DE102008023305A1

DE102008023305A1 - Verfahren zur Steuerung eines Rekuperationsmomentes einer Hybridantriebseinheit

Info

Publication number: DE102008023305A1
Application number: DE102008023305A
Authority: DE
Inventors: David Dipl.-Ing. Prochazka; Michael Dr. Zillmer; Norbert Dipl.-Ing. Weiß
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Rekuperationsmoments einer Hybridantriebseinheit (10), welche eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (24) gespeist wird und ein elektromotorisches Antriebsmoment liefert, das zusammen mit dem Moment der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb ein generatorisches Moment (MG_EM) liefert, das ein Rekuperationsmoment der Hybridanriebseinheit (10) darstellt, und wobei bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die elektrische Maschine (14) zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch betrieben wird. Es ist vorgesehen, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes (SOC_sw1) für den Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (24) und bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die Steuerung des Rekuperationsmoments zumindest zweiphasig erfolgt, wobei (a) in einer ersten Phase die elektrische Maschine (14) im Wesentlichen mit Einsetzen der Bremsmomentanforderung generatorisch zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments betrieben wird und (b) in einer nachfolgenden zweiten Phase das generatorische Moment (MG_EM) der elektrischen Maschine (14) abgesteuert ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Rekuperationsmoments einer Hybridantriebseinheit, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine entsprechende Hybridantriebseinheit. Die Hybridantriebseinheit umfasst eine erste Antriebsquelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine. Im motorischen Betrieb wird die elektrische Maschine durch einen Energiespeicher gespeist und liefert ein positives elektromotorisches Moment, das zusammen mit dem Moment der ersten Antriebseinheit ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit darstellt. Demgegenüber wird im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine ein generatorisches Moment geliefert, das ein Rekuperationsmoment (= Bremsmoment) der Hybridantriebseinheit darstellt. Dabei wird bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die elektrische Maschine zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch betrieben.
Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet Kraftfahrzeuge, bei denen mindestens zwei Antriebsquellen miteinander kombiniert werden, die auf unterschiedliche Energiequellen zurückgreifen, um die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, der durch die Verbrennung von Benzin- oder Dieselkraftstoffen kinetische Energie erzeugt, und einer elektrischen Maschine, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umsetzt. Heutige Hybridfahrzeuge sind deshalb überwiegend mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer oder mehreren elektrischen Maschinen ausgestattet. Es lassen sich zwei verschiedene Hybridkonzepte unterscheiden. Bei den so genannten seriellen Hybridkonzepten erfolgt der Fahrzeugantrieb ausschließlich über die elektrische Maschine, während der Verbrennungsmotor über einen separaten Generator den elektrischen Strom für die Aufladung eines, die E-Maschine speisenden Energiespeichers beziehungsweise für die direkte Speisung der E-Maschine erzeugt. Demgegenüber werden heute zumindest in PKW-Anwendungen parallele Hybridkonzepte bevorzugt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die E-Maschine dargestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Parallelkonzepte.
Die in solchen Parallelkonzepten eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. Im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb wird die E-Maschine überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung der E-Maschine beispielsweise zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Im Falle eines leistungsverzweigten Hybridkonzepts mit mehr als einer E-Maschine kann der generatorische Betrieb einer E-Maschine auch zur Speisung einer weiteren genutzt werden. Demgegenüber wird die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten, unterstützend zum Verbrennungsmotor zugeschaltet (Boost-Funktion), das heißt es wird eine Momentenaddition des verbrennungsmotorischen und des elektromotorischen Moments durchgeführt. Zudem kann die E-Maschine die Funktion eines Anlassermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Darüber hinaus befinden sich auch leistungsverzweigte Hybridkonzepte im Einsatz, bei denen zwei E-Maschinen und der Verbrennungsmotor über ein Planetenradgetriebe gekoppelt werden und der Leistungsfluss auch geteilt nach elektrischer und mechanischer Leistung erfolgen kann. Generell ist in Hybridkonzepten von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.
Ferner ist bekannt, bei Schub- oder Bremsvorgängen zumindest einen Teil einer angeforderten Bremsleistung durch die generatorisch betriebene E-Maschine aufzubringen (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Auf diese Weise dient die elektrische Maschine der energieschonenden Erzeugung eines Bremsmomentes (= Rekuperationsmoment) und gleichzeitig der Ladung des Energiespeichers. Dabei ist bekannt, das Rekuperationsmoment über eine Funktion eines Ladezustandes (SOC für state-of-charge) des Energiespeichers abzuregeln, wenn dieser einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, der unterhalb eines maximal zulässigen Ladungsniveaus (SOC_max) liegt, um den Energiespeicher vor Schäden infolge von Überladung zu schützen. Derartige Situationen können beispielsweise bei längeren Bergabfahrten vorkommen.
Besonders vorteilhaft kann die Rekuperationsfunktion der elektrischen Maschine bei Verwendung von modernen elektro-hydraulischen Fahrzeugbremssystemen eingesetzt werden. In derartigen Systemen wird das durch den Fahrer angeforderte Bremsmoment in Abhängigkeit einer beispielsweise sensorisch erfassten Position des Bremspedals ermittelt. Elektro-hydraulische Bremssysteme ermöglichen eine weitestgehend freie Aufteilung der Einzelmomente der Rekuperations- und der Fahrzeugbremse (so genanntes Brake-Blending), wodurch eine besonders komfortable Steuerung des Rekuperationsmomentes sowie sein energetisch optimierter Einsatz möglich ist. Insbesondere beim Absteuern des Rekuperationsmomentes aufgrund eines hohen SOC des Energiespeichers kann bei diesen Systemen ohne Weiteres ein reproduzierbares Ansprechen der Bremsleistung erzielt werden. Nachteile der elektro-hydraulischen Bremssysteme sind jedoch ihre hohen Kosten und ein hoher Systemaufwand.
Wesentlich kostengünstiger sind demgegenüber konventionelle (nicht-elektronisch arbeitende) hydraulische Bremssysteme, bei denen der Bremspedalweg über eine Druckstange direkt in einen Hauptbremszylinder übertragen wird. Bei diesen Bremssystemen wird üblicherweise das Rekuperationsmoment im Leerwegbereich des Bremspedalweges beziehungsweise der Druckstange in dem Hauptbremszylinder aufgebracht, also dort, wo die Fahrzeugbremse noch kein effektives Bremsmoment aufbringt. Nachteilig an diesen konventionellen hydraulischen Bremssystemen ist jedoch, dass bei hohem oder vollem SOC des Energiespeichers das Absteuern des Rekuperationsmomentes der elektrischen Maschine zu einem abweichenden Bremsverhalten gegenüber dem Betrieb bei leerer Batterie führt. Dies kann vom Fahrer als irritierend empfunden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Steuerung des Rekuperationsmomentes einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Hybridfahrzeuges, vorzuschlagen, bei dem ein reproduzierbares Bremsverhalten auch bei einem hohen Ladezustand (SOC) des Energiespeichers gewährleistet wird. Das Verfahren soll insbesondere auch bei Einsatz konventioneller (nicht-elektronischer) hydraulischer Fahrzeugbremssysteme zu einem reproduzierbaren und komfortablen Ansprechen der Bremse führen. Es soll ferner eine geeignete Hybridantriebseinheit zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Hybridantriebseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes (SOC_sw1) für den Ladezustand (SOC) des Energiespeichers und bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung durch den Fahrer die Steuerung des Rekuperationsmomentes zumindest zweiphasig erfolgt. Dabei wird in einer ersten Phase des Verfahrens, die im Wesentlichen mit Einsetzen der Bremsmomentanforderung beginnt, die elektrische Maschine zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch betrieben. In einer nachfolgenden zweiten Phase wird dann das generatorische Moment (MG_EM) der elektrischen Maschine abgesteuert. Mit anderen Worten wird im Wesentlichen mit Einsetzen der Bremsbetätigung (oder auch bei Bremsnachbetätigung) die Bremsmomentanforderung durch Aufsteuerung des generatorischen Momentes kurzfristig umgesetzt (erste Phase) und anschließend beispielsweise mithilfe einer Rampenfunktion das Generatormoment allmählich zurückgenommen (zweite Phase). Durch das Aufbringen des generatorischen Rekuperationsmomentes der elektrischen Maschine in der ersten Phase des Verfahrens (bei dem im Stand der Technik kein generatorischer Betrieb mehr zugelassen wird) wird erzielt, dass trotz hohem Ladezustand des Energiespeichers sich für den Fahrer subjektiv das gewohnte Ansprechverhalten der Bremse darstellt. In der zweiten Phase des Verfahrens, in welchem das Generatormoment zurückgenommen wird, kann das angeforderte Bremsmoment durch verstärktes Treten des Bremspedals vom Fahrer in einfacher Weise nachgeregelt werden. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass das erste dynamische Ansprechen der Bremse subjektiv vom Fahrer deutlich stärker wahrgenommen wird als eine nachfolgend langsame Veränderung der Bremswirkung bei im Wesentlichen konstantem Bremspedalweg. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass eine langsame Veränderung der Bremswirkung bei unveränderter Bremspedalposition auch durch Steigungseinflüsse, Gegenwind oder dergleichen verursacht werden kann, woran der Fahrer gewöhnt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit im Ergebnis möglich, unabhängig von dem Ladezustand des Energiespeichers ein reproduzierbares Bremsverhalten darzustellen, sodass vom Fahrer kein Unterschied des Bremsverhaltens bei hohem Ladezustand gegenüber leerem SOC wahrgenommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Zurückfahren des generatorischen Moments graduell, insbesondere mit einer linearen Funktion (Rampenfunktion). Auf diese Weise wird erreicht, dass die Bremsleistung allmählich nachlässt und der Fahrer intuitiv das Bremsverhalten durch Nachtreten des Bremspedals nachregeln kann. In der Regel wird somit die nachlassende Bremsleistung in der Regel durch den Fahrer nicht wahrgenommen werden.
Um zu vermeiden, dass der Energiespeicher aufgrund der erfindungsgemäß verzögert erfolgenden Zurücknahme des Rekuperationsmomentes einen kritischen, schädigenden Ladezustand erreicht, wird für den Ablauf der zweiten Phase des Verfahrens ein gewisser geringer SOC-Puffer vorgehalten. Zu diesem Zweck ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Einsetzen der zweiten Phase, das heißt das Zurückfahren des generatorischen Bremsmomentes spätestens bei Überschreiten eines zweiten Grenzwertes (SOC_sw2) für den Ladezustand erfolgt. Der zweite Grenzwert liegt oberhalb des ersten Grenzwertes und weist insbesondere einen Wert von 97% eines maximalen Ladungsniveaus (SOC_max) des Energiespeichers auf, vorzugsweise von 98%, und besonders bevorzugt von 99% bezogen auf SOC_max. Dies entspricht 3%, insbesondere 2%, vorzugsweise 1% einer sogenannten Entladungstiefe (DOD für depth-of-discharge).
Demgegenüber liegt der erste Grenzwert SOC_sw1, bei dem das erfindungsgemäße zweistufige Verfahren aktiviert wird, bei insbesondere 90% des maximalen Ladungsniveaus (SOC_max) des Energiespeichers, vorzugsweise bei 95%, und besonders bevorzugt von 97% bezogen auf SOC_max.
Mit Vorteil kann das vorbestimmte generatorische Moment der elektrischen Maschine in der ersten Phase des Verfahrens in Abhängigkeit des angeforderten Bremsmoments vorbestimmt werden und insbesondere als Funktion des angeforderten Bremsmoments variabel aufgesteuert werden. Vorzugsweise erfolgt in der ersten Phase die Darstellung des gesamten angeforderten Bremsmoments generatorisch. Dies entspricht im Wesentlichen der herkömmlichen Steuerung des Rekuperationsmomentes bei niedrigem SOC (das heißt bei SOC < SOC_sw1).
Einen besonderen Vorteil entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung eines hydraulischen, nicht-elektronischen Bremssystems, da hier die Möglichkeit besteht, zumindest einen frühen Teil der ersten Phase des Verfahrens innerhalb eines Leerwegbereichs des Bremssystems durchzuführen, bevor dieses ein effektives Bremsmoment liefert. Diese leerwegbasierte Durchführung des Rekuperationsverfahrens hat den Vorteil, dass das in der ersten Phase aufgebrachte Rekuperationsmoment energetisch am effektivsten genutzt werden kann. Ferner sind hydraulische nicht-elektronische Bremssysteme gegenüber elektro-hydraulischen Bremssystemen mit deutlich geringeren Kosten- und Implementationsaufwand verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit, kostengünstige konventionelle Bremssysteme einzusetzen und dennoch ein reproduzierbares Fahr- und Bremsverhalten auch bei praktisch voller Batterie darzustellen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das durch den Fahrer angeforderte Bremsmoment in Abhängigkeit von der Lage eines Druckelements in einem Hauptzylinder des konventionellen nicht-elektronischen Bremssystems ermittelt. Alternativ kann eine Bremspedalposition sensorisch ermittelt und hieraus das angeforderte Bremsmoment festgestellt werden. In beiden Fällen können hier Kennlinien Verwendung finden, die das angeforderte Bremsmoment (Wunschbremsmoment) in Abhängigkeit von der Lage des Druckelements in dem Hauptbremszylinder beziehungsweise in Abhängigkeit von der ermittelten Bremspedalposition darstellen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Anteil des generatorisch durch die elektrische Maschine aufgebrachten Bremsmoments an dem insgesamt durch die elektrische Maschine und durch das Fahrzeugbremssystem aufgebrachten Gesamtbremsmoment (entsprechend dem angeforderten Bremsmoment) in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladezustand (SOC) des Energiespeichers bestimmt wird. Vorzugsweise kommt hierfür eine abgespeicherte SOC-abhängige Kennlinie zum Einsatz.
Ebenso kann vorteilhaft vorgesehen sein, eine Funktion, mit der in der zweiten Phase des Verfahrens das generatorische Moment der elektrischen Maschine zurückgefahren wird, in Abhängigkeit von dem SOC des Energiespeichers und/oder einer Wirkung der mechanischen Fahrzeugbremse vorzubestimmen. Auch hier kann eine geeignete SOC-abhängige oder bremswirkungsabhängige Kennlinie verwendet werden beziehungsweise ein von beiden Parametern abhängiges Kennfeld. Insbesondere kann bei relativ hohem SOC eine schnellere Zurücknahme des Generatormoments erfolgen als bei relativ niedrigem SOC.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Hybridantriebseinheit, die eine Momentensteuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst. Insbesondere kann die Momentensteuerung einen abgespeicherten Programmalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens umfassen sowie die vorstehend genannten Kennlinien.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Hybridantriebseinheit ein hydraulisches, nicht-elektronisches Fahrzeugbremssystem.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hybridantriebseinheit und
2 zeitliche Verläufe eines Ladezustandes SOC eines Energiespeichers sowie eines Bremspedalwegs BPW eines Hybridantriebs nach 1 sowie des aufgesteuerten Rekuperationsmomentes der elektrischen Maschine des Hybridantriebs entsprechend der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist mit 10 insgesamt eine parallele Hybridantriebseinheit eines im Einzelnen nicht weiter dargestellten Hybridfahrzeugs bezeichnet. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt wahlweise oder gleichzeitig durch eine erste Antriebsquelle, hier einen konventionellen Verbrennungsmotor 12 (Otto- oder Dieselmotor), sowie durch einen Elektromotor 14 (elektrische Maschine, E-Maschine), die beide auf dieselbe Welle wirken, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12. Die Anbindung des Elektromotors 14 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann der Elektromotor 14 direkt oder über eine Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden sein oder über einen Riemenantrieb, beispielsweise einen Zahnriemen, oder ein Getriebe oder einer anderen kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 sind über ein Getriebe 16 mit einem angedeuteten Antriebsstrang 18 verbunden. Die Entkopplung der Antriebswellen des Verbrennungsmotors 12 beziehungsweise des Elektromotors 14 vom Getriebe 16 erfolgt über eine Kupplung 20, die durch Betätigung eines nicht dargestellten Kupplungspedals durch den Fahrer geöffnet werden kann und bei Nicht-Betätigung geschlossen ist. Das Getriebe 16 kann alternativ als Automatikgetriebe oder als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein, bei denen die Betätigung der Kupplung 20 entfällt.
In 1 ist zudem eine optionale zusätzliche Kupplung 22 angedeutet, die zwischen Verbrennungsmotor 12 und Elektromotor 14 angeordnet sein kann. Eine solche zusätzliche Kupplung 22 erlaubt die separate Abkopplung des Verbrennungsmotors 12 vom Antriebsstrang 18 beziehungsweise vom Elektromotor 14, wodurch sich grundsätzlich der Vorteil ergibt, dass bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 seine mechanischen Reibungswiderstände nicht mitgeschleppt werden müssen. Die zusätzliche Kupplung 22 bewirkt daher zwar ein zusätzliches Einsparpotential von Kraftstoff, ist jedoch mit einem zusätzlichen Kosten-, Konstruktions- und Bauraumaufwand verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichermaßen auf Hybridantriebe mit und ohne zusätzliche Kupplung 22 angewendet werden.
Der Elektromotor 14, der beispielsweise ein Drehstrom-Asynchronmotor oder -Synchronmotor ist, kann wahlweise im Motorbetrieb mit einem positiven Antriebsmoment, das zusammen mit dem Moment der Verbrennungskraftmaschine 12 ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit 10 darstellt, betrieben werden oder im Generatorbetrieb mit einem negativen elektromotorischen Moment, das einem Bremsmoment oder Rekuperationsmoment MG_EM entspricht. Im motorischen Betrieb treibt der Elektromotor 14 den Antriebsstrang 18 – allein oder das verbrennungsmotorische Moment M_VM des Verbrennungsmotors 12 unterstützend – unter Verbrauch von elektrischer Energie (Strom) an. Diese bezieht der Elektromotor 14 aus einem Energiespeicher 24, der beispielsweise eine Batterie und/oder bevorzugt ein Kondensatorspeicher sein kann. Im generatorischen Betrieb hingegen wird der Elektromotor 14 durch den Verbrennungsmotor 12 beziehungsweise einen Schubbetrieb des Fahrzeuges angetrieben und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie zur Ladung des Energiespeichers 24 oder zur Versorgung eines nicht dargestellten Bordstromnetzes um. Die Umschaltung des Elektromotors 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 26, die gleichzeitig eine möglicherweise erforderliche Umrichtung zwischen Gleich- und Wechselstrom vornimmt.
Gemäß dem dargestellten Konzept erfolgt der Fahrzeugantrieb überwiegend durch den Verbrennungsmotor 12, der durch den als Startergenerator ausgelegten Elektromotor 14 gestartet wird. Der Elektromotor 14 übernimmt zudem eine Boostfunktion, indem er in Hochlastsituationen, insbesondere bei Beschleunigungen des Fahrzeugs, unterstützend zum Fahrzeugantrieb zugeschaltet wird (motorischer Betrieb). Andererseits hat der Elektromotor 14 in Fahrsituationen, bei denen ein Überschuss kinetischer Energie des Fahrzeugs vorliegt, eine so genannte Rekuperationsfunktion, indem er im generatorischen Betrieb die Bewegungsenergie in kinetische Energie zur Ladung des Energiespeichers 24 umwandelt und somit gleichzeitig ein Bremsmoment (Rekuperationsmoment) bereitstellt. Ein in diesem Zusammenhang besonders geeigneter Elektromotor 14 weist eine Leistung von höchstens 50 kW, insbesondere von höchstens 30 kW, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 25 kW, speziell von etwa 20 kW auf.
Die Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 26 erfolgt hier durch ein Motorsteuergerät 28, in welches eine Momentensteuerung (angedeutet mit 30) in Form eines Programmalgorithmus integriert ist. Alternativ kann die Momentensteuerung 30 auch in einer separaten Steuereinheit vorgesehen sein. In das Motorsteuergerät 28 gehen verschiedene aktuelle Betriebsparameter des Fahrzeugs ein. Insbesondere wird ein einem Bremspedalweg BPW entsprechendes Signal einer konventionellen (nicht-elektronischen) hydraulischen Fahrzeugbremse, von der hier lediglich ein Hauptbremszylinder 32 mit einer darin axial beweglichen Druckstange angedeutet ist, an das Motorsteuergerät 28 übermittelt. Im vorliegenden Beispiel wird der Bremspedalweg BPW über eine Lageerkennung der Druckstange im Hauptbremszylinder 32 ermittelt. Alternativ ist auch eine sensorische Erfassung der Bremspedalposition durch einen Pedalwertgeber möglich. In jedem Fall entspricht der Bremspedalweg BPW einem Maß, mit dem der Fahrer das Bremspedal bedient und damit dem angeforderten Bremsmoment. Über eine abgespeicherte Kennlinie ermittelt das Motorsteuergerät 32 das durch den Fahrer angeforderte Bremsmoment in Abhängigkeit von dem Bremspedalweg BPW. Des Weiteren erhält oder ermittelt das Motorsteuergerät 28 Informationen, die einen Ladezustand SOC (state-of-charge) des Energiespeichers 24 charakterisieren.
In Abhängigkeit von dem Bremspedalweg BPW (bzw. dem diesen entsprechenden angeforderten Bremsmoment) sowie dem Ladezustand SOC steuert die Momentensteuerung 30 das generatorische Bremsmoment (Rekuperationsmoment) der elektrischen Maschine 14 gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Prinzip anhand von 2 dargestellt ist.
Im oberen Teil der 2 sind die zeitlichen Verläufe des Ladezustands SOC des Energiespeichers 24 sowie des Bremspedalwegs BPW des Fahrzeugbremssystems dargestellt. Ferner ist eine maximal zulässige Ladezustandsschwelle SOC_max eingezeichnet, die nicht überschritten werden darf, um den Energiespeicher 24 vor Überladungsschäden zu schützen. Ein darunter liegender erster Grenzwert SOC_sw1 für den Ladezustand des Energiespeichers 24 kennzeichnet das Ladeniveau, ab dem die erfindungsgemäße mehrphasige Rekuperationssteuerung einsetzt und liegt beispielsweise bei 93% bezogen auf SOC_max. (Unterhalb des ersten Grenzwertes SOC_sw1 erfolgt stets die generatorische Darstellung zumindest eines Teils des Bremsmomentes.) Ein zweiter Grenzwert SOC_sw2 liegt oberhalb des ersten Grenzwertes SOC_sw1 und knapp unterhalb der maximal zulässigen Wertes SOC_max, beispielsweise bei 99% von SOC_max. Der zweite Grenzwert SOC_sw2 kennzeichnet die Schwelle, ab der spätestens die Absteuerung des Rekuperationsmomentes einsetzt. Im unteren Teil der 2 ist das generatorische Moment MG_EM der elektrischen Maschine dargestellt, welches einem Bremsmoment (Rekuperationsmoment) entspricht, das allein oder in Kombination mit dem Bremsmoment der Fahrzeugbremse auf den Antriebsstrang 18 des Fahrzeugs wirkt.
In dem dargestellten beispielhaften Fall befindet sich der Ladezustand SOC des Energiespeichers 24 zunächst weit unterhalb des maximal zulässigen Wertes SOC_max sowie zunächst auch unterhalb des ersten Grenzwertes SOC_sw1. In dieser Phase kommt es zu einer ersten Bremsanforderung durch den Fahrer, ausgedrückt durch den in dem Hauptbremszylinder 32 erfassten Bremspedalweg BPW. Um die angeforderte Bremsleistung darzustellen, wird die elektrische Maschine 24 im generatorischen Betrieb betrieben, sodass sie ein generatorisches Moment MG_EM darstellt. Dieses Rekuperationsmoment wird bevorzugt in dem Leerwegbereich des Hauptbremszylinders 32 der Fahrzeugbremse dargestellt, also dort, wo die konventionelle Fahrzeugbremse noch keine effektive Bremswirkung aufbringt. Bevorzugt wird die Höhe des Rekuperationsmomentes MG_EM proportional zu dem ermittelten Bremspedalweg BPW und damit zu dem angeforderten Bremsmoment gesteuert. Aufgrund der generatorischen Leistung der elektrischen Maschine 14 wird der Energiespeicher 24 geladen, sodass sein Ladezustand SOC steigt und sich dem ersten Grenzwert SOC_sw1 für den Ladezustand annähert und diesen im Verlauf des Bremsvorganges zum Zeitpunkt t₁ sogar überschreitet. Die Durchführung der Rekuperationssteuerung dieser ersten Bremsanforderung entspricht im Wesentlichen dem Stand der Technik bei niedrigem Ladezustand des Energiespeichers.
Im weiteren Verlauf kommt es zu einer erneuten Bremsanforderung durch den Fahrer, die hier der Einfachheit halber das gleiche Profil wie die erste Anforderung aufweist (BPW in 2 oben). Zu diesem Zeitpunkt liegt der SOC noch immer oberhalb des ersten Grenzwertes SOC_sw1, weswegen es nun zu einer mehrphasigen Steuerung des Rekuperationsmoments gemäß der vorliegenden Erfindung kommt. In einer ersten Phase der infolge der erneuten Bremsanforderung einsetzenden Steuerung des Rekuperationsmoments wird das generatorische Moment MG_EM der elektrischen Maschine 14 wie bei niedrigem SOC aufgesteuert, das heißt die elektrische Maschine 14 wird mit einem generatorischen Moment MG_EM betrieben, das im Wesentlichen proportional zu der Bremsanforderung beziehungsweise dem Bremspedalweg BPW ist. Infolge des generatorischen Betriebes der E-Maschine 14 kommt es zu einer weiteren Zunahme des SOC.
Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit und/oder bei im Wesentlichen konstanten BPW (d. h. dBPW/dt gleich der nahe Null) während des zweiten Bremsvorgangs setzt die zweite Phase der erfindungsgemäßen Rekuperationssteuerung ein, in welcher eine Zurücknahme des generatorischen Momentes MG_EM beispielsweise über eine lineare Rampenfunktion erfolgt. Der übrige Anteil des gewünschten Bremsmoments wird dann über die Fahrzeugbremse dargestellt. (Der Beginn der zweiten Phase ist in 2 unten durch einen Kreis markiert.) Auf diese Weise wird ein weiterer Anstieg des Ladezustandes SOC gebremst und der Energiespeicher 24 vor Überladung geschützt. Im dargestellten Beispiel wird die zweite Schwelle SOC_sw2 während des gesamten Verfahrens nicht erreicht. Sollte es andernfalls jedoch während der ersten Phase der erfindungsgemäßen Rekuperationssteuerung zu einem Überschreiten der zweiten Schwelle SOC_sw2 kommen, so würde dies unmittelbar die zweite Phase der Rekuperationssteuerung auslösen, das heißt das Absteuern des generatorischen Moments MG_EM der elektrischen Maschine. Durch den durch den zweiten Grenzwert SOC_sw2 vorgesehenen Abstand zum zulässigen Maximalwert SOC_max wird ein Puffer für die Durchführung der Absteuerung des generatorischen Rekuperationsmomentes vorgehaltenen.
Die erste Phase und gegebenenfalls auch ein Teil der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt in dem Leerwegbereich des Fahrzeugbremssystems umgesetzt. Sobald das Rekuperationsmoment der elektrischen Maschine 14 nicht mehr ausreicht, um die angeforderte Bremsleistung darzustellen, wird der Fahrer dies intuitiv ausgleichen, indem er das Bremspedal stärker betätigt und somit das Einsetzen der konventionellen Fahrzeugbremse auslöst.
Da bei Beginn der Bremsbetätigung die elektrische Maschine 14 analog zu der Situation mit niedrigerem Ladezustand SOC mit einem Rekuperationsmoment betrieben wird, stellt sich für den Fahrer ein weitestgehend reproduzierbares Bremsverhalten dar. Das später nachlassende Bremsmoment durch die elektrische Maschine 14 in der zweiten Phase der Verfahrens wird von dem Fahrer erfahrungsgemäß kaum oder gar nicht wahrgenommen, da dieser eine nachlassende Bremswirkung auch bei veränderlichen Fahrwiderständen, wie Veränderungen des Gefälles oder ”Rückenwind”, gewohnt ist.

10: Hybridantriebseinheit
12: Verbrennungsmotor
14: Maschine
16: Getriebe
18: Antriebsstrang
20: Kupplung
22: zusätzliche Kupplung
24: Energiespeicher/Batterie
26: Leistungselektronik
28: Motorsteuergerät
30: Momentensteuerung
32: Pedalwertgeber
BPW: Bremspedalweg
MG_EM: generatorisches Moment der elektrischen Maschine
n: Drehzahl
SOC: Ladezustand (state-of-charge)
SOC_sw1: erster Grenzwert für den Ladezustand
SOC_sw2: zweiter Grenzwert für den Ladezustand
SOC_max: maximal zulässiger Ladezustand

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Rekuperationsmoments einer Hybridantriebseinheit (10), welche eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (24) gespeist wird und ein elektromotorisches Antriebsmoment liefert, das zusammen mit dem Moment der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb ein generatorisches Moment (MG_EM) liefert, das ein Rekuperationsmoment der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, und wobei bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung unterhalb eines ersten Grenzwertes (SOC_sw1) für einen Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (24) die elektrische Maschine (14) zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des ersten Grenzwertes (SOC_sw1) für den Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (24) und bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die Steuerung des Rekuperationsmoments zumindest zweiphasig erfolgt, wobei (a) in einer ersten Phase die elektrische Maschine (14) im Wesentlichen mit Einsetzen der Bremsmomentanforderung generatorisch zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments betrieben wird und (b) in einer nachfolgenden zweiten Phase das generatorische Moment (MG_EM) der elektrischen Maschine (14) abgesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzwert (SOC_sw1) für den Ladezustand des Energiespeichers (24) bei 90%, insbesondere bei 95%, vorzugsweise bei 97% eines maximal zulässigen Ladungsniveaus (SOC_max) des Energiespeichers (24) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase spätestens bei Überschreitung eines zweiten Grenzwertes (SOC_sw2) für den Ladezustand des Energiespeichers (24) einsetzt, der insbesondere bei zumindest 97%, vorzugsweise bei zumindest 98%, besonders bevorzugt bei zumindest 99% eines maximal zulässigen Ladungsniveaus (SOC_max) des Energiespeichers (24) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase das vorbestimmte generatorische Moment (MG_EM) der elektrischen Maschine (14) in Abhängigkeit des angeforderten Bremsmoments vorbestimmt wird, insbesondere proportional zu dem angeforderten Bremsmoment.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückfahren des generatorischen Moments (MG_EM) der elektrischen Maschine (14) in der zweiten Phase graduell erfolgt, insbesondere mit einer linearen Funktion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulisches nicht-elektronisches Fahrzeugbremssystem eingesetzt wird und zumindest ein früher Teil der ersten Phase in einem Leerwegbereich des Bremssystems durchgeführt wird, bevor das Bremssystem ein Bremsmoment liefert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angeforderte Bremsmoment in Abhängigkeit von der Lage eines Druckelements in einem Hauptbremszylinder des Fahrzeugbremssystem oder in Abhängigkeit von einer Bremspedalposition ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des generatorisch durch die elektrische Maschine (14) aufgebrachten Bremsmoments an einem insgesamt durch die elektrische Maschine (14) und durch das Fahrzeugbremssystem aufgebrachten Gesamtbremsmoments in Abhängigkeit von dem Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (24) bestimmt wird, insbesondere unter Verwendung einer SOC-abhängigen Kennlinie.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktion, mit der in der zweiten Phase das generatorische Moment (MG_EM) der elektrischen Maschine (14) zurückgefahren wird, in Abhängigkeit von dem Ladezustand (SOC) des Energiespeichers (24) und/oder von einer Wirkung einer mechanischen Fahrzeugbremse bestimmt wird, insbesondere unter Verwendung einer SOC-abhängigen oder bremswirkungsabhängigen Kennlinie oder eines von beiden Parametern abhängigen Kennfelds.
Hybridantriebseinheit (10), welche eine erste Antriebsquelle (12), insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (14), wobei im motorischen Betrieb die elektrische Maschine (14) durch einen Energiespeicher (24) gespeist wird und ein positives elektromotorisches Moment liefert, das zusammen mit einem Moment der ersten Antriebsquelle (12) ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, und im generatorischen Betrieb ein generatorisches Moment (MG_EM) liefert, das ein Rekuperationsmoment der Hybridantriebseinheit (10) darstellt, und eine Momentensteuerung (30), die eingerichtet ist, bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die elektrische Maschine (14) zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch zu betreiben, gekennzeichnet durch die Momentensteuerung (30) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingereichtet ist.
Hybridantriebseinheit (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentensteuerung (30) einen Programmalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Hybridantriebseinheit (10) nach 10 oder 11, ferner umfassend ein hydraulisches, nicht-elektronisches Fahrzeugbremssystem.