WO2023036674A1 - Steuereinheit für einen antrieb und antrieb mit einer steuereinheit - Google Patents

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WO2023036674A1
WO2023036674A1 PCT/EP2022/074272 EP2022074272W WO2023036674A1 WO 2023036674 A1 WO2023036674 A1 WO 2023036674A1 EP 2022074272 W EP2022074272 W EP 2022074272W WO 2023036674 A1 WO2023036674 A1 WO 2023036674A1
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WO
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torque
internal combustion
combustion engine
control unit
limit
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Application number
PCT/EP2022/074272
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English (en)
French (fr)
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Botond Szeles
Sebastian Oschmann
Joerg Spang
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Publication of WO2023036674A1 publication Critical patent/WO2023036674A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H63/00—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/40—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism comprising signals other than signals for actuating the final output mechanisms
    • F16H63/50—Signals to an engine or motor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
    • E02F9/2066—Control of propulsion units of the type combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H63/00—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism
    • F16H63/40—Control outputs from the control unit to change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion or to other devices than the final output mechanism comprising signals other than signals for actuating the final output mechanisms
    • F16H63/50—Signals to an engine or motor
    • F16H2063/508—Signals to an engine or motor for limiting transmission input torque, e.g. to prevent damage of transmission parts

Definitions

  • the invention relates to a control unit according to the preamble of patent claim 1 and a drive according to the preamble of patent claim 15.
  • a generic drive has an internal combustion engine and one or more power converters that can be driven by it.
  • the drive can be designed as a traction drive, for example, with the internal combustion engine being designed as a diesel engine and the power converters as hydraulic motors or hydraulic cylinders, particularly in the field of mobile working machines.
  • a disadvantage of this solution is a tendency to oscillate, since such a pure regulation is carried out without any pilot control component.
  • Another solution uses the determination of a maximum possible torque of the internal combustion engine as a function of the setpoint speed, with this maximum possible torque being used as a reference variable for the power limitation of the power converter Z consumers.
  • the disadvantage is that the torque envelope curve used for the determination only applies to a steady to quasi-steady state of the internal combustion engine, but not to more dynamic load changes when the internal combustion engine is loaded relatively quickly, for example with low power consumption. thats why for power limitation, the reference to the aforementioned speed-based limitation is still necessary.
  • a further possibility is the calculation of the currently theoretically maximum usable drive torque, for example based on information from the internal combustion engine that is available by means of the network protocol SAE J1939 via the CAN bus.
  • these are: the current percent torque, the reference torque and the percent load at the current speed.
  • the invention is based on the object of creating a control unit for a drive, via which the power of the internal combustion engine can be exhausted and the power consumption of power converters or consumers can be limited in a more stable manner.
  • the task is to create a drive with an internal combustion engine whose power can be exploited and the power consumption of power converters or consumers can be limited more stably.
  • the first task is solved by a control unit with the features of patent claim 1, the second by a drive with the features of patent claim 15.
  • a control unit is provided for a drive, in particular for driving a mobile working machine, which has an internal combustion engine and at least one, in particular hydraulic, power converter that can be driven by it.
  • the control unit is set up with a model, in particular with a model of the internal combustion engine, via which one of the power converter(s) is currently up-to-date requested torque can be limited to a limit torque.
  • the torque can be requested, for example, by an operator, for example by deflecting a control element (joystick), or by a machine controller.
  • the model has a dynamic sub-model, in particular of the internal combustion engine, via which a torque that can be provided by the internal combustion engine at a future point in time, i.e. a minimally later than the current point in time, can be determined at least as a function of a current speed and load of the internal combustion engine.
  • the limit torque mentioned can then in turn be determined as a function of this.
  • the mapping of the dynamic behavior of the internal combustion engine makes it possible to reduce or even avoid speed-based regulation of the power limit.
  • the speed-based limitation control mentioned at the outset should preferably be avoided because its control loop can oscillate compared to an internal speed control of the internal combustion engine.
  • the control unit according to the invention thus enables the available torque of the internal combustion engine to be determined quickly, continuously and stably as a reference variable for limiting the power of the power converters, consumers without unpleasant or abrupt changes in speed or even "stalling".
  • the limit torque can be determined via the control unit as a reference variable for limiting the power consumption of the power converter or converters.
  • a reference variable on the Control unit can be determined from the limit torque. This is particularly the case when multiple power converters are being driven.
  • the limit torque determined must then first be "distributed" to the power converters via the control unit, i.e. an individual limit torque is determined for each power converter.
  • the respective power converter can then be controlled, in particular pre-controlled, in order to limit its power consumption .
  • a control of the power consumption of the relevant power converter can be minimized or even superfluous by such a pre-control.
  • a setpoint value of a manipulated variable of the power converter can be determined via the control unit, on which its torque depends.
  • a manipulated variable is, for example, the displacement volume.
  • control unit has a first static, stationary or quasi-stationary sub-model, in particular a characteristic map, via which a first currently maximum permitted torque can be determined, in particular as a function of at least the current speed and load, in particular the current torque of the internal combustion engine.
  • the torque that can be provided in the future can be determined via the dynamic partial model as a function of the first currently maximum permitted torque.
  • the torque that can be provided in the future can be determined via the dynamic partial model as a function of the first currently maximum permitted torque by means of a delay element of the nth order, in particular of the second order.
  • Dynamic ramp limitation is preferably provided.
  • input signals of the respective models are preceded by smoothing, in particular a filter, in particular with a PT-1 characteristic.
  • the dynamic sub-model has at least one input that can be updated periodically or recurringly via the control unit, it being possible to determine the torque that can be provided in the future, in particular at the same interval, so that it can be updated.
  • the first currently maximum permitted torque is preferably present at this input.
  • the first currently maximum permitted torque can be updated periodically or recurringly via the control unit, preferably with the same period or at the same update times as the input of the dynamic partial model.
  • the mentioned delay is changeable or variable, in particular from a current point in time to a future point in time or from one update to the next.
  • the model has a second static partial model of a second currently maximum permitted torque of the internal combustion engine depending on a current temperature, a third static partial model, in particular a torque envelope, a third maximum permitted torque of the internal combustion engine depending on the current speed, and/or a Reference torque of the internal combustion engine, depending on which or which the future available torque can be limited to the limit torque.
  • a currently theoretically maximum usable drive torque of the internal combustion engine can be determined via the control unit as a function of information from the internal combustion engine that can be made available in particular via CAN bus/J1939.
  • a combination device via which a hybrid torque can be determined as a function of the limited or unlimited torque that can be provided in the future and the currently theoretically maximum usable drive torque.
  • a selection device is provided, via which the limited or unlimited torque that can be provided in the future, the currently theoretically maximum usable drive torque and the hybrid torque can be individually selected, with the limit torque being able to be determined depending on the selection.
  • a summation device via which a sum can be formed from the selection and a requestable or deliverable torque of at least one secondary power converter and/or a torque of a flywheel mass model of the internal combustion engine.
  • an overload protection device is provided for the internal combustion engine, via which the limit torque can be reduced to a reduced limit torque in such a way that the permissible pressure is not reached.
  • the overload protection device has a PI controller and the allowable compression of the internal combustion engine is available separately for a P controller component and for an I controller component of the PI controller, depending on a setpoint speed of the internal combustion engine.
  • the PI controller can be activated or deactivated depending on the current load, in particular the current torque of the internal combustion engine, so that an initial load on the internal combustion engine is possible and the power converters and consumers can be accelerated as dynamically as possible.
  • an I controller component of the PI controller has control parameters that are dependent on a gradient of the current speed or that can be set. Depending on the direction of speed change, the different control parameters enable a reduction of the target torque without oscillations, with continuous, maximum possible load on the internal combustion engine.
  • the overload protection device can be deactivated or inactive at an idle speed and can be activated or active above a current target speed.
  • a setpoint speed override device via which a current setpoint speed can be overridden as a function of a change in the currently required torque.
  • a drive in particular a travel drive, working drive or travel and working drive of a mobile working machine, has an internal combustion engine, by which at least one power converter, component or consumer can be driven, in particular is driven. It also has a control unit, which is designed in particular according to at least one aspect of the preceding description, with a model of the internal combustion engine via which a currently requested torque of the power converter or converters can be limited to a limit torque.
  • a dynamic partial model of the internal combustion engine is included, via which a future torque that can be provided by the internal combustion engine can be determined as a function of at least a current load and a current speed of the internal combustion engine, depending on which the limit torque can be determined.
  • FIG. 1 shows a diagram of a drive according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a diagram of a control unit of the drive according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a diagram of a model stored in the control unit for determining a torque limit of the internal combustion engine as a reference variable for driven power converters
  • FIG. 4 shows a static input model of the dynamic model according to FIG. 3
  • FIG. FIG. 6 a combination logic for calculating static and dynamic partial models
  • Figure 7 is a schematic of an overload protection device of the internal combustion engine.
  • FIG. 8 shows a diagram with time-dependent curves of operating variables of the internal combustion engine and a power converter designed as a hydraulic pump with and without an intervening target speed override device.
  • a drive 1 has an internal combustion engine 2 and several power converters 4, 6 driven by it.
  • the internal combustion engine 2 is, for example, a drive unit of a mobile work machine (not shown) and is designed as a diesel engine.
  • Drive shafts of the power converters 4, 6 are coupled to its drive shaft.
  • the power converters 4, 6 are hydraulic machines, for example, which preferably work in pump operation in order to in turn drive hydraulic consumers, such as hydraulic cylinders or motors.
  • the drive power of the internal combustion engine 2 can be distributed to the drive shafts of the power converters 4, 6 via a power manager of the drive, particularly in the case of undersupply, when the power required or requested by the power converters 4, 6 cannot be completely covered by the internal combustion engine 2.
  • a control unit 8 is signal-connected both to the internal combustion engine 2 and to the power converters 4 , 6 via a CAN bus 10 .
  • FIG. 2 shows a more detailed diagram of the control unit 8 according to FIG. 1, which is connected to the CAN bus 10 on the one hand and to further machine control functions 12 on the other hand.
  • a torque determination device 14 for the model-based determination of a limit torque MMCII Grenz that can be provided by the internal combustion engine 2 is included.
  • the limit torque MMCII Grenz goes into an overload protection device 16, which is optional in the exemplary embodiment shown, and can be further reduced there to a reduced limit torque MMCII donnered, so that the permissible speed reduction Aniim remains even more reliably undershot.
  • an optional setpoint speed override device 18 is provided in the exemplary embodiment shown, via which a current setpoint speed n a ktsoii of internal combustion engine 2 can be overridden as a function of a change in currently requested torque AMaktsoii. This also serves the purpose of reliably not exceeding the permissible pressure Aniim and also keeping it low.
  • the control unit 8 has a power manager 20 in order to distribute the reduced limit torque MMCII Grenz red determined by means of the torque determination device 14 and the overload protection device 16 to the power users 4 , 6 . Without the previously mentioned, optional overload protection device 16, the power manager 20 would have the limit torque MMdi limit as an input variable.
  • FIG. 3 shows the structure of the torque determination device 14 in detail.
  • Inputs are at least the current values of the speed n a kt, the torque M a kt and the operating temperature cycle of the internal combustion engine 2, as well as the current percentage torque M a kt, reference torque, provided by the CAN bus 10 in accordance with the network protocol SAE J193 Mp e f and the percent load at the current speed Lakt.
  • the Makt and Lakt inputs are smoothed by filters 20, 22, 24, each designed as a PT-1 element in the exemplary embodiment.
  • the torque determination device 14 has two sections or partial models 26, 28.
  • a first sub-model 26 is used to calculate the currently theoretically maximum usable drive torque Makt th max nutz, based on the above-mentioned information from the internal combustion engine 2 made available via the CAN bus 10 by means of the SAE J1939 network protocol.
  • the second sub-model 28 is used for the dynamic, model-based determination of a torque MMCII for a minimal, approx. 50 - 400 msec, later point in time depending on the current values n a kt, makt, tact.
  • the current torque Makt taken alone or together with the current speed n a kt, represents a measure of the current load on internal combustion engine 2.
  • the two outputs Makt th max nutz and MMCII of sections 26, 28 enter an optionally provided combination device 30 according to FIG. 6, via which a “hybrid torque” Mhyb can be determined from the two.
  • a ramp function of the air system is included in its determination.
  • the input signals Makt th max nutz and MMCII each pass through a filter, in particular PT-1 filter 38, 40, and as a result a derivative 42, 44.
  • the derivative 44 of the input signal MMCII is determined by means of a greater than or equal comparison with a minimum Compared gradient dMMdi min of the input signal MMCII.
  • the derivative 42 of the input signal Makt th max nutz is compared with a minimum gradient dMnutz min of the input signal Makt th max nutz by means of a greater than or equal comparison and with its maximum gradient dMnutzmax by means of a less than or equal comparison.
  • the results of the two last-mentioned comparisons are combined with an AND operation and enter into an OR operation with the result of the first-mentioned comparison.
  • the smaller of the two torques Makt th max nutz and MMCII is determined by the combination device 30 .
  • a switch 46 can be used to select the smaller of the two torques Makt th max nutz and MMCII or the available torque MMCII determined on the basis of the model, the gradient resulting from the OR link being applied to the selection. The latter selection is then included in a ramp function 48, the output of which finally forms the hybrid torque Mhyb.
  • the available torque MMCII of the partial model 28 according to FIG. 3, determined on the basis of a model, is a stable signal in all operating states of the drive 1.
  • a variable parameter setting of the PT2 characteristic of the dynamic partial model 18 is also provided for the cases of lower and, in contrast, higher and maximum signal change frequency. Due to differences between the ideal characteristics of this model and real conditions of an ICE air system of the internal combustion engine 2, such as For example, the amount of air and the temperature, especially in the turbo, the load on the internal combustion engine 2 can be higher than the ICE can handle. In this case, the CAN-based calculation according to the partial model 26 will deliver a lower value Makt th max nutz than the model-based signal MMCII according to the partial model 28.
  • the former also proves to be stable because an operating state of the internal combustion engine 2 under load is not so changes quickly than would affect the speed of the internal combustion engine 2 negatively.
  • the CAN-based signal Makt th max nutz is sufficient as a basis for a pilot control carried out with it.
  • the CAN-based calculation of Makt th max use can result in rapidly changing feedforward signals that would negatively affect the speed of the internal combustion engine 2 .
  • the smallest of the three torques Makt th max nutz, MMCII and Mhyb is preferably selected.
  • the selection is preferably automated.
  • other selection criteria can be provided, in particular as a function of state variables of the drive 1 that can be provided by the CAN bus 10 .
  • torque MMCII determined based on the model is selected in the selection device 32 in an acceleration phase of the power converters 4, 6, a certain torque reserve results in the ICE. This is intentional, since a stable and even movement speed with maximum possible dynamics is more important than maximum power consumption.
  • FIG. 4 shows a map valid for stationary operating states of a first currently maximum permitted torque MMdi stat aktmax i as a function of the current speed n a kt and the current torque Makt (dimensionless) transmitted according to J1939.
  • the first currently maximum permitted torque MMdi stat act max i determined from the characteristics map is entered into the dynamic sub-model 18, from which the torque MMdidyn that can be provided in the future is calculated by means of a ramp limitation and a second-order delay.
  • the term “in the future” is based in particular on the positioning times of the power converters 4, 6, which are in particular in the range from about 50 to 400 msec.
  • the torque MMdistataktmaxi At time ti, ti represents the input into the dynamic sub-model 18. Using its PT-2 characteristics and a ramp limitation, the time profile of the future torque MMdidyn, ti that can be provided in the future is determined for times after ti, depending on the input signal MMdi stat akt max 1 . It is easy to see that the torque MMdidyn, ti that can be provided in the future is the first currently permitted torque MMdi stat aktmax i. ti approaches with a PT-2 characteristic and is therefore smaller than the first currently permitted torque MMdistataktmax i for all points in time before this approach. ti.
  • the input signal MMdi stat akt max i, t2 and in is recalculated on the basis of updated values of the current speed n akt and the current load state Makt in accordance with J1939/SPN513 Depending on the torque MMdi dyn that can be provided in the future, t2, and so on.
  • the curve MMdi dyn results overall over time (ti to t n ).
  • This periodically updated determination takes place at predetermined time intervals At caic stored in control unit 8 so that the model-based torque limit MMdidyn can be calculated based on the information from internal combustion engine 2 that is always currently recorded and transmitted via CAN bus 10 .
  • the calculated torque MMdidyn that can be provided in the future can also optionally be supplemented by further static models MMdist a t a kt3 (speed-dependent torque envelope), kmdist a t a kt2 (temperature-dependent torque factor) and/or a reference torque Mpe f of the internal combustion engine 2 changed, in particular further limited, before it enters the combination device 30 and the selection device 32, as described above.
  • FIG. 7 shows the structure of the overload protection device 16 according to the exemplary embodiment. It is based on the logic of a P-1 controller, via which limit torque MMdi Grenz determined by torque determination device 14 according to the previous description can be reduced in such a way that an impermissible negative speed change of internal combustion engine 2 is avoided.
  • the overload protection device 16 shown in FIG. 7 has the following functionalities:
  • the I controller has different I components/parameters, depending on the sign or direction of the speed change, in order to reduce the limit torque MMCII Grenz to the reduced limit torque MMCII Grenz red without oscillations but with continuous and maximum possible load of the internal combustion engine 2 to ensure.
  • Figure 8 on the left shows the course of the current speed n a kt depending on a load jump M so ii with the intended target speed n S0 n remaining the same as intended speed n S oir overridden by the optional setpoint speed override device 18 .
  • the aim of the setpoint speed override device 18 is to reduce the reaction time of the internal combustion engine 2 by preparing it for an upcoming load by overriding the determined setpoint speed n S0 n with a speed difference An.
  • Tier4/Euro5 Internal Combustion Engines (ICE) only increase their internal torque through the governor when an RPM deviation occurs. As a result, the actual or current speed is lower than the target speed, more fuel is injected into the combustion system and boost pressure is increased.
  • ICE Internal Combustion Engines
  • the setpoint speed override device 18 In order to reduce or avoid this delay, the setpoint speed override device 18 generates a positive speed deviation +An by increasing the setpoint speed n S0 n above its normal operating value (horizontal vs. peak in Figure 8 right) generated before the driven hydraulic pumps 4, 6 swivel out (increase in the swivel angle a) or another component in the drive 1 begins to increase its power consumption from the internal combustion engine 2.
  • a speed controller of the ICE increases in particular an internal torque and a boost pressure of the internal combustion engine 2.
  • the level of the positive speed deviation +An is preferably dependent on the level of a change in the requested torque M so ii (first derivation of the total torque requirement of the power converters driven directly by the internal combustion engine 2).
  • the positive speed deviation +An can preferably be determined via the setpoint speed override device 18 in such a way that it can be added to the setpoint speed n S0 n .
  • a minimum of the available torque and the requested torque can preferably be used.
  • a volume flow request from the power converters 4, 6 can be limited or limited, in particular via the control unit 8, in particular via the power manager 20, using the MMCII limit or MMCII limit red as a reference variable.
  • a torque entering setpoint rotational speed override device 18 can preferably be filtered.
  • a scaling factor is preferably provided as a P component.
  • the rotational speed deviation An can be positively and negatively determined, in particular as a function of a result of the derivation of the requested setpoint torque Msoii-
  • An amount of the rotational speed deviation An can preferably be limited via saturation in order to avoid disruptive rotational speed deviations that can be perceived by the operating personnel.
  • a rate of change of the rotational speed deviation An can preferably be limited as follows via a speed limiter: A rising and a falling rate of increase can preferably be configured separately via an interface.
  • the setpoint speed n S0 n is preferably not overridden in the case of an oscillating torque signal and in the case of small changes in the torque signal. It must be ensured by scaling the slew rate parameters. The scaling should be dependent on the derived & filtered torque signal and be adjustable via a curve, in particular by means of intelligent filtering of the target speed change amount.
  • the control unit 8 combines different sub-models or approaches in order to cover both the dynamic and the static or stationary loading and unloading state of the internal combustion engine 2 and to ensure stable and constant limitation of the power converters or consumers by using a reference variable for the Power limitation, in particular the limit torque MMCII limit or MMCII limit red, can be made available in such a way that regulation in the course of power limitation can be largely dispensed with.
  • a control unit for a drive that has an internal combustion engine and at least one power converter or consumer that can be driven by it, set up with a model of the currently required torque of the or the power converter can be limited to a limit torque at least as a function of a permissible pressure of the internal combustion engine.

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Abstract

Offenbart ist eine Steuereinheit für einen Antrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler hat, eingerichtet mit einem Modell über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist. Offenbart ist zudem ein Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine, wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler und mit einer derartigen Steuereinheit.

Description

Steuereinheit für einen Antrieb und Antrieb mit einer Steuereinheit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie einen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Ein gattungsgemäßer Antrieb hat eine Verbrennungskraftmaschine und einen oder mehrere davon antreibbare Leistungswandler. Der Antrieb kann beispielsweise als Fahrantrieb ausgebildet sein, wobei die Verbrennungskraftmaschine insbesondere im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen als Dieselmotor und die Leistungswandler als Hydromotoren oder Hydrozylinder ausgestaltet sind.
Zur Leistungslimitierung derartiger Antriebe mit Verbrennungskraftmaschinen als primärer Leistungsquelle kennt der Stand der Technik eine rein drehzahlbasierte Limitierung, wobei die Ist-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mit der Soll- Drehzahl verglichen wird und basierend auf dem Unterschied oder Verhältnis der beiden die Stellgrößen der Leistungswandler, beziehungsweise -abnehmer, limitiert werden.
Nachteilig an dieser Lösung ist eine Neigung zur Schwingung, da eine solche reine Regelung ohne jeglichen Vorsteuerungs-Anteil ausgeführt wird.
Eine andere Lösung nutzt die Bestimmung eines maximal möglichen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl, wobei in Folge dieses maximal mögliche Drehmoment als Führungsgröße für die Leistungslimitierung der LeistungswandlerZ-abnehmer verwendet wird.
Nachteilig ist, dass die zur Bestimmung herangezogene Drehmomenthüllkurve nur für einen stationären bis quasistationären Zustand der Verbrennungskraftmaschine gilt, nicht aber für dynamischere Belastungswechsel, wenn die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise bei niedriger Leistungsaufnahme relativ schnell belastet wird. Daher ist zur Leistungsbegrenzung weiterhin der Bezug zur vorgenannten drehzahlbasierten Limitierung nötig.
Eine weitere Möglichkeit ist die Berechnung des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmomentes, beispielsweise basierend auf mittels dem Netzwerkprotokoll SAE J1939 mittels CAN-Bus zur Verfügung stehender Informationen der Verbrennungskraftmaschine. Dies sind insbesondere: das aktuelle Prozent- Drehmoment, das Referenz-Drehmoment und die Prozent-Last bei aktueller Drehzahl.
Zwar ist diese Lösung auch für dynamische Belastungsänderungen geeignet, jedoch ist die Signalgüte der Informationen häufig nicht ausreichend. So kann dieses Verfahren entweder gar nicht oder nur mit zusätzlicher und aufwendiger Verarbeitung der ermittelten Führungsgröße (begrenztes Drehmoment) verwendet werden. Hierbei eingesetzte, spezielle Algorithmen erweisen sich als teilweise instabil.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Steuereinheit für einen Antrieb zu schaffen, über die die Leistung der Verbrennungskraftmaschine ausschöpfbar und die Leistungsaufnahme von Leistungswandlern oder -abnehmern stabiler begrenzbar ist. Zudem besteht die Aufgabe darin, einen Antrieb mit Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, deren Leistung ausschöpfbar und die Leistungsaufnahme von Leistungswandlern oder -abnehmern stabiler begrenzbar ist.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , die zweite durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Eine Steuereinheit ist für einen Antrieb vorgesehen, insbesondere für den Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren, insbesondere hydraulischen Leistungswandler hat. Dabei ist die Steuereinheit mit einem Modell eingerichtet, insbesondere mit einem Modell der Verbrennungskraftmaschine, über das ein von dem oder den Leistungswandlern aktuell angefordertes Drehmoment auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist. Das Drehmoment ist beispielsweise von einem Bedienpersonal, beispielsweise mittels Auslenkung eines Bedienelementes (Joystick), oder von einer Maschinensteuerung anforderbar. Erfindungsgemäß hat das Modell ein dynamisches Teilmodell, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, über das zumindest in Abhängigkeit einer jeweils aktuellen Drehzahl und Belastung der Verbrennungskraftmaschine ein von dieser zu einem zukünftigen Zeitpunkt, also einem minimal späteren als dem aktuellen Zeitpunkt, bereitstellbares Drehmoment ermittelbar ist. In Abhängigkeit von dem ist dann wiederum das genannte Grenz-Drehmoment ermittelbar.
Diese modellbasierte Abbildung der dynamischen Entwicklung des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine stellt die Ausnutzung der maximal möglichen Leistung bei gewünschter Verbrennungsmotordrehzahl sicher, ohne unerwünschte Drehzahleinbrüche. Dies ist vor allem bei Dieselmotoren ab Stufe Tier4 interim vorteilhaft, da diese oft über eine nur geringe Drehmomentenreserve und strikte Vorgaben bezüglich der erlaubten Drehzahl-Drückung verfügen und dadurch eine genaue und stabile Leistungslimitierung der Leistungswandler, beziehungsweise Leistungsabnehmer erforderlich ist.
Die Abbildung des dynamischen Verhaltens der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht es, eine drehzahlbasierte Regelung des Leistungslimits zu reduzieren, ja sogar zu vermeiden. Die eingangs genannte, drehzahlbasierte Limitierungsregelung ist vorzugsweise deshalb zu vermeiden, weil deren Regelkreis gegenüber einer internen Drehzahlreglung der Verbrennungskraftmaschine aufschwingen kann.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit ermöglicht somit eine schnelle, stetige und stabile Ermittlung des zur Verfügung stehenden Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine als Führungsgröße zur Leistungslimitierung der Leistungswandler, -abnehmer, ohne dass dabei unangenehme oder abrupte Änderungen der Drehzahl, oder gar ein „Abwürgen“, auftritt.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit das Grenz-Drehmoment als Führungsgröße für die Limitierung der Leistungsaufnahme des oder der Leistungswandler ermittelbar. Alternativ kann eine solche Führungsgröße über die Steuereinheit aus dem Grenz-Drehmoment ermittelt werden. Insbesondere ist dies der Fall, wenn mehrere Leistungswandler angetrieben werden. Dann muss das ermittelte Grenz-Drehmoment über die Steuereinheit zunächst auf die Leistungswandler „verteilt“ werden, es wird also pro Leistungswandler ein individuelles Grenz-Drehmoment ermittelt In Abhängigkeit der jeweiligen Führungsgröße ist dann der jeweilige Leistungswandler steuerbar, insbesondere vorsteuerbar, um seine Leistungsaufnahme zu begrenzen. Durch eine derartige Vorsteuerung kann eine Regelung der Leistungsaufnahme des betreffenden Leistungswandlers minimiert oder sogar überflüssig werden.
Zur konkreten Ansteuerung des Leistungswandlers ist in einer Weiterbildung über die Steuereinheit ein Sollwert einer Stellgröße des Leistungswandlers ermittelbar, von der dessen Drehmoment abhängt. Im Falle eines als volumenverstellbare Hydromaschine ausgebildeten Leistungswandlers ist eine solche Stellgröße beispielsweise das Verdrängungsvolumen.
In einer Weiterbildung hat die Steuereinheit ein erstes statisches, stationäres oder quasistationäres Teilmodell, insbesondere ein Kennfeld, über das ein erstes aktuell maximal erlaubtes Drehmoment, insbesondere in Abhängigkeit zumindest der aktuellen Drehzahl und Belastung, insbesondere des aktuellen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine, ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist über das dynamische Teilmodell das zukünftig bereitstellbare Drehmoment in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments ermittelbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist über das dynamische Teilmodell das zukünftig bereitstellbare Drehmoment in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments mittels einem Verzögerungsglied n-ter Ordnung, insbesondere zweiter Ordnung, ermittelbar. Vorzugsweise ist eine dynamische Rampenlimitierung vorgesehen.
Vorzugsweise ist Eingangssignalen der jeweiligen Modelle eine Glättung, insbesondere ein Filter, insbesondere mit PT-1 Charakteristik vorgeschaltet. In einer Weiterbildung hat das dynamische Teilmodell wenigstens einen über die Steuereinheit periodisch oder wiederkehrend aktualisierbaren Eingang, wobei das zukünftig bereitstellbare Drehmoment, insbesondere in gleichem Intervall, aktualisierbar ermittelbar ist. Vorzugsweise steht an diesem Eingang das erste aktuell maximal erlaubte Drehmoment an.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist über die Steuereinheit das erste aktuell maximal erlaubte Drehmoment über die Steuereinheit periodisch oder wiederkehrend aktualisierbar, vorzugsweise mit der gleichen Periode oder zu den gleichen Aktualisierungszeitpunkten wie der Eingang des dynamischen Teilmodells.
In einer Weiterbildung ist die genannte Verzögerung änderbar oder variabel vorgesehen, insbesondere von einem aktuellen Zeitpunkt zu einem zukünftigen oder von einer Aktualisierung zu einer nächsten.
In einer Weiterbildung weist das Modell ein zweites statisches Teilmodell eines zweiten aktuell maximal erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur, ein drittes statisches Teilmodell, insbesondere einer Drehmomenthüllkurve, eines dritten maximal erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl, und/oder ein Referenz-Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine auf, in Abhängigkeit von dem oder denen das zukünftig bereitstellbare Drehmoment aufs Grenz-Drehmoment begrenzbar ist.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinheit in Abhängigkeit von insbesondere über CAN-Bus/J1939 bereitstellbaren Informationen der Verbrennungskraftmaschine ein aktuell theoretisch maximal nutzbares Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Kombinationseinrichtung vorgesehen, über die in Abhängigkeit des begrenzten oder unbegrenzten, zukünftig bereitstellbaren Drehmoments und des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmoments ein Hybrid-Drehmoment ermittelbar ist. In einer Weiterbildung ist eine Auswahleinrichtung vorgesehen, über die das begrenzte oder unbegrenzte, zukünftig bereitstellbare Drehmoment, das aktuell theoretisch maximal nutzbare Antriebsmoment und das Hybrid-Drehmoment einzeln auswählbar ist, wobei in Abhängigkeit der Auswahl das Grenz-Drehmoment ermittelbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Summationseinrichtung vorgesehen, über die eine Summe aus der Auswahl und einem anforderbaren oder abgebbaren Drehmoment wenigstens eines nebengeordneten Leistungswandlers und/oder einem Drehmoment eines Schwungmassenmodells der Verbrennungskraftmaschine bildbar ist.
In einer Weiterbildung ist eine Überlastungsschutzeinrichtung für die Verbrennungsmaschine vorgesehen, über die das Grenz-Drehmoment auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment derart reduzierbar ist, dass die zulässige Drückung unterschritten ist.
Vorzugsweise weist die Überlastungsschutzeinrichtung einen PI-Regler auf und die zulässige Drückung der Verbrennungskraftmaschine ist jeweils separat für einen P- Regleranteil und für einen I-Regleranteil des PI-Reglers, in Abhängigkeit einer Soll- Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine verfügbar.
In einer Weiterbildung ist der PI-Regler in Abhängigkeit der aktuellen Belastung, insbesondere des aktuellen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine aktivierbar, beziehungsweise deaktivierbar, damit eine erste Belastung der Verbrennungskraftmaschine möglich ist und die Leistungswandler, -abnehmer möglichst dynamisch beschleunigen zu können.
In einer Weiterbildung hat ein I-Regleranteil des PI-Reglers Regelparameter, die von einem Gradienten der aktuellen Drehzahl abhängig sind oder einstellbar sind. Die unterschiedlichen Regelparameter ermöglichen so, je nach Drehzahländerungsrichtung, eine Reduzierung des Soll-Drehmomentes ohne Schwingungen, bei kontinuierlicher, maximal möglicher Belastung der Verbrennungskraftmaschine. In einer Weiterbildung ist die Überlastungsschutzeinrichtung bei einer Leerlaufdrehzahl inaktivierbar oder inaktiv und oberhalb einer aktuellen Soll-Drehzahl aktivierbar oder aktiv.
In einer Weiterbildung ist eine Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung vorgesehen, über die eine aktuelle Soll-Drehzahl in Abhängigkeit einer Änderung des aktuell angeforderten Drehmoments übersteuerbar ist.
Ein Antrieb, insbesondere ein Fahrantrieb, Arbeitsantrieb oder Fahr- und Arbeitsantrieb einer mobilen Arbeitsmaschine, hat eine Verbrennungskraftmaschine, von der wenigstens ein Leistungswandler, -teilnehmer oder -abnehmer antreibbar, insbesondere angetrieben ist. Er hat zudem eine Steuereinheit, die insbesondere nach wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist, mit einem Modell der Verbrennungskraftmaschine, über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist. Erfindungsgemäß ist ein dynamisches Teilmodell der Verbrennungskraftmaschine beinhaltet, über das in Abhängigkeit zumindest einer aktuellen Belastung und einer aktuellen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz- Drehmoment ermittelbar ist.
Im Folgenden wird je ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs und einer erfindungsgemäßen Steuereinheit in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schema eines Antriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figur 2 ein Schema einer Steuereinheit des Antriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein Schema eines in der Steuereinheit abgelegten Modells zur Ermittlung einer Drehmomentgrenze der Verbrennungskraftmaschine als Führungsgröße für angetriebene Leistungswandler,
Figur 4 ein statisches Eingangsmodell des dynamischen Modells gemäß Figur 3, Figur 5 ein Diagramm eines zukünftig von der Verbrennungskraftmaschine bereitstellbaren Drehmoments in Abhängigkeit eines aktuell erlaubten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine, Figur 6 eine Kombinationslogik zur Verrechnung statischer und dynamischer Teilmodelle,
Figur 7 ein Schema einer Überlastungsschutzeinrichtung der Verbrennungsmaschine, und
Figur 8 ein Diagramm mit zeitabhängigen Verläufen von Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine und eines als Hydropumpe ausgebildeten Leistungswandlers ohne und mit eingreifender Soll-Drehzahl Übersteuerungseinrichtung.
Gemäß Figur 1 hat ein Antrieb 1 eine Verbrennungskraftmaschine 2 und mehrere davon angetriebene Leistungswandler 4, 6. Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist beispielsweise eine Antriebsmaschine einer mobilen Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) und als Dieselmotor ausgestaltet. Mit dessen Antriebswelle gekoppelt sind Triebwellen der Leistungswandler 4, 6. Im Falle der mobilen Arbeitsmaschine sind die Leistungswandler 4, 6 beispielsweise Hydromaschinen, die vorzugsweise im Pumpenbetrieb arbeiten, um wiederum hydraulische Verbraucher, wie beispielsweise Hydraulikzylinder oder -motoren, anzutreiben. Die Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 2 kann insbesondere bei Unterversorgung, wenn die von den Leistungswandlern 4, 6 benötigte oder angeforderte Leistung nicht vollständig von der Verbrennungskraftmaschine 2 gedeckt werden kann, über einen Leistungsmanager des Antriebes auf die Triebwellen der Leistungswandler 4, 6 distribuiert werden. Hierzu ist sowohl mit der Verbrennungskraftmaschine 2, als auch mit den Leistungswandler 4, 6 eine Steuereinheit 8 über einen CAN-Bus 10 signalverbunden.
Figur 2 zeigt ein detaillierteres Schema der Steuereinheit 8 gemäß Figur 1 , die einerseits an den CAN-Bus 10 und andererseits an weitere Maschinensteuerungsfunktionen 12 angebunden ist. Um eine Überlastung zu vermeiden und insbesondere ein „Abwürgen“ der Verbrennungskraftmaschine 2 bei stark steigender Leistungsaufnahme oder -anforderung der Leistungswandler 4, 6 zu verhindern, ist eine Drehmomentermittlungseinrichtung 14 zur modellbasierten Ermittlung eines von der Verbrennungskraftmaschine 2 bereitstellbaren Grenz- Drehmoments MMCII Grenz beinhaltet. Das Grenz-Drehmoment MMCII Grenz geht gemäß Figur 2 in eine im gezeigten Ausführungsbeispiel optionale Überlastungsschutzeinrichtung 16 ein und kann dort weiter auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment MMCII Grenz red abgesenkt werden, sodass eine zulässige Drehzahl-Drückung Aniim noch sicherer unterschritten bleibt.
Zusätzlich ist eine im gezeigten Ausführungsbeispiel optionale Soll-Drehzahl- Übersteuereinrichtung 18 vorgesehen, über die eine aktuelle Soll-Drehzahl naktsoii der Verbrennungskraftmaschine 2 in Abhängigkeit einer Änderung des aktuell angeforderten Drehmoments AMaktsoii übersteuerbar ist. Auch dies dient dem Zweck, die zulässige Drückung Aniim zuverlässig nicht zu überschreiten und zudem gering zu halten.
Die Steuereinheit 8 hat einen Leistungsmanager 20, um das mittels der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 und der Überlastungsschutzeinrichtung 16 ermittelte, reduzierte Grenz-Drehmoment MMCII Grenz red auf die Leistungsteilnehmer 4, 6 zu distribuieren. Ohne die zuvor erwähnte, optionale Überlastungsschutzeinrichtung 16 würde am Leistungsmanager 20 das Grenz-Drehmoment MMdi Grenz als Eingangsgröße anstehen.
Figur 3 zeigt den Aufbau der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 im Detail. Eingänge sind dabei zumindest die aktuellen Werte der Drehzahl nakt, des Drehmoments Makt und der Betriebstemperatur Takt der Verbrennungskraftmaschine 2, sowie das gemäß Netzwerkprotokoll SAE J193 vom CAN-Bus 10 bereitgestellte, aktuelle Prozent- Drehmoment Makt, Referenz-Drehmoment Mpef und die Prozent-Last bei aktueller Drehzahl Lakt. Über im Ausführungsbeispiel jeweils als PT-1 Glied ausgebildete Filter 20, 22, 24 werden dabei die Eingänge Makt und Lakt geglättet.
Eingangsseitig weist die Drehmomentermittlungseinrichtung 14 zwei Abschnitte oder Teilmodelle 26, 28 auf. Ein erstes Teilmodell 26 dient gemäß Figur 3 der Berechnung des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmomentes Makt th max nutz, basierend auf den genannten, mittels Netzwerkprotokoll SAE J1939 über den CAN-Bus 10 zur Verfügung gestellten Informationen der Verbrennungskraftmaschine 2. Das zweite Teilmodell 28 dient der dynamischen, modellbasierten Ermittlung eines Drehmomentes MMCII für einen minimal, ca. 50 - 400 msec, späteren Zeitpunkt in Abhängigkeit der aktuellen Werte nakt, Makt, Takt. Das aktuelle Drehmoment Makt stellt dabei für sich alleine genommen oder zusammen mit der aktuellen Drehzahl nakt ein Maß für die aktuelle Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 dar.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 gehen die beiden Ausgänge Makt th max nutz Und MMCII der Abschnitte 26, 28 in eine optional vorgesehene Kombinationseinrichtung 30 gemäß Figur 6 ein, über die aus beiden ein „Hybrid-Drehmoment“ Mhyb ermittelbar ist. In dessen Ermittlung geht insbesondere eine Rampenfunktion des Luftsystems ein. Die Eingangssignale Makt th max nutz und MMCII durchlaufen dabei jeweils einen Filter, insbesondere PT-1 -Filter 38, 40, und in Folge eine Ableitung 42, 44. Die Ableitung 44 des Eingangssignals MMCII wird mittels einem größer-gleich-Vergleich mit einem minimalen Gradienten dMMdi min des Eingangssignals MMCII verglichen. Die Ableitung 42 des Eingangssignals Makt th max nutz wird mittels einem größer-gleich-Vergleich mit einem minimalen Gradienten dMnutz min des Eingangssignals Makt th max nutz und mittels einem kleiner-gleich-Vergleich mit dessen maximalem Gradienten dMnutzmax verglichen.
Die Ergebnisse der beiden letztgenannten Vergleiche werden gemäß Figur 6 mit einer Und-Verknüpfung kombiniert und gehen in eine Oder-Verknüpfung mit dem Ergebnis des erstgenannten Vergleichs ein. Parallel dazu wird das kleinere der beiden Drehmomente Makt th max nutz und MMCII von der Kombinationseinrichtung 30 ermittelt. Über einen Schalter 46 kann in Folge das als kleiner ermittelte der beiden Drehmomente Makt th max nutz und MMCII oder das modellbasiert ermittelte, verfügbare Drehmoment MMCII ausgewählt werden, wobei der Auswahl der aus der Oder-Verknüpfung hervorgehende Gradient aufgeschaltet ist. Die letztgenannte Auswahl geht dann in eine Rampenfunktion 48 ein, deren Ausgang schlussendlich das Hybrid-Drehmoment Mhyb bildet.
Grundlegend ist das modellbasiert ermittelte, verfügbare Drehmoment MMCII des Teilmodells 28 gemäß Figur 3 in allen Betriebszuständen des Antriebes 1 ein stabiles Signal. Für die Fälle niedrigerer und demgegenüber höherer und maximaler Signalwechselhäufigkeit ist zudem eine variable Parametereinstellung der PT2- Charakteristik des dynamischen Teilmodells 18 vorgesehen. Aufgrund von Unterschieden zwischen den idealen Eigenschaften dieses Modells und realen Bedingungen eines ICE-Luftsystems der Verbrennungskraftmaschine 2, wie beispielsweise der Luftmenge und der Temperatur, insbesondere im Turbo, kann die Last der Verbrennungskraftmaschine 2 höher sein als vom ICE bewältigbar. In diesem Fall wird die CAN-basierte Berechnung gemäß dem Teilmodell 26 einen niedrigeren Wert Makt th max nutz liefern, als das modellbasierte Signal MMCII gemäß dem Teilmodell 28. Erstgenanntes erweist sich auch als stabil, weil sich ein Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 2 unter Last nicht so schnell ändert, als dass dies die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 negativ beeinflussen würde. In diesem Fall ist das CAN-basierte Signal Makt th max nutz als Basis für eine damit durchgeführte Vorsteuerung ausreichend. In anderen Fällen, wenn die Verbrennungskraftmaschine 2 eine gewisse Reserve hat, kann die CAN-basierte Berechnung von Makt th max nutz ZU schnell wechselnden Vorsteuerungssignalen führen, die die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 negativ beeinflussen würden.
Um auf diese unterschiedlichen Startbedingungen flexibel reagieren zu können, gehen die beiden Drehmomente Makt th max nutz und MMCII, sowie das daraus über die Kombinationseinrichtung 30 gemäß Figur 6 gebildete Hybrid-Drehmoment Mhyb als Eingangssignale in eine Auswahleinrichtung 32 ein. Hierbei findet vorzugsweise eine Auswahl des kleinsten der drei Drehmomente Makt th max nutz, MMCII und Mhyb statt. Die Auswahl erfolgt vorzugsweise automatisiert. Alternativ oder ergänzend können andere Auswahlkriterien, insbesondere in Abhängigkeit von vom CAN-Bus 10 bereitstellbaren Zustandsgrößen des Antriebes 1 , vorgesehen sein.
Wird in der Auswahleinrichtung 32 das modellbasiert ermittelte Drehmoment MMCII in einer Beschleunigungsphase der Leistungswandler 4, 6 ausgewählt, ergibt sich eine gewisse Drehmomentreserve im ICE. Dies ist gewollt, da eine stabile und gleichmäßige Bewegungsgeschwindigkeit bei maximal möglicher Dynamik wichtiger ist, als eine maximale Leistungsaufnahme.
Das in der Auswahleinrichtung 32 ausgewählte Drehmoment, sei es nun Makt th max nutz, MMCII oder Mhyb, geht in eine im Ausführungsbeispiel optionale Summationseinrichtung 34 gemäß Figur 3 ein, in der ein Drehmoment oder Drehmomente von Neben- Leistungswandlern, und ergänzend, ein über ein Schwungmassenmodell der Verbrennungskraftmaschine 2 errechnetes Drehmoment berücksichtigt werden, um schließlich das modellbasierte Grenz-Drehmoment MMCII Grenz zu errechnen. Figur 4 zeigt ein für stationäre Betriebszustände gültiges Kennfeld eines ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments MMdi stat aktmax i in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl nakt und des nach J1939 übermittelten, aktuellen Drehmoments Makt (dimensionslos). Das aus dem Kennfeld ermittelte, erste aktuell maximal erlaubte MMdi stat akt max i Drehmoment geht ins dynamische Teilmodell 18 ein, woraus das zukünftig bereitstellbares Drehmoment MMdidyn mittels einer Rampenlimitierung und einer Verzögerung zweiter Ordnung berechnet wird. Der Begriff „zukünftig“ richtet sich dabei insbesondere nach Stellzeiten der Leistungswandler 4, 6, die insbesondere im Bereich von etwa 50 bis 400 msec liegen.
Das Diagramm gemäß Figur 5 zeigt die periodische, fortlaufend aktualisierte Berechnung des von der Verbrennungskraftmaschine 2 zukünftig bereitstellbaren Drehmoments MMdidyn in Abhängigkeit des ersten aktuell erlaubten Drehmoments MMdi stat akt max 1 der Verbrennungskraftmaschine 2. Zur Orientierung ist das von den Leistungswandlern 4, 6, beziehungsweise für die Leistungswandler 4, 6 angeforderte Soll-Drehmoment Maktsoii im Diagramm eingetragen. Die Berechnung des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments MMdidyn erfolgt jedoch unabhängig davon.
Zu einem Zeitpunkt ti wird mittels dem in der Steuereinheit 8 abgelegten Kennfeld gemäß Figur 4 das erste aktuell erlaubte Drehmoment MMdistataktmaxi. ti in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl nakt und des aktuellen Belastungszustandes Makt gemäß J1939/SPN513 ermittelt.
Das Drehmoment MMdistataktmaxi. ti stellt zum Zeitpunkt ti den Eingang ins dynamische Teilmodell 18 dar. Mittels dessen PT-2 Charakteristik und einer Rampenlimitierung wird in Abhängigkeit des Eingangssignals MMdi stat akt max 1 der zeitliche Verlauf des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments MMdidyn, ti für Zeitpunkte nach ti ermittelt. Gut zu erkenn ist dabei, dass sich das zukünftig bereitstellbare Drehmoment MMdidyn, ti dem ersten aktuell erlaubten Drehmoment MMdi stat aktmax i. ti mit einer PT-2 Charakteristik annähert und damit für alle Zeitpunkte vor dieser Annäherung kleiner ist als das erste aktuell erlaubte Drehmoment MMdistataktmax i. ti. Zum Zeitpunkt t2 erfolgt auf Basis aktualisierter Werte der aktuellen Drehzahl nakt und des aktuellen Belastungszustandes Makt gemäß J1939/SPN513 die Neuberechnung des Eingangssignals MMdi stat akt max i, t2 und in Abhängigkeit davon des zukünftig bereitstellbaren Drehmoments MMdi dyn, t2, und so weiter. Über die Zeit (ti bis tn) ergibt sich gesamthaft der Verlauf MMdi dyn.
Diese periodisch aktualisierte Ermittlung erfolgt mit in der Steuereinheit 8 abgelegten, vorbestimmten Zeitabständen Atcaic, so dass basierend auf den stets aktuell erfassten und über den CAN-Bus 10 übermittelten Informationen der Verbrennungskraftmaschine 2 die modellbasierte Momentengrenze MMdidyn berechnet werden kann. Je größer dabei die Zeitabstände Atcaic gewählt sind, umso treppenstufiger wird die resultierende Kennlinie MMdidyn. Je öfter die Aktualisierung erfolgt, das heißt je kleiner die Zeitabstände Atcaic sind und je öfter neue Informationen zur Verfügung stehen, umso glatter ist die resultierende Kennlinie MMdi dyn.
Das errechnete zukünftig bereitstellbares Drehmoment MMdidyn kann gemäß Figur 3 weiterhin optional durch weitere statische Modelle MMdistat akt3 (drehzahlabhängige Drehmoment-Hüllkurve), kMdistat akt2 (temperaturabhängiger Drehmomentfaktor) und/oder ein Referenz-Drehmoment Mpef der Verbrennungskraftmaschine 2 verändert, insbesondere weiter begrenzt werden, bevor es, wie vorbeschrieben, in die Kombinationseinrichtung 30 und die Auswahleinrichtung 32 eingeht.
Figur 7 zeigt die Struktur der Überlastungsschutzeinrichtung 16 gemäß dem Ausführungsbeispiel. Sie basiert auf der Logik eines P-l Reglers, über den das von der Drehmomentermittlungseinrichtung 14 gemäß der vorangegangenen Beschreibung ermittelte Grenz-Drehmoment MMdi Grenz derart reduzierbar ist, dass eine unerlaubte negative Drehzahländerung der Verbrennungskraftmaschine 2 vermieden wird.
Folgende Funktionalitäten weist die in Figur 7 dargestellte Überlastungsschutzeinrichtung 16 auf:
- Für den Zustand das die Soll-Drehzahl nS0n von einer Leerlaufdrehzahl („idle“) wieder auf Betriebsdrehzahl hochdrehen soll, falls beispielsweise Bedienpersonal nach einer Pause den Antrieb 1 wieder betreiben möchte: Durch die Rampenlimitierung dnSoii iim der Soll-Drehzahl nS0n greift die Funktion bei Erhöhung der Drehzahl n erst dann ein, wenn die Betriebsdrehzahl eingestellt wurde; - Für den P- und den I-Regleranteil werden Soll-Drehzahl-abhängige, erlaubte Drehzahldrückungen Anlim jeweils separat ermittelt;
- Eine vom aktuellen Drehmoment Makt (J1939/SPN513, „Actual Engine Percent Torque“) abhängige Aktivierung des jeweiligen Regleranteils, damit eine erste Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 erlaubt wird, um dynamisch die Leistungswandler beschleunigen zu können;
- Der I-Regler verfügt über unterschiedliche I-Anteile/Parameter, je nach Vorzeichen, beziehungsweise Richtung der Drehzahländerung, um die Reduzierung des Grenz- Drehmoments MMCII Grenz auf das reduzierte Grenz-Drehmoment MMCII Grenz red ohne Schwingungen aber bei kontinuierlicher und maximal möglicher Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 sicherzustellen.
Figur 8 links zeigt den Verlauf der aktuellen Drehzahl nakt in Abhängigkeit eines Lastsprungs Msoii bei bestimmungsgemäß gleichbleibender Soll-Drehzahl nS0n. Figur 8 rechts zeigt hingegen den Verlauf der aktuellen Drehzahl nakt in Abhängigkeit des Lastsprungs Msoii bei von der optionalen Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 übersteuerter Drehzahl nSoir. Ziel der Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 ist, die Reaktionszeit der Verbrennungskraftmaschine 2 zu verringern, indem diese durch die Übersteuerung der bestimmungemäßen Soll-Drehzahl nS0n mit einer Drehzahldifferenz An auf eine kommende Last vorbereitet wird. Insbesondere Tier4/Euro5 Verbrennungsmotoren (ICE) erhöhen ihr inneres Drehmoment durch den Drehzahlregler nur, wenn eine Drehzahlabweichung auftritt. Dadurch ist die Ist- oder aktuelle Drehzahl niedriger als die Soll-Drehzahl, mehr Kraftstoff wird in die Verbrennung eingespritzt und der Ladedruck wird erhöht. Das Provozieren dieser Drehzahlabweichung durch Belastung der Verbrennungskraftmaschine 2 durch die Leistungsaufnahme der Leistungswandler 4, 6 (Ausschwenken des Schwenkwinkels a der als Hydropumpe ausgestalteten Leistungswandler 4, 6) führt zur gegenüber dem Lastsprungs Msoii verzögerten Leistungsbereitstellung Lakt (Figur 8 links).
Um diese Verzögerung zu verringern oder zu vermeiden, wird über die Soll-Drehzahl- Übersteuereinrichtung 18 eine positive Drehzahlabweichung +An durch Erhöhen der Solldrehzahl nS0n über deren normalen Betriebswert hinaus (Waagrechte vs. Spitze in Figur 8 rechts) erzeugt, bevor die angetriebenen Hydropumpen 4, 6 ausschwenken (Anstieg des Schwenkwinkels a) oder eine andere Komponente im Antrieb 1 beginnt, ihre Leistungsaufnahme von der Verbrennungskraftmaschine 2 zu erhöhen.
Hierdurch erhöht ein Drehzahlregler des ICEs insbesondere ein inneres Drehmoment und einen Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine 2.
Die Höhe der positiven Drehzahlabweichung +An ist vorzugsweise von der Höhe einer Änderung des angeforderten Drehmoments Msoii abhängig (erste Ableitung des Gesamtdrehmomentbedarfs der direkt von der Verbrennungskraftmaschine 2 angetriebenen Leistungswandler).
Über die Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 ist die positive Drehzahlabweichung +An vorzugsweise derart ermittelbar, dass sie zur Soll-Drehzahl nS0n addierbar ist.
Um eine positive Drehzahlabweichung +An zu vermeiden, die auf einer nicht realisierbaren, angeforderten Drehmomentänderung basiert, ist vorzugsweise ein Minimum aus verfügbarem Drehmoment und angefordertem Drehmoment heranziehbar.
Sollte die angeforderte Drehmomentänderung größer als das verfügbare Drehmoment sein, so ist, insbesondere über die Steuereinheit 8, insbesondere über den Leistungsmanager 20, eine Volumenstromanforderung der Leistungswandler 4, 6 mittels dem MMCII Grenz oder MMCII Grenz red als Führungsgröße begrenzbar oder begrenzt.
Um eine stabile positive Drehzahlabweichung +An zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein in die Soll-Drehzahl-Übersteuereinrichtung 18 eingehendes Drehmoment filterbar.
Um eine Anpassungsfähigkeit der Funktion an andere Verbrennungskraftmaschinen mit unterschiedlicher Dynamik eines Luftaufladungssystems zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein Skalierungsfaktor als P-Anteil vorgesehen. Vorzugsweise ist die Drehzahlabweichung An positiv und negativ ermittelbar, insbesondere in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Ableitung des angeforderten Soll- Drehmoments Msoii-
Bei zunehmendem Soll-Drehmoment Msoii erfolgt die Drehzahlerhöhung +An, bei abnehmendem Soll-Drehmoment Msoii erfolgt eine Drehzahlsenkung -An.
Ein Betrag der Drehzahlabweichung An ist vorzugsweise über eine Sättigung begrenzbar, um störende Drehzahlabweichungen zu vermeiden, die vom Bedienpersonal wahrnehmbar sind.
Eine Änderungsrate der Drehzahlabweichung An ist vorzugsweise über einen Geschwindigkeitsbegrenzer wie folgt begrenzbar: Eine steigende und eine fallende Anstiegsgeschwindigkeit sind vorzugsweise separat über eine Schnittstelle konfigurierbar. Die Übersteuerung der Soll-Drehzahl nS0n erfolgt im Falle eines oszillierenden Drehmomentsignal und bei kleinen Drehmomentsignaländerungen vorzugsweise nicht. Sie muss durch die Skalierung der Anstiegsgeschwindigkeits- Parameter sichergestellt werden. Die Skalierung soll vom abgeleiteten & gefilterten Drehmomentsignal abhängig sein und über eine Kurve einstellbar sein, insbesondere mittels einer intelligenten Filterung des Soll-Drehzahl-Äderungsbetrages.
Die Steuereinheit 8 gemäß der Erfindung kombiniert unterschiedliche Teilmodelle oder Herangehensweisen, um sowohl den dynamischen, als auch den statischen oder stationären Be-, und Entlastungszustand der Verbrennungskraftmaschine 2 abzudecken und eine stabile und stetige Limitierung der Leistungswandler oder - abnehmer sicherzustellen, indem eine Führungsgröße für die Leistungslimitierung, insbesondere das Grenzdrehmoment MMCII Grenz oder MMCII Grenz red, so bereitstellbar ist, dass auf eine Regelung im Zuge der Leistungslimitierung weitestgehend verzichtet werden kann.
Offenbart ist eine Steuereinheit für einen Antrieb, der eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler oder -abnehmer hat, eingerichtet mit einem Modell über das ein aktuell angefordertes Drehmoment des oder der Leistungswandler zumindest in Abhängigkeit einer zulässigen Drückung der Verbrennungskraftmaschine auf ein Grenz-Drehmoment begrenzbar ist.
Offenbart ist zudem ein Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine, wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler und mit einer derartigen Steuereinheit.

Claims

Patentansprüche
1 . Steuereinheit für einen Antrieb (1 ), der eine Verbrennungskraftmaschine (2) und wenigstens einen davon antreibbaren Leistungswandler (4, 6) hat, eingerichtet mit einem Modell, über das ein aktuell anforderbares Drehmoment (Maktsoii) des oder der Leistungswandler (4, 6) auf ein Grenz-Drehmoment (MMCII Grenz) begrenzbar ist, mit einem dynamischen Teilmodell, über das in Abhängigkeit einer aktuellen Drehzahl (nakt) und einer aktuellen Belastung (Makt) der Verbrennungskraftmaschine (2) ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment (MMCII dyn) ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz- Drehmoment (MMdi Grenz) ermittelbar ist.
2. Steuereinheit nach Anspruch 1 , über die in Abhängigkeit des Grenz-Drehmoments (MMdi Grenz) eine Leistung oder Leistungsaufnahme des wenigstens einen Leistungswandlers (4, 6) begrenzbar ist.
3. Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2 mit einem ersten statischen Teilmodell, über das ein erstes aktuell maximal erlaubtes Drehmoment (MMdistat akt max -i) der Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere in Abhängigkeit zumindest der aktuellen Drehzahl (nakt) und der aktuellen Belastung (Makt), ermittelbar ist, wobei in Abhängigkeit des ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoments
(MMdi stat akt max 1) über das dynamische Teilmodell (18) das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (MMdidyn) ermittelbar ist.
4. Steuereinheit nach Anspruch 3, wobei über das dynamische Teilmodell (18) das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (MMdidyn) mit einer Verzögerung n-ter Ordnung zum ersten aktuell maximal erlaubten Drehmoment (MMdi stat akt max 1 ) ermittelbar ist.
5. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit periodisch aktualisierbaren Eingängen (nakt, Makt, MMdi stat akt max 1 ) des dynamischen Teilmodells (18), wobei das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (MMdi dyn) periodisch aktualisierbar ermittelbar ist. Steuereinheit zumindest nach Anspruch 4, insbesondere nach Anspruch 4 und Anspruch 5, wobei die Verzögerung änderbar oder variabel vorgesehen ist, insbesondere von einem aktuellen Zeitpunkt zu einem zukünftigen oder von einer Aktualisierung zu einer nächsten. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten statischen Teilmodell eines zweiten aktuell maximal erlaubten Drehmomentfaktors (kMdi stat akt max 2) der Verbrennungskraftmaschine (2) in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur (T), einem dritten statischen Teilmodell, insbesondere einer Drehmomenthüllkurve, eines dritten maximal erlaubten Drehmoments
(MMCII stat akt max 3) der Verbrennungskraftmaschine (2) in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl (nakt), und/oder einem Referenz-Drehmoment (Mref) der Verbrennungskraftmaschine (2), in Abhängigkeit von dem oder denen das zukünftig bereitstellbare Drehmoment (MMCII dyn) aufs Grenz-Drehmoment
(M MdI Grenz) begrenzbar ist. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, über die in Abhängigkeit von Informationen der Verbrennungskraftmaschine (2) ein aktuell theoretisch maximal nutzbares Antriebsmoment (Maktth max nutz) der Verbrennungskraftmaschine (2) ermittelbar ist. Steuereinheit nach Anspruch 8 mit einer Kombinationseinrichtung, über die in Abhängigkeit des begrenzten oder unbegrenzten, zukünftig bereitstellbaren Drehmoments (MMdidyn) und des aktuell theoretisch maximal nutzbaren Antriebsmoments (Maktth max nutz) ein Hybrid-Drehmoment (Mhyb) ermittelbar ist. Steuereinheit nach Anspruch 9 mit einer Auswahleinrichtung, über die das begrenzte oder unbegrenzte, zukünftig bereitstellbare Drehmoment (MMdi), das aktuell theoretisch maximal nutzbare Antriebsmoment (Maktth max nutz) oder das Hybrid-Drehmoment (Mhyb) auswählbar ist, wobei in Abhängigkeit der Auswahl das Grenz-Drehmoment (MMdi Grenz) ermittelbar ist. Steuereinheit nach Anspruch 10 mit einer Summationseinrichtung, über die eine Summe aus der Auswahl (Maktth max nutz, MMdi, Mhyb) und einem Drehmoment wenigstens eines nebengeordneten Leistungswandlers und/oder einem Drehmoment eines Schwungmassenmodells der Verbrennungskraftmaschine (2) bildbar ist. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Überlastungsschutzeinrichtung für die Verbrennungsmaschine (2), über die das Grenz-Drehmoment (MMCII Grenz) auf ein reduziertes Grenz-Drehmoment
(MMCII Grenz red) derart reduzierbar ist, dass eine zulässige Drückung (Aniim) der Verbrennungskraftmaschine (2) unterschritten ist. Steuereinheit nach Anspruch 12, wobei die Überlastungsschutzeinrichtung einen PI-Regler hat und die zulässige Drückung (Aniim) jeweils separat für einen P- Regleranteil und für einen I-Regleranteil des PI-Reglers in Abhängigkeit einer Soll- Drehzahl (nsoii) der Verbrennungskraftmaschine (2) abgelegt ist. Steuereinheit nach Anspruch 13, wobei der PI-Regler in Abhängigkeit der aktuellen Belastung (Makt) der Verbrennungskraftmaschine (2) aktivierbar und deaktivierbar ist. Antrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine (2) und wenigstens einem davon antreibbaren Leistungswandler (4, 6) mit einer Steuereinheit (8) mit einem Modell (14), über das ein aktuell anforderbares Drehmoment (Maktsoii) des oder der Leistungswandler (4, 6) auf ein Grenz-Drehmoment (MMÜI Grenz) begrenzbar ist, mit einem dynamischen Teilmodell, über das in Abhängigkeit zumindest einer aktuellen Drehzahl (nakt) und einer aktuellen Belastung (Makt) der Verbrennungskraftmaschine (2) ein von dieser zukünftig bereitstellbares Drehmoment (MMCII dyn) ermittelbar ist, in Abhängigkeit von dem das Grenz- Drehmoment (MMdi Grenz) ermittelbar ist.
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