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DE10149905A1 - Steuerungssystem für ein Hybrid-Elektrofahrzeug zur Vorwegnahme der Notwendigkeit eines Wechsels der Betriebsrart - Google Patents

Steuerungssystem für ein Hybrid-Elektrofahrzeug zur Vorwegnahme der Notwendigkeit eines Wechsels der Betriebsrart

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DE10149905A1
DE10149905A1 DE10149905A DE10149905A DE10149905A1 DE 10149905 A1 DE10149905 A1 DE 10149905A1 DE 10149905 A DE10149905 A DE 10149905A DE 10149905 A DE10149905 A DE 10149905A DE 10149905 A1 DE10149905 A1 DE 10149905A1
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DE
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vehicle
internal combustion
engine
combustion engine
electric motor
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DE10149905A
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Michael Alan Tamor
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Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Abstract

Es wird Methode und System eines Parallel-Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEF) offengelegt, beinhaltend einen inneren Verbrennungsmotor (IVM), einen elektrischen Traktionsmotor/Generator (Elektromotor) und einen Regler. Die Erfindung beinhaltet eine Strategie zur Vermeidung unvorhersehbarer oder unerwünschter Starts des Verbrennungsmotors durch Vorwegnahme der Notwendigkeit für den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs, dabei "Fehlstarts" des Verbrennungsmotors oder Zulassen von lästigen Leistungslücken vermeidend, die auftreten, wenn der Verbrennungsmotor nicht etwas vor dem eigentlichen Bedarf angelassen wird. Die Erfindung nimmt die Notwendigkeit des Anlassens des Verbrennungsmotors durch Überwachung von Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahreranforderung und deren Änderung vorweg. Die Erfindung ermöglicht konstante Leistung und arbeitet in einer Weise, die den Kunden befriedigt, weil eine im Wesentlichen konstante Antriebskraft beibehalten wird.

Description

DER ERFINDUNG ZUGRUNDE LIEGENDER STAND DER TECHNIK Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEF) und insbesondere auf eine Methode und System zur Verbesserung der Wirksamkeit und des Fahrverhaltens der HEF, Überwachung des Wertes der Fahrzeugkomponenten und ihrer Austauschhäufigkeit, wobei die Anforderung des Fahrers vorweggenommen wird, so dass unvorhergesehene oder unerwünschte Motorfehlstarts und Leistungslücken vermieden werden.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Notwendigkeit zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und des Schadstoffausstoßes durch Automobile und andere Fahrzeuge durch innere Verbrennungsmotoren (IVM) angetriebene Fahrzeuge ist allgemein bekannt. Es wird versucht, diesen Notwendigkeiten durch Fahrzeuge mit Elektromotor zu begegnen. Elektrofahrzeuge sind jedoch hinsichtlich Fahrbereich und Leistungsbereich beschränkt und benötigen erhebliche Zeit zum Nachladen ihrer Batterien. Eine alternative Lösung besteht in der Kombination eines IVM und eines elektrischen Traktionsmotors in einem Fahrzeug. Solche Fahrzeuge werden technisch als Hybrid- Elektrofahrzeuge (HEF) bezeichnet. Siehe allgemein, USA-Patentschrift Nr. 5 343 970 (Severinsky). HEF verringern Emissionen und Kraftstoffverbrauch, denn es kann ein kleinerer Motor eingesetzt werden und dieser kann unter bestimmten Bedingungen sogar abgestellt werden.
Das HEF ist in einer Reihe von Konfigurationen beschrieben worden. Viele HEF- Patente offenbaren Systeme, bei denen ein Bediener zwischen dem Betrieb des Elektromotors und des inneren Verbrennungsmotors wählen muss. Bei anderen Konfigurationen treibt der Elektromotor einen Satz von Rädern an, und der IVM treibt einen anderen Satz von Rädern an.
Andere, nützlichere Konfigurationen sind entwickelt worden. Zum Beispiel ist ein Serien-Hybrid-Elektrofahrzeug (SHEF) ein Fahrzeug mit einem Motor (am typischsten ein IVM), der einen Generator betreibt. Der Generator wiederum liefert Elektrizität für eine Batterie und einen elektrischen Traktionsmotor, der mit den Antriebsrädern des Fahrzeuges gekoppelt ist. Zwischen dem Motor und den Antriebsrädern besteht keine mechanische Verbindung. Ferner ist ein Parallel- Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEF) ein Fahrzeug mit einem Motor (am typischsten ein IVM), Batterie und elektrischem Traktionsmotor, die gemeinsam für die Antriebsräder des Fahrzeuges Drehmoment bereitstellen.
Ein Parallel-/Serien-Hybrid-Elektrofahrzeug (PSHEF) besitzt die Eigenschaften des PHEF und des SHEF. Das PSHEF ist auch bekannt als Konfiguration mit Drehmomentverteilung (oder Leistungsverteilung) des Antriebsstrangs. Beim PHEF kann das Motordrehmoment dazu benutzt werden, einen Generator anzutreiben und/oder zum benötigten Drehmoment von Rad oder Abtriebswelle beizutragen. Der Generator kann Elektrizität für die Batterie erzeugen oder er kann zum benötigten Drehmoment von Rad oder Abtriebswelle beitragen. Der Traktionsmotor wird benutzt, um zum benötigten Drehmoment von Rad oder Abtriebswelle beizutragen und kann bei Einsatz einer regenerativen Bremsanlage benutzt werden, um Bremsenergie für die Batterie rückzugewinnen.
Die Wünschbarkeit der Kombination des IVM mit einem Elektromotor liegt auf der Hand. Kraftstoffverbrauch und Schadstoffe werden ohne nennenswerten Verlust von Leistung oder Fahrbereich des Fahrzeugs verringert. Dennoch bleibt noch erheblicher Raum für die Entwicklung von Wegen zur Optimierung des HEF-Betriebs. Dazu gehört die Notwendigkeit zu sichern, dass das Fahrverhalten des Fahrzeugs stetig, vorhersehbar und angenehm für den Kunden ist und dabei auch Wirksamkeit gewahrt wird.
Kritische Elemente für die Realisierung eines annehmbaren Standes beim Fahrverhalten sind die Häufigkeit und die Art der Anlass- und Abstellereignisse des Motors. Häufiges Anlassen und Abstellen des Motors kann ärgerlich sein, besonders, wenn sie nicht als Folge einer bewussten Handlung des Fahrers erfolgen. Zum Beispiel werden manche Anlass- und Abstellvorgänge durch eine Energiemanagementstrategie (EMS) gesteuert, die danach strebt, die Antriebe von Verbrennungsmotor und Elektromotor aufeinander abzustimmen, um maximale Kraftstoffsparsamkeit zu erreichen. Beispielsweise könnte die EMS den Verbrennungsmotor anlassen, wenn der Bedarf eine bestimmte Antriebsleistungsschwelle überschreitet. Der Verbrennungsmotor muss auch starten, wenn die Leistungsanforderung durch den Fahrer höher ist, als vom elektrischen System zur Verfügung steht.
Häufige, ärgerliche, hohe Emissionen verursachende und für den Verbrennungsmotor verschleißintensive "Fehlstarts" können auftreten, wenn der Verbrennungsmotor angelassen wird, der Leistungsbedarf dann jedoch nur sehr kurzzeitig über der Antriebsleistungsschwelle, jedoch noch innerhalb des Fahrvermögens liegt. Das kann beim schnellen Einscheren in einen ansonsten langsamen Verkehr oder beim raschen Beschleunigen in dichtem Verkehr auftreten. Andererseits stellt das Anlassen eines Verbrennungsmotors eine Herausforderung dar, weil sein Moment nicht sofort zur Verfügung steht. Eine ärgerliche Leistungslücke entsteht, wenn der Verbrennungsmotor nicht etwas vor dem tatsächlichen Bedarf anlässt.
Ein HEF-Regler (FSR) muss daher zwei kritische Modenübergänge steuern. Der erste ist der Übergang vom stehenden Fahrzeug mit abgestelltem Verbrennungsmotor zu einem Fahrzeug, das elektrischen Antrieb benutzt. Der zweite ist der Übergang vom elektrischen Antrieb zur Verbrennungsmotorleistung als Reaktion auf eine höhere Fahreranforderung. (Diese Fahreranforderung sollte nicht mit einer weniger zeitkritischen Variante des gleichen Übergangs verwechselt werden, wenn der Verbrennungsmotor angelassen wird, weil eine Batterie geladen werden soll). Die rechtzeitige Vorbereitung auf diese Übergänge wird durch "Antizipatoren" erreicht.
Bei HEF-Betriebsstrategien entsprechend dem bisherigen Stand der Technik erfolgt die Entscheidung zum Anlassen des Verbrennungsmotors als Reaktion auf eine Antriebsanforderung des Fahrers entsprechend Fahrzeuggeschwindigkeit und Antriebskraft. Die Antriebskraft wird aus Drehmoment und Motordrehzahl bestimmt. Der Gesamtleistungsbedarf für das HEF besteht nicht nur aus der Gesamtantriebskraft, sondern beinhaltet auch alle anderen Lasten, wie Nebenaggregate und Klimaregelung. Übersteigt dieser Gesamtleistungsbedarf eine vorbestimmte Schwelle, wird Leistung vom Verbrennungsmotor und daher das Anlassen dieses Motors benötigt. Ist der Gesamtleistungsbedarf unter dem vorbestimmten Wert, stellt allein der Elektromotor Moment für den Antriebsstrang bereit. Eine Hystereseschleife ist in diese vorbestimmten Werte eingebunden, um ein zu rasches Wechseln zwischen den Betriebsarten zu vermeiden, wenn sich das Fahrzeug diesen Leistungsschwellen nähert.
Das Problem bei diesem System entsprechend dem bisherigen Stand der Technik ist der Leistungszwischenbereich über der Leistung, bei der es wirtschaftlicher ist, mit laufendem Verbrennungsmotor zu fahren (vielleicht fünf bis zehn kW für ein typisches Kompakt- bis Mittelklassefahrzeug) und unterhalb des höchsten Leistungsvermögens allein mit dem Elektromotor, bei dem der Verbrennungsmotor abgestellt bleiben kann (zwanzig bis vierzig kW für das gleiche Fahrzeug). Beim Fahren allein mit Elektroantrieb müsste ein kurzzeitiger Leistungsbedarf in diesem Zwischenbereich ohne Anlassen und wieder sofortigem Abstellen des Verbrennungsmotors ausgeglichen werden. Daher wird eine neue Antizipatorstrategie benötigt, um die Wirtschaftlichkeit und das Fahrverhalten des HEF durch vorheriges Erkennen der Notwendigkeit eines Zustands- bzw. Modenwechsels möglichst in unmittelbarer Nähe des vorbestimmten optimalen Moments zu verbessern, um dadurch bei gleichzeitiger Verringerung oder Ausschaltung von "Fehlstarts" des Verbrennungsmotors einen nahtlosen Übergang zu erhalten.
Eine erfolgreiche Funktion des "Antizipators" muss vorwegnehmen: 1) dass der Leistungsbedarf wahrscheinlich über der Antriebsleistungsschwelle aber ohne weiteres innerhalb des Vermögens von Elektromotor/Batterie bleiben wird und der Verbrennungsmotor daher so nahtlos wie möglich angelassen werden sollte oder 2) dass der Leistungsbedarf innerhalb kurzer Zeit wahrscheinlich das Vermögen von Elektromotor/Batterie übersteigt und der Verbrennungsmotor schnell in Kickdown- Manier angelassen werden sollte. Im zuletzt genannten Fall muss ein ausreichendes Motordrehmoment in Reserve gehalten werden, um das plötzliche Last des Drehmotors auszugleichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, das Fahrverhalten und die Wirtschaftlichkeit des Antriebsstrangsystems eines Parallel-Hybrid- Elektrofahrzeugs (HEF) zu verbessern, so dass das HEF sich für den Fahrzeugführer vorhersehbar und angenehm verhält.
Insbesondere ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Strategie zur Vermeidung des unvorhersehbaren oder unerwünschten Anlassens des Verbrennungsmotors vorzusehen, indem die Notwendigkeit für den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs vorweggenommen wird und "Fehlstarts" des Verbrennungsmotors oder die Entstehung ärgerlicher Leistungslücken bei der Leistung des Verbrennungsmotors vermieden werden.
Es ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, Starts des Verbrennungsmotors durch Überwachung der Werte für die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahreranforderung sowie des Maßes ihrer Veränderung vorwegzunehmen.
Es ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Vorwegnahmestrategie bereitzustellen, die eine mathematische Funktion einer vorher festgelegten Menge von Systemveränderlichen, wie Hauptzylinderdruck (HZD), Drosselklappenstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugmasse und Straßengefälle und bei Bedarf des Einbeziehens der zeitlichen Veränderung dieser Systemveränderlichen ist. Schätzwerte der verbleibenden Zeit vom Augenblick der Schätzung bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Fahrzeugsystem die Fahreranforderung im aktuellen Modus nicht mehr erfüllen kann, werden bestimmt. Wenn die vor dem bevorstehenden Übergang geschätzte verbleibende Zeit sich dem für die glatte Ausführung des Übergangs erforderlichen Zeitpunkt annähert, wird ein Übergangsbefehl ausgeführt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ABBILDUNGEN
Abb. 1 zeigt die allgemeinen Komponenten des Antriebsstrangs eines Hybrid- Elektrofahrzeugs (HEF) mit einer Kupplung zum Trennen des Verbrennungsmotors und einem Fahrzeugsteuerungssystem.
Abb. 2 zeigt die Zustandsermittlung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEF). Abb. 3 zeigt die Fahreranforderungsfunktion eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEF).
Abb. 4 zeigt ein Drehmomentdiagram eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEF).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEF). Obwohl sich die bevorzugte Ausführungsform auf ein Parallel-HEF bezieht, könnte die Erfindung auf jede HEF-Konfiguration angewendet werden.
Abb. 1 zeigt die allgemeinen Komponenten des Antriebsstranges vor dem Getriebe eines Parallel-HEF mit einer Trennkupplung für den Verbrennungsmotor. (Hinweis: Diese Vor-Getriebe-Konfiguration wird in einer USPTO-Anwendung unter Einbeziehung von Bekanntmachung Nr. 200-0015 von Ford Global Technologies beschrieben). Ein Verbrennungsmotor 20 ist über eine Trennkupplung 24 mit einem Elektromotor/Generator 22 verbunden. Eine Batterie 26 ist über Wechselrichter 34 mit dem Elektromotor/Generator 22 verbunden und ermöglicht das Fließen von elektrischem Strom zu und von den beiden Komponenten. Der Elektromotor/Generator 22 ist mit einem Leistungsübertragungsaggregat 28, wie zum Beispiel einer Antriebswelle, verbunden, die über ein Getriebe 32 mit Rädern 30 des Fahrzeugs verbunden ist. Damit fließt Momentenergie von Verbrennungsmotor 20 und Elektromotor/Generator 22 durch das Leistungsübertragungsaggregat 28 zu den Rädern 30.
Alle Komponenten des Antriebsstrangs werden durch einen Fahrzeugsystemregler (FSR) 36 gesteuert. Unter der vorrangigen Regelung durch den FSR 36 hat jede Komponente des Antriebsstranges einen separaten Regler. Ein Motorregler 38 regelt den Verbrennungsmotor 20. Für diese Anwendung würde eine elektronische Drosselklappensteuerung benutzt. Die Trennkupplung 24 wird durch einen Kupplungsregler 40 gesteuert. Der Elektromotor/Generator 22 wird von einem Elektromotor/Generator-Regler 42 gesteuert. Das Getriebe 32 wird von einer Getriebereglereinheit 44 gesteuert. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Getriebe 32 ein wandlerloses Elektronikgetriebe (WLEG). Das WLEG ist ein Hochleistungs-Synchronlastschaltgetriebe, abgeleitet von einem nach dem Stand der Technik aktuellen Massenprodukt. Die Drehmomentverstärkerfunktion des Drehmomentwandlers wird durch den Elektromotor/Generator 22 bereitgestellt. Der Elektromotor/Generator 22 wird auch zur Schaltsynchronisierung und dynamischen Steuerung benutzt.
Eine Fahrzeugbremsanlage wird durch eine regenerative Bremssteuerung 46 geregelt, und die Batterie wird durch einen Batterieregler 48 gesteuert.
Da der Verbrennungsmotor 20 von Elektromotor/Generator 22 und Leistungsübertragungsaggregat 28 getrennt werden kann, bestehen drei potenzielle Zustände des Antriebsstrangs. Diese Zustände beruhen auf unterschiedlichen Fahrzeuganforderungen und Befehlen an den FSR 36 und beinhalten: nur den Verbrennungsmotor 20; nur den Elektromotor/Generator 22; oder den Verbrennungsmotor 20 und den Elektromotor/Generator 22 kombiniert. Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ist eine Strategie, um festzulegen, wann der Verbrennungsmotor entsprechend der Fahreranforderung zu- bzw. abgeschaltet werden sollte.
Eine einfache Maschine innerhalb der Fahrzeugsystemsteuerung 36 eines HEF ist in Abb. 2 dargestellt. In dieser Abbildung bezeichnen die Kreise eigentransiente ("selbsterregende") Zustände des Anschaltens und Abschaltens von Fahrzeugsystemen, einschließlich Anlassen und Abstellen des Verbrennungsmotors. Die Maschine dieses Zustands hat verschiedene "Merker" und Parameter zur Steuerung der Übergänge zwischen den verschiedenen Fahrzeugzuständen in Abb. 2. Ein Merker. SCHLÜSSEL EIN 50 und ein Merker SCHLÜSSEL AUS 52 erklären sich selbst. Ein SCHLÜSSEL EIN 50 bewirkt einen Voranlasszustand 78, der zu einem Ruhe IV-AUS 80 führt, wobei der innere Verbrennungsmotor 20 abgestellt ist. Der Merker SCHLÜSSEL AUS 52 bewirkt einen Befehl Fahrzeugabschaltzustand 74 mit nachfolgendem Systemabschaltzustand 76.
Merker SYS EIN 54 und SYS AUS 56 stehen für einen "Korb" von Bedingungen, die das Anlassen des Verbrennungsmotors aus anderen Gründen als zur Bedienung einer Fahreranforderung nach Antriebsstrangmoment entsprechend den aktuellen Fahrzeugbedingungen (Geschwindigkeit, Gefälle usw.) verlangen. Dazu gehören, sind aber nicht beschränkt auf: die Temperatur von Motor 20 unter einem vorbestimmten Wert; eine Temperatur des Nachbehandlungssystems unter einem vorbestimmten Wert; eine Klimaanlage, die auf ihren maximalen Wert eingestellt ist; niedriger Ladezustand der Batterie 26; und Schaltbereichshebel "PRND" in Rückwärtsstellung 58. Der Verbrennungsmotor 20 muss angelassen werden, wenn eine beliebige dieser Bedingungen ansteht und kann abgestellt werden, wenn keine dieser Bedingungen gültig ist.
Der Ruhezustand IV-AUS 80 führt zu einem Zustand "Kaltstart" offene Kupplung 86, zu einem Ruhezustand IV Ein 88 mit Merker SYS Ein 54 oder Rückwärts 58. Die Merker DRV EIN 60 und DRV AUS 62 zeigen die Notwendigkeit zum Anlassen oder Abstellen des Verbrennungsmotors 20 entsprechend der Fahreranforderung "%" (zum Beispiel die Gaspedalstellung) und der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit "v" an. Die Merker DRV EIN 60 und DRV AUS 62 werden entsprechend einer Abbildung von % und v gesetzt und gelöscht. Weitere Überlegungen, wie zum Beispiel d%/dt (Beschleunigungsverhältnis) und Gefälle (sofern "erkennbar") könnten ebenfalls eingeschlossen werden.
Ein F BOOST 64 zeigt an, dass die Fahreranforderung nur mit einer Kombination von Elektromoor/Generator 22 und Verbrennungsmotor 20 erfüllt werden kann. Das ist der Boost (I+E)-Antrieb 82. Der KEIN F BOOST 66 bedeutet, dass die Fahreranforderung die Kombination nicht erfordert.
Der Merker RGN 68 zeigt an, dass regeneratives Bremsen auftritt. Diese Bedingung wird benutzt, um das Abstellen des Verbrennungsmotors 20 zu verzögern, während hohes negatives Drehmoment über den Antriebsstrang des Fahrzeugs übertragen wird, was ein ansonsten möglicherweise unangenehmes Bremsverhalten verhindert. Regeneratives Bremsen kann eigentlich ohne Hauptzylinderdruck (HZD) oder Berühren der Bremse, selbst bei leichtem Gas erfolgen.
Das "%" ist einfach eine Gaspedalstellung in Prozent des vollen Bereiches von 0 bis 100 Prozent. Die Bezeichnung "Vc" ist eine kritische Drehzahl, unterhalb der der Elektromotor/Generator 22 für einen "Ruckelstart" des Verbrennungsmotors 20 einfach zum Schließen der Trennkupplung 24 zu langsam läuft und zu einem I- Antrieb IV Ein 84 führt, wodurch der Verbrennungsmotor 20 läuft. Der Verbrennungsmotor 20 würde bis unter die Leerlaufdrehzahl gehen oder zu langsam laufen, um das erforderliche Moment abzugeben. Der Elektromotor/Generator 22 muss durch eine Kombination von Herunterschalten des Getriebes und die Möglichkeit des Rutschens der Anfahrkupplung hochdrehen, daher auch die Bezeichnung "Rutschstart" 70.
Der Ruhezustand IV Ein 88 geht über auf einen Zustand IV Stopp 90 mit den Merkern SYS AUS 56, DRV AUS 62 und SCHLÜSSEL AUS 52 und zurück zum Zustand RUHE IV AUS 80. Der Zustand Ruhe IV Ein 88 kann auch auf den Zustand I-Antrieb IV EIN 84 übergehen, wenn (unter Verwendung der oben definierten Terme) % < 0 oder V < 0. Der Zustand I-Antrieb IV Ein 84 kann auch auf den Zustand Ruhe IV Ein 88 übergehen, wenn % = 0 und V = 0.
Der Zustand Ruhe IV Aus 80 geht auf einen Zustand elektrischer E-Antrieb niedrige Drehzahl 92 über, wenn (unter Verwendung der oben definierten Terme) % < 0 oder V < 0. Der Zustand elektrischer E-Antrieb niedrige Drehzahl 92 kann auch auf den Zustand Ruhe IV Ein 88 übergehen, wenn % = 0 und V = 0.
Der Zustand elektrischer E-Antrieb niedrige Drehzahl 92 geht auf den Zustand "Rutschstart" 70 über, wenn der Merker SYS EIN 54 oder der Merker DRV EIN 60 gesetzt ist, der zum Zustand I-Antrieb IV Ein 84 führt. Der Zustand I-Antrieb IV Ein 84 kann mit den Merkern SYS AUS 56, DRV AUS 62 und RGN AUS 68 zum Zustand IV Stopp 90 führen.
Der Zustand IV Stopp 90 und der Zustand E-Antrieb hohe Drehzahl 94 führt zu dem Zustand elektrischer E-Antrieb niedrige Drehzahl 92, wenn V < Vc. Der Zustand IV Stopp 90 und der Zustand elektrischer E-Antrieb niedrige Drehzahl 92 führen zum Zustand E-Antrieb hohe Drehzahl 94, wenn V < Vc. Schließlich führt der Zustand E- Antrieb hohe Drehzahl 94 mit den Merkern SYS EIN 54 und DRV EIN 60 zum Zustand "Holperstart" 72.
Bei der Festlegung der Zustandsübergänge rein unter dem Blickwinkel der Kraftstoffeinsparung sollten alle Antriebsstrangmomente unterhalb einer recht niedrigen Antriebskraftschwelle, typischerweise im Bereich von 5 kW bis 12 kW für ein Kompakt- oder Mittelklassefahrzeug, elektrisch sein. Wenn der Verbrennungsmotor 20 läuft, müsste er wenigstens die Schwellenleistung der kombinierten Lasten des Fahrzeugbedarfs und des Ladens der Batterie 26 bringen. Die Schwelle stellt einen Leistungsübergangspunkt dar. Damit haben geringe Fehler des genauen Wertes keine große Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch.
Ergänzt man zu den Übergängen die Fahreranforderung, werden wenigstens zwei Überlegungen berücksichtigt: 1) ob der momentane Leistungsbedarf bei der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit die Antriebskraftschwelle übersteigt und 2) ob die angenommene Zeit, in der der Leistungsbedarf bei der aktuellen Gaspedalstellung und Fahrzeugbeschleunigung kleiner als die Zeit wird, die zum Anlassen des Verbrennungsmotors 20 (vorsichtig 0,7 Sekunden) benötigt wird. Eine repräsentative Anforderungsfunktion ist in Abb. 3 dargestellt.
Abb. 3 zeigt einen elektrischen Antrieb (E-Antrieb) 96 und einen Antrieb durch inneren Verbrennungsmotor (I-Antrieb) 98 als Funktion der Gaspedalstellung 116 und einer Fahrzeuggeschwindigkeit 100. Das ist in etwa das Äquivalent einer Funktion von Drehmoment und Fahrzeuggeschwindigkeit. Eine spezielle Kurve 102 ist nur ein Vorschlag und sollte als eichfähiger Schwellenparameter für das Anlassen des Verbrennungsmotors 20 behandelt werden. Sie muss jedoch stets innerhalb - und möglicherweise gerade noch innerhalb - des tatsächlichen Vermögens des elektrischen Antriebs liegen. Für optimalen Kraftstoffverbrauch sollte sie in Nähe der Lage der Antriebskraftschwelle liegen, wie das aus Abb. 3 hervorgeht.
Bei Verwendung der bevorzugten Ausführungsform und des oben beschriebenen Verfahrens zum Anlassen des Verbrennungsmotors verwendet die Vorwegnahmefunktion den Wert und die Größe der Veränderung der Eingangskennwerte, in diesem Fall die Gaspedalstellung "%" und die Fahrzeuggeschwindigkeit "v", die gemeinsam zur Berechnung des Leistungsbedarfs "P" benutzt werden und bestimmt die verbleibende Zeit, bis der Leistungsbedarf eine bestimmte Schwelle nahe des maximalen Vermögens des elektrischen Antriebssystems überschreitet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird der Antizipator für den ersten dieser Übergänge - "Antriebsbereitschaft herstellen" - dazu benutzt, um den Antriebsmotor im Vorfeld auf seine "Leerlaufdrehzahl" zu bringen. Das erzeugt hydraulischen Druck als Vorbereitung der Abgabe von Moment an die Räder. Der Elektromotor/Generator 22 wird abgeschaltet, und der Wandler 34 geht soweit wie zur Minimierung der elektrischen Nebenlasten möglich in "Schlafstellung". Der Antizipator "Antriebsbereitschaft herstellen" berücksichtigt: Fahrzeuggeschwindigkeit (Bewegung in beiden Richtungen zeigt den Bedarf oder die Antriebsleistung an); Drosselklappenbetätigung (z. B. zeigt das Wegnehmen des Fußes von der Bremse die Absicht zum Anfahren an); Druck im Hauptbremszylinder (HZD); und die Geschwindigkeit der Verringerung des Bremsdrucks unter Anwendung des Verhältnisses d(HZD)/dt (d. h. eine rasche Verringerung des Bremsdrucks zeigt die Absicht zum Anfahren an).
Von diesen vier ist die rasche Verringerung des Bremsdrucks am kritischsten. Ein sich verringernder Bremsdruck kann auch bei Verbleiben eines Restdrucks die Absicht zum Anfahren lange vor der eigentlichen Momenterwartung des Fahrers als Reaktion auf die Gasbetätigung, die einen großen Sekundenbruchteil später erfolgt, anzeigen. Damit kann der Antizipator den Elektromotor/Generator 22 vor dem tatsächlichen Eintritt der Anforderung auf seine "Leerlauf"-Drehzahl bringen, und damit wird sie "antizipiert", d. h. vorweg genommen.
Der zweite kritische Übergang - "Schalten auf Verbrennungsmotorleistung" - ist komplexer. Hier ist es wichtig, "Fehlstarts" zu vermeiden, bei denen der Verbrennungsmotor 20 unmittelbar oberhalb der Antriebsleistungsschwelle angelassen wird, nur um einen Augenblick später wieder abgestellt zu werden, während auch "Holperer" vermieden werden, bei denen die Leistungsanforderung das Vermögen des elektrischen Antriebsmotors übersteigt, ehe der Verbrennungsmotor zuschalten kann. Der HEF-Systementwurf muss ausreichend Raum zwischen der Antriebsleistungsschwelle und dem Vermögen von Elektromotor/Generator 22 lassen. Der Antizipator "Schalten auf Verbrennungsmotor" berücksichtigt:
Fahrzeuggeschwindigkeit: "v"
Beschleunigung: dv/dt
Gaspedalstellung: "%"
Veränderung der Gaspedalstellung: d(%)/dt
Masse/Gefälle: Es kann möglich sein, die tatsächliche Fahrzeugmasse und möglicherweise des Straßengefälle zu ermitteln und die Betriebsstrategie entsprechend festzulegen.
Die hier vorgeschlagene Antizipatorstrategie verlangt, dass er Elektromotor/Generator 22 als ein Pseudo-Verbrennungsmotor fungiert, so dass die Gesamtsteuerung des Fahrzeugs weitestgehend unverändert bleibt, ungeachtet dessen, ob der Verbrennungsmotor 20 läuft oder nicht. Das Drehmomentvermögen eines jeden für sich und in Kombination miteinander ist in Abb. 4 gezeigt. Abb. 4 soll einen Ausgangspunkt für die Festlegung des Verhältnisses zwischen Fahreranforderung entsprechend Gaspedalstellung und Fahrzeuggeschwindigkeit und Elektromotor/Generator-Drehmoment bilden.
Abb. 4 zeigt ein Drehmomentdiagramm 102 eines elektrischen Antriebs und ein Drehmomentdiagramm 106 eines Verbrennungsmotors als Funktion von Drehmoment 108 des Drehmomentdiagramms und Drehzahl 110 des Drehmomentdiagramms. Ein Summendrehmoment 112 vereint das Drehmomentdiagramm 102 des elektrischen Antriebs und das Drehmomentdiagramm 106 des Verbrennungsmotors. Beide Drehmomentkurven sind stark vereinfacht. Die von der Batterie begrenzte Drehmomentkurve der bevorzugten HEF-Ausführungsform ist einem 25 kW Motor angenähert. Eine leistungsstärkere Batterie würde den Bereich der Drehmomentkonstanz bis auf über 2500 min-1 erweitern.
Abb. 4 hat auch einen Antizipator 114 "Umschalten auf Verbrennungsmotor" mit einem offenen Kreis, der Momentanwerte der Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahreranforderung weit oberhalb der Antriebsleistungsschwelle (10 kW), aber weit unterhalb der Grenze des elektrischen Antriebs (25 kW) anzeigt. Die Länge des horizontalen Vektors zeigt die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs an, und der vertikale Vektor die Größe der Fahreranforderung. Beide werden mit der voraussichtlichen Zeit zum Anlassen des Verbrennungsmotors (z. B. 700 ms) multipliziert, danach zur Extrapolierung der erwarteten neuen Stellung nach 700 ms summiert. In Abb. 4 liegt die extrapolierte Position - der Antizipatorpunkt - am Ort des Antriebsvermögens des Elektromotors und zeigt an, dass es Zeit zum Anlassen des Verbrennungsmotors 20 ist.
Fällt die Spitze des Antizipators durch Reduzierung von Geschwindigkeit und/oder Anforderung unter die Schwelle der Antriebsleistung, dürfte der Verbrennungsmotor nicht angelassen werden. Liegt der Antizipatorvektor innerhalb des Vermögens des Elektromotors, erfolgt die Entscheidung zum Anlassen des Verbrennungsmotors auf der Grundlage von Wirksamkeit. Diese Entscheidung beruht auf einer bestimmten Kombination eines laufenden Durchschnitts von Leistungsanforderung und aufgelegter Hysterese auf der Antriebsleistungsschwelle (z. B. Verwenden einer oberen Schwelle zum Anlassen und einer niederen Schwelle zum Abstellen des Verbrennungsmotors). Ein zufälliges Weiterlaufen des Verbrennungsmotors 20 bei Leistung unmittelbar unter der Schwelle oder Laufen des Elektromotors/Generators 22 unmittelbar darüber wirkt sich nicht wesentlich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus. Die breite Lücke zwischen der Antriebsleistungsschwelle und dem Vermögen von Elektromotor/Generator 22 ist absichtlich in das HEF- System eingebaut, um gelegentliche, jedoch kurze Zeitabschnitte hoher Antriebsleistung zu ermöglichen, ohne ein Anlassen des Verbrennungsmotors 20 für vielleicht nur eine sehr kurze Zeit zu erzwingen. Da das System sehr wenig Zeit in diesem eher unwirtschaftlichen Modus verweilt (weil sich der laufende Leistungsdurchschnitt rasch erhöht) und er bei Nachweisprüfungen in keiner Weise in Erscheinung tritt, wird der Kraftstoffverbrauch dadurch nicht ausgehöhlt. Durch Eichung der Antizipatorfunktionen, möglicherweise mit Einbeziehung von Polynomen höherer Ordnung oder anderer nichtlinearer Funktionen und sorgfältige Anlage der Leistungsmittlungsfunktionen kann die optimale Energiemanagementstrategie ohne zusätzliches Ärgernis durch Fehlstarts und Holperer realisiert werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Antriebsleistungsschwelle, bei der der Verbrennungsmotor 20 angelassen werden muss, mathematisch ausgedrückt werden als:
P = a × Tq × V;
dP/dt = a × Tq × dV/dt + a × Geschwindigkeit × dTq/dt;
mit "a" als einer Konstanten. Die vor Überschreiten der Schwelle verbleibende Zeit "T" ist gegeben durch
T = (Pmax - P)/(dP/dt).
Ist, wie in Abb. 4, auch eine Drehmomentobergrenze vorhanden, muss auch die Zeit bis zum Erreichen dieser Grenze bestimmt werden als:
T = (Tqmax - Tq)/(dTq/dt).
Wenn es zum Beispiel eine Sekunde dauert, den Verbrennungsmotor 20 anzulassen und auf eine bestimmte Zielleistung hochzufahren, wird der Anlassvorgang des Verbrennungsmotors 20 eingeleitet, wenn die "Antizipatorzeit" unter eine Sekunde fällt. Die Anwendung der Antizipatorfunktion zur Bestimmung, ob der Verbrennungsmotor 20 als Reaktion auf die Erhöhung der Leistungsanforderung anzulassen ist, verringert die Häufigkeit von "Fehlstarts", nach denen die Leistungsanforderung nur eine kurze Zeit hoch ist, aber zu keinem Zeitpunkt die von Elektromotor/Generator 22 übersteigt, wobei gesichert wird, dass der Verbrennungsmotor 20 rechtzeitig angelassen wird, um bei Bedarf Leistung bereitzustellen.
Antizipatoren können auch bestimmen, ob der Verbrennungsmotor 20 als Reaktion auf ein plötzliches Absinken der Leistungsanforderung abzustellen ist, einfach durch Auswahl einer niedrigeren Leistungsschwelle. Der Druck des Hauptzylinders (HZD) einer HEF-Bremsanlage und der Zeitwert der Änderung können ebenfalls in diese Antizipatorfunktion einbezogen werden.
Beim Betrieb des HEF-Systems in der bevorzugten Ausführungsform muss Elektromotor/Generator 22 laufen, damit am Getriebe ein Moment anliegt. Zur Reduzierung des Energieverbrauches ist es jedoch günstig, den Elektromotor/Generator 22 nach Möglichkeit zu stoppen und gänzlich abzuschalten, wenn das Fahrzeug steht. Bei einer einfachen Ausführung kann das Betätigen eines Gaspedals, jede Fahrzeugbewegung oder das Lösen der Bremskraft als Auslöser für das erneute Einschalten des Motors/Generators 22 benutzt werden. Jedoch könnte eine solche einfache Steuerung zu einer unerwünschten Verzögerung beim Inbewegungsetzen des Fahrzeugs führen. Ein Antizipator, der die Kraft an der Bremse und deren Änderung beobachtet, um die verbleibende Zeit zu bestimmen, bevor sich das Fahrzeug in Bewegung setzen kann oder bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit "Kriechen" (Vorwärtsbewegung ohne Berühren von Bremse oder Gaspedal) in Bewegung setzen würde, kann als Signal für die Notwendigkeit des Laufens des Verbrennungsmotors benutzt werden. Das System wäre bereit Leistung abzugeben, noch ehe der Fahrer sie tatsächlich anfordern kann. Im Falle des HEF der bevorzugten Ausführungsform verbraucht ein "Fehlstart" des Motors/Generators 22 wenig Energie und ist möglicherweise nicht bemerkbar.
Andere Fahrzeugbedingungen und Steuerungsparameter können bei künftigen Antizipatorstrategien beachtet werden. Auch können zur Verbesserung des Gesamtfahrverhaltens des Systems komplexere Funktionen als die hier beschriebenen einfachen linearen Abhängigkeiten benutzt werden.

Claims (8)

1. Ein Steuerungssystem für den Antriebsstrang eines ein Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEF), das umfasst:
eine Antriebsstrangquelle, bestehend aus einem inneren Verbrennungsmotor (IVM) und einem elektrischen Traktionsmotor/Generator (Elektromotor) und einer Trennkupplung zwischen dem IVM und dem Elektromotor;
einen Fahrzeugsystemregler (FSR);
einen Regler innerhalb des FSR, einschließlich eines Antriebskraftreglers für den IVM, wobei Verbrennungsmotormoment und Ein-/Aus-Zustand des Verbrennungsmotors gesteuert werden;
einen Regler innerhalb des FSR, einschließlich eines Antriebskraftreglers für den Elektromotor, wobei Verbrennungsmotormoment und Ein-/Aus-Zustand des Elektromotors gesteuert werden;
eine Überwachung zur Überwachung von Fahrzeugsystemvariablen und ihrer Veränderung;
eine Antizipatorstrategie, bestehend aus einer mathematischen Funktion einer vorbestimmten Menge von Systemvariablen, bei der die Fahreranforderung vorweggenommen wird.
2. Das Steuerungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Hybridfahrzeug ein Parallel-Hybrid-Elektrofahrzeug ist.
3. Das Steuerungssystem nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einer Fahrzeugzustandsmaschine zum Anlassen und Abstellen des Verbrennungsmotors auf der Grundlage einer mathematischen Funktion, wobei Fehlstarts des Verbrennungsmotors wegen zu frühen Anlassens des Verbrennungsmotors und Leistungslücken durch nicht zu frühes Anlassen des Verbrennungsmotors reduziert oder eliminiert werden.
4. Das Steuerungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Fahrzeugsystemvariablen umfassen:
Fahrzeuggeschwindigkeit;
Gaspedalstellung;
Stellung der Bremse;
Fahrzeugmasse;
Fahrzeuganstiegswinkel und
Fahrzeugabstiegswinkel.
5. Eine Methode zur Steuerung für den Antriebsstrang eines Hybrid-Elektrofahrzeug (HEF), umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Momentes von der Antriebsstrangquelle, bestehend aus innerem Verbrennungsmotor (IVM) und einem elektrischen Traktionsmotor/Generator (Elektromotor);
Regelung des Fahrzeugsystems (FSR);
Trennen einer Kupplung zwischen dem IVM und dem Elektromotor;
innerhalb des FSR Regeln eines Antriebskraftreglers für den IVM, wobei Verbrennungsmotormoment und Ein-/Aus-Zustand des Verbrennungsmotors gesteuert werden;
innerhalb des FSR Regeln eines Antriebskraftreglers für den Elektromotor, wobei Elektromotormoment und Ein-/Aus-Zustand des Elektromotors gesteuert werden;
Überwachung von Fahrzeugsystemvariablen und ihrer Veränderung;
Vorwegnahme der Fahreranforderung unter Anwendung einer mathematischen Funktion einer Menge vorbestimmter Systemvariablen.
6. Die Methode nach Anspruch 5, bei der das Hybridfahrzeug ein Parallel-Hybrid- Elektrofahrzeug ist.
7. Die Methode nach Anspruch 5, weiter beinhaltend Anlassen und Abstellen des Verbrennungsmotors mit Verwendung einer Fahrzeugzustandsmaschine auf der Grundlage einer mathematischen Funktion, wobei Fehlstarts des Verbrennungsmotors wegen zu frühen Anlassens des Verbrennungsmotors und Leistungslücken durch nicht zu frühes Anlassen des Verbrennungsmotors reduziert oder eliminiert werden.
8. Die Methode nach Anspruch 5, bei der die Fahrzeugsystemvariablen umfassen:
Fahrzeuggeschwindigkeit;
Gaspedalstellung;
Stellung der Bremse;
Fahrzeugmasse;
Fahrzeugsteigungswinkel und
Fahrzeugneigungswinkel.
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