DE102005015484A1 - Antriebsstrang eines Fahrzeuges und Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstranges - Google Patents

Antriebsstrang eines Fahrzeuges und Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstranges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (VM), mindestens einer Elektromaschine (P1, P2), einem vollautomatischen Getriebe (G) und mindestens einer Steuereinrichtung (St) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (VM) und der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) und ein Verfahren hierzu. DOLLAR A Damit der Komfort eines Fahrzeuges mit Hybridantrieb bei Maximierung des Rekuperationspotentials in allen Betriebsarten verbessert werden kann, wird ein Lastwechselschlag bzw. eine Ruckelschwingung in einem niederfrequenten Bereich bis 20 Hertz durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) vermieden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Elektromaschine, einem vollautomatischen Getriebe und mindestens einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Verbrennungsmotors und der mindestens einen Elektromaschine und ein Verfahren hierzu.
  • Entlang eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges von einem oder mehreren Antriebsaggregaten bis hin zu den angetriebenen Rädern gibt es eine Vielzahl von Leistungsübertragungen, beispielsweise durch kämmende Zahnräder. Diese Leistungsübertragungen sind mit Spiel behaftet. Kommt es nun zu einer starken Drehmomentänderung im Antriebsstrang, insbesondere einer Drehmomentumkehr, so wird zunächst das Spiel im Antriebsstrang durchlaufen. Nachdem das Spiel durchlaufen wurde, wird der Drehimpuls schlagartig auf den Antriebsstrang übertragen. Dies ist als Lastwechselschlag bekannt.
  • Durch den Lastwechselschlag wird das subjektive Komfortempfinden des Fahrers negativ beeinflusst und es wird eine unerwünschte Schwingung in das Fahrzeug, insbesondere den Antriebsstrang eingeleitet.
  • Im Anschluss an den Spieldurchlauf wird beispielsweise durch ein Beschleunigen ein schneller Momentenaufbau erzeugt. Aufgrund der kinetischen Energie kommt es zu einem Überschwingen des Antriebsstranges. Diese Schwingungen sind als Ruckelschwingungen bekannt.
  • Bei Fahrzeugen mit konventionellem verbrennungsmotorischen Antrieb ist es bekannt, dass bei einem Beschleunigungsvorgang oder dem Übergang vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb durch eine entsprechende Steuerung des Verbrennungsmotormoments, beispielsweise durch den Zündwinkel, ein Lastschlag bzw. eine Ruckelschwingung vermieden wird.
  • Bei Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor und einer Elektromaschine als Antriebe wird die Elektromaschine vorteilhaft ebenso generatorisch betrieben um Bremsenergie zurück zu gewinnen (Rekuperation).
  • Mit Hilfe der Elektromaschine kann durch Einleiten eines positiven oder negativen Moments in den Antriebsstrang ein Lastschlag bzw. eine Ruckelfunktion unterdrückt werden.
  • Aus der DE 101 26 348 ist ein Hybridfahrzeug mit einem automatisierten Schaltgetriebe bekannt, bei dem ein durch das Schalten des automatisierten Schaltgetriebes verursachter Lastschlag durch eine Elektromaschine unterdrückt wird. Die Elektromaschine wird zunächst zur Drehzahlsynchronisation vor dem Einlegen des zu schaltenden Ganges benutzt. Beim Einlegen des zu schaltenden Ganges wird die Elektromaschine so gesteuert, dass das Moment an der Getriebeeingangswelle Null ist und ein Lastschlag unterdrückt wird.
  • Aus der DE 197 21 298 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem die durch einen Hubkolben-Verbrennungsmotor verursachte Ungleichförmigkeit der Kurbenwellendrehung hinreichend komfortabel gedämpft wird. Diese Dämpfung erfolgt durch eine Regelung, die aus einem am Antriebsstrang gemessenen Schwingungs-Istsignal ein Frequenzspektrum erzeugt und dieses mit einem durch eine Sollsignal-Vorgabeeinrichtung festgelegten Frequenzspektrum vergleicht. Frequenzen oberhalb einer Frequenzgrenze von 20 Hertz werden durch ein Lastmoment einer Elektromaschine und Frequenzen unterhalb dieser Frequenzgrenze durch eine schlupfende Kupplung gedämpft.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Komfort eines Fahrzeuges mit Hybridantrieb bei Maximierung des Rekuperationspotentials in allen Betriebsarten zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es vorgesehen ist, einen Lastwechselschlag bzw. eine Ruckelschwingung mit einer Frequenz kleiner als 20 Hertz durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine zu vermeiden.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann vorteilhaft der Komfort des Fahrzeuges durch die Vermeidung einer vom Fahrer negativ wahrgenommenen Längsbewegung des Fahrzeuges bzw. eines durch den Antriebsstrang verursachten Geräusches erhöht werden. Ebenso führt eine Vermeidung eines Lastwechselschlags bzw. einer Ruckelschwingung zu einem schnelleren Momentenwechsel und einer damit erhöhten Agilität des Fahrzeuges sowie zu einer Erhöhung des Rekuperationspotentials.
  • Findet das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Wechsel vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb statt, so kann der Verbrennungsmotor auf einem stetigeren Momentenverlauf geführt werden, was in einer Verbrauchseinsparung resultiert.
  • Insbesondere bei einem Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb ist es mit Hilfe einer Elektromaschine möglich, einen Lastschlag bzw. eine Ruckelschwingung zu vermeiden. Bei Fahrzeugen mit einem konventionellen verbrennungsmotorischen Antrieb ist dies nicht möglich, da der Verbrennungsmotor nicht den erforderlichen Momentenverlauf erzeugen kann.
    •
  • Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Diagramm mit dem Verlauf der Fahrpedalposition, der Momente eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine sowie das Summenmoment bei einem Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb;
  • 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Fahrpedalposition, der Momente eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine sowie das Summenmoment bei einem Wechsel vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb und
  • 3 einen schematischen Aufbau eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und zwei Elektromaschinen.
  • In 1 ist ein durch den Fahrer initiierter Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb dargestellt, was durch den Verlauf der Fahrpedalposition FP deutlich wird. Das Fahrpedal ist zunächst bis zum Zeitpunkt 1 in einer Position maximaler Leistungsanforderung durch den Fahrer, also „voll durchgetreten". Zum Zeitpunkt 1 nimmt der Fahrer seinen Fuß vom Fahrpedal, welches zum Zeitpunkt 2 seine Ausgangsposition erreicht hat. In dieser Position bleibt das Fahrpedal im weiteren Verlauf des Diagramms.
  • Ein Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb oder umgekehrt kann ebenfalls durch andere Faktoren als den Fahrer verursacht werden, beispielsweise durch den Streckenverlauf.
  • Das in 1 dargestellte durch den Antriebsstrang übertragene Summenmoment MGes ergibt sich aus der Summe des Verbrennungsmotormoments MVM und des Elektromaschinenmoments MEM.
  • Enthält der erfindungsgemäße Antriebsstrang mehr als eine Elektromaschine, so ist das in 1 dargestellte Elektromaschinenmoment MEM als Summe der Momente der einzelnen Elektromaschinen zu sehen. Die Aufteilung der Momente auf die Elektromaschinen kann unter Berücksichtigung weiterer Kriterien, wie beispielsweise einer Wirkungsgradoptimierung, erfolgen.
  • Das Verbrennungsmotormoment MVM und das Elektromaschinenmoment MEM und somit auch das resultierende Summenmoment MGes werden erfindungsgemäß so gesteuert, dass ein Lastwechselschlag bzw. eine Ruckelschwingung vermieden werden.
  • Während des Zugbetriebes gemäß 1 ist bis zum Zeitpunkt 1 bei maximaler Leistungsanforderung durch den Fahrer das Verbrennungsmotormoment MVM auf einem maximalen Antriebsniveau, während das Elektromaschinenmoment MEM gleich Null ist. Das Summenmoment MGes entspricht somit dem Verbrennungsmotormoment MVM.
  • Durch die Reduktion der Leistungsanforderung bis auf Null geht das Verbrennungsmotormoment MVM zeitverzögert in das negative Moment des Schubbetriebes des Verbrennungsmotors VM über.
  • Um einen Lastschlag beim Übergang von einem positiven in ein negatives Summenmoment MGes (Flankenwechsel bei einem Zahnrad) zu vermeiden, wird das Elektromaschinenmoment MEM erfindungsgemäß in einer Weise gesteuert, dass der Gradient des Summenmoments MGes beim Momenten-Nulldurchgang möglichst klein ist und somit ein sanftes Anlegen der Zahnradflanke erfolgt.
  • Für die erfindungsgemäße Steuerung des Elektromaschinenmoments MEM ist die Trägheit bzw. Dynamik des Antriebsstranges sowie des Verbrennungsmotors VM und der Elektromaschine P1, P2 zu berücksichtigen.
  • Nach dem Anliegen der ein negatives Moment (Schubbetrieb) übertragenden Zahnradflanke wird das Elektromaschinenmoment MEM und damit das Summenmoment MGes erfindungsgemäß derart gesteuert, dass Ruckelschwingungen im Antriebsstrang vermieden werden.
  • Das Schubmoment des Verbrennungsmotors VM bleibt gemäß 1 nach Unterdrückung der Ruckelschwingung durch die Elektromaschine P1, P2 auf einem konstanten negativen Niveau.
  • Reicht die Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine P1, P2 zur vollständigen Unterdrückung der Ruckelschwingung nicht aus, so kann die resultierende Schwingung durch eine Folgeregelung der mindestens einen Elektromaschine P1, P2 unterdrückt werden.
  • Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, dass der Wechsel vom Zugbetrieb direkt in einen Schubbetrieb mit Rekuperation erfolgt. Hierbei wird also mindestens eine der Elektromaschinen P1, P2 generatorisch betrieben.
  • Es ist zu berücksichtigen, dass im Rekuperationsbetrieb die generatorisch betriebene Elektromaschine ein negatives Moment auf den Antriebsstrang ausübt, das beispielsweise bei einer veränderten Verzögerung oder bei einem Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb zu einer Torsion des Antriebsstranges und damit zu einer Ruckelschwingung führen kann.
  • Die Steuerung der mindestens einen Elektromaschine P1, P2 im Schubbetrieb mit Rekuperation erfolgt ebenfalls in einer Weise, dass Ruckelschwingungen im Antriebsstrang vermieden werden.
  • Die für die erfindungsgemäße Steuerung des Antriebsstranges erforderlichen Modelle des Antriebsstranges und seiner Komponenten werden vorzugsweise vor Markteinführung des Antriebsstranges, beispielsweise im Versuch oder auf einem Prüfstand, ermittelt und in einer Steuereinrichtung hinterlegt.
  • Vorteilhaft können die verwendeten Modelle für eine erfindungsgemäße adaptive (Vor-)Steuerung in Abhängigkeit von beispielsweise veränderten Fahrzeugparametern, Betriebszuständen oder Umgebungsbedingungen automatisch angepasst werden.
  • 2 zeigt einen Wechsel vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb. Dieser Wechsel ist entsprechend dem Verlauf der Fahrpedalposition FP durch den Fahrer initiiert.
  • Mit der Erhöhung der Leistungsanforderung durch den Fahrer wird erfindungsgemäß die Elektromaschine P1, P2 derart gesteuert, dass durch das positive Elektromaschinenmoment MEM der Gradient des Summenmoments MGes beim Momenten-Nulldurchgang möglichst klein ist.
  • Nach dem Anliegen der ein positives Moment (Zugbetrieb) übertragenden Zahnradflanke wird das Elektromaschinenmoment MEM und das Verbrennungsmotormoment MVM erfindungsgemäß unter Berücksichtigung der Trägheit bzw. Dynamik des Antriebsstranges, insbesondere des Verbrennungsmotors VM, derart gesteuert, dass Ruckelschwingungen im Antriebsstrang vermieden werden.
  • 3 stellt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor VM und zwei Elektromaschinen, nämlich der Elektromaschine P1 an der Motorwelle M und der Elektromaschine P2 an der Getriebeeingangswelle E, dar, die von einer Batterie B mit elektrischer Energie gespeist werden oder im Generatorbetrieb Energie an diese abgeben.
  • Die Elektromaschinen P1, P2 besitzen vorzugsweise einen gehäusefesten Stator, welcher in Wechselwirkung mit einem Rotor zur Erzeugung eines Antriebsmomentes und/oder zur Rekuperation elektrischer Energie in Wechselwirkung tritt. Der Rotor ist mit der Motorwelle M bzw. der Getriebeeingangswelle E antriebsfest verbunden, so dass mittels der Elektromaschine P1 bzw. P2 zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor VM ein Moment in den Antriebsstrang einspeisbar ist oder aber ein im Antriebsstrang vorhandenes Moment (zumindest teilweise) zur Rekuperation elektrischer Energie genutzt werden kann.
  • Die Steuerung der beiden Elektromaschinen P1, P2 sowie des Verbrennungsmotors VM erfolgt durch mindestens eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung St. Eine Wechselwirkung mit weiteren Steuereinrichtungen ist ebenfalls möglich.
  • Erfindungsgemäß kann also das zur Vermeidung eines Lastschlages bzw. einer Ruckelschwingung, insbesondere in einem Bereich bis 20 Hertz, notwendige Moment durch die Elektromaschine P1 und/oder die Elektromaschine P2 aufgebracht werden.
  • Die Motorwelle M ist über eine Kupplung KM unmittelbar mit der Eingangswelle E eines vollautomatischen Getriebes G verbindbar.
  • Bei der Kupplung KM kann es sich um eine trockene oder nasse Kupplung mit teilweiser oder voller Anfahrfunktionalität handeln.
  • Der Ausgang des Getriebes G ist mit den angetriebenen Rädern R verbunden. Es ist ebenfalls möglich, dass nur die Räder einer Achse angetrieben werden.
  • Ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang kann auch nur eine Elektromaschine, beispielsweise die Elektromaschine P1 oder die Elektromaschine P2, umfassen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (VM), mindestens einer Elektromaschine (P1, P2), einem vollautomatischen Getriebe (G) und mindestens einer Steuereinrichtung (St) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (VM) und der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastwechselschlag durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) vermieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwechselschlag durch eine adaptive Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) vermieden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwechselschlag bei einem Wechsel vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb vermieden wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwechselschlag bei einem Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb vermieden wird.
  5. Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (VM), mindestens einer Elektromaschine (P1, P2), einem vollautomatischen Getriebe (G) und mindestens einer Steuereinrichtung (St) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (VM) und der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Ruckelschwingung in einem niederfrequenten Bereich bis 20 Hertz durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) vermieden wird.
  6. Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (VM), mindestens einer Elektromaschine (P1, P2), einem vollautomatischen Getriebe (G) und mindestens einer Steuereinrichtung (St) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (VM) und der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (St) ein Mittel zur Vermeidung eines Lastwechselschlags durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) ist.
  7. Antriebsstrang eines Fahrzeuges nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (St) ein Mittel zur Vermeidung eines Lastwechselschlags durch eine adaptive Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) ist.
  8. Antriebsstrang eines Fahrzeuges nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (St) ein Mittel zur Vermeidung eines Lastwechselschlags bei einem Wechsel vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb ist.
  9. Antriebsstrang eines Fahrzeuges nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (St) ein Mittel zur Vermeidung eines Lastwechselschlags bei einem Wechsel vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb ist.
  10. Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (VM), mindestens einer Elektromaschine (P1, P2), einem vollautomatischen Getriebe (G) und mindestens einer Steuereinrichtung (St) zur Steuerung des Verbrennungsmotors (VM) und der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (St) ein Mittel zur Vermeidung einer Ruckelschwingung in einem niederfrequenten Bereich bis 20 Hertz durch eine Vorsteuerung der mindestens einen Elektromaschine (P1, P2) ist.
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