WO2023062174A1 - Verfahren zum steuern eines hybrid-antriebs, hybrid-antrieb, steuergerät, fahrzeug - Google Patents

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WO2023062174A1
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converter
signal
internal combustion
combustion engine
hybrid drive
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PCT/EP2022/078597
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Jan Boyde
Marcus Fackler
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Rolls-Royce Solutions GmbH
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a hybrid drive according to the preamble of claim 1, the hybrid drive having an internal combustion engine and an electric machine.
  • the invention also relates to a hybrid drive, a control unit and a vehicle.
  • the hybrid drive mentioned at the beginning has:
  • the internal combustion engine and the electric machine are connected to one another in a torque-transmitting manner via a drive shaft, with a rotational movement signal assigned to the drive shaft being determined.
  • DE 10 2014 219 043 A1 describes a method for detecting misfires in an internal combustion engine that is coupled to the drive train.
  • a first speed sensor and a second speed sensor are arranged on an input side and an output side of the dual-mass flywheel, with at least the second speed sensor having a high-resolution design.
  • DE 10 2017 127 725 A1 describes a method for detecting misfires in an internal combustion engine with a dual-mass flywheel with a ring gear on the primary flywheel mass, with a device for monitoring the tooth-to-tooth speed of the primary flywheel mass based on monitoring the teeth of the ring gear, wherein the tooth-to-tooth speed signal is analyzed with the tooth-to-tooth speed gradient in an increase phase of the tooth-to-tooth speed is determined and is compared with a predefinable limit value for the gradient.
  • the object relating to the method is solved by the invention in a first aspect with a method of claim 1.
  • the invention is based on a method for operating a hybrid drive, which has: an internal combustion engine with an internal combustion engine and an electrical machine to which a converter, in particular an AC converter, is electrically connected, wherein
  • the internal combustion engine and the electric machine are connected to one another in a torque-transmitting manner via a drive shaft, with a rotational movement signal assigned to the drive shaft being determined.
  • the method provides that the rotational movement signal is determined by means of an electrical converter variable of the converter, and a signal identifier of an instantaneous curve of the converter variable is determined, the signal identifier being designed to indicate cylinder misfire operation of the internal combustion engine.
  • the invention is based on the idea that operating events in an internal combustion engine, which includes an internal combustion engine, can be determined as part of a hybrid drive by observing and/or checking a rotational movement of the drive shaft without having to measure it directly.
  • the internal combustion engine and the electric machine are connected to one another in a torque-transmitting manner via the drive shaft.
  • Changes and/or deviations from a rotational movement of the drive shaft that is to be regarded as normal can also be ascertained in a rotational movement signal that is determined and is assigned to the drive shaft; In this respect, the cause can be traced back to the rotary movement of the drive shaft, but without this being measured directly.
  • a drive shaft is generally understood to mean a torque-transmitting train between the internal combustion engine and the electric machine; in a further development, this can be formed as a drive shaft from the motor shaft of the internal combustion engine and the rotor shaft of the rotor, possibly with a coupling.
  • Determining the rotational movement signal enables, in particular, an improved diagnosis of operating events, preferably a reliable detection of misfires or a determination of misfire operation of the internal combustion engine.
  • a misfire is regularly the cause of misfiring cylinder operation.
  • misfiring cylinder operation is generally to be understood as meaning a significant abnormal change and/or deviation in the cylinder clearance.
  • a hybrid internal combustion engine has an internal combustion engine that includes an internal combustion engine and that includes an electric machine.
  • An electrical machine can be implemented in particular as a motor/generator, but in particular as a generator.
  • a further development of the invention that should be emphasized in this regard relates to a particularly advantageous manner in relation to a synchronous machine, in particular to a synchronous generator.
  • the electrical machine is electrically connected to a converter. According to the finding of the invention, this can be used to determine a rotational movement signal assigned to the drive shaft.
  • the invention is based in particular on the consideration that control and power electronics of the electrical machine can also be advantageously used to improve the operation of the internal combustion engine;
  • the control and/or regulation of the internal combustion engine can also be improved by means of a control and/or regulation of the electric machine—this can already be achieved by using control and/or regulation information from the electric machine for the control and/or regulation of the combustion engine or, in the simplest case, for monitoring the combustion engine.
  • the invention is also based on the idea that a torque-transmitting drive shaft between the internal combustion engine and the electric machine, in particular as a torsionally rigid connection or with a coupling, for example via a clutch and/or a gearbox, transmits a rotary motion signal from the electric machine and a motor rotary motion signal of the internal combustion engine are generally in a previously known or determinable, in particular constant, relationship to one another.
  • the rotary movement signal to be assigned to the drive shaft is determined by means of an electrical converter variable of the converter.
  • the rotary movement signal determined by means of an electrical converter variable of the converter can be assigned to the drive shaft and is therefore designed, according to the finding of the invention, to indicate cylinder misfire operation of the internal combustion engine.
  • the invention has recognized that a converter is regularly electrically connected to an electric machine of a hybrid drive.
  • the converter can be part of the electrical machine; in this case, the electrical machine comprises a converter.
  • the converter is designed to at least partially absorb currents and/or voltages of the electrical machine, in particular of the rotor and/or the stator of the electrical machine.
  • the rotational movement signal results from the instantaneous angle of rotation of a rotor of the electrical machine or comprises at least one item of information regarding the instantaneous angle of rotation of the rotor of the electrical machine.
  • the converter can be combined with a control unit and/or the converter can be integrated into a control unit. Stand for the converter and/or the control unit in turn, regularly powerful computing and / or signal processing components, in particular digital signal processors, and optional sensors, which are required anyway for controlling the electrical machine and / or for converting or inverting the current of the electrical machine.
  • Such arithmetic and/or signal processing components are designed or can be designed and in particular used, a rotational movement signal of the electrical machine, which describes the current angle of rotation of a rotor of the electrical machine to be determined with relatively high resolution.
  • the converter has, for example, a signal unit, by means of which a rotational movement signal can be provided by means of an electrical converter variable.
  • the rotary movement signal of the electrical machine which describes the instantaneous angle of rotation of a rotor of the electrical machine or includes at least one piece of information about the instantaneous angle of rotation of the rotor of the electrical machine—is also available at the converter using the electrical converter variable.
  • the instantaneous course of a signal is to be understood as a time- or angle-resolved course of a signal; the resolution of the signal of the so far transient profile is accordingly significantly smaller compared to the operating events to be recognized, in particular designed to resolve a working cycle of the internal combustion engine, namely at least one ignition or cylinder cycle in the working cycle, such that a
  • the signal identifier is designed in particular, a
  • the rotational movement signal initially directly or indirectly describes a rotational movement of the rotor or a rotor shaft of the electrical machine, since the converter absorbs currents and/or voltages from the electrical machine, in particular from the rotor and/or the stator of the electrical machine.
  • the rotor is connected to the motor shaft of the internal combustion engine via a rotor shaft of the rotor of the electric machine in a torsionally rigid manner or with a fixed step-up or step-down ratio, this aforementioned rotational movement signal also directly or indirectly describes a total rotational movement of the drive shaft and thus also the motor shaft of the combustion engine.
  • a drive shaft is to be understood generally as a torque-transmitting strand; in a further development, this can be formed from the motor shaft of the internal combustion engine and the rotor shaft of the rotor.
  • the operating behavior, namely in particular the rotational movement, of the motor shaft of the internal combustion engine in turn contains information about any aforementioned cylinder misfire operation of the internal combustion engine.
  • this rotary motion signal provided by an electrical converter variable—can be converted, in particular converted, into a motor rotary motion signal due to the torque-transmitting connection via the drive shaft.
  • the rotational movement signal which is determined by means of the converter but is assigned to the drive shaft, can be interpreted as a motor rotational movement signal and can be used advantageously for diagnostic purposes, in particular for detecting operating events such as e.g. B. misfires, the internal combustion engine can be used.
  • Such a method according to the concept of the invention can thus reduce the dependency on complex sensors.
  • a speed sensor on the internal combustion engine for such diagnostic purposes can be saved.
  • the rotational movement of the drive shaft is to be understood as a variable characterizing the rotational movement of the drive shaft, in particular a speed and/or a torque.
  • a rotational movement signal is a signal describing the rotational movement.
  • the rotational movement signal preferably characterizes a rotational position and/or a rotational speed and/or a torque.
  • a rotational position and/or a rotational speed and/or a torque are formed from one of the sizes.
  • a “signal identification” includes in particular an instantaneous progression of the rotational movement signal that deviates from a, in particular quasi-periodic, target instantaneous progression and/or a missing target rotational acceleration.
  • an instantaneous progression that deviates from a target instantaneous progression includes an aperiodic instantaneous progression of the rotational movement signal.
  • the setpoint instantaneous curve describes the curve of the rotational movement signal to be expected during normal operation of the internal combustion engine, in particular the rotational speed, i.e. the rotational speed.
  • the setpoint instantaneous curve is characterized in particular by an instantaneous speed curve oscillating around an average speed, the oscillations occurring in particular in the ignition cycle and being caused by an acceleration of the crankshaft caused by an ignition.
  • the instantaneous progression of the rotational movement signal therefore deviates from a desired instantaneous development, in particular there is no desired rotational acceleration due to the ignition not taking place properly.
  • a "signal identification" thus includes in particular a decelerated, sub-optimal or missing rotational acceleration, i.e. angular velocity increase, in the instantaneous curve of the rotational movement signal, in particular in comparison to a quasi-periodic target instantaneous curve according to the ignition behavior.
  • the rotational speed and/or a rotational speed can preferably be determined on the basis of the change in the rotational position over time.
  • the torque and/or a rotational acceleration can preferably be determined on the basis of the change in the rotational speed over time.
  • the rotational movement includes both the rotational movement of a rotor of the electrical machine and the rotational movement of a motor shaft of the internal combustion engine.
  • the rotor of the electric machine is connected to the motor shaft of the internal combustion engine in a torsionally rigid manner, particularly preferably via a common drive shaft, or is connected to one another, in particular coupled.
  • the rotor of the electric machine can be connected to the motor shaft via a Transmission or the like transmission device or clutch connected to each other in a torque-transmitting manner and in this respect coupled to one another. If the electrical machine and the internal combustion engine are connected to one another via a transmission or similar transmission device, the rotational movement of the motor shaft can be derived in particular from the rotational movement of the rotor, i.e. there is a fixed transmission or reduction ratio.
  • the electrical converter variable is a converter current and/or a converter voltage, or includes the converter current and/or the converter voltage.
  • the electrical converter variable can also be or include a line current and/or a line voltage of the converter.
  • the conductor voltage is particularly preferably the result of or influenced by a counter-voltage or is otherwise connected to a counter-voltage which is induced by the rotor in the stator of the electrical machine. Provision is preferably made for the instantaneous profile of the electrical converter variable to be an instantaneous profile of a converter current and/or a converter voltage, in particular a line current and/or a line voltage of the converter.
  • the rotational movement signal is determined using an amount of the line current and a phase angle of the line current, preferably in relation to an instantaneous voltage of the converter.
  • the converter is advantageously designed to provide a rotary movement signal without being dependent on a rotary sensor. As a result, the outlay on equipment for providing the rotational movement signal is advantageously further reduced.
  • the rotational movement signal is advantageous by measuring electrical parameters of the converter and/or on the coils of the electrical machine, preferably on at least one stator coil of the electrical machine.
  • the rotational movement and/or the signal identification is determined using the instantaneous curve of the electrical converter variable and using a mathematical machine model.
  • a mathematical machine model advantageously includes setpoint values for the electrical converter variable, preferably the conductor currents and/or the conductor voltage, for defined states of the electrical machine, in particular for defined rotational positions of the rotor.
  • the mathematical machine model preferably includes a number of reference values for the electrical converter variable, each of which is associated with a value for a calculated rotational position of the rotor.
  • the calculated rotational position is preferably determined by associating the electrical converter variable with a suitable reference value for the electrical converter variable.
  • the electrical converter variable is a counter-voltage, preferably triggered in the stator, with the mathematical machine model preferably comprising a number of reference counter-voltage values, each of which is assigned to a value for a calculated rotational position, the calculated rotational position is determined by associating the reverse voltage with an appropriate reference reverse voltage value.
  • the electrical converter variable is a conductor current
  • the mathematical machine model preferably comprising a number of reference current values which are each assigned a value for a calculated rotational position, with the calculated rotational position being determined by the conductor current being a suitable reference current value is assigned.
  • Suitable means in particular that the reference current value with the smallest deviation from the measured conductor current is selected from the number of reference current values, and the associated calculated rotational position is selected from this reference current value. The same applies to the reference values of other electrical converter variables, in particular the reference reverse voltage value.
  • the mode of operation in all of the approaches described here for assigning a suitable reference value preferably essentially corresponds to a look-up table.
  • the conductor current and/or the conductor voltage and/or the counter voltage is/are preferably measured on at least two conductors, preferably two or three conductors.
  • the conductors are preferably formed as electrical conductors in the area surrounding the converter or on or in the converter. In particular, the conductors can be those of an electrical supply line to the converter. In a modified development, the conductors can basically also include the conductors of a stator of the electrical machine.
  • the converter includes an inverter circuit with an inverter (AC converter), which includes a number of electronic power switches (controlled bridges) or similar electronic power components.
  • AC converter includes a number of electronic power switches (controlled bridges) or similar electronic power components.
  • These can include or be power transistors, such as metal-oxide-semiconductor field transistors (MOSFET), insulated gate bipolar transistors, ie in particular with an insulated gate electrode (IGBT) or IGC thyristors (IGCT); these can generate a variable voltage through pulse width modulation (PWM).
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field transistors
  • IGBT insulated gate bipolar transistors
  • IGC thyristors IGC thyristors
  • One or more electronic power switches can be clocked based on the rotational movement, preferably a speed.
  • the clocking signal can preferably be picked up from the conductor current of a conductor, in particular a supply line in the vicinity of the converter or on or in the converter and/or on the conductor of a stator of the electrical machine.
  • power transistors such as metal-oxide-semiconductor field transistors (MOSFET), insulated gate bipolar transistors (IGBT) or IGC thyristors (IGCT) are clocked using the rotary motion signal.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field transistors
  • IGBT insulated gate bipolar transistors
  • IGC thyristors IGC thyristors
  • the clocking signal of the electronic power switch (controlled bridges) or similar electronic power component is the rotational movement signal that characterizes the rotational speed.
  • a converter with electronic power switches to form the inverter circuit can be used in a hybrid system in the electric machine or in the periphery of the electric machine, in particular a generator.
  • the converter or the inverter circuit measures the speed of the drive shaft very precisely in order to be able to precisely clock its power transistors, eg IGBTs (insulated-gate bipolar transistors).
  • the cylinder misfire operation could be detected during the measurement and processed using a system controller. It is then possible the performance of the internal combustion engine or the internal combustion engine, preferably a diesel engine Internal combustion engine to reduce within an acceptable range, so that the engine and a clutch on the drive shaft between the engine and generator is not excessively loaded.
  • the signal identifier is present, in particular if it is displayed, a fail-safe operating mode of the internal combustion engine, in particular with reduced power, is activated.
  • the invention leads to the solution of the problem in a second aspect having a hybrid drive:
  • the invention provides that the hybrid drive, preferably the converter and/or a signal unit, is designed to determine a rotational movement signal by means of an electrical converter variable of the converter, and the hybrid drive also has a Having a detection unit, which is designed to determine a signal identifier of an instantaneous curve of the electrical converter variable, and to display a cylinder misfire operation of the internal combustion engine as a function of the signal identifier.
  • the electric machine can be controlled by the converter using sensorless control, in particular using sensorless vector control.
  • the electrical converter variable is a converter current and/or a converter voltage.
  • the electrical Converter size a conductor current and / or, preferably triggered in the stator, be back voltage.
  • the electrical converter variable can also include one or more of the aforementioned variables.
  • control unit for a hybrid drive according to the second aspect of the invention.
  • control unit is designed to carry out the method according to the first aspect of the invention and/or has a detection unit that is designed to determine a signal identification of an instantaneous profile of an electrical converter variable, and to display a cylinder misfire operation of the internal combustion engine depending on the signal identification.
  • the invention achieves the object in a fourth aspect of a vehicle, in particular watercraft, land vehicle or aircraft, having a hybrid drive according to the second aspect of the invention and/or a control unit according to the third aspect of the invention and/or designed to carry it out of a method according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 1 a preferred embodiment of a hybrid drive according to the concept of the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary instantaneous course of a rotary motion signal as an electrical converter variable, with the rotary motion signal characterizing a speed
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a detail of a hybrid internal combustion engine according to the concept of the invention with a detailed representation of a converter and a control unit.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a hybrid drive 1000 according to the concept of the invention.
  • the hybrid drive 1000 has an internal combustion engine 1200 with an internal combustion engine 1210 .
  • the hybrid drive 1000 also has an electric machine 1400 .
  • the electric machine 1400 can be operated both in a motor mode MM and in a generator mode MG.
  • Internal combustion engine 1200 and electric machine 1400 are connected in a torque-transmitting manner via a drive shaft 1100 .
  • drive shaft 1100 is designed as a common shaft and thus includes both a rotor shaft of a rotor 1418 of electric machine 1400 and a motor shaft 1220 of the Internal combustion engine 1210, preferably a crankshaft 1222 as shown here.
  • the electric machine 1400 and the internal combustion engine 1200 can also be connected to transmit torque in other ways, for example via a transmission, as long as the rotor 1480 and the motor shaft 1220 are in a fixed speed ratio to one another , i.e. are connected to one another in a torsionally rigid manner.
  • the hybrid drive 1000 has a converter 1650, which is designed to control the electrical machine 1400, in particular to provide a line current IM and/or a line voltage UM.
  • the converter 1650 has a signal unit 1430, by means of which a rotational movement signal DBS can be provided as an electrical converter variable GSR.
  • the rotational movement signal DBS directly or indirectly describes a rotational movement DB of the rotor 1418, since the converter absorbs currents and/or voltages from the electrical machine 1400, in particular from the rotor 1418 and/or the stator 1408 of the electrical machine 1400.
  • the rotational movement signal DBS directly or indirectly describes a rotational movement DB of the drive shaft 1100 and thus also motor shaft 1220 of internal combustion engine 1210.
  • the operating behavior, namely in particular the rotational movement, of motor shaft 1220 of internal combustion engine 1210 in turn contains information about any cylinder misfire operation BZA of internal combustion engine 1200.
  • the rotary motion signal DBS may be provided in other ways.
  • the signaling unit 1430 may be external to the inverter 1650 or may be part of another control unit.
  • the rotational movement signal DBS can be generated in different ways.
  • the rotary motion signal DBS can be provided as a measured rotary motion signal DBS MEAS by means of a rotary sensor 1470 .
  • the rotational movement signal DBS can be generated as a calculated rotational movement signal DBS CALC, preferably on the basis of the line current IM and/or a line voltage UM and/or an induced counter-voltage UG.
  • Calculated means in particular that the calculated rotational movement signal DBS CALC determined in this way is determined or converted based on another value, preferably based on the conductor current IM and/or a conductor voltage UM and/or an induced counter-voltage UG.
  • the signal unit 1430 is preferably designed to determine the calculated rotational movement signal DBS CALC on the basis of a mathematical machine model 1440, particularly preferably by means of a comparison with reference counter-voltage values UG-REF and/or reference current values I REF.
  • sensorless controls can be implemented in the case of block commutation by back-measuring the counter-voltage induced in the motor.
  • sensorless commutation no separate sensors are used to record the current rotor position, but the information is obtained indirectly by measuring electrical parameters on the coils.
  • There are several methods available for this purpose such as detecting the rotor position via the counter-voltage triggered in the stator coils, which is evaluated by the electronic control circuit.
  • This is an example of how a rotational movement signal DBS of the drive shaft 1100 can be determined by means of an electrical converter variable GSR of the converter 1650.
  • An intermittent signal identification KS of an instantaneous profile VM of the electrical converter variable GSR can be determined in this way.
  • the speed curve can be calculated from the counter-voltage measured, and the drop in speed of the cylinder can thus also be detected.
  • the voltage signal can also be used directly to detect the misfire and the pattern that corresponds to the drop in speed can be searched for there.
  • a pattern could be, for example, a dip in the reverse voltage that indicates misfiring operation BZA of the internal combustion engine 1200 .
  • a synchronous machine can be operated without sensors by means of vector control; this is advantageously based on a mathematical calculation of the required control parameters.
  • a realistic and as accurate as possible software model of the electrical machine is crucial for this.
  • a digital signal processor uses this machine model to estimate the parameters required for vector control, such as rotor angle and speed.
  • the decisive or possibly only measured variables required with this method are the three stator currents of the machine.
  • An intermittent signal identification KS of an instantaneous profile VM of the electrical converter variable GSR can be determined in this way.
  • the speed can be calculated with the help of the mathematical model. It is thus also possible to identify in the current signals the pattern that is to be assigned to a speed drop that indicates cylinder misfire operation BZA of internal combustion engine 1200 .
  • the hybrid drive 1000 has a detection unit 1900 which is designed to detect an intermittent signal identifier KS based on the rotational movement signal DBS and to display intermittent cylinder operation BZA of the internal combustion engine 1210 if such a signal identifier KS is present.
  • the cylinder misfire mode BZA can be displayed, for example, as a warning message to an operator of the hybrid drive 1000 and/or, as shown here, can be provided as a cylinder misfire signal SZA for an engine control unit 1700 of the internal combustion engine 1200.
  • Engine control unit 1700 is preferably designed to activate a fail-safe mode FSM of internal combustion engine 1200 as a function of cylinder misfire signal SZA.
  • the power of internal combustion engine 1200 can be reduced in such a fail-safe mode FSM in order to avoid damage to internal combustion engine 1200, in particular to internal combustion engine 1210, when cylinder misfire operation BZA is detected.
  • FIG. 2 shows an example of an instantaneous curve VM of a rotational movement signal DBS as an electrical converter variable GSR over time T; a crankshaft angle 1222w or an engine shaft angle 1220w could also be plotted, in particular in the present case a drive shaft angle HOOw—that is, a rotation angle of the drive shaft 1100— take place. With the same resolution, this would only entail a different unit than the unit of time T selected here.
  • the rotational movement signal DBS thus characterizes a rotational speed N of the drive shaft 1100 over time T or an aforementioned rotational angle HOOw, 1220w, 1222w.
  • an average speed N_AV is shown as a largely constant or variable that changes only slowly; ie an average speed N_AV, which is averaged over several full periods of the angle of rotation HOOw, 1220w, 1222w.
  • FIG. 2 also shows the rotary motion signal DBS with a resolution over several full periods of the rotary angle, with the entire working cycle of the cylinder Z of engine 1210 or internal combustion engine 1200 being resolved within a full period of the rotary angle.
  • a periodic oscillation of the rotational movement signal DBS around the average speed N_AV is thus visible.
  • the individual oscillations of the rotary motion signal DBS are each caused by ignitions in the cylinders Z of internal combustion engine 1200; specifically, an increase in engine speed is regularly recorded when a cylinder is "fired”; this leads to an increasing phase, shown here, of the rotational movement signal DBS after the ignition with a setpoint rotational acceleration N_AS shown here as the rise gradient.
  • a signal identifier KS can have, in particular, an instantaneous progression of the rotational movement signal DBS that deviates from a setpoint instantaneous progression that is in particular quasi-periodic; in particular includes a course with a lack of desired rotary acceleration.
  • an instantaneous progression that deviates from a target instantaneous progression includes an aperiodic instantaneous progression of the rotational movement signal.
  • a "signal identification” thus includes in particular a decelerated, sub-optimal or missing rotational acceleration NA, ie angular velocity increase, in the instantaneous curve VM of the rotational movement signal DBS, in particular in comparison to a quasi-periodic target instantaneous curve VMS according to the ignition behavior.
  • the detection of the signal identifier KS by the detection unit 1900 can be done in different ways. In the simplest case, a deviation of the instantaneous curve VM of the rotational movement signal DBS from the mentioned setpoint curve VMS can be determined, which surrounds the instantaneous curve VM as a corridor—shown schematically here with dots.
  • a rotary acceleration N A or angular acceleration can also be formed on the basis of the speed signal N by forming the derivation of the rotary movement signal DBS shown here.
  • a deviation and thus an intermittent signal identification KS can also be determined by a target/actual comparison.
  • a first, actual rotational acceleration N A is shown here by way of example, which deviates from a target rotational acceleration N_AS mentioned above, which would have been expected after ignition.
  • the actual rotational acceleration N A has a profile in which the rising phase of the rotational movement signal DBS is clearly missing, i.e.
  • a setpoint rotational acceleration N_AS is missing as a rise gradient - in the present case the gradient of the rotational acceleration N_A after time TI is negative; i.e. decreasing - ie opposite to the expectation of a rising gradient of the setpoint rotational acceleration N_AS after ignition; the rising phase of the rotational movement signal DBS is clearly missing.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a detail of a hybrid drive 1000 according to the concept of the invention with a detailed representation of a converter 1650 and a control unit 1800.
  • the control unit 1800 can be formed in particular as part of the converter 1650.
  • the converter 1650 has a four-quadrant divider 1660, which is electrically connected to a stator 1408 of the electrical machine 1400 via a first conductor 1411, a second conductor 1412 and a third conductor 1413.
  • a time-varying physical field FP is generated by the stator 1408 for driving a rotor 1418 via a conductor current IM conducted by means of the conductors 1411, 1412, 1413, namely a first conductor current IM_U, a second conductor current IM_V and a third conductor current IM_W.
  • a conductor current and/or the conductor voltage and/or the reverse voltage is preferably measured on at least two conductors, preferably two or three conductors.
  • the conductors can be those of an electrical supply line to the converter.
  • the conductors can basically also include the conductors of a stator of the electrical machine.
  • a clocking signal can preferably be picked up from the conductor current of a conductor, in particular a feed line in the vicinity of the converter or on or in the converter and/or on the conductor of a stator of the electrical machine.
  • the control unit 1800 has a conversion unit 1420 with a Clarke transformer 1422.
  • the Clarke transformer 1422 is designed to measure the conductor currents IM_U, IM_V, IM_W on the conductors 1411, 1412, 1413, which have a three-axis coordinate system related to the stator 1420 represent to convert into a two-axis system.
  • the sum of the three phase currents IM_U, IM_V, IM_W is equal to zero at all times, only two of the three phase currents IM_U, IM_V, IM_W are required by the conversion unit 1420 for the further calculation.
  • the Clarke transformer 1422 provides the phase current IM in the form of a first two-axis current value I ALPHA and a second two-axis current value I BETA .
  • the conversion unit 1420 further includes a park transformer 1424, which is designed to provide a first vector current value ISD and a second vector current value ISQ based on the two two-axis current values I ALPHA, I BETA.
  • the two pointer current values ISD, ISQ calculated by the park transformer 1424 are provided as input for a first PI controller 1482 and a second PI controller 1484 .
  • a setpoint vector VS is provided by the PI controllers 1482, 1484, which is provided by an inverse Park transformer 1486 and then by an inverse Clarke transformer 1488 - analogously to the conversion unit 1420 described above - to form a transformed setpoint vector VST for the four-quadrant steeper 1660 becomes.
  • the conversion unit 1420 is designed to convert the three-phase conductor currents IM_U, IM_V, IM_W of the electrical machine 1400 into a two-axis form, in particular into a two-axis coordinate system that rotates with the rotational movement of the rotor 1418 .
  • the control unit 1800 can have a signal unit 1430 for determining the rotational position DP.
  • Signal unit 1430 is designed by evaluating an electromotive force on a winding of stator 1408 and/or via the two-axis current values I ALPHA, I BETA and/or by determining the conductor currents IM and/or by determining a, preferably from Countervoltage UG induced by the rotor 1418 in the stator 1408 and/or by determining the winding inductance LS of a stator winding 1450, to determine the rotary position DP by calculation, advantageously without a rotary sensor 1470, and to make it available as an electrical converter variable GSR in the form of a calculated rotary motion signal DBS CALC.
  • the converter 1650 can also have a rotary sensor 1470 or a similar sensor for determining a measured rotary motion signal DBS MEAS.
  • a rotary motion signal DB preferably a calculated rotary motion signal DBS CALC, is required for the commutation regardless of a specific mode of operation of the converter 1650, which is described here above by way of example.
  • the rotational movement signal DBS is provided as an electrical converter variable GSR.
  • ISD first vector current value ISQ second vector current value

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Hybrid-Antriebs, Hybrid-Antrieb, Steuergerät, Fahrzeug Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebs (1000), der aufweist: eine Brennkraftmaschine (1200), die einen Verbrennungsmotor (1210) umfasst, und eine elektrische Maschine (1400), an die ein Umrichter (1650) elektrisch angeschlossen ist, wobei der Verbrennungsmotor (1200) und die elektrische Maschine (1400) über eine Antriebswelle (1100) drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei ein der Antriebswelle (1100) zugeordnetes Drehbewegungssignal (DBS) bestimmt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Drehbewegungssignal (DBS) mittels einer elektrischen Umrichtergröße (GSR) des Umrichters (1650) bestimmt wird, und eine Signalkennzeichnung (KS) eines Momentanverlaufs (VM) der Umrichtergröße (GSR) bestimmt wird, wobei die Signalkennzeichnung (KS) ausgebildet ist, einen Zylinderaussetzerbetrieb (BZA) des Verbrennungsmotors (1200) anzuzeigen.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Steuern eines Hybrid-Antriebs, Hybrid-Antrieb, Steuergerät, Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei der Hybrid- Antrieb eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Hybrid-Antrieb, ein Steuergerät und ein Fahrzeug.
Der eingangs genannte Hybrid- Antrieb weist dabei auf:
- eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, und
- eine elektrische Maschine, an die ein Umrichter elektrisch angeschlossen ist, wobei
- der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine über eine Antriebswelle drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei ein der Antriebswelle zugeordnetes Drehbewegungssignal bestimmt wird.
Verfahren zum Steuern von Antrieben mit Verbrennungsmotoren, insbesondere zum Erkennen von Betriebsereignissen wie z. B. Zündaussetzern, sind allgemein bekannt. Bewährt hat sich das Konzept einer Erkennung von Betriebsereignissen auf Basis eines Drehzahl signals, das eine Möglichkeit des vorgenannten Drehbewegungssignals darstellt.
So beschreibt die DE 10 2014 219 043 Al ein Verfahren, um bei einer Brennkraftmaschine, welche mit dem Antrieb sstrang gekoppelt ist, Zündaussetzer zu detektieren. Dazu werden auf einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Zweimassenschwungrads ein erster Drehzahl sensor bzw. ein zweiter Drehzahl sensor angeordnet, wobei zumindest der zweite Drehzahl sensor hochauflösend ausgebildet ist.
Die DE 10 2017 127 725 Al beschreibt ein Verfahren zur Erkennung von Zündaussetzern eines Verbrennungsmotors mit einem Zweimassenschwungrad mit einem Zahnkranz an der Primärschwungmasse, mit einer Vorrichtung zur Überwachung der Zahn-zu-Z ahn-Drehzahl der Primärschwungmasse aufgrund der Überwachung der Zähne des Zahnkranzes, wobei das Signal der Zahn-zu-Zahn-Drehzahl analysiert wird, wobei der Gradient der Zahn-zu-Zahn-Drehzahl in einer Anstiegsphase der Zahn-zu-Zahn-Drehzahl bestimmt wird und mit einem vorgebbaren Grenzwert für den Gradienten verglichen wird.
Obwohl die beschriebenen Ansätze mit, insbesondere hochauflösenden, Drehzahl sensoren bereits grundsätzlich vorteilhaft eine Diagnose von Betriebsereignissen und insbesondere eine Erkennung von Zündaussetzern ermöglichen, sind derartige Ansätze weiter verbesserungswürdig, insbesondere was einen reduzierten apparativen Aufwand betrifft. Eine Diagnosemöglichkeit sollte insbesondere für einen Hybrid- Antrieb verbessert werden.
Wünschenswert wäre es daher insbesondere, eine zuverlässige Erkennung von Zündaussetzern unter relativ geringem bzw. vereinfachtem apparativen Aufwand zu ermöglichen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile zumindest teilweise behoben sind. Insbesondere soll eine verbesserte Diagnose von Betriebsereignissen, vorzugsweise eine zuverlässige Erkennung von Zündaussetzern, unter relativ geringem bzw. vereinfachtem apparativen Aufwand ermöglicht werden.
Die Aufgabe, betreffend das Verfahren, wird durch die Erfindung in einem ersten Aspekt mit einem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Hybrid-Antriebs, der aufweist: eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine, an die ein Umrichter, insbesondere ein Wechselstromumrichter, elektrisch angeschlossen ist, wobei
- der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine über eine Antriebswelle drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei ein der Antriebswelle zugeordnetes Drehbewegungssignal bestimmt wird.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass das Drehbewegungssignal mittels einer elektrischen Umrichtergröße des Umrichters bestimmt wird, und eine Signalkennzeichnung eines Momentanverlaufs der Umrichtergröße bestimmt wird, wobei die Signalkennzeichnung ausgebildet ist, einen Zylinderaussetzerbetrieb des Verbrennungsmotors anzuzeigen. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich Betriebsereignisse in einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor umfasst, im Rahmen eines Hybrid-Antriebs mittels einer Beobachtung und/oder Überprüfung einer Drehbewegung der Antriebswelle feststellen lassen, ohne dass diese direkt gemessen werden muss. Der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine sind im Rahmen des Hybrid-Antriebs über die Antriebswelle drehmomentübertragend aneinander angebunden.
Änderungen und/oder Abweichungen zu einer als normal anzusehenden Drehbewegung der Antriebswelle können auch in einem ermittelten Drehbewegungssignal feststellbar sein, das der Antriebswelle zugeordnet ist; sich insofern zwar ursächlich auf die Drehbewegung der Antriebswelle zurückführen lässt, aber ohne dass diese direkt gemessen wird.
Unter einer Antriebswelle ist allgemein ein drehmomentübertragender Strang zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine zu verstehen; dieser kann weiterbildend aus Motorwelle des Verbrennungsmotors und Rotorwelle des Rotors, ggfs. mit einer Kopplung, als Antriebswelle gebildet sein.
Eine Bestimmung des Drehbewegungssignals ermöglicht insbesondere eine verbesserte Diagnose von Betriebsereignissen, vorzugsweise eine zuverlässige Erkennung von Zündaussetzern bzw. eine Feststellung eines Zylinderaussetzerbetriebs des Verbrennungsmotors. Ein Zündausssetzer ist regelmäßig die Ursache für einen Zylinderaussetzerbetrieb. Grundsätzlich ist darüber hinaus vorliegend unter einem Zylinderaussetzerbetrieb allgemein eine wesentliche unnormale Änderung und/oder Abweichung im Zylinderspiel zu verstehen.
Eine Hybrid-Brennkraftmaschine weist eine Brennkraftmaschine auf, die einen Verbrennungsmotor umfasst und die eine elektrische Maschine umfasst. Eine elektrische Maschine ist insbesondere als ein Motor/Generator realisierbar, insbesondere aber als ein Generator. Mit besonderem Vorteil bezieht sich eine hervorzuhebende Weiterbildung der Erfindung diesbezüglich auf eine Synchronmaschine, insbesondere auf einen Synchrongenerator.
Die elektrische Maschine ist an einen Umrichter elektrisch angeschlossen. Dieser kann gemäß der Erkenntnis der Erfindung genutzt werden, ein der Antriebswelle zugeordnetes Drehbewegungssignal zu bestimmen. Die Erfindung geht insbesondere von der Überlegung aus, dass eine Steuer- und Leistungselektronik der elektrischen Maschine vorteilhaft auch zur Verbesserung des Betriebs des Verbrennungsmotors genutzt werden kann; insbesondere kann mittels einer Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine auch die Steuerung und/oder Regelung des Verbrennungsmotors verbessert werden - dies kann bereits dadurch erreicht werden, dass Steuer- und/oder Regelinformationen der elektrischen Maschine genutzt werden für die Steuerung und/oder Regelung des Verbrennungsmotors bzw. im einfachsten Fall für die Überwachung des Verbrennungsmotors.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass über eine drehmomentübertragende Antriebswelle zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine, insbesondere als drehstarre Verbindung oder mit einer Kopplung, beispielsweise über eine Kupplung und/oder ein Getriebe ein Drehbewegungssignal der elektrischen Maschine und ein Motor- Drehbewegungssignal des Verbrennungsmotors generell in einem vorbekannten oder bestimmbaren, insbesondere konstanten, Verhältnis zueinanderstehen.
Das der Antriebswelle zuzuordnende Drehbewegungssignal wird gemäß der Erkenntnis der Erfindung aber mittels einer elektrischen Umrichtergröße des Umrichters bestimmt. Infolge der Anbindung der Antriebswelle an die elektrische Maschine und den Verbrennungsmotor, kann das mittels einer elektrischen Umrichtergröße des Umrichters bestimmte Drehbewegungssignal der Antriebswelle zugeordnet werden und ist damit gemäß der Erkenntnis der Erfindung ausgebildet, einen Zylinderaussetzerbetrieb des Verbrennungsmotors anzuzeigen.
Die Erfindung hat erkannt, dass an eine elektrische Maschine eines Hybrid-Antriebs regelmäßig ein Umrichter elektrisch angeschlossen ist. Insbesondere kann der Umrichter ein Teil der elektrischen Maschine sein; die elektrische Maschine umfasst in dem Fall einen Umrichter. Der Umrichter ist insofern ausgebildet Ströme und/oder Spannungen der elektrischen Maschine jedenfalls teilweise aufzunehmen, insbesondere des Rotors und/oder des Stators der elektrischen Maschine. Insofern ergibt sich das Drehbewegungssignal ursächlich aus dem momentanen Drehwinkel eines Rotors der elektrischen Maschine bzw. umfasst wenigstens eine Information zum momentanen Drehwinkel des Rotors der elektrischen Maschine.
Der Umrichter kann mit einem Steuergerät kombiniert und/oder der Umrichter kann im Rahmen eines Steuergeräts eingebunden sein. Für den Umrichter und/oder das Steuergerät stehen wiederum regelmäßig leistungsfähige Rechen- und/oder Signalverarbeitungskomponenten, insbesondere digitale Signalprozessoren, sowie optional Sensoren, zur Verfügung, die ohnehin zum Steuern der elektrischen Maschine und/oder zum Um- bzw. Wechselrichten des Stroms der elektrischen Maschine benötigt werden.
Derartige Rechen- und/oder Signalverarbeitungskomponenten, insbesondere Steuer- und/oder Signalverarbeitungsgeräte und/oder Sensoren für den Umrichter sind ausgebildet bzw. können ausgebildet und insbesondere genutzt werden, ein Drehbewegungssignal der elektrischen Maschine, das den momentanen Drehwinkel eines Rotors der elektrischen Maschine beschreibt, mit relativ hoher Auflösung zu bestimmen.
Der Umrichter weist beispielsweise eine Signaleinheit auf, mittels der ein Drehbewegungssignal mittels einer elektrischen Umrichtergröße bereitgestellt werden kann.
Anders ausgedrückt ist das Drehbewegungssignal der elektrischen Maschine -das den momentanen Drehwinkel eines Rotors der elektrischen Maschine beschreibt bzw. wenigstens eine Information zum momentanen Drehwinkel des Rotors der elektrischen Maschine umfasst— auch am Umrichter mittels der elektrischen Umrichtergröße verfügbar.
Unter dem Momentanverlauf eines Signals ist vorliegend ein zeit- oder winkel-aufgelöster Verlauf eines Signals zu verstehen; die Auflösung des Signals des insofern transienten Verlaufs ist dementsprechend deutlich kleiner verglichen mit den zu erkennenden Betriebsereignissen, insbesondere ausgebildet zur Auflösung eines Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors, nämlich wenigstens eines Zünd- oder Zylindertaktes im Arbeitsspiel, derart, dass eine
Signalkennzeichnung abweichend vom Normalverlauf eines Zünd- oder Zylindertaktes erkennbar ist. Die Signalkennzeichnung ist insbesondere ausgebildet, einen
Zylinderaussetzerbetrieb des Verbrennungsmotors anzuzeigen.
Das Drehbewegungssignal beschreibt zwar zunächst mittelbar oder unmittelbar eine Drehbewegung des Rotors bzw. einer Rotorwelle der elektrischen Maschine, da der Umrichter Ströme und/oder Spannungen der elektrischen Maschine aufnimmt, insbesondere des Rotors und/oder des Stators der elektrischen Maschine. Da der Rotor aber über eine Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine drehstarr oder mit einem festen Über- oder Unter-Setzungsverhältnis mit der Motorwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, beschreibt dieses vorgenannte Drehbewegungssignal mittelbar oder unmittelbar insgesamt auch eine Drehbewegung der Antriebswelle und somit auch der Motorwelle des Verbrennungsmotors.
Unter Antriebswelle ist insofern allgemein ein drehmomentübertragender Strang zu verstehen; dieser kann weiterbildend aus Motorwelle des Verbrennungsmotors und Rotorwelle des Rotors gebildet sein. Das Betriebsverhalten, nämlich insbesondere die Drehbewegung, der Motorwelle des Verbrennungsmotors wiederum enthält Information über einen eventuellen vorgenannten Zylinderaussetzerbetrieb des Verbrennungsmotors.
Im Kontext eines Verbrennungsmotors kann dieses —mittels einer elektrischen Umrichtergröße bereitgestellte— Drehbewegungssignal also aufgrund der drehmomentübertragenden Verbindung über die Antriebswelle in ein Motor-Drehbewegungssignal jedenfalls umgewandelt, insbesondere umgerechnet, werden. Das insofern mittels des Umrichters bestimmte aber der Antriebswelle zugeordnete Drehbewegungssignal kann als Motor-Drehbewegungssignal interpretiert und vorteilhaft für Diagnosezwecke, insbesondere zum Erkennen von Betriebsereignissen wie z. B. Zündaussetzern, des Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
Durch ein derartiges Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung kann somit die Abhängigkeit von aufwändigen Sensoren verringert werden. Insbesondere kann ein Drehzahl sensor an der Verbrennungsmaschine für derartige Diagnosezwecke eingespart werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Die Drehbewegung der Antriebswelle ist zu verstehen als eine die Drehbewegung der Antriebswelle charakterisierende Größe, insbesondere eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment. Entsprechend ist ein Drehbewegungssignal ein die Drehbewegung beschreibendes Signal.
Bevorzugt charakterisiert das Drehbewegungssignal eine Drehposition und/oder eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment. Vorteilhaft kann aus einer der Größen Drehposition, Drehzahl und Drehmoment durch Ableitung und/oder Integration eine jeweils andere abgeleitete Größe aus diesen Größen gebildet werden.
Eine „Signalkennzeichnung“ umfasst insbesondere einen von einem, insbesondere quasiperiodischen, Soll-Momentanverlauf abweichenden Momentanverlauf des Drehbewegungssignals und/oder eine ausbleibende Soll-Drehbeschleunigung. Insbesondere umfasst ein von einem Soll-Momentanverlauf abweichender Momentanverlauf einen aperiodischen Momentanverlauf des Drehbewegungssignals. Der Soll-Momentanverlauf beschreibt den in einem normalen Betrieb des Verbrennungsmotors zu erwartenden Verlauf des Drehbewegungssignals, insbesondere der Drehzahl, d.h. der Drehgeschwindigkeit. Der Soll- Momentanverlauf ist insbesondere gekennzeichnet durch einen, um eine Durchschnittsdrehzahl oszillierenden Drehzahl-Momentanverlauf, wobei insbesondere die Oszillationen im Zündungstakt auftreten und jeweils hervorgerufen werden von einer durch eine Zündung verursachte Beschleunigung der Kurbelwelle. Bei einem Zündaussetzer oder dergleichen Abweichung im Betrieb des Verbrennungsmotors weicht daher der Momentanverlauf des Drehbewegungssignals von einem Soll-Momentanverlauf ab, insbesondere bleibt eine Soll- Drehbeschleunigung aufgrund der nicht ordnungsgemäß erfolgten Zündung aus. Eine „Signalkennzeichnung“ umfasst somit insbesondere eine abbeschleunigte, sub-optimale oder fehlende Drehbeschleunigung, d.h. Winkelgeschwindigkeitserhöhung, im Momentanverlauf des Drehbewegungssignals, insbesondere im Vergleich zu einem quasiperiodischen Soll- Momentanverlauf gemäß dem Zündverhalten.
Bevorzugt kann die Drehzahl und/oder eine Drehgeschwindigkeit auf Basis der zeitlichen Änderung der Drehposition bestimmt werden.
Bevorzugt kann das Drehmoment und/oder eine Drehbeschleunigung auf Basis der zeitlichen Änderung der Drehzahl bestimmt werden.
Insbesondere umfasst die Drehbewegung sowohl die Drehbewegung eines Rotors der elektrischen Maschine, als auch die Drehbewegung einer Motorwelle der Brennkraftmaschine. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist der Rotor der elektrischen Maschine mit der Motorwelle der Brennkraftmaschine, besonders bevorzugt über eine gemeinsame Antriebswelle, drehstarr verbunden oder aneinander angebunden, insbesondere angekoppelt. In der zuletzt genannten Abwandlung kann der Rotor der elektrischen Maschine mit der Motorwelle über ein Getriebe oder dergleichen Übersetzungseinrichtung oder Kupplung momentenübertragend aneinander angebunden und insofern aneinander gekoppelt sein. Sofern die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine über ein Getriebe oder dergleichen Übersetzungseinrichtung aneinander angebunden sind, ist die Drehbewegung der Motorwelle insbesondere von der Drehbewegung des Rotors ableitbar, steht also in einem festen Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnis.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die elektrische Umrichtergröße ein Umrichterstrom und/oder eine Umrichterspannung ist, oder den Umrichterstrom und/oder die Umrichterspannung umfasst.
Die elektrische Umrichtergröße kann auch ein Leiterstrom und/oder eine Leiterspannung des Umrichters sein oder diese umfassen.
Besonders bevorzugt ist die Leiterspannung die Folge von oder beeinflusst von einer Gegenspannung oder steht anderweitig im Zusammenhang mit einer Gegenspannung, die vom Rotor in den Stator der elektrischen Maschine induziert wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Momentanverlauf der elektrischen Umrichtergröße ein Momentanverlauf eines Umrichterstroms und/oder einer Umrichterspannung, insbesondere eines Leiterstroms und/oder einer Leiterspannung des Umrichters ist.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Drehbewegungssignal anhand eines Betrags des Leiterstroms und einer Phasenlage des Leiterstroms, bevorzugt in Bezug zu einer Momentanspannung des Umrichters, bestimmt wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine durch den Umrichter mittels einer Vektorregelung gesteuert wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine durch den Umrichter mittels einer sensorlosen Regelung gesteuert wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine durch den Umrichter mittels einer sensorlosen Vektorregelung gesteuert wird. Bei einer sensorlosen Steuerung der elektrischen Maschine ist der Umrichter vorteilhaft ausgebildet, ein Drehbewegungssignal bereitzustellen, ohne dabei von einem Drehsensor abhängig zu sein. Dadurch wird der apparative Aufwand zum Bereitstellen des Drehbewegungssignals vorteilhaft weiter reduziert. Vorteilhaft wird bei einer sensorlosen Steuerung das Drehbewegungssignal durch Messung elektrischer Parameter des Umrichters und/oder an den Spulen der elektrischen Maschine, bevorzugt an mindestens einer Statorspule der elektrischen Maschine, bestimmt.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Drehbewegung und/oder die Signalkennzeichnung anhand des Momentanverlaufs der elektrischen Umrichtergröße und anhand eines mathematischen Maschinenmodells bestimmt wird. Ein mathematisches Maschinenmodell umfasst vorteilhaft Sollwerte der elektrischen Umrichtergröße, bevorzugt der Leiterströme und/oder der Leiterspannung, für definierte Zustände der elektrischen Maschine, insbesondere für definierte Drehpositionen des Rotors. Bevorzugt umfasst das mathematische Maschinenmodell eine Anzahl von Referenzwerten für die elektrische Umrichtergröße, die jeweils einem Wert für eine berechnete Drehposition des Rotors zugeordnet sind. Die berechnete Drehposition wird bevorzugt bestimmt, indem die elektrische Umrichtergröße einem geeigneten Referenzwert für die elektrische Umrichtergröße zugeordnet wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die elektrische Umrichtergröße eine, bevorzugt im Stator ausgelöste, Gegenspannung ist, wobei bevorzugt das mathematische Maschinenmodell eine Anzahl von Referenz-Gegenspannungswerten umfasst, die jeweils einem Wert für eine berechnete Drehposition zugeordnet sind, wobei die berechnete Drehposition bestimmt wird, indem die Gegenspannung einem geeigneten Referenz- Gegenspannungswert zugeordnet wird.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die elektrische Umrichtergröße ein Leiterstrom ist, wobei bevorzugt das mathematische Maschinenmodell eine Anzahl von Referenzstromwerten umfasst, die jeweils einem Wert für eine berechnete Drehposition zugeordnet sind, wobei die berechnete Drehposition bestimmt wird, indem der Leiterstrom einem geeigneten Referenzstromwert zugeordnet wird.
„Geeignet“ bedeutet insbesondere, dass der Referenzstromwert mit der geringsten Abweichung vom gemessenen Leiterstrom aus der Anzahl von Referenzstromwerten gewählt wird, und von diesem Referenzstromwert die zugeordnete berechnete Drehposition ausgewählt wird. Analoges gilt für die Referenzwerte anderer elektrischer Umrichtergrößen, insbesondere den Referenz- Gegenspannungswert. Die Funktionsweise bei sämtlichen hier beschriebenen Ansätzen zur Zuordnung eines geeigneten Referenzwerts entspricht bevorzugt im Wesentlichen einem Look- Up-Table. Bevorzugt wird der Leiterstrom und/oder die Leiterspannung und/oder die Gegenspannung an mindestens zwei Leitern, bevorzugt zwei oder drei Leitern, gemessen. Bevorzugt sind die Leiter als elektrische Leiter im Umfeld des Umrichters oder am bzw. im Umrichter gebildet. Insbesondere können die Leiter diejenigen einer elektrischen Zuleitung zum Umrichter sein. Die Leiter können in einer abgewandelten Weiterbildung auch grundsätzlich die Leiter eines Stators der elektrischen Maschine mit umfassen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Umrichter eine Inverterschaltung mit einem Inverter (Wechselstrom-Umrichter) umfasst, die eine Anzahl von leistungselektronischen Schaltern (gesteuerte Brücken) oder dergleichen leistungselektronische Bauelemente umfasst. Diese können unter anderem Leistungstransistoren umfassen oder sein, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldtransistoren (MOSFET), Insulated Gate Bipolar Transistoren, also insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder IGC-Thyristoren (IGCT); diese können durch Pulsweitenmodulation (PWM) eine veränderliche Spannung erzeugen. Ein oder die leistungselektronischen Schalter können anhand der Drehbewegung, bevorzugt einer Drehzahl, getaktet werden.
Bevorzugt kann das Taktungssignal vom Leiterstrom eines Leiters, insbesondere einer Zuleitung im Umfeld des Umrichters oder am bzw. im Umrichter und/oder am Leiter eines Stators der elektrischen Maschine abgegriffen werden. Insbesondere werden Leistungstransistoren wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldtransistoren (MOSFET), Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) oder IGC-Thyristoren (IGCT) anhand des Drehbewegungssignals getaktet. Insbesondere ist das Taktungssignal des leistungselektronischen Schalters (gesteuerte Brücken) oder dergleichen leistungselektronische Bauelements das die Drehzahl charakterisierende Drehbewegungssignal.
Als Beispiel einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann in einem Hybridsystem in der elektrischen Maschine oder in der Peripherie der elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators, ein Umrichter mit leistungselektronischen Schaltern zur Bildung der Inverterschaltung (Wechselstrom-Umrichter) eingesetzt werden. Der Umrichter bzw. die Inverterschaltung (Wechselstrom-Umrichter) misst sehr genau die Drehzahl der Antriebswelle, um ihre Leistungstransistoren, z.B. IGBTs (insulated-gate bipolar transistor), genau takten zu können. Der Zylinderaussetzerbetrieb könnte bei der Messung detektiert werden und mit Hilfe eines Systemsteuergerätes verarbeitet werden. Es ist dann möglich die Leistung der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors, bevorzugt eines Dieselmotors der Brennkraftmaschine, innerhalb eines aktzeptablen Bereichs zu senken, damit der Motor und eine Kupplung an der Antriebswelle zwischen Verbrennungsmotor und Generator nicht übermäßig belastet wird. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Fall eines Vorliegens, insbesondere einer Anzeige, der Signalkennzeichnung ein Fail-Safe- Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, insbesondere mit reduzierter Leistung, aktiviert wird.
Durch einen derartigen Fail-Safe-Betriebsmodus können vorteilhaft Schäden an der Brennkraftmaschine, die bei einem Zylinderaussetzerbetrieb auftreten könnten, vermieden werden. Die Brennkraftmaschine kann vorteilhaft bis zur einer Reparatur in dem sicheren Fail- Safe-Betriebsmodus weiterbetrieben werden.
Die Erfindung fuhrt zur Lösung der Aufgabe in einem zweiten Aspekt auf einen Hybrid- Antrieb aufweisend:
- eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, und
- eine elektrische Maschine, an die ein Umrichter elektrisch angeschlossen ist, wobei der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine über eine Antriebswelle drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei der Hybrid-Antrieb ausgebildet ist zum Bestimmen eines der Antriebswelle zugeordneten Drehbewegungssignals.
Bei dem Hybrid-Antrieb gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hybrid-Antrieb, bevorzugt der Umrichter und/oder eine Signaleinheit, ausgebildet ist zum Bestimmen eines Drehbewegungssignals mittels einer elektrischen Umrichtergröße des Umrichters, und der Hybrid-Antrieb weiter eine Erkennungseinheit aufweist, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer Signalkennzeichnung eines Momentanverlaufs der elektrischen Umrichtergröße, und zum Anzeigen eines Zylinderaussetzerbetriebs des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Signalkennzeichnung.
In einer Weiterbildung des Hybrid- Antriebs ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine durch den Umrichter mittels einer sensorlosen Regelung, insbesondere mittels einer sensorlosen Vektorregelung, steuerbar ist.
In einer Weiterbildung des Hybrid-Antriebs ist vorgesehen, dass die elektrische Umrichtergröße ein Umrichterstrom und/oder eine Umrichterspannung ist. Insbesondere kann die elektrische Umrichtergröße einen Leiterstrom und/oder eine, bevorzugt im Stator ausgelöste, Gegenspannung sein. Die elektrische Umrichtergröße kann auch eine oder mehrere der vorgenannten Größen umfassen.
Die Erfindung fuhrt zur Lösung der Aufgabe in einem dritten Aspekt auf ein Steuergerät für einen Hybrid-Antrieb gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Bei dem Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuergerät ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder eine Erkennungseinheit aufweist, die ausgebildet ist zum Bestimmen einer Signalkennzeichnung eines Momentanverlaufs einer elektrischen Umrichtergröße, und zum Anzeigen eines Zylinderaussetzerbetriebs des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Signalkennzeichnung.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe in einem vierten Aspekt auf ein Fahrzeug, insbesondere Wasserfahrzeug, Landfahrzeug oder Luftfahrzeug, aufweisend einen Hybrid- Antrieb gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder ein Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und/oder ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Es soll verstanden werden, dass das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, der Hybridantrieb gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, das Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und das Fahrzeug gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung gleiche und ähnliche Unteraspekte aufweisen, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt sind. Insofern wird für die Weiterbildung eines Aspekts der Erfindung auch auf die Weiterbildungen der anderen Aspekte der Erfindung verwiesen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
FIG. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Hybrid- Antriebs gemäß dem Konzept der Erfindung,
FIG. 2 einen beispielhaften Momentanverlauf eines Drehbewegungssignals als elektrische Umrichtergröße, wobei das Drehbewegungssignals eine Drehzahl charakterisiert,
FIG. 3 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung einer Hybrid-Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer detaillierten Darstellung eines Umrichters und eines Steuergeräts.
FIG. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Hybrid- Antriebs 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung. Der Hybrid- Antrieb 1000 weist eine Brennkraftmaschine 1200 mit einem Verbrennungsmotor 1210 auf. Der Hybrid-Antrieb 1000 weist auch eine elektrische Maschine 1400 auf.
Die elektrische Maschine 1400 kann sowohl in einem Motor-Modus MM als auch in einem Generator-Modus MG betrieben werden. Die Brennkraftmaschine 1200 und die elektrische Maschine 1400 sind über eine Antriebswelle 1100 drehmomentübertragend verbunden. Vorliegend ist die Antriebswelle 1100 als eine gemeinsame Welle ausgebildet und umfasst somit sowohl eine Rotorwelle eines Rotors 1418 der elektrischen Maschine 1400, als auch eine drehstarr mit der Rotorwelle bzw. mit dem Rotor 1418 verbundene Motorwelle 1220 des Verbrennungsmotors 1210, bevorzugt wie hier gezeigt eine Kurbelwelle 1222. In anderen Ausführungsformen können die elektrische Maschine 1400 und die Brennkraftmaschine 1200 auch auf andere Weise drehmomentübertragend verbunden sein, beispielsweise über ein Getriebe, solange der Rotor 1480 und die Motorwelle 1220 in einem festen Drehzahl Verhältnis zueinanderstehen, das heißt drehstarr miteinander verbunden sind.
Der Hybrid- Antrieb 1000 weist einen Umrichter 1650 auf, der zum Steuern der elektrischen Maschine 1400, insbesondere zum Bereitstellen eines Leiterstroms IM und/oder einer Leiterspannung UM ausgebildet ist.
Der Umrichter 1650 weist eine Signal einheit 1430 auf, mittels der ein Drehbewegungssignal DBS als elektrische Umrichtergröße GSR bereitgestellt werden kann. Das Drehbewegungssignal DBS beschreibt mittelbar oder unmittelbar eine Drehbewegung DB des Rotors 1418, da der Umrichter Ströme und/oder Spannungen der elektrischen Maschine 1400 aufnimmt, insbesondere des Rotors 1418 und/oder des Stators 1408 der elektrischen Maschine 1400.
Da der Rotor 1418 über eine Rotorwelle des Rotors 1418 der elektrischen Maschine 1400 drehstarr oder mit einem festen Über- oder Unter-Setzungsverhältnis mit der Motorwelle 1220 des Verbrennungsmotors 1210 verbunden ist, beschreibt das Drehbewegungssignal DBS mittelbar oder unmittelbar eine Drehbewegung DB der Antriebswelle 1100 und somit auch der Motorwelle 1220 des Verbrennungsmotors 1210. Das Betriebsverhalten, nämlich insbesondere die Drehbewegung, der Motorwelle 1220 des Verbrennungsmotors 1210 wiederum enthält Information über einen eventuellen Zylinderaussetzerbetrieb BZA des Verbrennungsmotors 1200.
In einer Ausführungsform kann das Drehbewegungssignal DBS auf andere Weise bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform kann die Signaleinheit 1430 außerhalb des Umrichters 1650 angeordnet sein oder als Teil einer anderen Steuereinheit.
Das Drehbewegungssignal DBS kann auf unterschiedliche Weise generiert werden.
In Ausführungsformen kann das Drehbewegungssignal DBS als gemessenes Drehbewegungssignal DBS MEAS mittels eines Drehsensors 1470 bereitgestellt werden. In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann das Drehbewegungssignal DBS als berechnetes Drehbewegungssignal DBS CALC, bevorzugt auf Basis des Leiterstroms IM und/oder einer Leiterspannung UM und/oder einer induzierten Gegenspannung UG, generiert werden.
„Berechnet“ bedeutet insbesondere, dass das derartig bestimmte berechnete Drehbewegungssignal DBS CALC auf Basis eines anderen Werts, bevorzugt auf Basis des Leiterstroms IM und/oder einer Leiterspannung UM und/oder einer induzierten Gegenspannung UG, bestimmt bzw. umgerechnet wird.
Bevorzugt ist die Signal einh eit 1430 ausgebildet, das berechnete Drehbewegungssignal DBS CALC auf Basis eines mathematisches Maschinenmodells 1440, besonders bevorzugt mittels eines Vergleichs mit Referenz-Gegenspannungswerten UG-REF und/oder Referenz- Stromwerten I REF, zu bestimmen.
Als eine erste beispielhafte Möglichkeit sei hier genannt, dass sensorlose Regelungen bei Blockkommutierung durch das Zurückmessen der im Motor induzierten Gegenspannung realisiert werden können. Bei der sensorlosen Kommutierung werden keine eigenen Sensoren zur Erfassung der aktuellen Rotorposition eingesetzt, sondern die Information wird indirekt durch die Messung von elektrischen Parametern an den Spulen gewonnen. Es stehen dazu mehrere Verfahren zu Verfügung wie die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche von der elektronischen Steuerschaltung ausgewertet wird. Dies ist ein Beispiel wie ein Drehbewegungssignal DBS der Antriebswelle 1100 mittels einer elektrischen Umrichtergröße GSR des Umrichters 1650 bestimmt werden kann. Eine aussetzende Signalkennzeichnung KS eines Momentanverlaufs VM der elektrischen Umrichtergröße GSR kann so bestimmt werden.
Aus der gemessenen Gegenspannung kann der Drehzahl verlauf berechnet werden und damit auch der Drehzahleinbruch des Zylinders erkannt werden. Es kann auch direkt das Spannungssignal zur Erkennung des Aussetzers genommen werden und dort nach dem Muster gesucht werden, welches dem Drehzahleinbruch entspricht. Ein Muster könnte zum Beispiel ein Einbruch der Gegenspannung sein, der einen Zylinderaussetzerbetrieb BZA des Verbrennungsmotors 1200 anzeigt. Als eine zweite beispielhafte weitere Möglichkeit sei hier genannt, dass eine Synchronmaschine sensorlos mittels Vektorregelung betrieben werden kann; dieses basiert vorteilhaft auf einer mathematischen Berechnung der benötigten Regelparameter. Ausschlaggebend hierfür ist ein realistisches und möglichst genaues Softwaremodell der elektrischen Maschine. Ein digitaler Signalprozessor schätzt mithilfe dieses Maschinenmodells die zur Vektorregelung benötigten Parameter wie beispielsweise den Rotorwinkel und die Drehzahl. Die maßgeblichen bzw. ggfs. einzigen bei dieser Methode benötigten Messgrößen sind die drei Statorströme der Maschine. Dies ist ein weiteres Beispiel wie ein Drehbewegungssignal DBS der Antriebswelle 1100 mittels einer elektrischen Umrichtergröße GSR des Umrichters 1650 bestimmt werden kann. Eine aussetzende Signalkennzeichnung KS eines Momentanverlaufs VM der elektrischen Umrichtergröße GSR kann so bestimmt werden.
Mit Hilfe des mathematischen Modells kann die Drehzahl berechnet werden. Somit ist es auch möglich in den Stromsignalen das Muster zu identifizieren, welches einem Drehzahleinbruch zuzuordnen ist, der einen Zylinderaussetzerbetrieb BZA des Verbrennungsmotors 1200 anzeigt.
Allgemein weist der Hybridantrieb 1000 eine Erkennungseinheit 1900 auf, die ausgebildet ist, auf Basis des Drehbewegungssignals DBS eine aussetzende Signalkennzeichnung KS zu detektieren und beim Vorliegen einer solchen Signalkennzeichnung KS einen Zylinderaussetzerbetrieb BZA des Verbrennungsmotors 1210 anzuzeigen. Der Zylinderaussetzerbetrieb BZA kann beispielsweise als Warnmeldung einem Bediener des Hybridantriebs 1000 angezeigt werden und/oder wie hier gezeigt als ein Zylinderaussetzer- Signal SZA für ein Motorsteuergerät 1700 der Brennkraftmaschine 1200 bereitgestellt werden. Das Motorsteuergerät 1700 ist bevorzugt ausgebildet, in Abhängigkeit des Zylinderaussetzer- Signals SZA einen Fail-Safe-Modus FSM der Brennkraftmaschine 1200 zu aktivieren. Insbesondere kann in einem derartigen Fail-Safe-Modus FSM die Leistung der Brennkraftmaschine 1200 reduziert werden, um bei einem detektierten Zylinderaussetzerbetrieb BZA Schäden an der Brennkraftmaschine 1200, insbesondere am Verbrennungsmotor 1210, zu vermeiden.
FIG. 2 zeigt beispielhaft einen Momentanverlauf VM eines Drehbewegungssignals DBS als elektrische Umrichtergröße GSR über die Zeit T; es könnte auch eine Auftragung über einen Kurbelwellenwinkel 1222w oder einen Motorwellenwinkel 1220w erfolgen, insbesondere vorliegend einen Antriebswellenwinkel HOOw -also einen Drehwinkel der Antriebswelle 1100- erfolgen. Das brächte bei gleicher Auflösung lediglich eine andere Einheit als die hier gewählte Einheit der Zeit T mit sich.
Das Drehbewegungssignal DBS charakterisiert vorliegend also eine Drehzahl N der Antriebswelle 1100 über die Zeit T respektive einen vorgenannten Drehwinkel HOOw, 1220w, 1222w. In Fig. 2 ist zunächst eine Durchschnittsdrehzahl N_AV als weitgehende Konstante bzw. sich nur langsam ändernde Größe gezeigt; also eine Durchschnittsdrehzahl N_AV, die sich ergibt als gemittelt über mehrere volle Perioden des Drehwinkels HOOw, 1220w, 1222w.
In FIG. 2 ist weiter das Drehbewegungssignals DBS dargestellt mit einer Auflösung über mehrere volle Perioden des Drehwinkels, wobei auch das gesamte Arbeitsspiel der Zylinder Z des Motors 1210 bzw. der Brennkraftmaschine 1200 innerhalb einer vollen Periode des Drehwinkels aufgelöst wird. Ein periodisches Schwingen des Drehbewegungssignals DBS um die Durchschnittsdrehzahl N_AV ist somit sichtbar. Die einzelnen Schwingungen des Drehbewegungssignals DBS werden jeweils durch Zündungen in den Zylindern Z der Brennkraftmaschine 1200 hervorgerufen; konkret wird regelmäßig ein Drehzahlanstieg verzeichnet, wenn ein Zylinder „gezündet“ wird; dies führt zu einer hier dargestellten aufsteigenden Phase des Drehbewegungssignals DBS nach der Zündung mit einer hier so dargestellten Soll-Drehbeschleunigung N_AS als Anstiegssteigung. Zu einem Zeitpunkt TI ist gestrichelt eine aussetzende Signalkennzeichnung KS dargestellt, wie sie durch eine aussetzende Zündung eines Zylinders Z hervorgerufen würde. Aufgrund der fehlenden Zündung erfolgt ein temporäres Abfallen der Drehzahl N, was erst durch die danach folgenden Zündungen wieder kompensiert werden kann. Die aussetzende Zündung am Zeitpunkt TI leitet somit einen Zylinderaussetzerbetrieb BZA ein. Allgemein kann eine Signalkennzeichnung“ KS insbesondere einen von einem, insbesondere quasiperiodischen, Soll-Momentanverlauf abweichenden Momentanverlauf des Drehbewegungssignals DBS aufweisen; insbesondere einen Verlauf mit einer ausbleibenden Soll-Drehbeschleunigung umfasst. Insbesondere umfasst ein von einem Soll-Momentanverlauf abweichender Momentanverlauf einen aperiodischen Momentanverlauf des Drehbewegungssignals.
Eine „Signalkennzeichnung“ umfasst somit insbesondere eine abbeschleunigte, sub-optimale oder fehlende Drehbeschleunigung N A, d.h. Winkelgeschwindigkeitserhöhung, im Momentanverlauf VM des Drehbewegungssignals DBS, insbesondere im Vergleich zu einem quasiperiodischen Soll-Momentanverlauf VMS gemäß dem Zündverhalten. Die Erkennung der Signalkennzeichnung KS durch die Erkennungseinheit 1900 kann insofern auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im einfachsten Fall kann eine Abweichung des Momentanverlaufs VM des Drehbewegungssignals DBS von dem erwähnten Sollverlauf VMS festgestellt werden, der als ein - hier punktiert schematisch dargestellter - Korridor den Momentanverlauf VM umgibt.
Auch kann -wie oben bereits erwähnt- eine Drehbeschleunigung N A bzw. Winkelbeschleunigung auf Basis des Drehzahl signals N gebildet werden, indem die Ableitung des hier dargestellten Drehbewegungssignals DBS gebildet wird. Auf diese Weise kann ebenfalls durch einen Soll-Ist-Vergleich eine Abweichung und somit eine aussetzende Signalkennzeichnung KS bestimmt werden. Vorliegend ist beispielhaft eine erste, tatsächliche Drehbeschleunigung N A dargestellt, die von einer oben genannte Soll-Drehbeschleunigung N_AS abweicht, die nach der Zündung zu erwarten gewesen wäre. Die tatsächliche Drehbeschleunigung N A weist einen Verlauf auf, bei dem die aufsteigende Phase des Drehbewegungssignals DBS erkennbar fehlt, d.h. eine Soll-Drehbeschleunigung N_AS als Anstiegssteigung fehlt - vorliegend ist die Steigung der Drehbeschleunigung N_A nach dem Zeitpunkt TI negativ; d.h. abfallend - also entgegengesetzt zur Erwartung einer Anstiegssteigung der Soll-Drehbeschleunigung N_AS nach Zündung; es fehlt erkennbar die aufsteigende Phase des Drehbewegungssignals DBS.
Auch andere, dem Fachmann bekannte Methoden der Mustererkennung und/oder der Signal Verarbeitung können zur Erkennung der Signalkennzeichnung KS eingesetzt werden, dies umfasst insbesondere einen von einem, insbesondere quasiperiodischen, Soll-Momentanverlauf abweichenden Momentanverlauf des Drehbewegungssignals DBS und/oder eine ausbleibende Soll-Drehbeschleunigung N_AS.
Vorrausetzung ist —wie hier gezeigt— ein zeitlich ausreichend aufgelöstes Drehbewegungssignal DBS zum Erkennen derartiger Signalkennzeichnungen KS. An den Umrichter 1650 werden zum Zwecke der Kommutierung hohe Anforderungen diesbezüglich gestellt. Daher ist durch die elektrische Umrichtergröße GSR eine derartige zeitliche Auflösung, insbesondere Abtastfrequenz, die —wie in FIG. 2 sichtbar— vorzugsweise ein Vielfaches der Drehfrequenz bzw. Drehzahl ist, vorteilhaft gegeben, um das gesamte Arbeitsspiel der Zylinder Z des Motors 1210 bzw. der Brennkraftmaschine 1200 innerhalb einer vollen Periode des Drehwinkels aufzulösen. FIG. 3 zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Hybrid- Antriebs 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer detaillierten Darstellung eines Umrichters 1650 und eines Steuergeräts 1800. Dabei kann das Steuergerät 1800 insbesondere als Teil des Umrichters 1650 gebildet sein.
Vorliegend weist der Umrichter 1650 einen Vierquadrantensteiler 1660 auf, welcher über einen ersten Leiter 1411, einen zweiten Leiter 1412 und einen dritten Leiter 1413 elektrisch mit einem Stator 1408 der elektrischen Maschine 1400 verbunden ist. Über einen mittels der Leiter 1411, 1412, 1413 geleiteten Leiterstrom IM, nämlich einem ersten Leiterstrom IM_U, einem zweiten Leiterstrom IM_V und einem dritten Leiterstrom IM_W wird ein zeitlich veränderliches physikalisches Feld FP durch den Stator 1408 zum Antreiben eines Rotors 1418 erzeugt.
Bevorzugt wird ein Leiterstrom und/oder die Leiterspannung und/oder die Gegenspannung an mindestens zwei Leitern, bevorzugt zwei oder drei Leitern, gemessen. Bevorzugt sind die Leiter -wie vorliegend- elektrische Leiter wie die vorgenannten Leiter 1411, 1412, 1413 im Umfeld des Umrichters oder am bzw. im Umrichter. Insbesondere können die Leiter diejenigen einer elektrischen Zuleitung zum Umrichter sein.
Die Leiter können in einer abgewandelten Weiterbildung auch grundsätzlich die Leiter eines Stators der elektrischen Maschine mit umfassen. Bevorzugt kann ein Taktungssignal vom Leiterstrom eines Leiters, insbesondere einer Zuleitung im Umfeld des Umrichters oder am bzw. im Umrichter und/oder am Leiter eines Stators der elektrischen Maschine abgegriffen werden.
Das Steuergerät 1800 weist eine Wandeleinheit 1420 auf mit einem Clarke-Transformator 1422. Der Clarke-Transformator 1422 ist ausgebildet, die an den Leitern 1411, 1412, 1413 gemessenen Leiterströme IM_U, IM_V, IM_W, welche ein dreiachsiges, auf den Stator 1420 bezogenes Koordinatensystem repräsentieren, in ein zweiachsiges System umzuwandeln. Insbesondere werden aufgrund der Tatsache, dass die Summe der drei Leiterströme IM_U, IM_V, IM_W zu jedem Zeitpunkt gleich null ist, von der Wandeleinheit 1420 lediglich zwei der drei Leiterströme IM_U, IM_V, IM_W für die weitere Berechnung benötigt.
Der Clarke-Transformator 1422 stellt als Ergebnis dieser Umwandlung den Leiterstrom IM in Form eines ersten Zweiachs- Stromwerts I ALPHA und eines zweiten Zweiachs-Stromwert I BETA bereit. Die Wandeleinheit 1420 weist weiter einen Park-Transformator 1424 auf, welcher ausgebildet ist, auf Basis der beiden Zweiachs- Stromwerte I ALPHA, I BETA einen ersten Zeiger- Stromwert ISD, und einen zweiten Zeiger- Stromwert ISQ bereitzustellen. Die beiden durch den Park-Transformator 1424 berechneten Zeiger- Stromwerte ISD, ISQ werden insbesondere als Eingang für einen ersten PI-Regler 1482 und einen zweiten PI-Regler 1484 bereitgestellt.
Von den PI-Reglern 1482, 1484 wird ein Sollvektor VS bereitgestellt, welcher von einem inversen Park-Transformator 1486 und anschließend von einem inversen Clarke-Transformator 1488 - analog zu der oben beschriebenen Wandeleinheit 1420 - zu einem transformierten Sollvektor VST für den Vierquadrantensteiler 1660 bereitgestellt wird.
Die Wandeleinheit 1420 ist ausgebildet, die dreiphasig vorliegenden Leiterströme IM_U, IM_V, IM_W der elektrischen Maschine 1400 in eine zweiachsige Form, insbesondere in ein zweiachsiges Koordinatensystem, das sich mit der Drehbewegung des Rotors 1418 dreht, umzuwandeln. Für diese Umwandlung, und insbesondere für die Kommutierung, wird die Kenntnis über die genaue Drehposition DP des Rotors 1418 benötigt. Zur Bestimmung der Drehposition DP kann die Steuereinheit 1800 eine Signaleinheit 1430 aufweisen. Die Signaleinheit 1430 ist ausgebildet, durch die Auswertung einer elektromotorischen Kraft an einer Wicklung des Stators 1408 und/oder über die Zweiachs-Stromwerte I ALPHA, I BETA und/oder mittels der Bestimmung der Leiterströme IM und/oder mittels der Bestimmung einer, bevorzugt vom Rotor 1418 in den Stator 1408 induzierten, Gegenspannung UG und/oder durch das Bestimmen der Wicklungsinduktivität LS einer Statorwicklung 1450, die Drehposition DP rechnerisch, vorteilhaft ohne einen Drehsensor 1470, zu bestimmen und als elektrische Umrichtergröße GSR in Form eines berechneten Drehbewegungssignals DBS CALC bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann der Umrichter 1650 auch einen Drehsensor 1470 oder dergleichen Sensor zum Bestimmen eines gemessenen Drehbewegungssignals DBS MEAS aufweisen.
Unabhängig von einer bestimmten, hier oben beispielhaft beschriebenen Funktionsweise des Umrichters 1650 wird für die Kommutierung ein Drehbewegungssignal DB, bevorzugt ein berechnetes Drehbewegungssignal DBS CALC, benötigt. Das Drehbewegungssignal DBS wird als elektrische Umrichtergröße GSR bereitgestellt. BEZUGSZEICHENLISTE
Hybrid-Antrieb
1100, 1 lOOw Antriebswelle, Drehwinkel der Motorwelle
1200 Brennkraftmaschine
1210 Verbrennungsmotor
1220, 1220w Motorwelle, Drehwinkel der Motorwelle
1222, 1222w Kurbelwelle, Drehwinkel der Kurbelwelle
1400 elektrische Maschine
1408 Stator der elektrischen Maschine
1410 elektrischer Leiter, Statorleiter der elektrischen Maschine
1411 erster Leiter des Stators der elektrischen Maschine
1412 zweiter Leiter des Stators der elektrischen Maschine
1413 dritter Leiter des Stators der elektrischen Maschine
1418 Rotor der elektrischen Maschine
1420 Wandeleinheit
1422 Clark-Transformator
1424 Park-Transformator
1430 Signal einheit
1440 mathematisches Maschinenmodell
1450 Statorwicklung
1470 (externer) Drehsensor
1480 Rotor der elektrischen Maschine
1482 erster PI-Regler
1484 zweiter PI-Regler
1650 Umrichter
1660 Vierquadrantensteiler 1700 Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine
1800 Steuergerät
1900 Erkennungseinheit
3000 Fahrzeug 3010 Wasserfahrzeug
3020 Landfahrzeug
3030 Luftfahrzeug
BZA Zylinderaussetzerbetrieb DB Drehbewegung
DBS Drehbewegungssignal
DBS CALC berechnetes Drehbewegungssignal
DBS MEAS gemessenes Drehbewegungssignal
DP Drehposition, Drehposition der Antriebswelle FP physikalisches Feld
FSM Fail-Safe-Modus
GSR elektrische Umrichtergröße
IM Leiterstrom
ISD erster Zeiger- Stromwert ISQ zweiter Zeiger- Stromwert
I ALPHA erster Zweiachs-Stromwert
I BETA zweiter Zweiachs-Stromwert
IM Leiterstrom
KS Signalkennzeichnung LS Wicklungsinduktivität
MG Generator-Modus der elektrischen Maschine
MM Motor-Modus der elektrischen Maschine N Drehzahl
N_A Drehbeschleunigung, Winkelbeschleunigung
N_AS Soll-Drehbeschleunigung
N AV Durchschnittsdrehzahl ST Taktungssignal
SZA Zylinderaussetzer-Signal
UG Gegenspannung
UM Leiterspannung
VM Momentanverlauf VMS Sollverlauf
VS Sollvektor
VST transformierter Sollvektor
Z Zylinder der Brennkraftmaschine

Claims

24 ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Hybrid- Antriebs (1000), der aufweist:
- eine Brennkraftmaschine (1200) mit einem Verbrennungsmotor (1210), und
- eine elektrische Maschine (1400), an die ein Umrichter (1650) elektrisch angeschlossen ist, wobei der Verbrennungsmotor (1200) und die elektrische Maschine (1400) über eine Antriebswelle (1100) drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei ein der Antriebswelle (1100) zugeordnetes Drehbewegungssignal (DBS) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehbewegungssignal (DBS) mittels einer elektrischen Umrichtergröße (GSR) des Umrichters (1650) bestimmt wird, und eine Signalkennzeichnung (KS) eines Momentanverlaufs (VM) der elektrischen Umrichtergröße (GSR) bestimmt wird, wobei die Signalkennzeichnung (KS) ausgebildet ist, einen Zylinderaussetzerbetrieb (BZA) des Verbrennungsmotors (1200) anzuzeigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalkennzeichnung (KS) einen von einem quasiperiodischen Soll-Momentanverlauf (VMS) abweichenden Momentanverlauf (VM) des Drehbewegungssignals (DBS) aufweist, insbesondere einen Verlauf mit einer ausbleibenden Soll-Drehbeschleunigung (N_AS) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Umrichtergröße (GSR) ein Umrichterstrom und/oder eine Umrichterspannung, und/oder ein Leiterstrom (IM) und/oder eine Leiterspannung (UM) und/oder eine Gegenspannung (UG), des Umrichters (1650) ist, oder eine der vorgenannten Größen umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehbewegungssignal (DBS) anhand eines Betrags (IMB) des Leiterstroms (IM) und einer Phasenlage (IMP) des Leiterstroms (IM), bevorzugt in Bezug zu einer Momentanspannung (UM) des Umrichters (1650), bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1400) durch den Umrichter (1650) mittels einer Vektorregelung (RV), insbesondere mittels einer sensorlosen Vektorregelung (RVS), gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung (DB) und/oder die Signalkennzeichnung (KS) anhand des Momentanverlaufs (VM) der Umrichtergröße (GSR) und anhand eines mathematischen Maschinenmodells (1440) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtergröße (GSR) eine, bevorzugt im Stator ausgelöste, Gegenspannung (UG) ist, wobei bevorzugt das mathematische Maschinenmodell (1440) eine Anzahl von Referenz- Gegenspannungswerten (UG REF) umfasst, die jeweils einem Wert für eine berechnete Drehposition (DP CALC) zugeordnet sind, wobei die berechnete Drehposition (DP CALC) bestimmt wird, indem die Gegenspannung (UG) einem geeigneten Referenz- Gegenspannungswert (UG REF) zugeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtergröße (GSR) ein Leiterstrom (IM) ist, wobei bevorzugt das mathematische Maschinenmodell (1440) eine Anzahl von Referenzstromwerten (I REF) umfasst, die jeweils einem Wert für eine berechnete Drehposition (DP CALC) zugeordnet sind, wobei die berechnete Drehposition (DP CALC) bestimmt wird, indem der Leiterstrom (IM) einem geeigneten Referenzstromwert (I REF) zugeordnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (1650) einen Inverter (1652) umfasst, der eine Anzahl von Bipolartransistoren (1670), insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode, aufweist, wobei die Bipolartransistoren (1670) anhand der Drehbewegung (DB), bevorzugt einer Drehzahl (N), getaktet werden und das IGBT-Taktungssignal vom Leiterstrom (IM) abgegriffen wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Anzeige der Signalkennzeichnung (KS) ein Fail-Safe-Betriebsmodus (FSM) der Brennkraftmaschine (1000), insbesondere mit reduzierter Leistung (PBR), aktiviert wird.
11. Hybrid-Antrieb (1000) aufweisend: - eine Brennkraftmaschine (1200) mit einem Verbrennungsmotor (1210), und
- eine elektrische Maschine (1400), an die ein Umrichter (1650) elektrisch angeschlossen ist, wobei der Verbrennungsmotor (1200) und die elektrische Maschine (1400) über eine Antriebswelle (1100) drehmomentübertragend aneinander angebunden sind, wobei der Hybrid-Antrieb (1000) ausgebildet ist zum Bestimmen eines der Antriebswelle (1100) zugeordneten Drehbewegungssignals (DBS), dadurch gekennzeichnet, dass der Hybrid- Antrieb (1000) ausgebildet ist zum Bestimmen eines Drehbewegungssignals (DBS) mittels einer elektrischen Umrichtergröße (GSR) des Umrichters (1650), und der Hybrid-Antrieb (1000) weiter eine Erkennungseinheit (1900) aufweist, die ausgebildet ist
- zum Bestimmen einer Signalkennzeichnung (KS) eines Momentanverlaufs (VM) der elektrischen Umrichtergröße (GSR), und
- zum Anzeigen eines Zylinderaussetzerbetriebs (BZA) des Verbrennungsmotors (1200) in Abhängigkeit der Signalkennzeichnung (KS).
12. Hybrid-Antrieb (1000) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybrid-Antrieb (1000) den Umrichter (1650) und/oder eine Signaleinheit (1430) aufweist, wobei der Umrichter (1650) und/oder die Signaleinheit (1430) ausgebildet ist, zum Bestimmen eines Drehbewegungssignals (DBS) mittels einer elektrischen Umrichtergröße (GSR) des Umrichters (1650).
13. Hybrid-Antrieb (1000) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1400) durch den Umrichter (1650) mittels einer sensorlosen Regelung (RV), insbesondere mittels einer sensorlosen Vektorregelung (RVS), steuerbar ist.
14. Hybrid-Antrieb (1000) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Umrichtergröße (GSR) einen Umrichterstrom und/oder eine
Umrichterspannung umfasst, insbesondere einen Leiterstrom (IM) und/oder eine, bevorzugt im Stator ausgelöste, Gegenspannung (UG) umfasst.
15. Hybrid-Antrieb (1000) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass 27 der Umrichter (1650) einen Inverter (1652) umfasst, der eine Anzahl von Bipolartransistoren (1670), insbesondere wobei ein Bipolartransistor eine isolierte Gate-Elektrode aufweist, wobei ein Bipolartransistor (1670) anhand der Drehbewegung (DB), bevorzugt anhand einer Drehzahl (N), getaktet wird, insbesondere wobei ein IGBT-Taktungssignal von einem Leiterstrom (IM) abgegriffen wird.
16. Steuergerät (1500) für einen Hybrid-Antrieb (1000) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (2000) ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere eine Erkennungseinheit (1900) aufweist, die ausgebildet ist
- zum Bestimmen einer Signalkennzeichnung (KS) eines Momentanverlaufs (VM) einer elektrischen Umrichtergröße (GSR), und
- zum Anzeigen eines Zylinderaussetzerbetriebs (BZA) des Verbrennungsmotors (1200) in Abhängigkeit der Signalkennzeichnung (KS).
17. Fahrzeug (3000), insbesondere Wasserfahrzeug (3010), Landfahrzeug (3020) oder Luftfahrzeug (3030), aufweisend:
- einen Hybrid-Antrieb (1000) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, und/oder
- ein Steuergerät, insbesondere gemäß Anspruch 16, das ausgebildet ist zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
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