DE102007049253A1 - Method for controlling a power split transmission - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines leistungsverzweigten Getriebes, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens zwei mechanisch angekoppelten Elektromaschinen (E1, E2). Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes wird durch das Drehmoment und/oder die Drehzahl der Elektromaschinen (E1, E2) bestimmt. Die Steuerung von Drehmoment und/oder Drehzahl der Elektromaschinen (E1, E2) basiert auf der Festlegung einer führenden Elektromaschine. Anhand von Verbrauchs- und/oder Leistungskriterien wird eine Optimaldrehzahl des Verbrennungsmotors (Dz_Vm_opt) gebildet. Aus Fahrerwunsch und Drehzahl des Verbrennungsmotors (Dz_Vm_ist) wird ein Drehmoment (Dm_E1/E2_soll) und/oder ein Drehzahlsollwert für die führende Elektromaschine gebildet. Die Sollwertermittlung für die folgende Elektromaschine erfolgt nachfolgend mittels einer Leistungsbetrachtung.The invention relates to a method for controlling a power split transmission, with an internal combustion engine and at least two mechanically coupled electric machines (E1, E2). The transmission ratio of the transmission is determined by the torque and / or the speed of the electric machines (E1, E2). The control of torque and / or speed of the electric machines (E1, E2) is based on the definition of a leading electric machine. On the basis of consumption and / or performance criteria an optimum speed of the internal combustion engine (Dz_Vm_opt) is formed. From the driver's request and speed of the internal combustion engine (Dz_Vm_ist), a torque (Dm_E1 / E2_soll) and / or a speed setpoint for the leading electric machine is formed. The setpoint determination for the following electric machine is subsequently carried out by means of a performance consideration.
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 by means of a combination of mechanical Transmission elements and an at least partially electrical transmission of the power flow, the translation between the and continuously regulate the output of a gearbox.
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 stepless in terms of its translation electrically adjustable and can by an energy store in the electric Branch with energy production or the release of electrical energy working out of the store so that the gearbox for the Use in a hybrid vehicle the functions of recuperation and Boostens when accelerating can meet. One purely electric driving is off when feeding the electric machines the energy storage also possible.
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
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.task The invention is therefore to provide a simple control algorithm, the for a power-splitting transmission flexible control the translation about the control at least two electric machines allowed.
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.According to the invention advantageous a performance based approach is used, whereby the calculation the manipulated variables for the electrical machines so coupled, starting from one as the leader fixed electric machine, a calculation of the speed and / or the torque of both electric machines takes place together.
In einfacher Weise werden elektrische und mechanische Stellgrößenbeschränkungen für die Berechnung der Sollwerte berücksichtigt.In simple are electrical and mechanical manipulated variable limitations considered for the calculation of the setpoints.
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 basis a current operating parameter of the electric machines, for example the Speed for the control of electric machines one of Electric machines as leading to the calculation of the setpoints Electric machine is selected. The speed signals of the Electric machines provide easily measurable information about the operating condition of the machines. Electric machines exhibit in areas with low speeds a strong change in efficiency on, creating control systems with electric machines at low speeds have a high sensitivity. During operation of the invention Systems, the machines can change their direction of rotation. If such a zero crossing takes place with an electric machine, In principle, the other electric machine has a higher one Speed up. It proves to be favorable in such Operating points the machine with higher speed than leaders because the system relies on manipulated variable changes thus less sensitive. The speed signal is for the Selection of the leading electric machine accordingly special suitable. Determining for the transmission control is the Driver's request. Starting from the one requested by the driver Torque, which, for example, with the position of the pedal encoder is determined on the basis of consumption and / or performance criteria a determination of the speed of the internal combustion engine. Here, for example from the consumption map for the engine a best point be selected and the internal combustion engine is then with driven by a consumption-optimal speed. With the specified speed the internal combustion engine becomes a torque and / or speed setpoint for the leading electric machine formed, wherein the setpoint determination for the following Electric machine by means of a performance consideration under consideration by the electric machines in the current speed operating point available torque occurs.
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 an electrically balanced operation is starting in the control method from the leading electric machine that issued by this or recorded power equal to that taken by the following or delivered power. The performance values are included in terms of their amount, but were mixed with different Sign calculated.
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.According to the invention advantageous the operating modes boost, assist, recuperate and charge over the detuning of the power balance of the two electric machines realized. In boost mode (support of the combustion engine at full load) and assistants (support of the internal combustion engine in operating areas outside the Full load) takes place an energy extraction from the energy storage, during recuperation (recovery of braking energy) and the energy storage load an energy flow to the energy storage takes place. In a simple way can with the detuning of power balance implemented a setpoint control for these operating ranges become. If the energy storage to be charged, it will Power balance of the electric machines detuned to this effect, that a positive power surplus is generated. The generator-operated electric machine generates more power, as consumed by the motorized. It arises a generator torque, which leads to a change of the transmission ratio would lead. The speed controller for the Internal combustion engine tries to reduce this control difference and increases depending on the application, the throttle valve 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 opposite case, that an additional drive torque is to be generated, the power consumption of the following electric machine set larger than the power which the leading electric machine generated. The additional energy is thereby from the energy storage decreased.
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 expression of the selection algorithm of the leading Electric machine is determined by the speed signal, being always the electric machine with higher speed than the Leader is elected. It avoids that an electric machine at the zero crossing of the speed at reversal of direction forms the basis for calculating the setpoints. In a Continuing the process can be a switch between leading and following electric machine, if the leading Electric machine reaches a lower speed threshold and the speed the following electric machine is above this threshold. Switching 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 inventive method includes Advantageously, consideration of the electrical and mechanical limits of 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 Advantageous development is based on the electrical Performances of the electric machines with the respective actual value of the speed to be delivered or absorbed torque of the respective electric machine calculated and adjusted with a suitable subordinate control.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.The inventive method is described below an embodiment described.
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
Für den Fall, dass die Elektromaschine E2 als die Führende gewählt wird, erfolgt die Berechnung der Sollwerte analog. Die Berechnung verzweigt mittels der Stellung der Schalter S1–S4, welche so umgesteuert werden, dass die Berechnung analog zum oben beschriebenen Verfahren für die dann führende Elektromaschine durchgeführt wird.For the case that the electric machine E2 as the leader is selected, the calculation of the setpoints takes place analogously. The calculation branches by means of the position of the switches S1-S4, which are reversed so that the calculation is analogous to the above described procedures for then leading Electric machine is performed.
In
einer Erweiterung für einen Betrieb mit einem Energiespeicher
wird das Verhältnis der geforderten elektrischen Leistungen
P_E1_gef und P_E2_gef, welche beim elektrisch ausgeglichenen Betrieb
betragsmäßig gleich sind, gezielt verstimmt. Ein
Abführen elektrischer Energie zum Speicher bzw. ein Zuführen
von Energie aus dem Speicher wird durch die dann unterschiedliche
Sollwertvorgabe von P_E1_gef und P_E2_gef realisiert. Ein Energiemanagement
- 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 Berechnungbranch the calculation
- PWGPWG
- Signal Pedalwertgebersignal Pedal sensor
- v_Fzgv_Fzg
- Fahrzeuggeschwindigkeitvehicle speed
- Dm_Rad_sollDm_Rad_soll
- gewünschtes Radmomentdesired wheel torque
- Dm_Rad_istDm_Rad_ist
- Istwert des Radmomentesactual value the wheel torque
- Dz_Vm_optDz_Vm_opt
- Optimaldrehzahl VerbrennungsmotorOptimal speed internal combustion engine
- 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. E2actual value the speed of the electric machine E1 or E2
- Dz_E1/2_sollDz_E1 / 2_soll
- Sollwert der Drehzahl der Elektromaschine E1 bzw. E2setpoint the speed of the electric machine E1 or E2
- Dm_E1/2_vDm_E1 / 2_v
- Drehmomentsollwert der Elektromaschinen aus der VorsteuerungTorque setpoint 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
5 Setpoint of the torque of the electric machine E1 or E2 at the input of the electric machine control5 - 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 electromachine specific performance
- 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 machine specific performance of
- 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 the electric machine control
- Dm_E1/2_gefDm_E1 / 2_gef
- gefordertes Drehmoment der Elektromaschinen am Ausgang der Elektromaschinensteuerungdemanded 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
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