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DE102014202103B4 - Verfahren und Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges - Google Patents

Verfahren und Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges Download PDF

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DE102014202103B4
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Christian Wimmer
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit einer elektronischen Steuereinheit (5), mit einer einer ersten Achse (VA) zugeordneten ersten Antriebseinheit (1) und mit einer einer zweiten Achse (HA) zugeordneten zweiten Antriebseinheit (3), wobei die Antriebseinheit (1) der ersten Achse (VA) ein Elektromotor (1) ist und wobei die Antriebseinheit (3) der zweiten Achse (HA) ein Verbrennungsmotor (3) ist, wobei mittels des Verbrennungsmotors (3) eine Lastpunktanhebung (mLPA) vornehmbar ist, durch die ein Energiespeicher (7) zum Betrieb des Elektromotors (1) der ersten Achse (VA) aufladbar ist während der Elektromotor (1) der ersten Achse (VA) generatorisch betrieben wird, und wobei in der Steuereinheit (5) ein Funktionsmodul (LA) zur Begrenzung der Lastpunktanhebung (mLPA) enthalten ist, das zwei Funktions-Anteile dergestalt aufweist, dass- im ersten Funktions-Anteil (1. „Grundniveau“) abhängig vom Lenkwinkel und von der Fahrzeuggeschwindigkeit eine maximal zulässige Obergrenze (mRadlastBasis) für das Lastanhebungsmoment unter optimalen Traktionsverhältnissen (Hochreibwert) ermittelbar ist und- im zweiten Funktions-Anteil (2. „Adaption“) eine bedarfsweise momentreduzierende Anpassung (k*µmax HA) der vorher bestimmten Obergrenze (mRadlastBasis) an traktionsverschlechternde Umwelteinflüsse vornehmbar ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit einer elektronischen Steuereinheit, mit einer einer ersten Achse (z. B. Vorderachse) zugeordneten ersten Antriebseinheit (z. B. Elektromotor) und mit einer einer zweiten Achse (z. B. Hinterachse) zugeordneten zweiten Aritriebseinheit (z. B. Verbrennungsmotor oder Verbrennungsmotor und Elektromotor).
  • Verschiedene Verfahren zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges sind beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen 10 2010 014 971 A1 , 10 2011 856 168 A1 , 10 2012 211 920 , 10 2013 208 965 oder 10 2013 219 085 beschrieben.
  • Die deutsche Patentanmeldung 10 2012 211 920 geht bereits von einem sogenannten straßengeköppelten Hybridfahrzeug mit mindestens einem Primärmotor (z. B. Elektromotor), der als Antriebsmotor auf eine erste Achse des Hybridfahrzeugs wirkt, und mit einem Sekundärmotor (z.B. Verbrennungsmotor), der als Antriebsmotor auf eine zweite Achse des Hybridfahrzeugs wirkt, aus. Dabei sind der Primär- und der Sekundärmotor nicht über eine Kupplung, sondern lediglich über die Räder durch die Straße antriebsbezogen gekoppelt. Derartige straßengekoppelte Hybridfahrzeuge werden auch als „Axle-Split“-Hybridfahrzeuge bezeichnet. Vorzugsweise wird dabei als Primärmotor ein Elektromotor und als Sekundärmotor ein Verbrennungsmotor verwendet.
  • Die deutschen Patentanmeldungen 10 2012 211 920 und 10 2013 208 965 beschäftigen sich mit Verfahren zum Zuschalten des Sekundärmotors.
  • Die DE 102005044828 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes bei Hybridfahrzeugen. Dabei werden insbesondere neben dynamischen Effekten auch Fahrstabilitäts- und Getriebeeingriffe des Fahrzeuges berücksichtigt. Die Ermittlung des optimalen Betriebspunktes geschieht folgendermaßen: in einem ersten Schritt werden mit Hilfe eines abgespeicherten Kennfeldes erste Koordinaten ermittelt und in einem darauf folgenden zweiten Schritt werden diese Koordinaten unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens optimiert.
  • Die Offenlegungsschrift DE 102008035451 A1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung eines Hybridfahrzeuges mittels einer Steuerung der Leistungsabgabe des Elektromotors derart, dass eine Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors auf einen für dessen Betriebszustand optimalen Lastpunkt gesteuert wird. Dabei bleibt die Gesamtleistung des Hybridfahrzeuges konstant. Es kann durch Einsatz des Elektromotors als Generator zum Aufladen von elektrischen Speichern des Hybridfahrzeuges die Gesamtleistung des Fahrzeuges erhöht werden. Hierbei wird der Lastpunkt des Verbrennungsmotors so geregelt, dass dieser so verbrauchsarm wie möglich betrieben werden kann.
  • Die Offenlegungsschrift DE 102006034933 A1 beschreibt ein Verfahren zum optimierten Steuern und Kontrollieren eines Hybridfahrzeuges, wobei sowohl eine Fahrkomforterhöhung als auch Verbrauchsvorteile erzielt werden können. Je nach Betriebsmodus, welcher durch bestimmte Sensoren (z.B. Straßentyp, Verkehrssituation, Geländetyp, Fahrzeuggeschwindigkeit, Straßensteigung, Ladezustand) erfasst wird, wird die Lastpunktanhebung flexibel kontrolliert und gesteuert.
  • Die WO 2009/021913 A2 beschreibt ein Verfahren zur Lastpunktverschiebung im Hybridbetrieb bei einem parallelen Hybridfahrzeug, durch dessen Durchführung ein verbrauchsgünstiger Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und ein optimaler Ladezustand des Energiespeichers einstellbar ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Hybridfahrzeug eingangs genannter Art sowohl im Hinblick auf eine reproduzierbare lenkungsbezogene Zielgenauigkeit als auch im Hinblick auf die Fahrstabilität bei Kurvenfahrt zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Antriebsmoments einer einer ersten Achse (z. B. Vorderachse) zugeordneten ersten Antriebseinheit und des Antriebmoments einer einer zweiten Achse (z.B. Hinterachse) zugeordneten zweiten Antriebseinheit. Dabei weist eine Antriebseinheit mindestens einen Elektromotor und die andere Antriebseinheit mindestens einen Verbrennungsmotor auf. Mittels des Verbrennungsmotors und der Steuereinheit wird erfindungsgemäß eine Lastpunktanhebung, durch die aufgrund einer Hybridbetriebsstrategie ein Energiespeicher zum Betrieb des Elektromotors aufgeladen werden soll, mit folgenden zwei Schritten begrenzt:
    • - in einem ersten Schritt wird abhängig vom Lenkwinkel und von der Fahrzeuggeschwindigkeit eine maximal zulässige Obergrenze (Grundniveau) für das Lastanhebungsmoment unter optimalen Traktionsverhältnissen (Hochreibwert) ermittelt und
    • - in einem zweiten Schritt wird bedarfsweise eine momentreduzierende Anpassung der vorher bestimmten Obergrenze an gegebenenfalls vorliegende traktionsverschlechternde Umwelteinflüsse (niedriger Reibwert; Eis, Schnee, Regen, Split usw.) vorgenommen.
  • Die erste Begrenzung auf das Grundniveau dient insbesondere zur Zielgenauigkeit und Kurvenreproduzierbarkeit bei jeweils gleichem Lenkwinkel und gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit. Die zweite gegebenenfalls bedarfsweise weitere Begrenzung dient der Verbesserung der Traktion, der Querführung und des Eigenlenkverhaltens bei Kurvenfahrt in fahrdynamischen Grenzbereichen.
  • Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
    • Bei Hybridfahrzeugen wird häufig das sogenannte Verfahren der „Lastpunktanhebung“ ausgenutzt, um während der Fahrt den Energiespeicher aufzuladen. Bei dem Prinzip der Lastpunktanhebung wird die E-Maschine (Elektromotor) generatorisch betrieben. Zu dem für den Fahrzeugantrieb vom Verbrennungsmotor geforderten Moment wird ein zusätzliches Moment auf die Kurbelwelle aufgebracht. Dabei kann der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors in Bereiche besseren spezifischen Verbrauchs verschoben werden. Im Gegensatz zu einem konventionellen rein verbrennungsmotorischen Antriebsstrang erzeugt hier der Verbrennungsmotor unter angehobener Last mehr Leistung als für den Antrieb des Fahrzeuges notwendig. Diese Mehrleistung wird vom Generator in elektrische Leistung umgewandelt und einem elektrischen Energiespeicher zugeführt. Diese Mehrleistung steht damit für den Antrieb mit der E-Maschine zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Antriebskonzept handelt es sich um einen straßengekoppelten Parallelantrieb („Axle-Split“). Kennzeichnend dafür ist eine Kopplung zwischen E-Maschine auf einer ersten Achse und einem Verbrennungsmotor auf einer anderen Achse ausschließlich über die Straße (keine mechanische oder elektrische Kopplung). Beispielhaft wird in dieser Erfindung eine Ausführung betrachtet, in welcher sich der Verbrennungsmotor an der Hinterachse (HA) und die E-Maschine an der Vorderachse (VA) befinden. Im Unterschied zum ermittelten Stand der Technik bezieht sich die hier aufgeführte Erfindung ausschließlich auf die Kontrolle und Berücksichtigung der fahrdynamischen Zusammenhänge bei der Lastpunktanhebung. Diese wird der effizienzorientierten Ansteuerung nach dem Stand der Technik überlagert und liefert für diese eine Obergrenze.
  • Bei konventionellen, leistungsverzweigten Hybridfahrzeugen, welche sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander gekoppelt sind, ist das umgeschichtete Moment zwischen E-Maschine und Verbrennungsmotor nicht radwirksam (radmomentenneutral), da dieses bereits an der Achse zwischen den beiden Antrieben ausgeglichen wird. Bei einer straßengekoppelten Lastpunktanhebung dagegen, wie sie bei einem „Axle-Split‟-Konzept gegeben ist, ist jedes Moment, welches über die Lastpunktanhebung erzeugt wird, radmomentenwirksam; d.h. es wird über die Kontaktfläche Reifen-Fahrbahn bzw. Fahrbahn-Reifen übertragen. Eine derartige Beeinflussung der Radmomente durch die Lastpunktanhebung hat negative Einflüsse auf die Fahrdynamik. Die Achsen verspannen. Je höher das Moment der Lastpunktanhebung ist, desto schlechter werden die Fahrzeugführungseigenschaften, wie z.B. Zielgenauigkeit in der Kurve bzw. die Kurvenpräzision. Die Lenkkräfte erhöhen sich, zudem steigt der Lenkwinkelbedarf. Die Traktion und Stabilität sinkt maßgeblich, insbesondere auf niedrigem Reibwert.
  • Zur Lösung der oben genannten Probleme der Lastpunktanhebung soll erfindungsgemäß ein Fahrdynamiküberwachungsmechanismus bereit gestellt werden, welcher die Lastpunktanhebung auf ein verträgliches Niveau begrenzt. Eine negative Beeinflussung der Stabilität oder Dynamik wird einschränkt oder sogar ausschaltet.
  • Die erfindungsgemäße Begrenzung der Lastpunktanhebung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen. Der erste Anteil stellt das sogenannte „Grundniveau“ bereit. Abhängig von Lenkwinkel und Geschwindigkeit wird unter optimalen Traktionsverhältnissen (Hochreibwert) eine maximal zulässige Obergrenze ermittelt.
  • Der zweite Anteil stellt eine Adaption (zu niedrigeren Werten) des vorherig bestimmten Grundniveaus an Umwelteinflüsse dar. Die maximale Lastpunktanhebung über die adaptive Begrenzung wird durch eine Minimalauswahl von einem Reibwertmodell (Umwelteinflüsse, Anteil 2) und dem Grundniveau (Anteil 1) gebildet. Dieses lässt sich vorzugsweise durch folgende Funktion beschreiben: MIN ( m RadlastBasis ,  k* μ max HA .
    Figure DE102014202103B4_0001
  • Der Wert mRadlastBasis stellt dabei das Grundniveau (Anteil 1) dar.
    Der Wert k*µmax HA stellt zur Adaption eine skalierte Potentialgröße in Abhängigkeit von Fahrzeugumweltinformationen (z.B. Steigung, Reibwert (nasse, glatte oder mit Schnee bedeckte Fahrbahn), sonstige Fahrwiderstände) dar.
  • Der Wert mRadHA beschreibt das Raddrehmoment an der Hinterachse frei von zusätzlicher Lastpunktanhebungsfunktion.
  • Die jeweiligen Werte dieser Funktion sind im Ausführungsbeispiel noch weiter erläutert und graphisch dargestellt.
  • Damit kann, abhängig von einer bestimmten Fahrsituation, durch Überlagerung bzw. Minimalauswahl der beiden Anteile, ein aus fahrdynamischer Sicht maximal zulässiges Lastpunktanhebungsmoment vorgegeben werden.
  • Es können auch zusätzlich Informationen in die skalierten Informationen (wie z.B. Car2Car Kommunikation, Navigationsinformation, Vorausschauinformation, Umfeldsensorik usw.) für die Bestimmung des 2. Anteils eingebunden werden.
  • Durch eine unaufwändige Applikation eines Fahrdynamiküberwachungssystems kann in kritischen Situationen die Lastpunktanhebung auf ein fahrdynamisch verträgliches Moment begrenzt werden. Dadurch kann insbesondere in derartigen Situationen (z.B. niedriger Reibwert und/oder Kurvenfahrt) die Fahrstabilität gewährleistet bzw. verbessert werden. Zudem kann der Fahrkomfort durch gleichbleibende Lenkeigenschaften verbessert werden.
  • Details der Erfindung werden im hier folgenden Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
    • 1 eine schematische Darstellung eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit den für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Komponenten und
    • 2 eine bildliche Darstellung der wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist ein sogenanntes straßengekoppeltes Hybridfahrzeug mit einem ersten Elektromotor 1 als Primärmotor, der als Antriebsmotor beispielsweise auf die Vorderachse VA wirkt, und mit einem Verbrennungsmotor 3 als Sekundärmotor, der als Antriebsmotor auf die Hinterachse wirkt, dargestellt. Ein zweiter Elektromotor 2 kann zusätzlich zum Verbrennungsmotor 3 vorgesehen sein. Weiterhin kann ein Automatikgetriebe 4 eingangsseitig mit dem Verbrennungsmotor 3 verbindbar sein. Analog ist die Erfindung auch für eine anders angeordnete Reihenfolge der Komponenten 2, 3 und 4 anwendbar; z.B. auch für eine Anordnung, bei der der Elektromotor 2 zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und dem Automatikgetriebe 4 angeordnet ist. Auch könnten bei einem anderen erfindungsgemäßen straßengekoppelten Hybridfahrzeug die Vorderachse VA von einem Verbrennungsmotor und die Hinterachse von einem Elektromotor angetrieben werden. Schließlich weist das Hybridfahrzeug zum Antrieb der Elektromotoren 1 und 2 einen elektrischen Energiespeicher 7 auf, der insbesondere durch einen Momentenüberschuss (Lastpunktanhebung) des Verbrennungsmotors 3 bei generatorischem Betrieb des Elektromotors 2 aufladbar ist.
  • Das Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Hybridfahrzeuges wird durch ein elektronisches Steuergerät 5 durchgeführt, das entsprechende programmierbare Funktionsmodule sowie Verbindungen zu den erforderlichen Sensoren und Aktuatoren aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Funktionsmodul LA („Lastpunktanhebung“) beispielsweise in Form eines Software-Programmteils enthalten, auf dessen Ausgestaltung und Funktionsweise durch die Beschreibung der 2 näher eingegangen wird:
  • 2 zeigt mit der kurz gestrichelten Linie die Achsmomentverteilung bei unbegrenzter Lastpunktanhebung gemäß dem Stand der Technik mit einem Moment mLPA hier an der Hinterachse, wobei M_VA das Antriebsmoment an der Vorderachse und M_HA das Antriebsmoment an der Hinterachse darstellt. Mit dem ersten Funktions-Anteil des Funktionsmoduls LA wird die aus der Betriebsstrategie ermittelte, unbegrenzte Lastpunktanhebung mLPA in einem 1. Signalpfad auf das Grundniveau mRadlastBasis in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkwinkel begrenzt (lang gestrichelten Linie). Diesem Grundniveau mRadlastBasis wird in einem 2. Signalpfad mit dem zweiten Funktions-Anteil des Fünktionsmoduls LA ein Modellgestützter adaptiver Anteil k*µmax HA (hier in weiter begrenzender Weise) überlagert. Dabei wird abhängig von den Umwelteinflüssen ein Reibwertniveau an beiden Achsen berechnet und über dieses Niveau ein Faktor (hier: k) herunter skaliert, bei welchen die endgültige maximale Lastpunktanhebung (fette durchgezogene Linie) stattfinden soll. Das Gesamtmoment aus dem regulärem Vortrieb und der Lastpunktanhebung an der Hinterachse HA ist damit immer unterhalb des zuvor festgelegten skalierten Grenzbereichs. Zum Vergleich ist mit der dünnen durchgezogenen Linie eine Antriebssteuerung ohne Lastpunktanhebung mit einem Moment mRadHA dargestellt.

Claims (3)

  1. Steuervorrichtung zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit einer elektronischen Steuereinheit (5), mit einer einer ersten Achse (VA) zugeordneten ersten Antriebseinheit (1) und mit einer einer zweiten Achse (HA) zugeordneten zweiten Antriebseinheit (3), wobei die Antriebseinheit (1) der ersten Achse (VA) ein Elektromotor (1) ist und wobei die Antriebseinheit (3) der zweiten Achse (HA) ein Verbrennungsmotor (3) ist, wobei mittels des Verbrennungsmotors (3) eine Lastpunktanhebung (mLPA) vornehmbar ist, durch die ein Energiespeicher (7) zum Betrieb des Elektromotors (1) der ersten Achse (VA) aufladbar ist während der Elektromotor (1) der ersten Achse (VA) generatorisch betrieben wird, und wobei in der Steuereinheit (5) ein Funktionsmodul (LA) zur Begrenzung der Lastpunktanhebung (mLPA) enthalten ist, das zwei Funktions-Anteile dergestalt aufweist, dass - im ersten Funktions-Anteil (1. „Grundniveau“) abhängig vom Lenkwinkel und von der Fahrzeuggeschwindigkeit eine maximal zulässige Obergrenze (mRadlastBasis) für das Lastanhebungsmoment unter optimalen Traktionsverhältnissen (Hochreibwert) ermittelbar ist und - im zweiten Funktions-Anteil (2. „Adaption“) eine bedarfsweise momentreduzierende Anpassung (k*µmax HA) der vorher bestimmten Obergrenze (mRadlastBasis) an traktionsverschlechternde Umwelteinflüsse vornehmbar ist.
  2. Steuervorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Begrenzung zur Ermittlung einer endgültigen maximalen Lastpunktanhebung durch eine Minimalauswahl (MIN) aus dem im ersten Funktions-Anteil (1.) ermittelten Grundniveau (mRadlastBasis) und aus einem im zweiten Funktions-Anteil (Adaption) ermittelten Reibwertmodell-Ergebnis (k*µmax HA) zu traktionsbestimmenden Umwelteinflüssen D realisierbar ist.
  3. Verfahren zum Betrieb eines straßengekoppelten Hybridfahrzeuges mit einer Steuervorrichtung (5) zur Steuerung des Antriebsmoments (M_VA) einer einer ersten Achse (VA) zugeordneten ersten Antriebseinheit (1) und des Antriebmoments (M_HA) einer einer zweiten Achse (HA) zugeordneten zweiten Antriebseinheit (3), wobei die Antriebseinheit (1) der ersten Achse (VA) ein Elektromotor (1) ist und wobei die Antriebseinheit (3) der zweiten Achse (HA) ein Verbrennungsmotor (3) ist, wobei mittels des Verbrennungsmotors (3) und der Steuereinheit (5) eine Lastpunktanhebung, durch die ein Energiespeicher (7) zum Betrieb des Elektromotors (1) der ersten Achse (VA) aufgeladen wird während der Elektromotor (1) der ersten Achse (VA) generatorisch betrieben wird, in folgende zwei Schritten begrenzt wird: - in einem ersten Schritt wird abhängig vom Lenkwinkel und von der Fahrzeuggeschwindigkeit eine maximal zulässige Obergrenze (mRadlastBasis) für das Lastanhebungsmoment unter optimalen Traktionsverhältnissen (Hochreibwert) ermittelt und - in einem zweiten Schritt wird bedarfsweise eine momentreduzierende Anpassung (k*µmax HA) der vorher bestimmten Obergrenze (mRadlastBasis) an traktionsverschlechternde Umwelteinflüsse vorgenommen.
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