DE10160480A1 - Verfahren und Einrichtung zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug, zur Herbeiführung optimaler Betriebszustände von Aggregaten des Kraftfahrzeuges sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in einem Modul (6) ein optimaler Betriebszustand (X¶opt¶) für den Aggregateverbund (1) ermittelt wird, das als Eingangsgrößen zumindest die Sollwerte erhält, die durch ein Modul (5) zur Verfügung gestellt werden, nachdem in diesem die von einem Modul (3) ermittelten Größen zusammen mit weiteren Vorgabegrößen zusammengeführt worden sind, sowie den Ist-Betriebszustand (x) von einem Modul (2), nachdem in diesem die Messgrößen (y) zusammengefasst worden sind, die aus der Erfassung des Zustandes der Aggregate des Aggregateverbundes (1) resultieren, und dass nach Ermittlung des optimalen Betriebszustandes (x¶opt¶) für den Aggregateverbund (1) in einem Modul (8) der Soll-Betriebszustand (x¶soll¶) auf der Grundlage des Ist-Betriebszustandes (x) und des optimalen Betriebszustandes (x¶opt¶) ermittelt wird, so dass somit durch dieses Modul ein sanfter Übergang zwischen dem aktuellen Betriebszustand (x) und dem zu erreichenden Betriebszustand (x¶opt¶) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug, so beispielsweise der Antriebsleistung an den Rädern, der Heckscheibenheizung und der Innenraumklimatisierung, zwecks Optimierung von Verbrauch, Komfort, Emissionen und dynamischem Fahrverhalten und damit zur Herbeiführung optimaler Betriebszustände der Aggregate des Kraftfahrzeuges, also der Speichersysteme, Wandler, Transformatoren und der Aggregate zur Dissipation von Energie, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kontinuierlichen Steuerung.
    • Stand der Technik
  • Zur Steuerung von Leistungsflüssen in einem Kraftfahrzeug ist eine Vielzahl von Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren bekannt. So geht beispielsweise aus der DE 197 03 863 A1 ein derartiges Verfahren sowie eine Einrichtung hervor, durch die eine Antriebssteuerung erfolgt, also mechanische Leistungsflüsse im Antrieb des Kraftfahrzeuges gesteuert werden - siehe auch Hötzer, D.: "Entwicklung einer Schaltstrategie für einen PKW mit automatischem Schaltgetriebe", expert verlag, Renningen, 1999. Unabhängig davon, wie diese Verfahren arbeiten, ist ihr Ziel immer eine Minimierung des Kraftstoffverbrauches und eine Optimierung des Fahrverhaltens, was durch koordinierte Steuerung des Verbrennungsmotors und des Fahrzeugantriebes erreicht werden kann.
  • Bekannt sind aber auch Systeme zur Steuerung thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug, insbesondere Systeme zum Thermomanagement und zur Klimaregelung, und Systeme zur Steuerung elektrischer Leistungsflüsse im Bordnetz des Kraftfahrzeuges, wie Systeme zum elektrischen Energiemanagement und zum Verbrauchermanagement, wie beispielsweise aus dem Aufsatz von Schöttle, R. und Schramm, D., "Zukünftige Energiebordnetze im Kraftfahrzeug", Jahrbuch Fahrzeug- und Verkehrstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1997 hervorgeht.
  • Allen bekannten Verfahren und Systemen ist jedoch gemeinsam, dass sie schwerpunktmäßig immer nur eine Energieform der mechanischen, elektrischen oder thermischen Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug in Betracht ziehen und somit die in einem Kraftfahrzeug gegebene physikalische Kopplung zwischen diesen Energieformen im Wesentlichen nicht berücksichtigen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Durch die Erfindung wird ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug zur Optimierung von Verbrauch, Komfort, Emissionen und Fahrverhalten geschaffen, indem durch physikalische Kopplung der Speichersysteme für mechanische, elektrische, thermische und chemische Energie, der Wandler zur Wandlung der Energie zwischen diesen Energieformen, der Wandler zur Wandlung der Energie innerhalb einer der jeweiligen Energieform und der Aggregate zur Dissipation von Energie aller Energieformen alle in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Energieformen berücksichtigt werden.
  • Diese Vorteile werden durch ein Verfahren erreicht, bei dem in einem Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" ein optimaler Betriebszustand xopt für den Aggregateverbund ermittelt wird, das als Eingangsgrößen zumindest die Sollwerte erhält, die durch ein Modul "Generierung Sollgrößen" zur Verfügung gestellt werden, nachdem in diesem die von einem Modul "Erfassung Fahrerwunsch" ermittelten Größen zusammen mit weiteren Vorgabegrößen zusammengeführt worden sind, sowie den Ist-Betriebszustand x von einem Modul "Bestimmung Ist-Betriebszustand", nachdem in diesem die Messgrößen y zusammengefasst worden sind, die aus der Erfassung des Zustandes der Aggregate des Aggregateverbundes resultieren, und dass nach Ermittlung des optimalen Betriebszustandes xopt für den Aggregateverbund in einem Modul "Bestimmung Soll-Betriebszustand" der Soll-Betriebszustand xsoll auf der Grundlage des Ist-Betriebszustandes x und des optimalen Betriebszustandes xopt ermittelt wird, so dass somit durch dieses Modul ein sanfter Übergang zwischen dem aktuellen Betriebszustand x und dem zu erreichenden Betriebszustand xopt erfolgt.
  • Dabei wird der Aggregateverbund durch einen Vektor von Stellgrößen u angesteuert, wobei jedes angesteuerte Aggregat über einen Eingang für Steuersignale verfügt. So steht ume für einen Wandler von mechanischer nach elektrischer Energie. Die Ermittlung des Vektors von Stellgrößen u wird durch ein Modul "Ansteuerung Aggregateverbund" derart ermittelt, dass sich im Aggregateverbund der Betriebszustand xsoll einstellt. Die eigentliche Steuerung der Aggregate des Aggregateverbundes kann jeweils von einer Steuereinheit - ME, EDC, Wechselrichtersteuerung - vorgenommen werden.
  • Während die Messgrößen y, durch die der Zustand der Aggregate des Aggregateverbundes erfasst wird, durch Sensoren direkt ermittelt werden oder aber von Aggregate-Steuereinheiten ermittelt werden können, wenn sie abgeleitete Größen umfassen, werden bei der Zusammenfassung der Messgrößen y und der Ermittlung des Ist-Betriebszustandes x des Aggregateverbundes in dem Modul "Bestimmung Ist-Betriebszustand" physikalische Rechenmodelle zur Beschreibung der Aggregate und damit des Aggregateverbundes herangezogen.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als weitere Vorgabegrößen dem Modul "Generierung Sollgrößen" durch Fahrer-Assistentensyteme, so durch Fahrgeschwindigkeitsregler oder ACC, durch diese ermittelte Größen zugeführt. Da aber auch die in dem Modul "Erfassung Fahrerwunsch" erfassten Größen, die aus dem Wunsch nach einer Antriebsleistung an den Rädern, dem Wunsch nach elektrischer Leistung, die das Bordnetz zum Betrieb elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise Fahrlicht, Heckscheibenheizung und Radio, zur Verfügung stellen muss und dem Wunsch nach thermischer Leistung für die Innenraum-Klimatisierung resultieren, dem Modul "Generierung Sollgrößen" zugeführt werden, werden diese gemeinsam mit den durch die Fahrer-Assistenzsysteme ermittelten Größen in dem Modul "Generierung Sollgrößen" zusammengeführt. Durch dieses werden Sollgrößen für die mechanische Leistung Pm,soll, die elektrische Leistung Pe,soll und für die thermische Leistung Pt,soll ermittelt.
  • Zwecks Ermittlung eines optimalen Betriebszustandes xopt werden dem Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" darüber hinaus aber auch mittels eines Parameter-Vektors a nach Erfassung durch ein weiteres Modul Informationen über den Fahrertyp, die Fahrsituation und über Umweltgrößen zur Verfügung gestellt.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden zur Ermittlung des optimalen Betriebszustandes xopt im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" in Echtzeit während des Fahrbetriebes mehrere mögliche Betriebszustände xk bestimmt, so dass der Aggregateverbund die geforderte mechanische Leistung Pm,soll, die geforderte elektrische Leistung Pe,soll und die geforderte thermische Leistung Pt,soll bereitstellt. Dabei werden die Betriebszustände xk, so gewählt, dass sie die physikalischen Kopplungen, die Grenzen der Speichersysteme und die Kapazität der Aggregate erfüllen, wobei für jeden Betriebszustand xk ein generalisierter Verbrauch V nach der Rechenvorschrift

    V = εc.νc(a).dEc/dt +
    εm.νm(a).dEm/dt +
    εe.νe(a).dEe/dt +
    εt.νt(a).dEt/dt

    bestimmt wird.
  • Ebenso wird für jeden Betriebszustand xk der Wert einer Gütefunktion Γ nach den Rechenvorschriften

    G(x) = γ1(a).G1(x) + γ2(a).G2(x) +
    γ3(a).G3(x) + γ4(a).G4(x) +
    γ5(a).G5(x) + γ6(a).G6(x) +
    γ7(a).G7(x) + γ8(a).D8(x)

    und

    Γ(x) = V(x) - G(x) + ΔP(x)

    bestimmt, wobei der Betriebszustand xk, für den die Gütefunktion Γ einen minimalen Wert annimmt, als der optimale Betriebszustand xopt bestimmt wird.
  • Zur Ermittlung des optimalen Betriebszustandes xopt im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" kann alternativ als zweite Variante aber auch ein Verfahrensschritt realisiert werden, gemäß dem in Offline- Optimierungsrechnungen für jede Fahrzeuggeschwindigkeit v und für jede geforderte Kombination aus geforderter mechanischer Leistung Pm,soll, geforderter elektrischer Leistung Pe,soll und geforderter thermischer Leistung Pt,soll der optimale Betriebszustand xopt ermittelt wird, der die Gütefunktion Γ minimiert, wobei die Ermittlung für verschiedene Werte des Parameters a erfolgt. Der optimale Betriebszustand xopt wird in einem im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" implementierten, mehrdimensionalen Kennfeld abgelegt, das die Eingangsgrößen v, Pm,soll, Pe,soll, Pt,soll und a besitzt, wobei die Ausgangsgröße der optimale Betriebszustand xopt ist.
  • Zur Durchführung des Verfahrens zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug sieht die Erfindung weiterhin eine Einrichtung vor, bei der eine dem Verbrennungsmotor zugeordnete Motorsteuerung, eine der elektrischen Maschine zugeordnete Steuerung, vorzugsweise in Form eines Pulswechselrichters, und eine dem automatischen Getriebe zugeordnete Getriebesteuerung über einen CAN-Verbund mit einem Fahrzeugsteuergerät verbunden sind, in dem das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt ist, wobei durch das Fahrzeugsteuergerät die Stellung des Fahrzeugpedales und daraus der Wunsch des Fahrers nach einer mechanischen Leistung Pm,soll für den Antrieb ableitbar ist. Dabei gibt das Fahrzeugsteuergerät der Motorsteuerung das Soll-Motormoment Mm,soll, dem Pulswechselrichter das Soll-Moment Me,soll der elektrischen Maschine und der Getriebesteuerung den Soll-Gang gsoll vor. Außerdem ist bei dieser Einrichtung durch das Fahrzeugsteuergerät der elektrische Leistungsbedarf Pe,soll der elektrischen Verbraucher, auch des an das elektrische Bordnetz angeschlossenen Pulswechselrichters sowie der Batterie erfassbar.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
    • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Systemskizze der in das Verfahren eingehenden Aggregate des Aggregateverbundes eines Kraftfahrzeuges sowie der physikalischen Vernetzung dieser Apparate;
  • Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Steuerungssystems, mit dem das Verfahren zur koordinierten Steuerung der Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug verwirklicht wird;
  • Fig. 3 ein Blockdiagramm der technischen Realisierung des Verfahrens für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges und
  • Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Bestimmung des optimalen Betriebszustandes in dem Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" nach Fig. 2.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispieles
  • Der Aggregateverbund gemäß Fig. 1 stellt eine mechanische Leistung Pm, eine elektrische Leistung Pe und eine thermische Leistung Pt bereit. Er verfügt über chemische, mechanische, elektrische und thermische Speicher, deren Energieinhalt jeweils abnehmen, zunehmen oder konstant bleiben kann. Der Energieinhalt des chemischen Speichers sei Ec, der des mechanischen Speichers Em, der des elektrischen Speichers Ee und der des thermischen Speichers Et. Die Veränderungsrate des Energieinhalts des chemischen Speichers beträgt dEc/dt, der des mechanischen Speichers dEm/dt, der des elektrischen Speichers dEe/dt und der des thermischen Speichers dEt/dt. Der Betriebszustand eines jeden Aggregates kann durch einen Vektor xi gekennzeichnet werden, dessen Elemente die Zustandsgrößen des Aggregates beschreiben, beispielsweise Drehzahl, Drehmoment, Temperatur, elektrischer Strom.
  • So wird
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von chemischer nach mechanischer Energie, zum Beispiel eines Verbrennungsmotors, durch xcm,
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von mechanischer nach elektrischer Energie, zum Beispiel eines Generators, durch xme
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von elektrischer nach mechanischer Energie, zum Beispiel eines elektrischen Antriebmotors, durch xem
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von elektrischer nach thermischer Energie, zum Beispiel eines elektrischen Heizgerätes, durch xet,
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von chemischer nach elektrischer Energie, zum Beispiel einer Brennstoffzelle, durch xce,
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von mechanischer nach thermischer Energie, zum Beispiel eines Wellenlagers, das gekühlt werden muss, durch xmt und
    • - der Betriebszustand eines Wandlers von chemischer nach thermischer Energie, zum Beispiel eines Standheizgerätes, durch xct
    beschrieben.
  • Analog wird der Betriebszustand der Transformatoren beschrieben. So wird
    • - der Betriebszustand eines chemischen Transformators, zum Beispiel eines Reformers von Methanol nach Wasserstoff, durch xcc,
    • - der Betriebszustand eines mechanischen Transformators, zum Beispiel eines automatischen Schaltgetriebes, durch xmm,
    • - der Betriebszustand eines elektrischen Transformators, zum Beispiel eines DC-Wandlers, durch xee und
    • - der Betriebszustand eines thermischen Transformators, zum Beispiel eines Wärmetauschers, durch xtt
    beschrieben.
  • Jedes der Aggregate, also die Speichersysteme, Wandler und Transformatoren, kann in dem Aggregateverbund mehrfach auftreten. Entsprechend sind weitere Betriebszustände xi zur Beschreibung heranzuziehen.
  • Ein Aggregat kann auch die Wandlung von mehreren Energieformen vornehmen. So wandelt ein Verbrennungsmotor chemische Energie in mechanische und in thermische Energie. Der Zustand eines solchen Aggregates wird ebenfalls durch einen Betriebszustand, wie zum Beispiel xcmt, eindeutig beschrieben.
  • Der Aggregateverbund kann mehrere Ausgänge für mechanische, elektrische und/oder thermische Energie bereitstellen. So verfügt beispielsweise ein Aggregateverbund mit einem 14/42-V-Zweispannungsbordnetz sowohl über einen Ausgang für elektrische Verbraucher mit 14 V als auch über einen Ausgang für elektrische Verbraucher mit 42 V. Auch mehrere mechanische Ausgänge sind möglich, zum Beispiel bei Nutzfahrzeugen mit Nebenantrieben.
  • Die Menge der Betriebszustände xi der Aggregate und die Energieinhalte der Speichersysteme beschreiben den Gesamt-Betriebszustand x des Aggregateverbundes gemäß der Rechenvorschrift 1:

    x = (Ec, Em, Ee, Et, xcm, xce, xct, xcc, xcd, xme, xmt, xmm, xmd xem, xet, xee, xed, xtt, xtd).
  • Bei dem Steuerungssystem zur koordinierten Steuerung der Leistungsflüsse und Zustände des Aggregateverbundes nach Fig. 2 wird der Aggregateverbund 1 durch einen Vektor von Stellgrößen u angesteuert. Dabei verfügt jedes angesteuerte Aggregat einen Eingang für Steuersignale, beispielsweise ume für einen Wandler von mechanischer nach elektrischer Energie. Die eigentliche Steuerung des Aggregates kann dabei jeweils von einer Steuereinheit, zum Beispiel ME, EDC, Wechselrichter-Steuerung, vorgenommen werden. Der Zustand der Aggregate des Aggregateverbundes 1 wird durch einen Vektor von Messgrößen y erfasst. Diese Messgrößen können von nicht weiter dargestellten Sensoren direkt ermittelt werden oder auch abgeleitete Größen umfassen, die von Aggregate-Steuereinheiten ermittelt werden. In einem Modul "Bestimmung Ist-Betriebszustand" 2 werden die Messgrößen y zusammengefasst und der Ist-Betriebszustand x des Aggregateverbundes 1 wird ermittelt. Dazu können physikalische Rechenmodelle zur Beschreibung der Aggregate und des Aggregateverbundes 1, zum Beispiel Beobachter, herangezogen werden.
  • In einem Modul "Erfassung Fahrerwunsch" 3 wird der Fahrerwunsch erfasst. Er umfasst insbesondere den Wunsch nach einer Antriebsleistung an den Rädern, den Wunsch nach elektrischer Leistung, die das Bordnetz zum Betrieb elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise Fahrlicht, Heckscheibenheizung, Radio, zur Verfügung stellen muss, und den Wunsch nach einer thermischen Leistung für die Innenraum-Klimatisierung. Fahrer-Assistenzsysteme 4 können ebenfalls Vorgabegrößen generieren. Diese werden mit dem vom Modul "Erfassung Fahrerwunsch" 3 ermittelten Größen in einem Modul "Generierung Sollgrößen" 5 zusammengeführt. Dieses Modul ermittelt Sollgrößen für die mechanische Leistung Pm,soll, die elektrische Leistung Pe,soll und die thermische Leistung Pt,soll. Jede dieser Sollgrößen kann mehrfach auftreten.
  • Den Kern des Steuerungssystems bildet das Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" 6. Es ermittelt einen optimalen Betriebszustand xopt für den Aggregateverbund 1. Es erhält als Eingangsgrößen die Sollwerte vom Modul "Generierung Sollgrößen" 5 und den Ist-Betriebszustand x vom Modul "Bestimmung Ist-Betriebszustand" 2. Weiterhin werden Informationen über den Fahrertyp, die Fahrsituation und Umweltgrößen herangezogen, die ein Modul 7 mittels eines Parameter-Vektors a zur Verfügung stellt.
  • Ein Modul "Bestimmung Soll-Betriebszustand" 8 ermittelt den Soll-Betriebszustand xsoll auf der Grundlage des Ist-Betriebszustandes x und des optimalen Betriebszustandes xopt. Dieses Modul 8 stellt dabei sicher, dass ein sanfter Übergang zwischen dem aktuellen Betriebszustand x und dem im Ziel zu erreichenden optimalen Betriebszustand xopt erfolgt. Ein Modul "Ansteuerung Aggregateverbund" 9 ermittelt einen Vektor von Stellgrößen u derart, dass sich im Aggregateverbund 1 der Betriebszustand xsoll einstellt.
  • Ausgehend davon, dass das erfindungsgemäße Verfahren Verbrauch, Komfort, Emissionen und dynamisches Fahrverhalten optimiert, wird dazu ein generalisierter Verbrauch V nach der Rechenvorschrift 2

    V = εc.νc(a).dEc/dt +
    εm.νm(a).dEm/dt +
    εe.νe(a).dEe/dt +
    εt.νt(a).dEt/dt

    bestimmt.
  • Dabei sind die Faktoren εc Energie-Äquivalenzziffern, die den unterschiedlichen Grad der Nutzbarkeit der gespeicherten Energien beschreiben. So verfügt die im Speicher für mechanische Energie gespeicherte Energie eine höhere Energie-Äquivalenzziffer als die im Kraftstofftank gespeicherte chemische Energie. Die Werte der Energie-Äquivalenzziffern können während des Fahrbetriebes langfristig adaptiert werden.
  • Die Faktoren ν(a) sind Gewichtungsfaktoren, die die Änderungen des Energieinhalts der einzelnen Speicher gewichten. Ihre Werte werden in Abhängigkeit von einem Parameter-Vektor a ermittelt. Dieser Parameter- Vektor a beschreibt unter anderem den Fahrertyp (sportlich, ökonomisch), die Fahrsituationen (Kurve, Stadtfahrt) und Umweltgrößen (Steigung, Fahrbahnklasse, Temperatur). Umweltgrößen umfassen auch Informationen über den Verlauf der vorausliegenden Fahrbahn und Informationen, die Telematic-Systeme zur Verfügung stellen können, insbesondere Krümmung der vorausliegenden Fahrbahn, Steigung der vorausliegenden Fahrbahn, Entfernung zur nächsten Kreuzung etc.
  • Für die Optimierung von dynamischem Fahrverhalten, Emissionen und Komfort werden generalisierte Gütemaße Gi in Abhängigkeit vom Betriebszustand x des Aggregateverbundes 1 definiert:
    • - Ein Gütemaß G1(x) beschreibt die dynamische Leistungsreserve für mechanische Energie an einem Betriebszustand x. Die dynamische Leistungsreserve für mechanische Energie gibt an, welche zusätzliche mechanische Energie - über die am Betriebszustand x gelieferte mechanische Energie Pm(x) hinaus - der Aggregateverbund 1 am Betriebszustand x mit hoher zeitlicher Dynamik zur Verfügung stellen kann. Die dynamische Leistungsreserve für mechanische Energie hängt bei einem Fahrzeugantrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor beispielsweise von der maximalen Leistung des Verbrennungsmotors bei der Verbrennungsmotordrehzahl am Betriebszustand x, von der maximalen Leistung des Elektromotors bei der Elektromotordrehzahl am Betriebszustand x und dem Ladezustand der Batterie ab.
    • - Ein Gütemaß G2(x) beschreibt die dynamische Leistungsreserve für elektrische Energie an einem Betriebszustand x. Die dynamische Leistungsreserve für elektrische Energie gibt an, welche zusätzliche elektrische Energie - über die am Betriebszustand x gelieferte elektrische Energie Pe(x) hinaus - der Aggregateverbund am Betriebszustand x mit hoher zeitlicher Dynamik zur Verfügung stellen kann.
    • - Ein Gütemaß G3(x) beschreibt die dynamische Leistungsreserve für thermische Energie an einem Betriebszustand x. Die dynamische Leistungsreserve für thermische Energie gibt an, welche zusätzliche thermische Energie - über die am Betriebszustand x gelieferte thermische Energie Pt(x) hinaus - der Aggregateverbund 1 am Betriebszustand x mit hoher zeitlicher Dynamik zur Verfügung stellen kann.
    • - Ein Gütemaß G4(x) beschreibt die Emission von Luftschadstoffen (HC, CO, NOx) an einem Betriebszustand x. Dabei werden große Werte für G4(x) für geringe Emissionen erreicht.
    • - Ein Gütemaß G5(x) beschreibt die Schallemission in die Fahrzeugumgebung an einem Betriebszustand x, wobei große Werte für G5(x) für geringe Schallemissionen erreicht werden.
    • - Ein Gütemaß G6(x) beschreibt den Schwingungskomfort für die Fahrzeuginsassen an einem Betriebszustand x. Dabei entspricht ein großer Wert von G6(x) einem hohen Komfort.
    • - Ein Gütemaß G7(x) beschreibt die Schallemission in den Fahrzeuginnenraum an einem Betriebszustand x. Ein großer Wert von G7(x) entspricht hierbei einer geringen Schallemission.
    • - Ein Gütemaß G8(x) beschreibt den Verschleiß der Aggregate und Speicher an einem Betriebszustand x. Ein geringer Verschleiß, das heißt eine hohe Lebensdauer, wird durch große Werte G8(x) beschrieben.
  • Ein Gesamt-Gütemaß G(x) wird nach der Rechenvorschrift 3

    G(x) = γ1(a).G1(x) + γ2(a).G2(x) +
    γ3(a).G3(x) + γ4(a).G4(x) +
    γ5(a).G5(x) + γ6(a).G6(x) +
    γ7(a).G7(x) + γ8(a).G8(x)

    bestimmt. Die Werte der Gewichtungsfaktoren γ(a) werden in Abhängigkeit vom Parameter-Vektor a bestimmt.
  • Zur Optimierung von Verbrauch, Komfort, Emissionen und Fahrverhalten minimiert das erfindungsgemäße Verfahren eine Gütefunktion nach der Rechenvorschrift 4:

    Γ(x) = V(x) - G(x) + ΔP(x).
  • Dabei beschreibt die Leistungsabweichung ΔP(x) die Abweichung der von dem Aggregateverbund 1 gelieferten Leistungen von den Soll-Leistungen gemäß der Rechenvorschrift 5 wie folgt:

    ΔP(x) = πm(a).(Pm, soll - Pm(x)) +
    πe(a).(Pe, soll - Pe(x)) +
    πt(a).(Pt, soll - Pt(x)).
  • Die Gewichtungsfaktoren πm(a), πe(a) und πt(a) werden in Abhängigkeit vom Parameter-Vektor a festgelegt.
  • Zur Ermittlung des optimalen Betriebszustandes xopt im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" 6 können alternativ zwei verschiedene Verfahren realisiert werden:
    • 1. Es werden in Echtzeit während des Fahrbetriebs mehrere mögliche Betriebszustände xk bestimmt, so dass der Aggregateverbund die geforderte mechanische Leistung Pm,soll, die geforderte elektrische Leistung Pe,soll und die geforderte thermische Leistung Pt,soll bereitstellt. Die Betriebszustände xk werden so gewählt, dass sie die physikalischen Kopplungen, Grenzen der Speichersysteme und Kapazität der Aggregate erfüllen. Für jeden Betriebszustand xk wird ein generalisierter Verbrauch V nach der Rechenvorschrift 2 bestimmt. Ebenso wird für jeden Betriebszustand xk nach den Rechenvorschriften 3 und 4 der Wert einer Gütefunktion Γ bestimmt. Derjenige Betriebszustand, für den die Gütefunktion einen minimalen Wert annimmt, wird als der optimale Betriebszustand xopt bestimmt.
    • 2. In Offline-Optimierungsrechnungen wird für jede Fahrzeuggeschwindigkeit v und für jede geforderte Kombination aus geforderter mechanischer Leistung Pm,soll, geforderter elektrischer Leistung Pe,soll und geforderter thermischer Leistung Pt,soll der optimale Betriebszustand xopt ermittelt, der die Gütefunktion Γ minimiert. Die Ermittlung erfolgt für verschiedene Werte des Parameters a. Der optimale Betriebszustand xopt wird in einem mehrdimensionalen Kennfeld abgelegt, das die Eingangsgrößen v, Pm,soll, Pe,soll, Pt,soll und a besitzt. Ausgangsgröße des mehrdimensionalen Kennfelds ist der optimale Betriebszustand xopt. Das mehrdimensionale Kennfeld wird im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" 6 implementiert.
  • Die Realisierung des Verfahrens zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug ist bezogen auf den Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges mit einer auf der Kurbelwelle 10 des Verbrennungsmotors 11 angeordneten elektrischen Maschine 12, so eines Kurbelwellenstartgenerators, in Fig. 3 beschrieben. Während der Verbrennungsmotor 11 durch die Motorsteuerung 13 gesteuert wird, erfolgt eine Steuerung der elektrischen Maschine 12 durch einen Pulswechselrichter 14. Das automatische Getriebe 15 wird durch die Getriebesteuerung 16 gesteuert. Sowohl diese als auch die Motorsteuerung 13 und der Pulswechselrichter 14 sind über einen CAN-Verbund 17 mit einem Fahrzeugsteuergerät 18 verbunden, in dem das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt wird. Das Fahrzeugsteuergerät 18 erfasst die Stellung des Fahrpedals 19 und leitet daraus den Wunsch nach einer mechanischen Leistung Pm,soll des Fahrers für den Antrieb ab. Das Fahrzeugsteuergerät 18 gibt der Motorsteuerung 13 das Soll- Motormoment Mm,soll und dem Pulswechselrichter 14 das Soll-Moment Me,soll der elektrischen Maschine 12 vor. Der Getriebesteuerung 16 wird der Soll-Gang gsoll vorgegeben. Der Pulswechselrichter 14 ist an das elektrische Bordnetz angeschlossen, an das weiterhin die elektrischen Verbraucher und eine Batterie 20 angeschlossen sind. Das Fahrzeugsteuergerät 18 erfasst über an sich bekannte Einrichtungen den Bedarf der elektrischen Leistung Pe,soll der elektrischen Verbraucher.
  • Die Bestimmung des optimalen Betriebszustandes xopt im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" 6 gemäß Fig. 2 wird nachfolgend anhand des schematischen Ablaufdiagramms nach Fig. 4 beschrieben.
  • Dabei wird aus der geforderten mechanischen Leistung Pm,soll nach der Rechenvorschrift Mga,soll = Pm,soll/nga das Soll-Getriebeausgangsmoment Mga,soll bestimmt. Die Getriebe-Ausgangsdrehzahl ist nga. Das Soll-Getriebe- Eingangsmoment Mge,soll wird berechnet zu Mge,soll = Mga,soll/mueg, wobei mueg die Momentverstärkung des automatischen Getriebes 15 beim aktuell eingelegten Gang kennzeichnet.
  • Für den Antriebsstrang gemäß Fig. 3 gilt nach der Rechenvorschrift 6 der Zusammenhang

    Mge = Mm + Me,

    wobei Mm das effektive Motormoment und Me das Moment der elektrischen Maschine 12 beschreibt. Der Betriebszustand des Aggregateverbundes 1 wird durch die Rechenvorschrift 7

    x = (Mm, Me, g, nga)

    gekennzeichnet, wobei g der eingelegte Getriebegang und nga die Getriebe-Ausgangsdrehzahl beschreibt. Die Motordrehzahl nm und die Drehzahl ne der elektrischen Maschine 12 sind gleich und sind durch den Gang g und die Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga bestimmt.
  • Die möglichen Betriebszustände xk werden bestimmt, indem das Moment Me der elektrischen Maschine 12 innerhalb der Grenzen der Kennlinie für das minimale und maximale Moment in diskreten Schritten mit einer applizierbaren Schrittweite variiert wird.
  • Aus dem Moment Me und der Drehzahl ne der elektrischen Maschine 12 ergibt sich mittels eines Kennfeldes die elektrische Leistung Pelm der elektrischen Maschine 12. Positive Momente (Maschine treibt an) führen zu einer elektrischen Leistungsaufnahme (Pelm < 0). Negative Momente (Maschine arbeitet im Generatorbetrieb) führen zu einer elektrischen Leistungsabgabe (Pelm > 0). Aus der geforderten elektrischen Leistung Pe,soll und der von der elektrischen Maschine 12 aufgenommenen/abgegebenen Leistung errechnet sich die elektrische Leistungsabgabe der Batterie 20 nach der Rechenvorschrift 8 zu:

    Pbatt = Pelm - Pe,soll
  • Es werden im Weiteren nur die Betriebszustände xk weiter verfolgt, für die Pbatt in einem vorgegebenen Intervall liegt. Dieses Intervall kann abhängig vom Ladezustand SOC der Batterie 20 festgelegt werden.
  • Aus Pbatt wird mit einem Wirkungsgradkennfeld der Batterie 20 dEd/dt ermittelt.
  • Aus dem gemäß der Rechenvorschrift 9

    Mm,soll = Mge,soll - Me

    sich ergebenden Soll-Motormoment und einem Verbrauchskennfeld des Verbrennungsmotors 11 wird dEc/dt ermittelt. Die Größen dEm/dt und dEt/dt werden in dem Anwendungsbeispiel zu Null gesetzt. Mittels der Rechenvorschriften 2, 3 und 4 wird derjenige Betriebszustand

    xk = ((Mge,soll - Me,k),(Me,k), g, nga)

    ausgewählt, für den Γ ein Minimum einnimmt. Der Soll- Betriebszustand xsoll wird gleich dem optimalen Betriebszustand xopt gesetzt. Die im Modul "Ansteuerung Aggregateverbund" 9 in Fig. 2 ermittelten Steuergrößen für die Aggregate sind Mm,soll, Me,soll und gsoll.
  • Im beschriebenen Ablauf wird der Gang gsoll nicht variiert, sondern es wird davon ausgegangen, dass der Gang von einem Rechenblock zur Getriebesteuerung vorgegeben wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann jedoch der Soll-Gang durch das Optimierungsverfahren im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" 6 gemäß Fig. 2 bestimmt werden. Dazu werden für den aktuellen Gang sowie für den nächstgrößeren und den nächstkleineren Gang die oben beschriebenen Rechenschritte durchgeführt. Es wird derjenige Gang als der optimale Gang ermittelt, für den die Gütefunktion Γ ein Minimum annimmt.

Claims (18)

1. Verfahren zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug, zur Herbeiführung optimaler Betriebszustände von Aggregaten des Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" (6) ein optimaler Betriebszustand (xopt) für den Aggregateverbund (1) ermittelt wird, das als Eingangsgrößen zumindest die Sollwerte erhält, die durch ein Modul "Generierung Sollgrößen" (5) zur Verfügung gestellt werden, nachdem in diesem die von einem Modul "Erfassung Fahrerwunsch" (3) ermittelten Größen zusammen mit weiteren Vorgabegrößen zusammengeführt worden sind, sowie den Ist-Betriebszustand (x) von einem Modul "Bestimmung Ist-Betriebszustand" (2), nachdem in diesem die Messgrößen (y) zusammengefasst worden sind, die aus der Erfassung des Zustandes der Aggregate des Aggregateverbundes (1) resultieren, und dass nach Ermittlung des optimalen Betriebszustandes (xopt) für den Aggregateverbund (1) in einem Modul "Bestimmung Soll- Betriebszustand" (8) der Soll-Betriebszustand (xsoll) auf der Grundlage des Ist-Betriebszustandes (x) und des optimalen Betriebszustandes (xopt) ermittelt wird, so dass somit durch dieses Modul ein sanfter Übergang zwischen dem aktuellen Betriebszustand (x) und dem zu erreichenden Betriebszustand (xopt) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aggregateverbund (1) durch einen Vektor von Stellgrößen (u) angesteuert wird, wobei jedes angesteuerte Aggregat einen Eingang für Steuersignale verfügt, so (ume) für einen Wandler von mechanischer zu elektrischer Energie.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor von Stellgrößen (u) durch ein Modul "Ansteuerung Aggregateverbund" (9) derart ermittelt wird, dass sich im Aggregateverbund (1) der Betriebszustand (xsoll) einstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Aggregate des Aggregateverbundes (1) jeweils von einer Steuereinheit - ME, EDC, Wechselrichtersteuerung - erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößen (y), durch die der Zustand der Aggregate des Aggregateverbundes (19) erfasst wird, durch Sensoren direkt, oder wenn sie abgeleitete Größen umfassen, von Aggregate-Steuereinheiten ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zusammenfassung der Messgrößen (y) und der Ermittlung des Ist-Betriebszustandes (x) des Aggregateverbundes (1) in dem Modul "Bestimmung Ist- Betriebszustand" (2) physikalische Rechenmodelle zur Beschreibung der Aggregate und damit des Aggregateverbundes (1) herangezogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Vorgabegrößen dem Modul "Generierung Sollgrößen" (5) durch Fahrer-Assistenzsysteme (4), so durch Fahrgeschwindigkeitsregler oder ACC, durch diese ermittelte Größen zugeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul "Erfassung Fahrerwunsch" (3) Größen erfasst werden, die aus dem Wunsch nach einer Antriebsleistung an den Rädern, dem Wunsch nach elektrischer Leistung, die das Bordnetz zum Betrieb elektrischer Verbraucher zur Verfügung stellt, und dem Wunsch nach einer thermischen Leistung für die Innenraum-Klimatisierung resultieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Modul "Generierung Sollgrößen" (5) Sollgrößen für die mechanische Leistung (Pm,soll), die elektrische Leistung (Pe,soll) und für die thermische Leistung (Pt,soll) ermittelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" (6) mittels eines Parameter-Vektors (a) nach Erfassung durch ein weiteres Modul (7) Informationen über den Fahrertyp, die Fahrsituation und über Umweltgrößen zur Verfügung gestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des optimalen Betriebszustandes (xopt) im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" (6) in Echtzeit während des Fahrbetriebes mehrere mögliche Betriebszustände (xk) bestimmt werden, so dass der Aggregateverbund (1) die geforderte mechanische Leistung (Pm,soll), die geforderte elektrische Leistung (Pe,soll) und die geforderte thermische Leistung (Pt,soll) bereitstellt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustände (xk) so gewählt werden, dass sie die physikalischen Kopplungen, die Grenzen der Speichersysteme und die Kapazität der Aggregate erfüllen, wobei für jeden Betriebszustand (xk) ein generalisierter Verbrauch (V) nach der Rechenvorschrift
V = εc.νc(a).dEc/dt +
εm.νm(a).dEm/dt +
εe.νe(a).dEe/dt +
εt.νt(a).dEt/dt
bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Betriebszustand (xk) der Wert einer Gütefunktion (Γ)nach den Rechenvorschriften
G(x) = γ1(a).G1(x) + γ2(a).G2(x) +
γ3(a).G3(x) + γ4(a).G4(x) +
γ5(a).G5(x) + γ6(a).G6(x) +
γ7(a).G7(x) + γ8(a).G8(x)
und
Γ(x) - V(x) - G(x) + ΔP(x)
bestimmt wird, wobei der Betriebszustand(xk), für den die Gütefunktion (Γ) einen minimalen Wert annimmt, als der optimale Betriebszustand (xopt) bestimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Offline-Optimierungsrechnungen für jede Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und für jede geforderte Kombination aus geforderter mechanischer Leistung (Pm,soll), geforderter elektrischer Leistung (Pe,soll) und geforderter thermischer Leistung (Pt,soll) der optimale Betriebszustand (xopt) ermittelt wird, der die Gütefunktion (Γ) minimiert, wobei die Ermittlung für verschiedene Werte des Parameters (a) erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Betriebszustand (xopt) in einem im Modul "Bestimmung optimaler Betriebszustand" (6) implementierten, mehrdimensionalen Kennfeld abgelegt wird, das die Eingangsgrößen (v), (Pm,soll), (Pe,soll), (Pt,soll) und (a) besitzt, wobei die Ausgangsgröße der optimale Betriebszustand (xopt) ist.
16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur koordinierten Steuerung mechanischer, elektrischer und thermischer Leistungsflüsse in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Verbrennungsmotor (11) zugeordnete Motorsteuerung (13), eine der elektrischen Maschine (12) zugeordnete Steuerung, vorzugsweise in Form eines Pulswechselrichters (14), und eine dem automatischen Getriebe (15) zugeordnete Getriebesteuerung (16) über einen CAN-Verbund (17) mit einem Fahrzeugsteuergerät (18) verbunden sind, in dem das Verfahren umgesetzt ist, wobei durch das Fahrzeugsteuergerät (18) die Stellung des Fahrpedals (19) und daraus der Wunsch des Fahrers nach einer mechanischen Leistung (Pm,soll) für den Antrieb ableitbar ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Fahrzeugsteuergerät (19) der Motorsteuerung (13) das Soll-Motormoment (Mm,soll), dem Pulswechselrichter (14) das Soll-Moment (Me,soll) der elektrischen Maschine 12 und der Getriebesteuerung (16) der Soll-Gang (gsoll) vorgegeben ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Fahrzeugsteuergerät (19) der elektrische Leistungsbedarf (Pe,soll) der elektrischen Verbraucher, auch des an das elektrische Bordnetz angeschlossenen Pulswechselrichters (14) sowie der Batterie (20) erfassbar ist.
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