DE102007049253B4 - Method for controlling a power split transmission - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Steuerung eines leistungsverzweigenden Getriebes, welches einen Verbrennungsmotor und wenigstens zwei über Getriebestufen mechanisch angekoppelte Elektromaschinen (E1, E2) aufweist, welche derart im Leistungsfluss des Getriebes angeordnet sind, dass das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch das von der jeweiligen Elektromaschine (E1, E2) aufgebrachte Drehmoment und/oder deren Drehzahl bestimmt wird und die Elektromaschinen (E1, E2) über die Getriebeelemente gekoppelt sind, wobei die Steuerung von Drehmoment und/oder Drehzahl der Elektromaschinen (E1, E2) mit folgenden Verfahrensschritten erfolgt:
- auf Basis wenigstens eines aktuellen Betriebsparameters der Elektromaschinen wird für die Steuerung der Elektromaschinen (E1, E2) eine als führende Elektromaschine (E1/E2) ausgewählt, wobei die führende Elektromaschine auf Basis von deren Drehzahlistsignal (Dz_E1/2_ist) ausgewählt wird, wobei jeweils die mit höherer Drehzahl betriebene Elektromaschine (E1/2) als führende gewählt wird
- ausgehend von dem Fahrerwunsch erfolgt anhand von Verbrauchs- und/oder Leistungskriterien eine Ermittlung der optimalen Drehzahl des Verbrennungsmotors (Dz_Vm_opt)
- basierend auf dem Fahrerwunsch und der Drehzahl des Verbrennungsmotors (Dz_Vm_ist) wird ein Drehmoment- (Dm_E1/2_soll) und/oder ein Drehzahlsollwert für die als führend festgelegte Elektromaschine gebildet, wobei die Sollwertermittlung für die folgende Elektromaschine mittels einer Leistungsbetrachtung unter Berücksichtigung der durch die Elektromaschinen lieferbaren Drehzahl bzw. des Drehmomentes erfolgt.
Method for controlling a power-splitting transmission which has an internal combustion engine and at least two electric machines (E1, E2) mechanically coupled via gear stages, which are arranged in the power flow of the transmission in such a way that the transmission ratio of the transmission through that of the respective electric machine (E1, E2) applied torque and / or the rotational speed is determined and the electric machines (E1, E2) are coupled via the transmission elements, wherein the control of torque and / or rotational speed of the electric machines (E1, E2) is carried out with the following method steps:
on the basis of at least one current operating parameter of the electric machines, one is selected as the leading electric machine (E1 / E2) for controlling the electric machines (E1, E2), the leading electric machine being selected on the basis of their speed signal (Dz_E1 / 2_act), respectively the higher speed electric machine (E1 / 2) is selected as the leading one
- Based on the driver's request based on consumption and / or performance criteria, a determination of the optimal speed of the internal combustion engine (Dz_Vm_opt)
based on the driver's request and the speed of the internal combustion engine (Dz_Vm_ist), a torque (Dm_E1 / 2_soll) and / or a speed setpoint for the set as leading electric machine is formed, wherein the target value determination for the following electric machine by means of a performance consideration taking into account by the Electric machines available speed or torque occurs.
Description
Vorbekannt sind Getriebe, welche mittels einer Kombination aus mechanischen Getriebeelementen und einer wenigstens teilelektrischen Übertragung des Leistungsflusses die Übersetzung zwischen dem Ein- und Ausgang eines Getriebes stufenlos regeln.Previously known are transmissions which continuously regulate the ratio between the input and output of a transmission by means of a combination of mechanical transmission elements and an at least partially electrical transmission of the power flow.
Ein Beispiel für ein derartiges Getriebe ist in der Schrift
Das Getriebe ist hinsichtlich seiner Übersetzung stufenlos elektrisch einstellbar und kann durch einen Energiespeicher im elektrischen Zweig mit Energiegewinnung bzw. der Abgabe von elektrischer Energie aus dem Speicher arbeiten, so dass das Getriebe für den Einsatz in einem Hybridfahrzeug die Funktionen der Rekuperation sowie des Boostens beim Beschleunigen erfüllen kann. Ein rein elektrisches Fahren ist bei Speisung der Elektromaschinen aus dem Energiespeicher ebenfalls möglich.The transmission is infinitely electrically adjustable in terms of its translation and can work by energy storage in the electrical branch with energy production and the delivery of electrical energy from the memory, so that the transmission for use in a hybrid vehicle, the functions of recuperation and boost during acceleration can fulfill. A purely electric driving is also possible when feeding the electric machines from the energy storage.
Die Steuerung für ein derartiges Getriebe ist aufgrund der komplexen Zusammenhänge aufwändig. Möglich ist die getrennte Regelung der Verbrennungskraftmaschine und der die Übersetzung steuernden Elektromaschinen. Eine getrennte Regelung der beiden Elektromaschinen und der Verbrennungskraftmaschine, welche über die Sollwertvorgaben eines Steuergerätes gesteuert wird, ist in der
Gemäß der
Gemäß der
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfachen Regelalgorithmus bereitzustellen, der für ein leistungsverzweigendes Getriebe eine flexible Steuerung der Übersetzung über die Ansteuerung wenigstens zweier Elektromaschinen erlaubt.The object of the invention is therefore to provide a simple control algorithm that allows for a power-splitter transmission flexible control of the translation via the control of at least two electric machines.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird ein leistungsbasierter Ansatz genutzt, wobei die Berechnung der Stellgrößen für die Elektromaschinen derart gekoppelt erfolgt, dass ausgehend von einer als führend festgelegten Elektromaschine eine Berechnung der Drehzahl und/oder des Drehmoments beider Elektromaschinen gemeinsam erfolgt. In einfacher Weise werden elektrische und mechanische Stellgrößenbeschränkungen für die Berechnung der Sollwerte berücksichtigt.Advantageously, according to the invention, a performance-based approach is used, wherein the calculation of the manipulated variables for the electric machines takes place in such a way that, starting from an electric machine specified as leading, a calculation of the rotational speed and / or the torque of both electric machines takes place together. In a simple way, electrical and mechanical manipulated variable restrictions are taken into account for the calculation of the setpoint values.
Das Verfahren zur Steuerung eines leistungsverzweigenden Getriebes geht von einer Konfiguration aus, bei welcher ein Verbrennungsmotor und wenigstens zwei über Getriebestufen mechanisch angekoppelte Elektromaschinen vorhanden sind, wobei die Elektromaschinen im Leistungsfluss des Getriebes derart angeordnet sind, dass das Übersetzungsverhältnis des Getriebes durch das von der jeweiligen Elektromaschine aufgebrachte Drehmoment und/oder deren Drehzahl bestimmt wird und die Elektromaschinen über die Getriebeelemente miteinander gekoppelt sind. Mit der Festlegung der Drehzahl einer Elektromaschine und der Drehzahl des Abtriebes ist das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmt. Es kann sich dabei in vorteilhafter Weise um ein 4-Wellen-Leistungsverzweigungsgetriebe mit einer technischen Ausführung analog dem in der
Die Steuerung des beschriebenen Getriebes erfolgt derart, dass auf Basis eines aktuellen Betriebsparameters der Elektromaschinen beispielsweise der Drehzahl für die Steuerung der Elektromaschinen eine der Elektromaschinen als für die Berechnung der Sollwerte führende Elektromaschine ausgewählt wird. Die Drehzahlsignale der Elektromaschinen liefern eine leicht messbare Information über den Betriebszustand der Maschinen. Elektromaschinen weisen in Bereichen mit kleinen Drehzahlen eine starke Änderung des Wirkungsgrades auf, wodurch Regelungssysteme mit Elektromaschinen bei kleinen Drehzahlen eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems können die Maschinen ihre Drehrichtung wechseln. Findet bei einer Elektromaschine ein solcher Nulldurchgang statt, weist die andere Elektromaschine prinzipbedingt eine höhere Drehzahl auf. Es erweist sich als günstig, bei solchen Betriebspunkten die Maschine mit höherer Drehzahl als Führende zu verwenden, da das System auf Stellgrößenänderungen somit weniger empfindlich reagiert. Das Drehzahlsignal ist für die Auswahl der führenden Elektromaschine demzufolge besonders geeignet. Bestimmend für die Getriebesteuerung ist der Fahrerwunsch. Ausgehend von dem vom Fahrer gewünschten Drehmoment, welches beispielsweise mit der Stellung des Pedalwertgebers erfasst wird, erfolgt anhand von Verbrauchs- und/oder Leistungskriterien eine Ermittlung der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Hier kann beispielsweise aus dem Verbrauchskennfeld für den Motor ein Bestpunkt ausgewählt werden und der Verbrennungsmotor wird dann mit einer verbrauchsoptimalen Drehzahl angesteuert. Mit der vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsmotors wird ein Drehmoment- und/oder Drehzahlsollwert für die als führend festgelegte Elektromaschine gebildet, wobei die Sollwertermittlung für die folgende Elektromaschine mittels einer Leistungsbetrachtung unter Berücksichtigung des durch die Elektromaschinen im aktuellen Drehzahlbetriebspunkt lieferbaren Drehmomentes erfolgt.The control of the described transmission takes place in such a way that, on the basis of a current operating parameter of the electric machines, for example the rotational speed for the control of the electric machines, one of the electric machines is selected as the electric machine leading to the calculation of the desired values. The speed signals of the electric machines provide easily measurable information about the operating state of the machines. Electric machines have a large change in efficiency in low-speed areas, making control systems with electric machines highly sensitive at low speeds. When operating the system according to the invention, the machines can change their direction of rotation. If such a zero crossing takes place in an electric machine, the other electric machine inherently has a higher speed. It proves to be convenient to use the machine at higher speeds than leaders in such operating points, since the system reacts to manipulated variable changes thus less sensitive. The speed signal is therefore particularly suitable for the selection of the leading electric machine. Determining for the transmission control is the driver's request. Based on the torque desired by the driver, which is detected for example with the position of the pedal, takes place based on consumption and / or performance criteria, a determination of the speed of the engine. Here, for example, from the consumption map for the engine a best point can be selected and the engine is then driven with a consumption-optimal speed. With the predetermined speed of the internal combustion engine, a torque and / or speed setpoint for the set as leading electric machine is formed, wherein the target value determination for the following electric machine by means of a performance consideration taking into account the deliverable by the electric machines in the current speed operating point torque.
Für einen elektrisch ausgeglichenen Betrieb wird im Regelverfahren ausgehend von der führenden Elektromaschine die von dieser abgegebene oder aufgenommene Leistung gleich der von der folgenden aufgenommenen oder abgegebenen Leistung gesetzt. Die Leistungswerte sind dabei hinsichtlich ihres Betrages gleich, aber wurden mit unterschiedlichen Vorzeichen berechnet.For electrically balanced operation, starting from the leading electric machine, the power output or absorbed by the leading electric machine is set equal to the power consumed by the following one. The performance values are the same in terms of their amount, but were calculated with different signs.
Erfindungsgemäß vorteilhaft werden die Betriebsarten Boosten, Assisten, Rekuperieren und Laden über die Verstimmung des Leistungsgleichgewichtes der beiden Elektromaschinen realisiert. Bei der Betriebsart Boosten (Unterstützung des Verbrennungsmotors bei Volllast) und Assisten (Unterstützung des Verbrennungsmotors in Betriebsbereichen außerhalb der Volllast) erfolgt eine Energieentnahme aus dem Energiespeicher, während beim Rekuperieren (Rückgewinnung von Bremsenergie) und beim Energiespeicher laden ein Energiezufluss zum Energiespeicher stattfindet. In einfacher Weise kann mit der Verstimmung des Leistungsgleichgewichtes eine Sollwertsteuerung für diese Betriebsbereiche realisiert werden. Soll der Energiespeicher aufgeladen werden, so wird das Leistungsgleichgewicht der Elektromaschinen dahingehend verstimmt, dass ein positiver Leistungsüberschuss erzeugt wird. Die generatorisch betriebene Elektromaschine erzeugt dabei mehr Leistung, als von der motorisch betriebenen verbraucht wird. Dabei entsteht ein Generatormoment, welches zu einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses führen würde. Der Drehzahlregler für den Verbrennungsmotor versucht, diese Regeldifferenz abzubauen und vergrößert je nach Anwendungsfall den Drosselklappenwinkel oder die Einspritzmenge. Dieses kommt einer Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors gleich. Der Energieüberschuss wird dann dem Energiespeicher zugeführt. Im umgekehrten Fall, dass ein zusätzliches Antriebsmoment erzeugt werden soll, wird die Leistungsaufnahme der folgenden Elektromaschine größer gesetzt, als die Leistung, welche die führende Elektromaschine generiert. Die zusätzliche Energie wird dabei vom Energiespeicher abgenommen.Advantageously, according to the invention, the operating modes boost, assist, recuperation and charging are realized via the detuning of the power balance of the two electric machines. In Boost operating mode (support of the combustion engine at full load) and assistants (support of the combustion engine in operating ranges outside full load), energy is drawn from the energy store, while during recuperation (regeneration of braking energy) and energy storage, an energy flow to the energy store takes place. In a simple way, a setpoint control for these operating ranges can be realized with the detuning of the power balance. If the energy storage to be charged, the power balance of the electric machines is detuned to the effect that a positive power surplus is generated. The generator-operated electric machine generates more power than is consumed by the motor-driven. This results in a generator torque, which would lead to a change in the transmission ratio. The speed controller for the internal combustion engine tries to reduce this control difference and increases depending on the application, the throttle angle or the injection quantity. This is equal to a load point increase of the internal combustion engine. The energy surplus is then supplied to the energy store. In the reverse case, that an additional drive torque is to be generated, the power consumption of the following electric machine is set greater than the power that generates the leading electric machine. The additional energy is taken from the energy storage.
In einer einfachen Ausprägung des Auswahlalgorithmus der führenden Elektromaschine wird diese anhand des Drehzahlsignals bestimmt, wobei immer die Elektromaschine mit höherer Drehzahl als die Führende gewählt wird. Es wird damit vermieden, dass eine Elektromaschine im Nulldurchgang der Drehzahl bei Drehrichtungsumkehr die Basis für die Berechnung der Sollwerte bildet. In einer Weiterbildung des Verfahrens kann eine Umschaltung zwischen führender und folgender Elektromaschine erfolgen, wenn die führende Elektromaschine eine untere Drehzahlschwelle erreicht und die Drehzahl der folgenden Elektromaschine über dieser Schwelle liegt. Die Umschaltung erfolgt daher lediglich dann, wenn sich die führende Elektromaschine dem Drehzahlnullpunkt nähert.In a simple form of the selection algorithm of the leading electric machine, this is determined on the basis of the speed signal, with the electric machine always being selected at a higher speed than the leading one. It is thus avoided that an electric machine forms the basis for the calculation of the setpoint values when the rotational speed is reversed at the zero crossing of the rotational speed. In a further development of the method, a switch between leading and following electric machine can take place when the leading electric machine reaches a lower speed threshold and the speed of the following electric machine is above this threshold. The switchover therefore only takes place when the leading electric machine approaches the speed zero point.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet in vorteilhafter Weise eine Berücksichtigung der elektrischen und mechanischen Grenzen der Elektromaschinen. Ausgehend vom Drehzahlistwert und dem Drehmomentsollwert der führenden Elektromaschine wird deren abzugebende bzw. aufzunehmende mechanische Leistung berechnet und mit dem Wirkungsgrad der Elektromaschine in eine abzugebende bzw. aufzunehmende elektrische Leistung gewandelt. Anhand eines Schwellwertes der maximalen elektrischen Leistung bei der momentan anliegenden Drehzahl wird die elektrische Leistung bei Überschreiten des Schwellwertes auf deren Maximalwert begrenzt. Nachfolgend wird für die Betriebsart im elektrisch ausgeglichenen Betrieb ohne Energiespeicherung die aufzunehmende bzw. abzugebende elektrische Leistung der folgenden Elektromaschine gleich der abzugebenden bzw. aufzunehmenden elektrischen Leistung der führenden Elektromaschine gesetzt, wobei diese betragsmäßig gleich, jedoch deren Vorzeichen unterschiedlich ist und aus dem so ermittelten Sollwert der elektrischen Leistung und dem Drehzahlistwert der folgenden Elektromaschine das abzugebende Drehmoment berechnet wird, wobei auf Basis des elektromaschinenspezifisch festgelegten maximalen mechanischen Drehmoments unter Beachtung der Istdrehzahl der Elektromaschine eine Prüfung erfolgt, ob die folgende Elektromaschine das geforderte Drehmoment umsetzen kann und das Drehmoment bei Überschreitung des Grenzwertes auf das maximale Drehmoment begrenzt wird. Ausgehend vom max. Drehmoment erfolgt mit dem Drehzahlistwert der folgenden Elektromaschine eine Umrechnung in die geforderte elektrische Leistung der folgenden Elektromaschine. Die so berechnete Führungsgröße der elektrischen Leistung wird mit umgekehrten Vorzeichen (betragsmäßig identisch) gleichfalls als Sollwert der elektrischen Leistung der führenden Elektromaschine vorgegeben. Erfindungsgemäß wird damit der Vorteil erzielt, dass die Stellgrößenbeschränkungen der Elektromaschinen bei der Sollwertvorgabe berücksichtigt werden. Durch den Rechenpfad über beide Elektromaschinen, welche als Ausgangspunkt die führende Elektromaschine betrachtet und mit der Stellgrößenbeschränkung dieser und der Folgenden wieder auf die Führende zurückrechnet, wird sichergestellt, dass beide Elektromaschinen die geforderte abzugebende bzw. aufzunehmende Leistung umsetzen können. Gleichzeitig wird ein elektrisch ausgeglichener Betrieb realisiert.The method according to the invention advantageously includes consideration of the electrical and mechanical limits of the electric machines. Based on the actual speed value and the torque setpoint of the leading electric machine, the mechanical power to be delivered or absorbed is calculated and converted into a power output to be delivered or absorbed by the efficiency of the electric machine. Based on a threshold value of the maximum electric power at the currently applied speed, the electric power is limited to the maximum value when the threshold value is exceeded. Subsequently, for the operating mode in electrically balanced operation without energy storage, the electrical power of the following electric machine to be dispensed or set is set equal to the electric power of the leading electric machine to be dispensed or received, which is equal in magnitude, but whose sign is different and from the desired value thus determined the electric power and the speed actual value of the following electric machine, the torque to be delivered is calculated, based on the electric machine-specific maximum torque determined taking into account the actual speed of the electric machine, a check whether the following electric machine can convert the required torque and torque when exceeding the limit is limited to the maximum torque. Starting from the max. Torque takes place with the speed actual value of the following electric machine, a conversion into the required electrical power of the following electric machine. The reference variable of the electric power calculated in this way is also specified with the opposite sign (identical in terms of amount) as the desired value of the electrical power of the leading electric machine. According to the invention, the advantage is achieved that the manipulated variable limitations of the electric machines are taken into account in the setpoint specification. By the computing path on both electric machines, which considered as the starting point of the leading electric machine and with the manipulated variable limiting this and the following back to the leader, it is ensured that both electric machines can implement the required to be given or absorbed power. At the same time an electrically balanced operation is realized.
In vorteilhafter Weiterbildung wird ausgehend von den elektrischen Leistungen der Elektromaschinen mit dem jeweiligen Istwert der Drehzahl das abzugebende bzw. aufzunehmende Drehmoment der jeweiligen Elektromaschine berechnet und mit einer geeigneten unterlagerten Regelung eingestellt.In an advantageous development, starting from the electric powers of the electric machines with the respective actual value of the speed, the torque of the respective electric machine to be dispensed or to be picked up is calculated and set with a suitable subordinate control.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.The inventive method will be described below with reference to an embodiment.
Hierbei zeigt
Parallel zur Sollwertvorgabe für den Verbrennungsmotor werden anhand der getriebespezifischen Zwangsbedingungen aus dem gewünschten Radmoment Dm_Rad_Soll und den Drehzahlen aller Getriebewellen in einer Vorsteuerung
Die Elektromaschinensteuerung
Für den Fall, dass die Elektromaschine
In einer Erweiterung für einen Betrieb mit einem Energiespeicher wird das Verhältnis der geforderten elektrischen Leistungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leistungsinterpreterpower interpreter
- 22
- Drosselklappenreglerthrottle controller
- 33
- DrehzahlreglerSpeed governor
- 44
- Vorsteuerungfeedforward
- 55
- ElektromaschinensteuerungElectric machine control
- 66
- Energiemanagementenergy management
- S_1...4S_1 ... 4
- Verzweigung der BerechnungBranching of the calculation
- PWGPWG
- Signal PedalwertgeberSignal pedal encoder
- v_Fzgv_Fzg
- Fahrzeuggeschwindigkeitvehicle speed
- Dm_Rad_sollDm_Rad_soll
- gewünschtes Radmomentdesired wheel torque
- Dm_Rad_istDm_Rad_ist
- Istwert des RadmomentesActual value of the wheel torque
- Dz_Vm_optDz_Vm_opt
- Optimaldrehzahl VerbrennungsmotorOptimum engine speed
- Dz_Vm_istDz_Vm_ist
- Istdrehzahl VerbrennungsmotorActual speed internal combustion engine
- E1, E2E1, E2
- Elektromaschinenelectric machines
- Dz_E1/2_istDz_E1 / 2_ist
-
Istwert der Drehzahl der Elektromaschine
E1 bzw.E2 Actual value of the speed of the electric machineE1 or.E2 - Dz_E1/2_sollDz_E1 / 2_soll
-
Sollwert der Drehzahl der Elektromaschine
E1 bzw.E2 Setpoint of the speed of the electric machineE1 or.E2 - Dm_E1/2_vDm_E1 / 2_v
- Drehmomentsollwert der Elektromaschinen aus der VorsteuerungTorque setpoint of the electric machines from the pilot control
- Dm_E1/2_sollDm_E1 / 2_soll
-
Sollwert des Drehmoments der Elektromaschine
E1 bzw.E2 am Eingang der Elektromaschinensteuerung 5Setpoint of the torque of the electric machineE1 or.E2 at the entrance of theelectric machine control 5 - P_E1/2_wP_E1 / 2_w
- gewünschte elektrische Leistungsaufnahme / -abgabe begrenzt auf Basis der Istdrehzahl und des elektromaschinenspezifischen Leistungsvermögensdesired electrical power consumption / output limited based on the actual speed and the power-specific capacity
- Dm_E1/2_intDm_E1 / 2_int
- berechnetes, internes Drehmoment begrenzt auf Basis der Istdrehzahl und des elektromaschinenspezifischen Leistungsvermögenscalculated internal torque limited based on the actual speed and the electromechanical performance
- P_E1/2_gefP_E1 / 2_gef
- geforderte abgegebene/aufgenommene el. Leistung der Elektromaschine am Ausgang der Elektromaschinensteuerungrequired delivered / recorded el. Power of the electric machine at the output of the electric machine control
- Dm_E1/2_gefDm_E1 / 2_gef
- gefordertes Drehmoment der Elektromaschinen am Ausgang der ElektromaschinensteuerungRequired torque of the electric machines at the output of the electric machine control
- U_Battu_Batt
- Batteriespannungbattery voltage
- P_Add_1/2P_Add_1 / 2
- Leistungsbeitragpower contribution
- Pos_ThrottlePos_Throttle
- Drosselklappenpositionthrottle position
- Dz_Rad_istDz_Rad_ist
- Istdrehzahl des RadesActual speed of the wheel
- phiphi
- Wirkungsgradefficiency
Claims (7)
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