generator, can absorb mechanical power and convert it into heat and / or chemical energy.
  • an electric machine is often used as an aggregate, for example the electric machine which generates the traction power in a hybrid drive and converts mechanical power during recuperation into electrical, storable power or energy.
  • the inventive method allows the compensation of excess torque, which is not limited by a maximum ignition angle. Further, despite built-up torque compensation, the engine may operate at a higher firing angle efficiency. In addition, the driving dynamics can be made more flexible, with torque compensation being able to be set up and reduced more dynamically, in particular at low speeds of the internal combustion engine. Another advantage is that the operating parameters of the internal combustion engine can be designed in other areas. In particular, the generation torque can be increased more flexibly and to a greater extent. without having to accept unwanted acceleration or unwanted ignition angle efficiency. The inventive method also allows a finely controllable and time-dynamic control of acceleration.
  • the change of the stroke preferably comprises the change of the valve lift of at least one intake valve, a part of all or all of the intake valves.
  • the change of the stroke preferably comprises the change of at least one exhaust valve, a part of all or all of the exhaust valves.
  • Step-like changes are also associated with sudden load point changes, for example, when shifting or disconnecting decelerating or accelerating elements, i. Torque sinks or sources.
  • the invention makes it possible on the one hand, to compensate for these fluctuations in spite of operating point or operating mode change to a large extent, and on the other hand, a compensation in both directions. Furthermore, large reductions in firing efficiency can be avoided by using ignition angle misadjustments sparingly or not at all to compensate and instead providing the compensation for the electric motor.
  • the underlying inventive concept is, in a switching operation, which has a sudden change in torque result, for example, in the context of an increase in the degree of filling to build up torque reserves, not only the internal combustion engine, but also the electric motor to compensate for a sudden increase or fallen generation torque to be able to form torque compensation in both directions and to a greater extent and to be able to set by controlling the electric machine targeted.
  • the controller or another element detects the occurrence or imminence of a mode change associated with a sudden change in the torque generated by the internal combustion engine is connected, and changes the torque which is provided by the electric motor to at least partially compensate for the sudden change in the torque generated by the internal combustion engine. If the change is positive, ie the torque jumps from a low value to a high value, the ignition angle efficiency can be degraded in addition to the compensation by means of an electric motor to reduce the torque difference by partially reducing the torque generated by the internal combustion engine (ie the generation torque ) to reduce. In other words, in addition to the electric motor, which receives a part of the excess torque, a deterioration of the Zündwinkel Kochsgrads for reducing the torque difference, which is associated with the torque jump.
  • the reduction of torque or the associated proportion of compensation by means of a deterioration of the ignition angle is limited by the maximum setting of the ignition angle.
  • the firing angle may be degraded only so far that a maximum of 20% of the generation torque may be degraded by deterioration of the firing angle efficiency.
  • other shares eg. 25% - 50% or 30% - 45% or 40% maximum by change, i. be used as the maximum compensation by deterioration of Zündwinkel Obersgrads.
  • deterioration of the generation torque only torque can be reduced. The compensation is therefore limited to only one direction, it can only be reduced to high generation torques; too low generation torques can not be compensated by ignition angle changes.
  • the compensation by the electric motor provides an alternative way of compensating, which can be added to the ignition timing adjustment, which can compensate for positive and negative torque differences, covering a wider range of compensation, especially in combination with the ignition angle variation.
  • a change in the generation torque ie the torque generated by the internal combustion engine is caused by the change in the energy generated by the ignition of a cylinder of the internal combustion engine and by the change in the energy transfer or the efficiency with which the explosion energy within the cylinder as rotational energy of the drive shaft of the internal combustion engine.
  • the generation torque changes by adding or removing torque sinks (output, accumulator charging devices or the like) or torque sources.
  • the energy released by ignition of the cylinder contents depends in particular on the fuel quantity, the fuel concentration, the precharge pressure through a turbocharger. , the stroke and the number of cylinders participating in power generation.
  • a sudden change in the generation torque results, in particular, by changes in the number of ignited cylinders based on the number of all cylinders, the fuel quantity or the fuel concentration.
  • Other sources of abrupt changes are due to changes in the precharge pressure (eg, by a turbocharger), the cylinder stroke, and / or the engagement / removal of torque sources or torque sinks.
  • All of these (and other) parameters that make up the operating point of the internal combustion engine and affect the generation torque may change from one discrete value to another discrete value, thereby causing a jump in generation torque. Examples of such changes are: switching on / off individual cylinders, the turbocharger and changing from one stroke to another stroke or from rich to lean fuel mixture or vice versa, as well as adding or disconnecting elements that slow down or accelerate the drive shaft.
  • this discrete decrease / increase is at least partially compensated by the adjustment of the torque of the electric machine.
  • the degree of filling of the internal combustion engine is increased, as a result of which a higher generation torque is provided.
  • the higher generation torque which corresponds to a second, higher degree of filling leads to an undesired acceleration
  • at least part of the generation torque excess ie the difference between the second, higher generation torque and the first, lower Generating torque received by the electric motor instead of being passed to the drive.
  • the first generation torque refers to the torque that the engine generates before increasing the charge
  • the second generation torque corresponds to the torque that the engine is at another operating point, which is preferably optimal in terms of efficiency, for example increased charge , and whose excess is to be at least partially compensated or destroyed with respect to the first generation torque in order to avoid resulting undesired accelerations.
  • the compensation of a defect be achieved at generation torque, in which the electric motor generates torque in the height corresponding to the defect. Operation of the internal combustion engine with too low a generation torque may occur, for example, if this corresponds to a high efficiency of the internal combustion engine and the internal combustion engine would degrade its efficiency or the overall efficiency of the drive at a higher generation torque.
  • the ignition angle efficiency can be improved or optimized, wherein the electric motor compensates for the lack of (or excess) torque to this operating point.
  • the internal combustion engine may be utilized to a lesser extent or not to compensate for the generation torque increase, whereby the internal combustion engine can operate at a higher or optimum ignition angle efficiency. While the inclusion of the excess generation torque in the internal combustion engine results in energy loss or change in efficiency, the at least partial compensation by means of the electric machine may be used to reduce the excess generation torque, i. the built-up torque reserves to convert into electrical energy that can be cached in an electrical energy storage, for example in an accumulator, and retrieved later.
  • the electric machine is connected to the internal combustion engine for transmitting mechanical power, for example via a shiftable clutch or via a permanent connection, wherein the electrical machine converts the mechanical power delivered by the internal combustion engine into electrical power, at least can be partially stored.
  • the power flow may be changed in an alternative cumulative manner than by a change in the firing angle, for example, a change in the control current if the electric machine is a DC motor.
  • the charge balance of the battery connected to the electrical machine is taken into account in order to avoid overcharging during the interpushing of an excessive generation torque.
  • the electric machine is a synchronous machine which is excited by means of electric current or by means of a permanent magnet.
  • the operating state and / or the power balance of the synchronous motor can by means of the frequency, phase position and / or height of the voltage or the current which is applied to the stator windings or flows through them.
  • the buffering or compensation of the increased generation torque can be provided solely by the electrical energy storage.
  • the internal combustion engine whose firing angle is changed to relieve a part of the increased generation torque via efficiency deteriorations may also be consulted.
  • the difference between the increased, second generation torque and the first, initial generation torque is stored completely or partially in an electrical energy store, preferably after conversion of kinetic energy by means of the electric machine into electrical energy.
  • the power consumption of the electrical energy storage is limited, for example, a maximum charge current battery, with a high difference between the second generation torque and the first generation torque, the engine may be called in to relieve or increase a portion of the torque surplus compensate so that the remaining portion corresponds to a converted electrical power that is smaller than a maximum charging power.
  • the proportion with which the electrical machine converts the excess generation torque into electrical energy and stores in the electrical energy storage it may depend on the state of charge and / or the temperature of the electrical energy storage. For example, at an elevated temperature or high charge level of the electrical energy store, only a lower electrical power may be used to accommodate the generation torque surplus than at low temperatures or empty battery.
  • the temperature and / or the charge level or the still permissible charge current of the electrical energy store are therefore preferably included in the control of the internal combustion engine and the electric machine.
  • the excess generation torque ie the difference between the second generation torque and the first generation torque
  • the excess generation torque is converted by the electric machine into electrical power and stored temporarily in the electrical energy store.
  • the threshold value may correspond to an excess generation torque at which the efficiency of the internal combustion engine is still acceptable due to a changed ignition angle.
  • the excess difference of the generation torque is stored as electrical power via the electric machine in the electrical energy store.
  • the threshold value may, for example, correspond to a torque excess which leads to a maximum charging current or to a rated charging current.
  • the first generation torque corresponds to a drive power that corresponds to the second generation torque less the torque output to the electric machine and / or to the internal combustion engine.
  • the second generation torque may correspond to the power delivered to the engine and / or to the electric machine, the required drive power, and additional acceleration power.
  • the increase of the torque from the first generation torque to the second generation torque can not be completely compensated by the inclusion of the surplus by the electric machines and / or by the internal combustion engine, so that only a part of the excess is compensated and the remaining portion to a purposefully controlled acceleration, i. H. Increase in drive power, is used.
  • a driven vehicle can be selectively braked, preferably by partial or complete conversion of the power difference between generated power and drive power into electrical power to be stored in the context of recuperation by the electric machine.
  • an electric machine which operates as a generator in this operating state is used for partially, completely or excessively compensating for an increased generation torque, for example, in combination with the engine-based compensation, flexible generation and flexible drive power control can be used be provided.
  • the restrictions that otherwise exist due to a maximum existing ignition angle of the internal combustion engine are significantly increased.
  • the control is provided more flexible and can be provided more dynamic over time.
  • the total efficiency is increased by the compensation by means of the electric machine, since the compensation does not lead to the destruction of mechanical energy, but at least partial caching in electrical energy, which in turn can be retrieved for drive purposes.
  • the compensation can be provided in part by the internal combustion engine and / or partially or completely by the electrical machine, this being allows a further degree of freedom in the control.
  • the generation torque can be increased while at the same time reducing the drive power.
  • the resulting difference can be compensated not only by the internal combustion engine, but also by the conversion of the excess torque into electrical energy to be stored. If the ignition angle conversion and the braking generator operation of the electric machine is not sufficient, a conventional brake for partial compensation of the excess torque can be used.
  • a differential control value which marks a limit above the first generation torque over which the excess generation torque is completely supplied to the electric machine for intermediate storage.
  • the torque range that lies between this limit and the first generation torque corresponds to the proportion that is supplied to the combustion engine and / or the drive for additional acceleration power.
  • the difference threshold value refers to the difference between the first and second generation torque, wherein this difference, which corresponds to the excess torque, is distributed to the electric machine, the engine with changed ignition angle and additional acceleration power.
  • the difference threshold marks the limit from which the excess generation torque is completely absorbed by the electric machine and converted into electrical energy.
  • the difference threshold value is zero, then the entire excess generation torque is supplied to the electric machine, with a maximum difference threshold value corresponding to a limit below which the excess generation torque is intercepted or compensated by a changed ignition angle.
  • the maximum difference threshold value is, for example, a maximum limit for the change of the ignition angle or a limit for the change of the ignition angle, above which the efficiency of the internal combustion engine or the overall efficiency of the hybrid drive falls below a certain limit.
  • the compensation can also be allocated in reverse, so that a first differential torque range to be compensated, which corresponds to the values below the threshold value, is compensated by the electric machine, while the excess portion of the excess torque is replaced by change, i. Deterioration of the ignition angle efficiency is absorbed.
  • the proportions are preferably positive, with two of the three proportions also being zero.
  • negative portions are conceivable, for example a negative additional acceleration component, which leads to deceleration of the vehicle.
  • the proportion of the electric machine or the internal combustion engine may be negative, in which case no generation torque is received, but is discharged.
  • the division of proportions may depend on the desired drivability (i.e., keeping the speed, acceleration, deceleration constant) as well as the desired fraction of excess torque that is converted to electrical power.
  • the proportion of the electrical machine may depend on the readiness of the electrical storage to absorb energy, which in turn may depend on the state of charge, the nominal charging current and / or the temperature of the electrical storage.
  • the proportion of the internal combustion engine may depend on the operating point at which the internal combustion engine is to operate, ie. H. For example, it may be desirable to heat the catalyst by appropriately varying the amount of fuel or concentration of fuel, deliberately sacrificing efficiency degradation, and further resulting in torque excess / torque deficiency leads, which in turn must be intercepted or compensated by the electric machine.
  • control device that controls a hybrid drive with at least one electric machine and an internal combustion engine
  • the controller is connected to the individual components of the hybrid drive to control the degree of filling of the internal combustion engine and the torque absorption of the electric machine
  • control device can be set up to control a controllable clutch, which connects the internal combustion engine partially or completely to the electric machine, or separates from it.
  • the control device according to the invention also comprises inputs which receive a desired signal representing the desired acceleration, for example the signal of a gas sensor. dals.
  • the control device is set up to provide a degree of filling for the internal combustion engine, which results in a torque output which includes an excess torque, so that the internal combustion engine not only provides sufficient torque for a desired acceleration, but also the mechanical mechanical machine Power supplied.
  • the control device is therefore arranged according to the invention to control the electric machine, preferably its excitation, in order to achieve that the electrical machine converts partially or completely the excess or compensated torque into electrical energy to be stored. If the electric machine does not completely absorb the excess torque of the internal combustion engine, a part of the torque can be intercepted by a corresponding change in the ignition angle and / or be converted into an additional, controlled acceleration. If the desired acceleration is zero or less than zero (for example, during a deceleration process), the excess torque is at least partially converted to electrical energy to an extent that corresponds to braking or keeping the speed constant.
  • the control device can therefore increase the degree of filling of the internal combustion engine, so that an excess torque is generated, which can be compensated by conversion into electrical energy, by changing the ignition angle, or by controlled acceleration of a vehicle or by a combination thereof. Furthermore, an excess torque can be generated by increasing the degree of filling of the internal combustion engine and by braking the vehicle, this excess torque can be compensated by means of Zündwinkel Sung and / or by converting the excess torque into electrical energy.
  • the control device is configured according to the invention to convert the respective portions of the excess torque to be compensated into corresponding ignition angle control, excitation control of the electric machine and / or targeted acceleration of the vehicle.
  • the outputs of the control device are preferably set up to control the ignition angle, and preferably the inputs are further configured to detect the state of charge of the electrical energy store, which is connected to and charged by electric machines, in order to reduce the proportion of excess, To determine torque generated by the internal combustion engine, which is converted into electrical energy and is to be stored by the electrical storage.
  • the control device is configured not to exceed a certain charging current, which may depend on the nominal value, the temperature or the state of charge of the accumulator. According to the lower charging currents can be compensated so by a suitable change in the ignition angle of the engine, so that a larger proportion the excess torque is absorbed by the changes in the ignition angle to prevent overloading of the energy storage.
  • control device preferably comprises outputs that are configured to control the ignition angle, and inputs that are configured to detect a state of charge of an electrical energy accumulator connected to the at least one aggregate, the proportion of the torque generation of the internal combustion engine exceeding the desired acceleration Control of the torque absorption or torque output of the at least one unit depending on the state of charge of the electrical energy storage is stored by this, and is partially degraded by changing the control of the ignition angle by means of the control of the internal combustion engine.
  • Figure 1 is an overview diagram of a hybrid drive system, with which the inventive method can be implemented.
  • FIG. 2 shows an exemplary course of working variables, by means of which the mode of operation of the method according to the invention is explained.
  • the hybrid drive system shown in FIG. 1 includes an internal combustion engine 10 and an electric machine 20.
  • the internal combustion engine 10 is coupled to the electric machine 20 via a shiftable clutch 30. In an embodiment of the invention, not shown, the internal combustion engine is coupled directly to the electric machine. The electric machine is connected via a shiftable output coupling 40 to an output connection 50. The drive port 50 is intended to be connected to wheels of a vehicle to drive it.
  • the internal combustion engine 10 receives from a compression device 60, for example a supercharger, an air Fuel mixture. In particular, the air / fuel mixture, which receive the individual or groups of the four cylinders of the internal combustion engine 10, controllable. Alternatively, the engine 10 may receive the fuel from a fuel supply, such as from a fuel pump.
  • the electric machine 20 is connected via a charging device 70 to an accumulator 80, which serves as an electrical energy store.
  • the entire system is controlled by a controller 90.
  • the compressor 60 is connected to the controller 90 to receive and execute control signals.
  • the controller 90 is connected to the engine 10 to simultaneously control the individual firing angles or all firing angles of the engine 10.
  • the controller 90 is connected to the engine 10 to dispense individual firing pulses to ignite the air / fuel mixture in the individual cylinders.
  • the controller 90 is further connected to the switchable clutch 30, with which the drive shafts of the internal combustion engine 10 can be connected to the electric machine 20 controlled.
  • the electric machine 20 is connected to the control device 90 to be supplied with electrical excitation power therefrom.
  • the controller 90 may send signals to the electric machine 20 that include information about the magnitude of the excitation current.
  • the controller 90 further receives from the electric machine 20 rotational speed signals representing the rotational speed of the electric machine.
  • the control device 90 receives a voltage signal, which reproduces the voltage on the stator winding of the electrical machine.
  • the electric machine 20 is furthermore connected to the rechargeable battery 80 via a charging device 70, the charging device 70 controlling the current flowing to the rechargeable battery 80 and / or the current flowing from the rechargeable battery 80 to the electrical machine 20.
  • the control device 90 receives a current signal which represents the current flowing from the accumulator 80 or the current flowing to the accumulator 80.
  • the controller 90 is further connected to the output clutch to drive them.
  • the control device 90 further has an input (not shown) for detecting the position of the drive shaft of the internal combustion engine 10 and a device for determining the state of charge of the accumulator 80, which preferably integrates the current flowing through the charging device 70.
  • the controller 90 further includes an input for signals representing the desired acceleration or torque.
  • the control device 90 may be connected to an accelerator pedal and / or to a brake pedal. Therefore, to change the operating point, the controller 90 controls the charging device 60 to increase the degree of filling.
  • the setting of a throttle valve can be controlled. As a result, the engine 10 generates a higher torque.
  • the increase can also be caused by adding cylinders or changing the cylinder stroke.
  • This increase in the torque is compensated by the change in the ignition angle of the internal combustion engine 10 and preferably additionally by the control of the electric machine 20 as a generator, which converts at least a portion of the power generated in the internal combustion engine into storable electrical energy.
  • the control device 90 controls the electric machine 20 with a corresponding excitation current, wherein the clutch 30 is at least partially closed, to allow transmission of the mechanical energy before the internal combustion engine 10 to the electric machine 20.
  • the electrical energy generated by the electric machine 20 is partially used, for example, to supply the electrical system of a motor vehicle.
  • the electrical energy is supplied to the accumulator 80 via the charging device 70.
  • the charging device 70 is preferably also configured for controlled power output, for example to the electrical machine or to the vehicle electrical system.
  • the rechargeable battery may be a lead-acid battery, a NiCd or NiMH, or another rechargeable battery having a relatively high energy density, a high discharge / charge current and a favorable price / capacity ratio.
  • Figures 2A and 2B show an exemplary course for working variables of a hybrid drive, for example, the hybrid drive system shown in Figure 1.
  • FIG. 2A shows the course of the externally requested torque reserve, which corresponds to a torque surplus, and which results, for example, from desired changes in speed, ie accelerations and / or occurring gradients.
  • the cause may also be that the valve lift (of the one or more intake valves and / or the exhaust valve or a respective part thereof) is changed, a turbo is engaged, a supercharger throttle is opened, a cylinder group is engaged, or otherwise the operating point or the load point is moved abruptly.
  • the valve lift of the one or more intake valves and / or the exhaust valve or a respective part thereof
  • the excess of generation torque Torque reserves or the torque reserves are to be provided for example by the internal combustion engine, preferably by changing the degree of filling of the internal combustion engine, or by changing the number of cylinders, by turning on / off a supercharger or turbo or by reducing the stroke or by other measures described above.
  • FIG. 2B shows the corresponding course of the torque M A b g abe delivered to the output, as well as the generation torque M 61 generated by the internal combustion engine.
  • FIG. 2B shows the torque M absorbed by the electric machine ; e i and the maximum torque M to be reduced or compensated for by the internal combustion engine by changing the ignition angle ; max .
  • the index "aufn” in this context means the compensation by recording, ie conversion into storable energy or the compensation by reduction, ie annihilation of torque
  • the output to the output torque M A b ga be constant at all times.
  • Torque M generated is constant between times t 0 and t 1 and after time t 6 'and corresponds to the first generation torque according to the invention, which is generated at a first fill level. Is changed, see Figure 2A, and the torque surplus is greater than zero, the torque generated by the engine is increased.
  • the standing in reserve or the excess torque which is characterized by the distance of the second generation torque Merzeugt to the output torque M A b ga be, can be released immediately when the firing angle of the engine is switched to the original state, so that the proportion of the generation torque, which is reduced by the internal combustion engine, becomes zero.
  • the second generation torque has particularly high values between times t 3 and t 5 , at time t 3 '(due to the abovementioned delay or, if only a negligible delay occurs, at t 3 ) a generation torque is generated, which can not be compensated completely by changing the ignition angle of the internal combustion engine.
  • This limit shown in FIG. 2B as a dashed horizontal, marks a smallest possible ignition angle, or an ignition angle, at which the internal combustion engine achieves an efficiency which is below predetermined minimum requirements.
  • the electric machine Since between the times t 3 'and t 5, the electric machine is used to compensate for portions of the generation torque by recording, resulting from the lower inertia of the electric machine, a much faster setting or settling on the Soll value, in particular at low speeds and when changing the operating point of the internal combustion engine by changing the amount of fuel supplied or the fuel / air concentration, in particular by changing the amount of air.
  • This can be seen from the curve slopes of the curve in the interval directly after the time t 3 'and directly after the time t 4 , which characterize the higher dynamics of the electric machine.
  • the proportion of the torque that has to be absorbed by the electric machine is lower between the times t 3 'and U than between the times t 4 and t 5 , since a higher torque excess is generated between t 4 and t 5 than between the times Times t 3 and t 4 .
  • the generated torque surplus falls on a NEN value below the maximum value that can be compensated by the internal combustion engine by changing the ignition angle. Therefore, the generation torque at time t 5 reaches a value that can be completely compensated by the engine by changing the ignition angle, so that the excess torque is exclusively compensated by the engine.
  • the torque surplus falls to zero, which also causes the generation torque with a certain inertia, which is caused by the internal combustion engine, to fall back to the output torque, which is delivered to the output.
  • the electric machine receives a torque which is above the maximum torque to be absorbed by the internal combustion engine. Since the electric machine receives the torque by converting and storing electrical power, the dashed area represents the energy that can be stored in an accumulator to provide the torque reserve. The corresponding power to be stored electrically can be limited by the maximum charging current of the accumulator.
  • the internal combustion engine it is not the internal combustion engine but initially the electric machine used to compensate for the excess torque. That is, if an excess torque threshold is not exceeded, the electric machine takes over the torque compensation, and the internal combustion engine preferably operates at an optimum ignition angle efficiency.
  • the torque output at the output can be constant.
  • the internal combustion engine is controlled such that it generates a torque in accordance with the specifications, as shown in FIG. 2A.
  • the same basic course as shown in Figure 2B, wherein the curve M he testifies corresponds to the torque generated by the internal combustion engine, and at the same time represents the torque that is absorbed by the electric machine, that is converted into electrical energy
  • the electrical energy store to be charged for example an accumulator 80
  • M aufil; max corresponds to the maximum torque that can be absorbed by the electric machine due to the limited charging current.
  • the additional torque is then reduced by changing the firing angle of the internal combustion engine from the engine, which thus compensates for a share of the excess torque, as well as the electric machine.
  • M up; max thus corresponds to the torque which is used for at least partial compensation of the generated torque, ie, in general, by the ignition angle adjustment, nerator réelle the electric machine, by additional vehicle acceleration or by another unit by destruction or conversion into storable and / or non-storable energy the internal combustion engine (or other drive unit) is withdrawn.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate exemplary methods according to the invention in which the proportion of the torque picked up by the electric machine and the proportion of the torque absorbed by the internal combustion engine by changing the ignition angle become determined by limits, wherein either the electric machine or the internal combustion engine receives the base load of the reserve torque and the other component receives the excess reserve torque.
  • the component that receives the base load is 100% loaded at a high excess torque required by operating point settings. Therefore, a further embodiment of the inventive method provides for a division of the proportions of the electric machine and the internal combustion engine into equal parts, or depending on the temperature of the internal combustion engine and / or the electric machine of the state of charge of the electrical energy storage and / or the desired driving dynamics.
  • the electric machine and the internal combustion engine basically have different ways of reducing the excess torque, which have different dynamics.
  • the electric energy storage can provide the electric machine with high power in the short term
  • the compensation of the surplus torque can be reduced faster (for example, for acceleration) when the torque reserve is largely formed by the electric machine, not by the Internal combustion engine when the internal combustion engine is running at low speed.
  • the efficiency of the internal combustion engine is taken into account, so that the internal combustion engine contributes only to the extent of excess formation. can carry, as a certain minimum efficiency is not exceeded due to the changed ignition angle.
  • the efficiency of the energy storage by the electric machine is taken into account, taking into account, in particular, heat and friction losses of the electrical machine, the charging device and the electrical storage.
  • an embodiment of the invention includes a method in which the operating point that affects the output and / or the generation torque is determined from the excess torque of the engine, the excess torque of the electric machine, and the torque leads to the acceleration desired by the driver.
  • the maximum total excess torque is given by the maximum torque that can be compensated by the engine by changing the ignition angle and the maximum excess torque that corresponds to the maximum torque that the electric machine due to mechanical or on Reason for maximum charging currents of the accumulator can record.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs, der einen Verbrennungsmotor und ein damit verbindbares Aggregat aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben des Verbrennungsmotors bei einem ersten diskreten Betriebspunkt, der einem ersten Erzeugungs-Drehmoment entspricht; Einstellen eines zweiten diskreten Betriebspunkts, der einem zweiten Erzeugungs-Drehmoment entspricht, der sich von dem ersten Füllungsgrad unterscheidet. Das Aggregat sieht ein Kompensations-Drehmoment vor, das der Änderung vom ersten Erzeugungs-Drehmoment auf das zweite Erzeugungs-Drehmoment entgegengesetzt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerungseinrichtung, um das Drehmoment, das von dem Aggregat vorgesehen wird, gemäß dem Verfahren zu steuern.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Aufbau von Drehmomentreserven in einem Hybridantrieb
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine.
Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird zur Verbesserung der Fahrdynamik oder zur Kompensation von Drehmomentänderungen durch Hinzuschalten oder Trennen von Drehmomentsenken der Verbrennungsmotor angesteuert, um abhängig von der gewünschten Beschleunigung ein zu hohes Erzeugungsdrehmoment, d.h. ein Überschuss-Drehmoment zu kompensieren.. Die Kompensation des Überschuss-Drehmoments kann dann schnell verringert werden, um eine entsprechende Beschleunigung zu realisieren, wobei der Motor bereits in einen entsprechenden Betriebsbereich gefahren wurde. Beispielsweise bei der Erhöhung der Füllung ergibt sich ein Überschuss-Drehmoment. Jedoch sollte das durch den Über- schuss erhöhte Erzeugungs-Drehmoment erst dann zum Antrieb gelangen, wenn dies die gewünschte Beschleunigung erfordert, da sich andernfalls eine ruckartige Beschleunigung ergibt.
Daher wird gemäß dem Stand der Technik der Zündwinkel derart verändert, dass gegenläufige Eingriffe des Verbrennungsmotors durch Verschlechtern des Zündwinkelwirkungsgrads das Überschuss-Drehmoment kompensieren, wodurch eine unerwünschte Beschleunigung vermieden wird. Um die aufgebauten Drehmomentreserven freizusetzen, ist es lediglich notwendig, diese Kompensation durch entsprechendes Einstellen der Zündwinkel aufzuheben.
Zum einen ist jedoch der Grad an Kompensation des Überschuss-Drehmoments durch den maximal einstellbaren Zündwinkel begrenzt. Zum anderen kann nur ein Überschuss durch Abbau des Drehmoments kompensiert werden. Ferner wird durch die Veränderung der Zündwinkel der Zündwinkelwirkungsgrad beeinträchtigt. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotor und mindestens eines Aggregats vor, das mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, wobei der Verbren- nungsmotor auf einem für den Verbrennungsmotor optimalen oder aus anderen Gründen wünschenswerten Betriebspunkt, der durch einen oder durch mehrer Betriebsparameter definiert ist, betrieben wird. Das Betreiben auf dem so ausgewählten Betriebspunkt kann zu einem Drehmoment führen, dass sich von dem Drehmoment unterscheidet, das zum Antrieb erforderlich ist oder momentan für den Antrieb erwünscht ist. Die Differenz wird, beispiels- weise neben der Kompensation durch Vernichten mittels Zündwinkelverstellung, erfindungsgemäß von dem angeschlossenen Aggregat entweder abgebaut, d.h. vernichtet, oder aufgenommen und in speicherbare Energie umgewandelt und zwischengespeichert. Als Aggregat kann eine elektrische Maschine verwendet werden, die das überschüssige (oder noch fehlende) Drehmoment kompensiert, um es zwischenzuspeichern (oder zu erzeugen). Durch Zündwinkelverstellung des Verbrennungsmotors kann zwar ein Teil des Drehmoments kompensiert werden, jedoch geht dies mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrads einher und ist durch eine niedrige maximal mögliche Drehmomentvernichtung begrenzt. Die Erfindung erlaubt eine flexiblere und weitreichendere Kompensation durch Zwischenspeicherung und/oder durch Abbau (bzw. Vernichtung). Als Aggregat wird vorzugsweise eine elektri- sehe Maschine verwendet, die Drehmoment als elektrische Energie zwischenspeichert und/oder die Drehmoment vernichtet, beispielsweise durch Umwandlung in Wärme. Weiterhin kommt ein weiterer Verbrennungsmotor in Frage, der durch entsprechende Ansteuerung, beispielsweise des Zündwinkels oder weiterer Parameter, die Drehmomentkompensation vollständig oder zum Teil ausführen kann. Ferner kann eine Brennstoffzelle verwendet werden, die, über einen Generator, mechanische Leistung aufnehmen und in Wärme und/oder chemische Energie umwandeln kann. In der folgenden Beschreibung wird häufig als Aggregat eine elektrische Maschine verwendet, beispielsweise die elektrische Maschine, die in einem Hybridantrieb die Traktionsleistung erzeugt und mechanische Leistung beim Rekuperieren in elektrische, speicherbare Leistung bzw. Energie umwandelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Kompensation von Überschuss-Drehmoment, die nicht durch einen maximalen Zündwinkel beschränkt ist. Ferner kann trotz aufgebauter Drehmomentkompensation der Verbrennungsmotor mit einem höheren Zündwinkelwirkungsgrad arbeiten. Zudem lässt sich die Fahrdynamik flexibler gestalten, wobei eine Dreh- momentkompensation dynamischer aufgebaut und verringert werden kann, insbesondere bei geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors in weiteren Bereichen gestalten lassen. Insbesondere lässt sich das Erzeugungs-Drehmoment flexibler und in stärkerem Masse erhö- hen, ohne eine unerwünschte Beschleunigung oder eine unerwünschten Zündwinkelwirkungsgrad in Kauf nehmen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ferner eine fein kontrollierbare und zeitdynamische Steuerung einer Beschleunigung.
Bei Änderungen diskreter Betriebspunkte ergeben sich starke Drehmomentschwankungen, beispielsweise beim Ab- oder Anschalten von einzelnen Zylindern oder Zylindergruppen, beim Ab- oder Anschalten der Turboaufladung, oder vom abrupten Wechsel vom fettem Gemisch auf Magergemisch oder umgekehrt, ergeben sich starke stufenförmige Drehmomentsschwankungen in beide Richtungen, d.h. Überschüsse und Mangel. Derartige stufenar- tige Änderungen können sich ferner durch Umschaltvorgänge ergeben, beispielsweise beim Umschalten des Hubs von einem niedrigen auf einen hohen Wert oder umgekehrt. Die Änderung des Hubs umfasst vorzugsweise die Änderung des Ventilhubs mindestens eines Einlassventils, ein Teil aller oder aller Einlassventile. Ferner umfasst die Änderung des Hubs vorzugsweise die Änderung mindestens eines Auslassventils, ein Teil aller oder aller Aus- lassventile.
Stufenartige Änderungen sind ferner mit sprunghaften Lastpunktänderungen verbunden, beispielsweise bei Hinzuschalten oder Trennen von abbremsenden oder beschleunigenden Elementen, d.h. Drehmomentsenken oder -quellen.
Die Erfindung erlaubt es zum einen, diese Schwankungen trotz Betriebspunkt-/ oder Betriebsmoduswechsel in einem weiten Umfang zu kompensieren, und zum Anderen, eine Kompensation in beide Richtungen. Ferner können starke Verringerungen des Zündwinkelwirkungsgrads vermieden werden, indem Zündwinkelfehleinstellungen nur in geringem Masse oder gar nicht zur Kompensation verwendet werden und statt dessen der Elektromotor die Kompensation vorsieht.
Das zu Grunde liegende erfinderische Konzept besteht darin, bei einem Umschaltvorgang, der eine sprunghafte Änderung des Drehmoments zur Folge hat, beispielsweise im Rahmen einer Erhöhung des Füllungsgrads zum Aufbau von Drehmomentreserven, nicht nur den Verbrennungsmotor, sondern auch den Elektromotor zur Kompensation eines sprunghaft gestiegenen oder gefallenen Erzeugungs-Drehmoment heranzuziehen, um Drehmomentkompensationen in beide Richtungen sowie in höherem Umfang bilden zu können und per Steuerung der elektrischen Maschine gezielt einstellen zu können.
Daher erfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die Steuerung oder ein anderes Element das Auftreten oder das Bevorstehen eines Betriebsmoduswechsels, der mit einer sprunghaften Änderung des vom Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments verbunden ist, und ändert das Drehmoment, das von dem Elektromotor vorgesehen wird, um die sprunghafte Änderung des vom Verbrennungsmotors erzeugten Drehmoments zumindest teilweise zu kompensieren. Ist die Änderung positiv, d.h. springt das Drehmoment von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert, kann zusätzlich zur Kompensation mittels E- lektromotor der Zündwinkelwirkungsgrad verschlechtert werden, um die Drehmomentdiffe- renz durch teilweisen Abbau des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments (d.h. des Erzeugungs-Drehmoments) zu verringern. Mit anderen Worten dient, neben dem Elektromotor, der einen Teil des überschüssigen Drehmoments aufnimmt, eine Verschlechterung des Zündwinkelwirkungsgrads zum Abbau der Drehmomentdifferenz, die mit dem Drehmomentsprung einhergeht.
Es ist jedoch zu bemerken, dass der Abbau von Drehmoment bzw. der zugeordnete Anteil an Kompensation mittels Verschlechterung des Zündwinkels von dem maximal einzustellen- den Zündwinkel begrenzt ist. In einem Beispiel kann der Zündwinkel nur soweit verschlechtert werden, dass maximal 20% des Erzeugungs-Drehmoments durch Verschlechterung des Zündwinkelwirkungsgrads abgebaut werden können. Alternativ können auch andere Anteile, bsp. 25 % - 50 % oder 30 % - 45 % oder 40 % maximal durch Änderung, d.h. durch Verschlechterung des Zündwinkelwirkungsgrads als Maximalkompensation verwendet wer- den. Ferner kann durch Verschlechterung des Erzeugungs-Drehmoments nur Drehmoment abgebaut werden. Die Kompensation ist daher auf nur eine Richtung begrenzt, es können nur zu hohe Erzeugungs-Drehmomente abgebaut werden; zu geringe Erzeugungs- Drehmomente können durch Zündwinkelveränderungen nicht kompensiert werden.
Daher bietet die Kompensation durch den Elektromotor eine alternative Kompensationsmöglichkeit, die zur Zündwinkelverstellung addiert werden kann, die positive und negative Drehmomentunterschiede ausgleichen kann, und die einen breiteren Wertebereich an Kompensation abdeckt, insbesondere in Kombination mit der Zündwinkel Veränderung.
Eine Änderung des Erzeugungs-Drehmoments, d.h. des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments wird hervorgerufen durch die Änderung der Energie, die durch die Zündung eines Zylinders bzw. der Zylinder des Verbrennungsmotors erzeugt wird sowie durch die Änderung des Energieübertrags bzw. der Effizienz, mit der die Explosionsenergie innerhalb des Zylinders als Rotationsenergie des Antriebswelle des Verbrennungsmotors. Ferner än- dert sich das Erzeugungs-Drehmoment durch Hinzuschalten oder Abtrennen von Drehmo- mentsenken (Abtrieb, Akkumulatoraufladeeinrichtungen o.a.) oder Drehmomentquellen. Die durch Zündung des Zylinderinhalts freigesetzte Energie hängt insbesondere ab von der Kraftstoffmenge, der Kraftstoffkonzentration, dem Vorladungsdruck durch einen Turbola- der, dem Hub und der Anzahl von Zylindern, die an der Leistungserzeugung teilnehmen. Ferner ergibt sich eine sprunghafte Änderung des Erzeugungs-Drehmoments insbesondere durch Änderungen der Anzahl der gezündeten Zylinder bezogen auf die Anzahl aller Zylinder, der Kraftstoffmenge oder der Kraftstoffkonzentration. Weitere Quellen für sprunghafte Änderungen sind durch Änderungen des Vorladungsdrucks (bsp. durch einen Turbolader), des Zylinderhubs und/oder durch das Zuschalten/Entfernen von Drehmomentquellen oder Drehmomentsenken bedingt.
Alle diese (und weitere) Parameter, die den Betriebspunkt bzw. den Betriebsmodus des Verbrennungsmotors ausmachen und das Erzeugungs-Drehmoment beeinflussen, können sich von einem diskreten Wert auf einen anderen diskreten Wert ändern und dadurch einen Sprung im Erzeugungs-Drehmoment hervorrufen. Beispiele für derartige Änderungen sind: An-/Ausschalten einzelner Zylinder, des Turboladers und Änderung von einem Hub auf einen anderen Hub oder von fetter zu magerer Kraftstoffmischung oder umgekehrt, sowie Hinzuschalten oder Trennen von Elementen, die die Antriebswelle abbremsen oder dieser beschleunigen.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads eines Hybridmotors werden derartige Änderungen vorgenommen, die im allgemeinen zu einem diskreten Abfall/Anstieg des Erzeugungsdreh- moments führen. Erfindungsgemäß wird dieser diskreten Abfall/Anstieg zumindest teilweise durch die Einstellung des Drehmoments der elektrischen Maschine kompensiert.
Ist daher beispielsweise eine gewünschte Beschleunigung oder eine positive Dynamik des einzustellenden Moments (bsp. durch Betriebsartenwechsel oder Zuschalten von Verbrau- ehern) zu erwarten, so wird der Füllungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht, wodurch ein höheres Erzeugungs-Drehmoment vorgesehen wird. Um zu vermeiden, dass das höhere Erzeugungs-Drehmoment, welches einem zweiten, höheren Füllungsgrad entspricht, zu einer unerwünschten Beschleunigung führt, wird zumindest ein Teil des Erzeugungs- Drehmomentüberschusses, d. h. die Differenz zwischen dem zweiten, höheren Erzeugungs- Drehmoment und dem ersten, niedrigerem Erzeugungs-Drehmoment, von dem elektrischen Motor aufgenommen, anstatt an den Antrieb weitergegeben zu werden. Mit dem ersten Erzeugungs-Drehmoment wird das Drehmoment bezeichnet, das der Verbrennungsmotor vor Erhöhung der Füllung erzeugt, wohingegen das zweite Erzeugungs-Drehmoment dem Drehmoment entspricht, das der Verbrennungsmotor in einem anderen Betriebspunkt, der vorzugsweise hinsichtlich des Wirkungsgrads optimal ist, beispielsweise bei erhöhter Füllung, erzeugt und dessen Überschuss gegenüber dem ersten Erzeugungs-Drehmoment zumindest teilweise kompensiert bzw. vernichtet werden soll, um resultierende unerwünschte Beschleunigungen zu vermeiden. In gleicher Weise kann die Kompensation eines Mangels an Erzeugungs-Drehmoment erreicht werden, in dem der Elektromotor Drehmoment in der Höhe erzeugt, die dem Mangel entspricht. Das Betreiben des Verbrennungsmotors mit zu geringem Erzeugungsdrehmoments kann beispielsweise auftreten, wenn dies einem hohen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors entspricht und der Verbrennungsmotor bei einem höheren Erzeugungsdrehmoments seinen Wirkungsgrad oder den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs verschlechtern würde. Somit lässt sich beispielsweise der Zündwinkelwirkungsgrad verbessern oder optimieren, wobei der Elektromotor das mangelnde (oder überschüssige) Drehmoment zu diesem Betriebspunkt kompensiert.
Durch die Aufnahme zumindest eines Teils des überschüssigen Erzeugungs-Drehmoments durch die elektrische Maschine kann der Verbrennungsmotor in geringerem Maße oder nicht zur Kompensation der Erzeugungs-Drehmomenterhöhung herangezogen werden, wodurch der Verbrennungsmotor bei einem höheren oder optimalen Zündwinkelwirkungsgrad arbeiten kann. Während die Aufnahme des überschüssigen Erzeugungs-Drehmoments in dem Verbrennungsmotor zu einem Energieverlust bzw. einen veränderten Wirkungsgrad führt, kann die zumindest teilweise Kompensation mittels der elektrischen Maschine dazu verwendet werden, das überschüssige Erzeugungs-Drehmoment, d.h. die aufgebauten Drehmomentreserven, in elektrische Energie umzuwandeln, die in einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise in einem Akkumulator, zwischengespeichert und später wieder abgerufen werden kann.
Zur zumindest teilweisen Aufnahme der Drehmomentreserven ist die elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor zur Übertragung mechanischer Leistung verbunden, beispielsweise über eine schaltbare Kupplung oder über eine dauerhafte Verbindung, wobei die e- lektrische Maschine die von dem Verbrennungsmotor gelieferte mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt, die zumindest teilweise gespeichert werden kann.
Durch Kompensation bzw. Pufferung des erhöhten Erzeugungs-Drehmoments mittels einer elektrischen Maschine mit angeschlossenem Akkumulator kann der Leistungsfiuss in einer alternativen, kumulierbaren Weise als durch eine Änderung des Zündwinkels geändert werden, beispielsweise durch eine Änderung des Regelstroms, falls die elektrische Maschine ein Gleichstrommotor ist. Vorzugsweise wird die Ladebilanz des an die elektrische Maschine angeschlossenen Akkumulators berücksichtigt, um eine Überladung bei der Zwischenpuffe- rung eines überhöhten Erzeugungs-Drehmoments zu vermeiden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die elektrische Maschine eine Synchronmaschine, die mittels elektrischen Strom oder mittels eines Permanentmagneten erregt wird. Der Betriebszustand und/oder die Leistungsbilanz des Synchronmotors kann mittels die Frequenz, Phasenlage und/oder Höhe der Spannung bzw. des Stroms eingestellt werden, die an den Ständerwicklungen anliegt bzw. der durch diese fließt.
Die Pufferung bzw. Kompensation des erhöhten Erzeugungs-Drehmoments kann alleine durch den elektrischen Energiespeicher vorgesehen werden. Alternativ kann auch der Verbrennungsmotor hinzugezogen werden, dessen Zündwinkel verändert wird, um einen Teil des erhöhten Erzeugungs-Drehmoments über Wirkungsgradverschlechterungen abzubauen. Gemäß einer Ausführung wird die Differenz zwischen dem erhöhten, zweiten Erzeu- gungs-Drehmoment und dem ersten, anfänglichen Erzeugungs-Drehmoment vollständig oder teilweise in einem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert, vorzugsweise nach Umwandlung von Bewegungsenergie mittels der elektrischen Maschine in elektrische Energie. Wenn beispielsweise die Leistungsaufnahme des elektrischen Energiespeichers begrenzt ist, beispielsweise bei einem Akkumulator mit maximalen Ladestrom, kann bei einer hohen Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeu- gungs-Drehmoment der Verbrennungsmotor hinzugezogen werden, um einen Teil des Drehmomentüberschusses abzubauen oder zu kompensieren, so dass der verbleibende Anteil einer umgewandelten elektrischen Leistung entspricht, die kleiner als eine maximale Ladeleistung ist. Bei der Ermittlung des Anteils, mit dem die elektrische Maschine das überschüssige Erzeugungs-Drehmoment in elektrische Energie umwandelt und in dem elektri- sehen Energiespeicher speichert, kann von dem Ladezustand und/oder der Temperatur des elektrischen Energiespeichers abhängen. Beispielsweise kann bei einer erhöhten Temperatur oder hohem Ladepegel des elektrischen Energiespeichers nur eine geringere elektrische Leistung zur Aufnahme des Erzeugungs-Drehmomentüberschusses verwendet werden, als bei niedrigen Temperaturen bzw. leerem Akkumulator. Die Temperatur und/oder der Lade- pegel bzw. der noch zulässige Ladestrom des elektrischen Energiespeichers geht daher vorzugsweise mit in die Steuerung des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine mit ein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird das überschüssige Erzeugungs- Drehmoment, d. h. die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment durch eine Änderung des Zündwinkels oder Zündwinkel- Wirkungsgrads vom Verbrennungsmotor abgebaut bzw. aufgenommen, soweit die Differenz einen Schwellwert nicht überschreitet. Erfindungsgemäß wird das überschüssige Erzeugungs-Drehmoment, das oberhalb des Schwellwerts liegt, von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt und in dem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert. Der Schwellwert kann einem Überschuss-Erzeugungs-Drehmoment entsprechen, bei dem der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors durch einen geänderten Zündwinkel noch akzeptabel ist. Alternativ kann bei einem Überschuss-Erzeugungs-Drehmoment, wel- ches unterhalb einem gewissen Schwellwert liegt, die überschüssige Differenz des Erzeu- gungs-Drehmoments als elektrische Leistung über die elektrische Maschine in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Der Schwellwert kann in diesem Fall beispielsweise einen Drehmoment-Überschuss entsprechen, der zu einem maximalen Ladestrom oder zu einem Nenn-Ladestrom führt.
Vorzugsweise entspricht das erste Erzeugungs-Drehmoment einer Antriebsleistung, die dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment abzüglich des an die elektrische Maschine und/oder an den Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments entspricht. Alternativ kann das zweite Erzeugungs-Drehmoment dem an den Verbrennungsmotor und/oder an die elektrische Maschine abgegebene Leistung, der erforderlichen Antriebsleistung sowie einer zusätzlichen Beschleunigungsleistung entsprechen. Mit anderen Worten kann die Erhöhung des Drehmoments vom ersten Erzeugungs-Drehmoment auf das zweite Erzeugungs-Drehmoment nicht vollständig durch die Aufnahme des Überschusses durch die elektrische Maschinen und/oder durch den Verbrennungsmotor kompensiert werden, so dass nur ein Teil des Ü- berschusses kompensiert wird und der restliche Anteil zu einer gezielt gesteuerten Beschleunigung, d. h. Erhöhung der Antriebsleistung, verwendet wird. Ferner kann durch Abführen mittels des Verbrennungsmotors und/oder mittels der elektrischen Maschine der Drehmoment-Überschuss überkompensiert werden, so dass die zur Verfügung stehende Antriebsleistung trotz Erhöhung des Erzeugungs-Drehmoments verringert wird. Dadurch kann ein angetriebenes Fahrzeug gezielt abgebremst werden, vorzugsweise durch teilweise oder vollständige Umwandlung der Leistungsdifferenz zwischen erzeugter Leistung und Antriebsleistung in zu speichernde elektrische Leistung im Rahmen der Rekuperation durch die elektrische Maschine. Da zur teilweisen, vollständigen oder übermäßigen Kompensation eines erhöhten Erzeugungs-Drehmoments erfindungsgemäß eine elektrische Maschine verwendet wird, die in diesem Betriebszustand als Generator arbeitet, kann, beispielsweise in Kombination mit der auf dem Verbrennungsmotor basierenden Kompensation, eine flexible Erzeugung sowie eine flexible Steuerung der Antriebsleistung vorgesehen werden.
Durch die zusätzliche Kombination mit der elektrischen Maschine werden die sonst auf Grund eines maximal bestehenden Zündwinkels des Verbrennungsmotors bestehenden Einschränkungen deutlich erweitert. Gleichzeitig wird die Steuerung flexibler vorgesehen und kann im zeitlichen Verlauf dynamischer vorgesehen werden. Zudem wird durch die Kompensation mittels der elektrischen Maschine der Gesamt- Wirkungsgrad erhöht, da die Kom- pensation nicht zur Vernichtung mechanischer Energie führt, sondern zur zumindest teilweisen Zwischenspeicherung in elektrische Energie, die wiederum zu Antriebszwecken abgerufen werden kann. Die Kompensation kann teilweise durch den Verbrennungsmotor und/oder teilweise oder vollständig durch die elektrische Maschine vorgesehen werden, wobei dies einen weiteren Freiheitsgrad bei der Steuerung ermöglicht. Trotz der maximal möglichen Änderung des Zündwinkels kann so das Erzeugungs-Drehmoment erhöht werden, während gleichzeitig die Antriebsleistung verringert wird. Die entstandene Differenz kann nicht nur von dem Verbrennungsmotor kompensiert werden, sondern zusätzlich auch durch die Um- Wandlung des überschüssigen Drehmoments in zu speichernde elektrische Energie. Falls die Zündwinkelumstellung und der bremsende Generatorbetrieb der elektrischen Maschine nicht ausreicht, kann auch eine herkömmliche Bremse zur teilweisen Kompensation des überschüssigen Drehmoments herangezogen werden.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Differenz-Stellwert vorgesehen, der eine Grenze oberhalb des ersten Erzeugungs-Drehmoments markiert, über der das überschüssige Erzeugungs-Drehmoment vollständig der elektrischen Maschine zur Zwi- schenspeicherung zugeleitet wird. Die Drehmomentspanne, die zwischen dieser Grenze und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment liegt, entspricht dem Anteil, der dem Verbrennungs- motor und/oder dem Antrieb für zusätzliche Beschleunigungsleistung zugeführt wird. Der Differenz-Schwellwert bezieht sich auf die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Erzeugungs-Drehmoment, wobei diese Differenz, die dem überschüssigen Drehmoment entspricht, auf die elektrische Maschine, den Verbrennungsmotor mit geänderten Zündwinkel und zusätzlicher Beschleunigungsleistung verteilt wird. Der Differenz-Schwellwert markiert die Grenze, ab dem das überschüssige Erzeugungs-Drehmoment vollständig von der elektrischen Maschine aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt wird.
Liegt der Differenz-Schwellwert bei Null, so wird der gesamte überschüssige Erzeugungs- Drehmoment der elektrischen Maschine zugeführt, wobei ein maximaler Differenz- Schwellwert einer Grenze entspricht unterhalb der das überschüssige Erzeugungs- Drehmoment durch einen geänderten Zündwinkel abgefangen bzw. kompensiert wird. Der maximale Differenz-Schwellwert ist beispielsweise eine maximale Grenze für die Änderung des Zündwinkels oder eine Grenze für die Änderung des Zündwinkels, ab der der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors oder der Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebs un- ter eine bestimmte Grenze fällt. Alternativ kann die Kompensation auch umgekehrt zugeteilt werden, so dass ein erster zu kompensierender Differenz-Drehmomentbereich, der den Werten unterhalb des Schwellwerts entspricht, von der elektrischen Maschine kompensiert wird, während der darüber liegende Anteil des Überschuss-Drehmoments durch Änderung, d.h. Verschlechterung des Zündwinkel- Wirkungsgrads aufgefangen wird.
Erfindungsgemäß unterteilt sich die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs- Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment, d. h. das überschüssige Drehmoment, auf 3 Leistungssenken, d. h. die als Generator betriebene elektrische Maschine, dem Verbrennungsmotor mit verändertem Zündwinkel und einer zusätzlichen Antriebsleistung zur Beschleunigung eines Fahrzeugs. Die Anteile sind vorzugsweise positiv, wobei zwei von den drei Anteilen auch Null sein können. Ferner sind negative Anteile denkbar, beispielsweise ein negativer zusätzlicher Beschleunigungsanteil, wobei dies zur Abbremsung des Fahr- zeugs führt. Ferner kann der Anteil der elektrischen Maschine bzw. des Verbrennungsmotors negativ sein, wobei in diesem Fall kein Erzeugungs-Drehmoment aufgenommen wird, sondern abgegeben wird. Im Falle der elektrischen Maschine bedeutet dies der Betrieb als Antriebsmotor und im Falle des Verbrennungsmotors bedeutet dies eine Zündwinkeleinstellung, die ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, anstatt einen Teil des überschüssigen Er- zeugungs-Drehmoments abzubauen oder zu kompensieren. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, der einem zu hohen Drehmoment entspricht, beispielsweise hinsichtlich des Wirkungsgrads besser oder optimal ist, und das dadurch entstehende Überschuss-Drehmoment von der elektrischen Maschine abgefangen wird und wie oben beschrieben in speicherbare elektrische Energie verwandelt wird.
Die Einteilung der Anteile kann vom gewünschten Fahrverhalten (d. h. Konstanthalten der Geschwindigkeit, Beschleunigen, Abbremsen) abhängen, sowie vom gewünschten Anteil des überschüssigen Drehmoments, der in elektrische Leistung umgewandelt wird. Der Anteil der elektrischen Maschine kann von der Bereitschaft des elektrischen Speichers zur Aufnahme von Energie abhängen, welche wiederum vom Ladezustand, vom Nenn- Ladestrom und/oder von der Temperatur des elektrischen Speichers abhängen kann. Ferner kann der Anteil des Verbrennungsmotors davon abhängen, in welchem Betriebspunkt der Verbrennungsmotor arbeiten soll, d. h. in welchem Wirkungsgrad, mit welchem Kraftstoff/Luftgemisch usw. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, durch geeignete An- derung der Kraftstoffmenge oder der Kraftstoffkonzentration den Katalysatorzu heizen, wobei eine Verschlechterung der Wirkungsgrads absichtlich in Kauf genommen wird, die ferner zu einem Drehmomentüberschuss/Drehmomentmangel führt, der wiederum von der elektrischen Maschine abgefangen bzw. kompensiert werden muss.
Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner von einer Steuerungseinrichtung umgesetzt, das einen Hybridantrieb mit mindestens einer elektrischen Maschine und einem Verbrennungsmotor steuert, wobei die Steuerung mit den einzelnen Komponenten des Hybridantriebs verbunden ist, um den Füllungsgrad des Verbrennungsmotors sowie die Drehmomentauf- nahme der elektrischen Maschine zu steuern. Ferner kann die Steuerungseinrichtung einge- richtet sein, eine steuerbare Kupplung anzusteuern, die den Verbrennungsmotor teilweise oder vollständig mit der elektrischen Maschine verbindet, oder von dieser trennt. Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung umfasst zudem Eingänge, die ein Sollsignal empfangen, das die gewünschte Beschleunigung dargstellt, beispielsweise das Signal eines Gaspe- dals. Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, einen Füllungsgrad für den Verbrennungsmotor vorzusehen, der zu einer Drehmomentabgabe führt, welche ein überschüssiges Drehmoment umfasst, so dass der Verbrennungsmotor nicht nur ein ausreichendes Drehmoment für eine gewünschte Beschleunigung bereithält, sondern darüber hin- aus die elektrische Maschine mit mechanischer Leistung versorgt. Die Steuerungseinrichtung ist daher erfindungsgemäß eingerichtet, die elektrische Maschine, vorzugsweise deren Erregung, zu steuern, um zu erreichen, dass die elektrische Maschine teilweise oder vollständig das überschüssige bzw. zu kompensierende Drehmoment in zu speichernde elektrische Energie umwandelt. Falls die elektrische Maschine das überschüssige Drehmoment des Verbrennungsmotors nicht vollständig aufnimmt, so kann ein Teil des Drehmoments durch eine entsprechende Änderung des Zündwinkels abgefangen werden und/oder in eine zusätzliche, gesteuerte Beschleunigung überführt werden. Ist die gewünschte Beschleunigung gleich Null oder kleiner Null (beispielsweise während eines Abbremsvorgangs), so wird das überschüssige Drehmoment zumindest teilweise in elektrische Energie in einem Maße um- gewandelt, das dem Abbremsen bzw. Konstanthalten der Geschwindigkeit entspricht.
Die Steuerungseinrichtung kann daher den Füllungsgrad des Verbrennungsmotors erhöhen, so dass ein überschüssiges Drehmoment erzeugt wird, welches durch Umwandlung in e- lektrische Energie, durch Ändern des Zündwinkels, oder durch gesteuertes Beschleunigen eines Fahrzeugs bzw. durch eine Kombination hiervon kompensiert werden kann. Ferner kann ein überschüssiges Drehmoment durch Erhöhen des Füllungsgrads des Verbrennungsmotors sowie durch Abbremsen des Fahrzeugs erzeugt werden, wobei dieses überschüssige Drehmoment mittels Zündwinkeländerung und/oder durch Umwandlung des überschüssigen Drehmoments in elektrische Energie kompensiert werden kann. Die Steuerungseinrichtung ist erfindungsgemäß eingerichtet, die jeweiligen Anteile des zu kompensierenden überschüssigen Drehmoments in entsprechende Zündwinkelsteuerung, Erregungssteuerung der elektrischen Maschine und/oder gezieltes Beschleunigen des Fahrzeugs umzusetzen.
Daher sind die Ausgänge der Steuerungseinrichtung vorzugsweise eingerichtet, den Zünd- winkel zu steuern, wobei vorzugsweise ferner die Eingänge eingerichtet sind, den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu erfassen, der mit elektrischen Maschinen verbunden ist und von dieser geladen wird, um den Anteil des überschüssigen, von dem Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments zu ermitteln, der in elektrische Energie umgewandelt wird und von dem elektrischen Speicher gespeichert werden soll. Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, einen bestimmten Ladestrom nicht zu überschreiten, der vom Nennwert, der Temperatur oder vom Ladungszustand des Akkumulators abhängen kann. Entsprechend der geringeren Ladeströme können so durch eine geeignete Änderung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors kompensiert werden, so dass ein größerer Anteil des überschüssigen Drehmoments durch die Änderungen des Zündwinkels aufgefangen wird, um eine Überlastung des Energiespeichers zu verhindern.
Alternativ umfasst die Steuerungseinrichtung vorzugsweise Ausgänge, die eingerichtet sind, den Zündwinkel zu steuern, und Eingänge, die eingerichtet sind, einen Ladezustand eines mit dem mindestens einen Aggregat verbundenen elektrischen Energiespeichers zu erfassen, wobei der über die gewünschten Beschleunigung hinausgehende Anteil der Drehmomenterzeugung des Verbrennungsmotors durch Steuerung der Drehmomentaufnahme oder Drehmomentabgabe des mindestens einen Aggregats abhängig vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers von diesem gespeichert wird, und teilweise durch Änderung der Ansteuerung des Zündwinkels mittels der Steuerung von dem Verbrennungsmotor abgebaut wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ist ein Übersichtsschaltbild eines Hybridantriebssystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt werden kann.
Figur 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf von Arbeitsgrößen, anhand dessen die Wir- kungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wird.
Ausführungsformen:
Das in Figur 1 dargestellte Hybridantriebssystem umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und eine elektrische Maschine 20.
In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist der Verbrennungsmotor 10 über eine schaltbare Kupplung 30 mit der elektrischen Maschine 20 gekoppelt. In einer nicht dargestellten Ausführung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor direkt mit der elektrischen Maschine ge- koppelt. Die elektrische Maschine ist über eine schaltbare Abtriebkupplung 40 mit einem Abtriebanschluss 50 verbunden. Der Antriebanschluss 50 ist dafür vorgesehen, mit Rädern eines Fahrzeugs verbunden zu werden, um diese anzutreiben. Der Verbrennungsmotor 10 erhält von einer Verdichtungseinrichtung 60, beispielsweise ein Lader, ein Luft- Kraftstoffgemisch. Insbesondere ist das Luft-/Kraftstoffgemisch, das die einzelnen oder Gruppen der vier Zylinder des Verbrennungsmotors 10 erhalten, steuerbar. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 10 den Kraftstoff von einer Kraftstoffversorgung, beispielsweise von einer Kraftstoffpumpe bekommen.
Die elektrische Maschine 20 ist über eine Aufladevorrichtung 70 mit einem Akkumulator 80 verbunden, der als elektrischer Energiespeicher dient. Das gesamte System wird von einer Steuerung 90 gesteuert. Hierzu ist die Verdichtungseinrichtung 60 mit der Steuerung 90 verbunden, um Steuersignale zu empfangen und diese auszuführen. Ferner ist die Steuerung 90 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden, um die einzelnen Zündwinkel oder alle Zündwinkel des Verbrennungsmotors 10 gleichzeitig zu steuern. Vorzugsweise ist die Steuerung 90 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden, um einzelne Zündimpulse zum Zünden des Luft-/Kraftstoffgemischs in den einzelnen Zylindern abzugeben.
Die Steuerung 90 ist ferner mit der schaltbaren Kupplung 30 verbunden, mit der die Antriebswellen des Verbrennungsmotors 10 mit der elektrischen Maschine 20 gesteuert verbunden werden kann.
Die elektrische Maschine 20 ist mit der Steuerungsvorrichtung 90 verbunden, um von dieser mit einer elektrischen Erregungsleistung versorgt zu werden. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 90 Signale an die elektrische Maschine 20 senden, die Informationen über die Höhe des Erregungsstroms umfassen. Die Steuerungseinrichtung 90 empfängt ferner von der elektrischen Maschine 20 Drehzahlsignale, die die Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine wiedergeben. Ferner erhält die Steuerungsvorrichtung 90 ein Spannungs- signal, welches die Spannung an der Ständerwicklung der elektrischen Maschine wiedergibt. Die elektrische Maschine 20 ist ferner über eine Aufladevorrichtung 70 mit dem Akkumulator 80 verbunden, wobei die Aufladevorrichtung 70 den zum Akkumulator 80 fließenden Strom und/oder den vom Akkumulator 80 zur elektrischen Maschine 20 fließenden Strom steuert. Ferner empfängt die Steuervorrichtung 90 ein Stromsignal, das den vom Akkumula- tor 80 fließenden Strom bzw. den zu dem Akkumulator 80 fließenden Strom wiedergibt. Die Steuerungseinrichtung 90 ist ferner mit der Abtriebkupplung verbunden, um diese anzusteuern. Die Steuerungseinrichtung 90 hat ferner einen Eingang (nicht dargestellt) zur Erfassung der Position der Antriebswelle des Verbrennungsmotors 10 sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustands des Akkumulators 80, die vorzugsweise den über die Auf- ladevorrichtung 70 fließenden Strom integriert. Die Steuerungseinrichtung 90 weist ferner einen Eingang für Signale auf, die die gewünschte Beschleunigung oder das gewünschte Antriebsdrehmoment wiedergeben. Hierzu kann die Steuerungseinrichtung 90 mit einem Gaspedal und/oder mit einem Bremspedal verbunden sein. Zum Ändern des Betriebspunkts steuert daher die Steuerungseinrichtung 90 die Aufladevorrichtung 60 an, um den Füllungsgrad zu erhöhen. Alternativ kann statt einer Aufladevorrichtung 60 auch die Einstellung einer Drosselklappe angesteuert werden. Dadurch erzeugt der Verbrennungsmotor 10 ein höheres Drehmoment. Die Erhöhung kann auch durch Hinzuschalten von Zylindern oder Umstellung des Zylinderhubs hervorgerufen werden. Diese Erhöhung des Drehmoments wird kompensiert durch die Änderung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors 10 und vorzugsweise zusätzlich durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine 20 als Generator, die zumindest einen Teil der im Verbrennungsmotor er- zeugten Leistung in speicherbare elektrische Energie umwandelt. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung 90 die elektrische Maschine 20 mit einem entsprechenden Erregungsstrom an, wobei die Kupplung 30 zumindest teilweise geschlossen ist, um eine Übertragung der mechanischen Energie vor Verbrennungsmotor 10 zur elektrischen Maschine 20 zu ermöglichen. Die von der elektrischen Maschine 20 erzeugte elektrische Energie wird beispiels- weise teilweise zur Versorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs verwendet. Die elektrische Energie wird über die Aufladevorrichtung 70 dem Akkumulator 80 zugeführt. Die Aufladevorrichtung 70 ist vorzugsweise auch zur gesteuerten Leistungsabgabe, beispielsweise an die elektrische Maschine oder an das Bordnetz eingerichtet. Der Akkumulator kann ein Bleiakkumulator, ein NiCd- oder NiMH, oder ein anderer Akkumulator sein, der eine relativ hohe Energiedichte, eine hohen Entlade/Ladestrom und ein günstiges Preis/Kapazitäts- Verhältnis hat.
Die Figuren 2A und 2B zeigen einen beispielhaften Verlauf für Arbeitsgrößen eines Hybridantriebs, beispielsweise das in Figur 1 dargestellte Hybridantriebssystem.
Die Figur 2A zeigt den Verlauf der von außen angeforderten Drehmomentreserve, die einem Drehmomentüberschuss entspricht, und die sich beispielsweise auf Grund von gewünschten Geschwindigkeitsänderungen, d. h. Beschleunigungen und/oder durch auftretende Steigungen ergibt. Die Ursache kann ferner darin liegen, dass der Ventilhub (des oder der Einlassventile und/oder des oder der Auslassventils bzw. Auslassventile oder eines jeweiligen Teils hiervon) verändert, ein Turbo hinzugeschaltet, eine Auflader-Drosselklappe geöffnet, eine Zylindergruppe hinzugeschaltet oder auf andere Weise der Betriebspunkt bzw. der Lastpunkt sprungartig verschoben wird. Zwischen den zwei Punkten t0 und ti sowie nach dem Zeitpunkt t6 wird von außen keine Drehmomentreserve angefordert, bzw. das Erzeugungsdrehmoment wird nicht erhöht. Ferner ist es in diesen Zeitintervallen nicht notwendig, den Füllungsgrad zur Erzeugung eines höheren Drehmoments zu erhöhen. Jedoch zwischen den Zeitpunkten ti - t6 ergeben sich verschiedene Drehmomentreserven, d.h. ein Überschuss an Erzeugungs-Drehmoment, wobei der Überschuss an Erzeugungs- Drehmoment bzw. die Drehmomentreserven beispielsweise von dem Verbrennungsmotor vorgesehen werden sollen, vorzugsweise durch Ändern des Füllungsgrads des Verbrennungsmotors, oder durch Ändern der Zylinderanzahl, durch An- / Abschalten eines Laders oder Turbos oder durch Verringerung des Hubs oder durch andere, oben beschriebene Maßnahmen.
Die Figur 2B zeigt den entsprechenden Verlauf des an den Abtrieb abgegebenen Drehmoments MAbgabe, sowie das vom Verbrennungsmotor erzeugte Erzeugungs-Drehmoment M61- zeugt- Ferner zeigt die Figur 2B das von der elektrischen Maschine aufgenommene Drehmo- ment Maufil; ei sowie das maximal vom Verbrennungsmotor durch Änderung des Zündwinkels abzubauende oder zu kompensierende Drehmoment Maufil; max. Der Index „aufn" bedeutet in diesem Zusammenhang die Kompensation durch Aufnahme, d.h. Umwandlung in speicherbare Energie oder die Kompensation durch Abbau, d.h. Vernichtung von Drehmoment. Das an den Abtrieb abgegebene Drehmoment MAbgabe ist zu allen Zeitpunkten konstant. Das Erzeugungs-Drehmoment Merzeugt ist zwischen den Zeitpunkten t0 und ti sowie nach dem Zeitpunkt t6' konstant und entspricht dem erfindungsgemäßen ersten Erzeugungs- Drehmoment, welches bei einem ersten Füllungsgrad erzeugt wird. Da nach dem Zeitpunkt ti die geforderte Drehmomentreserve steigt bzw. der Betriebspunkt/Betriebsmodus verändert wird, vgl. Figur 2A, und der Drehmoment-Überschuss größer Null ist, wird das vom Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment erhöht.
Um gleichzeitig das an den Abtrieb abgegebene Drehmoment MAbgabe konstant zu halten, wird der Betrag, um den das zweite Erzeugungs-Drehmoment Merzeugt das konstant zu haltende Abgabe-Drehmoment MAbgabe übersteigt, durch Variation des Zündwinkels des Verbrennungsmotors vom Verbrennungsmotor abgebaut. Das in Reserve stehende bzw. das überschüssige Drehmoment, das durch den Abstand des zweiten Erzeugungs-Drehmoments Merzeugt zu dem Abgabe Drehmoment MAbgabe gekennzeichnet ist, kann unmittelbar freigegeben werden, wenn der Zündwinkel des Verbrennungsmotors auf den ursprünglichen Zustand umgestellt wird, so dass der Anteil des Erzeugungs-Drehmoments, der vom Verbren- nungsmotor abgebaut wird, gleich Null wird.
Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ändert sich abermals der Betriebspunkt und es verringert sich das überschüssige Drehmoment, so dass, wie in Figur 2B dargestellt ist, der von dem Verbrennungsmotor durch Verringerung des Zündwinkel-Drehmoments kompensierte bzw. abgebaute Drehmoment-anteil verringert ist. Auf Grund der Trägheit des Motors, der Einstellung des Motors sowie der Kraftstoffgemisch-Zuführung des Verbrennungsmotors werden Änderungen in der gewünschten Drehmomentreserve nicht sprunghaft umgesetzt, sondern erfordern eine gewisse Einregelzeit, die im Wesentlichen die Form einer negativ- exponentiellen Entwicklung haben. Bei Änderung des Betriebspunkts durch Einstellung der Zündphase und des Zündwinkels kann das Erzeugungsdrehmoment innerhalb eines oder innerhalb weniger Zündtakte geändert werden.
Aus der Figur 2A ist ersichtlich, dass zwischen den Zeitpunkten t3 und U und den Zeitpunkten U und t5 besonders hohe Drehmomentreserven aufgebaut sind, so dass das Erzeugungs- Drehmoment einen hohen überschüssigen Anteil aufweist. Das zweite Erzeugungsdrehmoment, wie aus der Figur 2B ersichtlich, hat zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 besonders hohe Werte, wobei am Zeitpunkt t3' (auf Grund der oben genannten Verzögerung, oder, falls nur eine vernachlässigbare Verzögerung auftritt, schon bei t3) ein Erzeugungs- Drehmoment hervorgerufen wird, das nicht mehr vollständig durch Ändern des Zündwinkels des Verbrennungsmotors kompensiert werden kann. Diese Grenze, in der Fig. 2B als gestrichelte Horizontale dargestellt, markiert einen kleinstmöglichen Zündwinkel, oder einen Zündwinkel, bei dem der Verbrennungsmotor einen Wirkungsgrad erreicht, der unter vor- bestimmten Minimalanforderungen liegt.
Um daher das Abgabemoment MAbgabe konstant zu halten, müssen weitere Maßnahmen getroffen werden, um den Überschuss vollständig zu vernichten bzw. zu kompensieren. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, in dem zwischen den Zeitpunkten t3' und t5 die elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor derart verbunden wird und angesteuert wird, dass diese ebenfalls einen Anteil des zu vernichtenden Drehmomentüberschusses aufnimmt. Der von der elektrischen Maschine aufgenommene Anteil ist in der Figur 2B als schraffierte Fläche dargestellt und liegt oberhalb der Grenze (gestrichelte Horizontale), die durch das maximal von dem Verbrennungsmotor aufzunehmende Drehmoment gekennzeichnet ist. Zwi- sehen den Zeitpunkten t3' und t5 wird der Zündwinkel des Verbrennungsmotors nicht geändert und bleibt unverändert bei der maximal möglichen Einstellung. Da zwischen den Zeitpunkten t3' und t5 die elektrische Maschine verwendet wird, um Anteile des Erzeugungs- Drehmoments durch Aufnahme zu kompensieren, ergibt sich durch die geringere Trägheit der elektrischen Maschine ein deutlich schnelleres Einstellen bzw. Einpendeln auf den SoIl- wert, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und bei Änderung des Betriebspunkts des Verbrennungsmotors durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge oder der Kraftstoff/Luft-Konzentration, insbesondere durch Änderung der Luftmenge. Dies ist aus den Kurvensteigungen des Verlaufs in dem Intervall direkt nach dem Zeitpunkt t3' und direkt nach dem Zeitpunkt t4 zu erkennen, die die höhere Dynamik der elektrischen Maschine kennzeichnen. Der Anteil des Drehmoments, das die elektrische Maschine aufnehmen muss, ist zwischen den Zeitpunkten t3' und U geringer als zwischen den Zeitpunkten t4 und t5, da zwischen t4 und t5 ein höherer Drehmoment-Überschuss erzeugt wird, als zwischen den Zeitpunkten t3 und t4. Zum Zeitpunkt t5 fällt der erzeugte Drehmoment-Überschuss auf ei- nen Wert unterhalb des Maximalwerts, der von dem Verbrennungsmotor durch Ändern des Zündwinkels kompensiert werden kann. Daher erreicht das Erzeugungs-Drehmoment beim Zeitpunkt t5 einen Wert, der vollständig von dem Verbrennungsmotor durch Ändern des Zündwinkels kompensiert werden kann, so dass das Überschuss-Drehmoment ausschließlich vom Verbrennungsmotor kompensiert wird. Ab dem Zeitpunkt t6 fällt der Drehmoment- Überschuss auf Null, wodurch auch das Erzeugungs-Drehmoment mit einer gewissen Trägheit, die durch den Verbrennungsmotor verursacht ist, auf das Abgabedrehmoment zurückfällt, welches an den Abtrieb abgegeben wird.
Zwischen den Zeitpunkten t3' und t5 nimmt die elektrische Maschine einen Drehmoment auf, das oberhalb der maximal vom Verbrennungsmotor aufzunehmenden Drehmoment liegt. Da die elektrische Maschine durch Umwandeln und Speichern elektrischer Leistung das Drehmoment aufnimmt, gibt die gestrichelte Fläche die Energie wieder, die zum Vorsehen der Drehmomentreserve in einem Akkumulator gespeichert werden kann. Die entsprechende elektrisch zu speichernde Leistung kann durch den maximalen Ladestrom des Akkumulators begrenzt sein.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird nicht der Verbrennungsmotor sondern zunächst die elektrische Maschine zur Kompensation des Überschuss-Drehmoments ver- wendet. D.h., falls ein Überschuss-Drehmoment-Schwellwert nicht überschritten ist, übernimmt die elektrische Maschine die Drehmomentkompensation, und der Verbrennungsmotor läuft vorzugsweise bei einem optimalen Zündwinkelwirkungsgrad. Dabei kann, wie in den Figuren 2A und 2B, das an dem Abtrieb abgegebene Drehmoment konstant sein. Der Verbrennungsmotor wird derart angesteuert, dass dieser gemäß den Vorgaben, wie es in Figur 2A dargestellt ist, ein Drehmoment erzeugt. In dieser Ausführungsform ergibt sich daher der gleiche Grundverlauf wie in Figur 2B, wobei die Kurve Merzeugt dem Drehmoment entspricht, das vom Verbrennungsmotor erzeugt wird, und das gleichzeitig das Drehmoment darstellt, das von der elektrischen Maschine aufgenommen, d. h. in elektrische Energie umgewandelt wird. Ferner kann der zu ladende elektrische Energiespeicher, beispielsweise ein Akkumulator 80, eine maximale Ladeleistung aufweisen, so dass das Drehmoment, welches die elektrische Maschine aufnimmt, begrenzt ist. Dies führt zu einem Kurvenverlauf wie in der Figur 2B, wobei Maufil; max dem Drehmoment entspricht, das auf Grund des begrenzten Ladestroms maximal von der elektrischen Maschine aufgenommen werden kann. Das darüber hinausgehende Drehmoment wird daraufhin durch Ändern des Zündwinkels des Verbrennungsmotors vom Verbrennungsmotor abgebaut, der somit, wie auch die elektrische Maschine, einen Anteil des Überschuss-Drehmoments kompensiert. Maufil; max entspricht somit dem Moment, das zur zumindest teilweisen Kompensierung des erzeugten Drehmoments verwendet wird, d.h. im allgemeinen dem durch Zündwinkelverstellung, Ge- neratorbetrieb der elektrischen Maschine, durch zusätzliche Fahrzeugbeschleunigung oder durch ein anderes Aggregat durch Vernichtung oder Umwandlung in speicherbare und/oder nicht speicherbare Energie dem Verbrennungsmotor (oder einem anderen Antriebsaggregat) entzogen wird.
Es ergibt sich somit ein Verlauf, wie er auch in der Figur 2B zwischen den Zeitpunkten t3' und t5 dargestellt ist, wobei der gestrichelte Bereich dem Drehmoment entspricht, welches von dem Verbrennungsmotor kompensiert bzw. durch Wirkungsgradverschlechterung abgebaut wird. Auf Grund der vertauschten Aufgaben würde dann der gestrichelte Bereich, der mit Maufil; ei bezeichnet ist, von dem Verbrennungsmotor und nicht von der elektrischen Maschine kompensiert bzw. durch Vernichtung der Bewegungsenergie aufgenommen werden.
Die anhand der Figuren 2A und 2B dargestellten Ausführungsform stellen beispielhafte er- fmdungsgemäße Verfahren dar, bei denen der Anteil des Drehmoments, der von der elektrischen Maschine aufgenommen wird, sowie der Anteil des Drehmoments, der von dem Verbrennungsmotor durch Ändern des Zündwinkels aufgenommen wird, sich durch Grenzwerte bestimmt, wobei entweder die elektrische Maschine oder der Verbrennungsmotor die Grundlast des Reserve-Drehmoments aufnimmt und die jeweils andere Komponente das darüber hinausgehende Reserve-Drehmoment aufnimmt. Somit ist die Komponente, die die Grundlast aufnimmt, bei einem hohen, durch Betriebspunkteinstellungen erforderlichen Ü- berschuss-Drehmoment zu 100 % ausgelastet. Daher sieht eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Aufteilung der Anteile der elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors in gleiche Teile vor, oder abhängig von der Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder der elektrischen Maschine des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers und/oder der gewünschten Fahrdynamik. Hierbei wird vorzugsweise berücksichtigt, dass die elektrische Maschine und der Verbrennungsmotor grundsätzlich verschiedene Arten des Abbaus des Überschuss-Drehmoments aufweisen, die mit unterschiedlichen Dynamiken ausweisen. Wenn beispielsweise der elektrische Energiespeicher die e- lektrische Maschine kurzfristig mit einer hohen Leistung versorgen kann, so kann die Kompensation des Überschuss-Drehmoments schneller verringert werden (beispielsweise zur Beschleunigung), wenn die Drehmomentreserve größtenteils durch die elektrische Maschine gebildet wird, und nicht durch den Verbrennungsmotor, wenn der Verbrennungsmotor mit einer geringen Drehzahl läuft.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors berücksichtigt, so dass der Verbrennungsmotor nur soweit zur Überschussbildung bei- tragen kann, als ein bestimmter minimaler Wirkungsgrad auf Grund des geänderten Zündwinkels nicht unterschritten wird.
Alternativ oder in Kombination hierzu wird der Wirkungsgrad der Energiespeicherung durch die elektrische Maschine berücksichtigt, wobei insbesondere Wärme- und Reibungsverluste der elektrischen Maschine, der Aufladevorrichtung und des elektrischen Speichers berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführung wird nur ein Anteil des Erzeugungs-Drehmoments, der von dem Verbrennungsmotor erzeugt wird, von dem Verbrennungsmotor und/oder von der e- lektrischen Maschine als Überschuss-Drehmoment kompensiert bzw. abgebaut, sondern bildet eine Drehmoment-Komponente, die zur Beschleunigung eines Fahrzeugs verwendet wird. Obwohl in der Figur 2B ein konstant bleibendes Abgabe-Drehmoment dargestellt ist, kann es, beispielsweise auf Grund eines Fahrerwunschs, erforderlich sein, ein geringeres oder ein höheres Überschuss-Drehmoment in der elektrischen Maschine und/oder in dem elektrischen Verbrennungsmotor zu erzeugen, als es ein konstantes Abtriebs-Drehmoment erfordern würde. Daher umfasst eine Ausführung der Erfindung ein Verfahren, bei der sich der Betriebspunkt, der die Abgabeleistung und/oder das Erzeugungs-Drehmoment beein- flusst, aus dem Überschuss-Drehmoment des Verbrennungsmotors, dem Überschuss- Drehmoment der elektrischen Maschine und dem Drehmoment ergibt, das zur vom Fahrer gewünschten Beschleunigung führt.
Das maximale gesamte Überschuss-Drehmoment ergibt sich durch das maximale Drehmoment, das von dem Verbrennungsmotor durch Änderung des Zündwinkels kompensiert werden kann, und aus dem maximalen Überschuss-Drehmoment, das dem maximalen Drehmoment entspricht, welches die elektrische Maschine auf Grund von mechanischen Vorgaben oder auf Grund von maximalen Ladeströmen des Akkumulators aufnehmen kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs, der einen Verbrennungsmotor (10) und mindestens ein damit verbindbares Aggregat (20) aufweist, wobei das Verfahren um- fasst:
Betreiben des Verbrennungsmotors (10) bei einem ersten diskreten Betriebspunkt, der einem ersten Erzeugungs-Drehmoment entspricht;
Einstellen eines zweiten diskreten Betriebspunkts, der einem zweiten Erzeugungs- Drehmoment entspricht, der sich von dem ersten Füllungsgrad unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Aggregat (20) ein Kompensations-
Drehmoment vorsieht, das der Änderung vom ersten Erzeugungs-Drehmoment auf das zweite Erzeugungs-Drehmoment entgegengesetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Aggregat mindestens eine zum Antrieb vorgesehene elektrische Maschine, einen Synchronmotor, eine eigen- oder fremderregte Gleichstrommaschine, einen Asynchronmotor, einen weiteren Verbrennungsmotor und/oder einen elektrischen Generator mit einer damit verbundenen Brennstoffzelle umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kompensations-Drehmoment von dem mindes- tens einen Aggregat in speicherbare elektrische Energie umgewandelt wird, wenn es positiv ist, und Kompensations-Drehmoment von mindestens einen Aggregat erzeugt wird, wenn es negativ ist, wobei das mindestens eine Aggregat mindestens eine elektrische Maschine und/oder mindestens einen weiteren Verbrennungsmotor umfasst...
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kompensations-Drehmoment kleiner oder gleich der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (10) durch Änderung des Zündwinkels die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment verringert..
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Anteil des zweiten Erzeugungs-Drehmoments von dem Aggregat (20) kompensiert wird, wenn die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment über einer
Schwellwert-Differenz liegt, und derjenige Anteil der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment, der unter der Schwellwert-Differenz liegt, von dem Verbrennungsmotor (10) mittels Variation des Zündwinkels des Verbrennungsmotors (10) kompensiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs- Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment positiv ist und abzüglich eines
Differenz- Schwell werts vollständig von dem mindestens einen Aggregat (20) und einem Abtrieb (50) zum Vorsehen einer gewünschten Beschleunigung aufgenommen wird, wobei der Differenz-Schwellwert zwischen null und einem maximalen Differenz- Schwellwert liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein erster Anteil der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment von dem als Generator betriebenen Aggregat (20) aufgenommen wird, ein zweiter Anteil der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs- Drehmoment von dem Verbrennungsmotor (10) durch Zündwinkeländerungen kompensiert wird und ein dritter Anteil der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs- Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment von einem Abtrieb (50) zur Beschleunigung eines Fahrzeugs aufgenommen wird, wobei der erste, der zweite und der dritte Anteil zusammen die Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs-Drehmoment bilden und jeweils zwischen null und der Differenz zwischen dem zweiten Erzeugungs-Drehmoment und dem ersten Erzeugungs- Drehmoment variabel sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Anteil von einer zur Speicherung elektri- scher Energie zur Verfügung stehenden Kapazität eines mit dem als Generator arbeitenden mindestens einen Aggregat (20) verbundenen Speichers (80) für elektrische Energie abhängt.
10. Steuerungseinrichtung (90) zur Steuerung des Betriebs eines Hybridantriebs, der min- destens ein Aggregat (20) und einen damit verbindbaren Verbrennungsmotor (10) um- fasst, wobei die Steuerungseinrichtung (90) Ausgänge umfasst, die eingerichtet sind, den Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) sowie die Drehmomentaufnahme des mindestens einen Aggregats (20) zu steuern, wobei die Steuerungseinrichtung (90) ferner Eingänge umfasst, die eingerichtet sind, eine gewünschte Beschleunigung zu emp- fangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (90) bei einer gewünschten positiven, negativen oder nicht vorzusehenden Beschleunigung einen Betriebszustand einstellt, der zu einer Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors (10) führt, die über das Drehmoment, das der gewünschten Beschleunigung entspricht, hi- nausgeht, und zur derartigen Steuerung des mindestens einen Aggregats (20) eingerichtet ist, dass der über die gewünschten Beschleunigung hinausgehende Anteil der Drehmomentabgabe des Verbrennungsmotors (10) zumindest teilweise von dem mindestens einen Aggregat (20) vorgesehen wird.
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