DE102010036148A1

DE102010036148A1 - Vorausschauendes Energiemanagement-Steuerschema für ein Fahrzeug, das ein Hybridantriebsstrangsystem enthält

Info

Publication number: DE102010036148A1
Application number: DE102010036148A
Authority: DE
Inventors: Hong Rochester Hills Yang; Joel M. Northville Maguire
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: US20110066308A1; US8825243B2; DE102010036148B4; CN102019926A; CN102019926B

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs, das einen Hybridantriebsstrang aufweist, umfasst, dass eine Fahrzeugnavigation und Verkehrsmuster überwacht werden, die mit einem vorhergesagten Fahrweg verbunden sind. Es erweitert den momentanen Controller des Antriebsstrangs zu einem vorausschauenden Steuerungsgerüst und verwendet vorgeprüfte Verkehrs- und geographische Informationen auf der Grundlage von fahrzeugeigenen Erfassungs- und Navigationsinformationen. Es wird eine nahe bevorstehende Straßenlast vorhergesagt, durch welche ein Kraftstoffkostenfaktor unter einem modellierten vorausschauenden Steuerungsgerüst optimiert wird. Eine Ladezustandstrajektorie wird aus der nahe bevorstehenden Straßenlast vorhergesagt und ein Betrieb des Hybridantriebsstrangsystems wird in Ansprechen darauf gesteuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Steuersysteme für Fahrzeuge, die Hybridantriebsstrangsysteme enthalten.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
Bekannte Hybridantriebsstrangarchitekturen enthalten drehmomenterzeugende Einrichtungen, die Verbrennungsmotoren und Drehmomentmaschinen enthalten, welche mit einer Getriebeeinrichtung mechanisch gekoppelt sein können, um Drehmoment an ein Abtriebselement zu übertragen. Bekannte Drehmomentmaschinen formen gespeicherte Energie in Leistung um, um Drehmoment zu erzeugen. Ein bekanntes Hybridantriebsstrangsystem enthält einen Verbrennungsmotor, der mit einem Antriebselement eines verbundverzweigten elektromechanischen Getriebes mit zwei Modi gekoppelt ist, welches ein Abtriebselement aufweist, das mit einem Endantrieb eines Kraftfahrzeugs funktional gekoppelt ist, um Antriebsdrehmoment dorthin zu übertragen. Drehmomentmaschinen, die elektrische Maschinen enthalten, die als Motoren oder Generatoren arbeiten, können unabhängig von einer Drehmomenteingabe vom Verbrennungsmotor Drehmomenteingaben an das Getriebe erzeugen. Die elektrischen Maschinen können kinetische Energie eines Fahrzeugs, die durch den Endantrieb des Fahrzeugs übertragen wird, in elektrische Energie umformen, die in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung speicherbar ist. Ein Steuersystem überwacht verschiedene Eingaben aus dem Fahrzeug und von dem Bediener und stellt eine funktionale Steuerung des Hybridantriebsstrangs bereit, die ein Steuern eines Getriebebereichszustands und eines Gangschaltens, ein Steuern der Drehmoment erzeugenden Einrichtungen und ein Regeln des Austausches elektrischer Leistung zwischen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und den elektrischen Maschinen umfasst, um Ausgaben des Getriebes, die ein Drehmoment und eine Drehzahl umfassen, zu verwalten.
Bekannte Steuerstrategien zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangsystems umfassen das Ausführen von Leistungsmanagementschemata, um bevorzugte Ziele in Verbindung mit dem Kraftstoffverbrauch, Emissionen und der Verwendung gespeicherter Energie in Ansprechen auf eine Bedieneranforderung nach Abtriebsdrehmoment zu erreichen. Bekannte Leistungsmanagementschemata zum Steuern des Betriebs von Hybridantriebsstrangsystemen überwachen gegenwärtige Bedingungen und erzeugen momentane Steuersignale, um Stellglieder des Antriebsstrangsystems zu steuern.
Bekannte Fahrzeugsysteme enthalten Globalpositionssensoren (GPS) und digitale Landkartensysteme, um die Fahrzeugposition und -bewegung relativ zu einem Fernstraßensystem zu überwachen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fahrzeug ist mit einem Hybridantriebsstrangsystem ausgestattet, das einen Verbrennungsmotor enthält, der mit einem Antriebselement eines Hybridgetriebes funktional gekoppelt ist, das eine Drehmomentmaschine aufweist, die zum Austausch von Leistung mit einer Energiespeichereinrichtung betrieben werden kann. Das Hybridgetriebe ist ausgestaltet, um Drehmoment zwischen dem Antriebselement, der Drehmomentmaschine und einem Abtriebselement zu übertragen. Ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs umfasst, dass eine Fahrzeugnavigation und Verkehrsmuster überwacht werden, die mit einem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug verbunden sind, dass eine nahe bevorstehende Straßenlast, die mit der Fahrzeugnavigation und den Verkehrsmustern verbunden ist, vorhergesagt wird, dass eine Fahrzeugvortriebsleistung geschätzt wird, die mit der vorhergesagten nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden ist, dass eine gewünschte Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung ermittelt wird, dass eine Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung vorhergesagt wird, die der geschätzten Fahrzeugvortriebsleistung und der gewünschten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung entspricht, und dass die Arbeitsweise des Hybridantriebsstrangsystems in Ansprechen auf die vorhergesagte Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung gesteuert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Hybridantriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Architektur für ein Steuersystem des beispielhaften Hybridantriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine graphische Darstellung eines bevorzugten Kraftstoffkostenfaktors ist, der gemäß der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf einen Ladezustand einer Energiespeichereinrichtung gezeichnet ist; und
4A–4D graphische Darstellungen des Betriebs eines Steuerschemas in einem Hybridantriebsstrangsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung sind.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte zum Zweck der Veranschaulichung nur einiger beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck des Einschränkens derselben dient, zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug 10, das ein Steuersystem 100, ein Hybridantriebsstrangsystem 200 und einen Endantrieb 300 umfasst.
Der Endantrieb 300 kann bei einer Ausführungsform eine oder mehrere Differentialgetriebeeinrichtungen 310 umfassen, die mit einer oder mehreren Achsen 320 oder Halbwellen mechanisch gekoppelt ist bzw. sind, die mit einem oder mehreren Rädern 330 gekoppelt ist bzw. sind. Die Differentialgetriebeeinrichtung 310 ist mit einem Abtriebselement 64 des Hybridantriebsstrangsystems 200 gekoppelt. Der Endantrieb 300 überträgt Antriebsleistung über das bzw. die Räder 330 zwischen dem Hybridgetriebe 250 und einer Straßenoberfläche.
Das Hybridantriebsstrangsystem 200 enthält eine Energiespeichereinrichtung (ESD) 210, die potentielle Energie speichert und mit einer oder mehreren Drehmomentmaschinen 230 gekoppelt ist, um Leistung dazwischen zu übertragen. Wenn die ESD 210 eine elektrische Speichereinrichtung umfasst und die Drehmomentmaschine(n) 230 Elektromotoren/Generatoren umfasst bzw. umfassen, können steuerbare Gleichrichter/Wechselrichter dazwischen platziert und verwendet werden, um elektrische Leistung umzuformen. Die Drehmomentmaschinen 230 dienen zum Umwandeln von gespeicherter Energie in mechanische Leistung und sie dienen zum Umwandeln mechanischer Leistung in Energie, die in der ESD 210 gespeichert werden kann. Der Verbrennungsmotor 240 dient zum Umwandeln von in einem Kraftstofftank 220 gespeicherten Kraftstoff in mechanische Leistung. Mechanische Leistung vom Verbrennungsmotor 240 kann an das Hybridgetriebe 250 und die Drehmomentmaschine(n) 230 übertragen werden. Mechanische Leistung von der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 kann an das Hybridgetriebe 250 und den Verbrennungsmotor 240 übertragen werden. Mechanische Leistung vom Hybridgetriebe 250 kann an den Verbrennungsmotor 240, die Drehmomentmaschine(n) 230 und über das Abtriebselement 64 an den Endantrieb 300 übertragen werden. Die übertragene mechanische Leistung kann in der Form von Antriebsdrehmoment zum Fahrzeugvortrieb und in der Form von rückwirkendem Drehmoment für ein Bremsen des Fahrzeugs, welches mit einer regenerativen Bremsfunktionalität verbunden ist, vorliegen.
Der Verbrennungsmotor 240 kann vorzugsweise selektiv in einer Vielzahl von Zuständen betrieben werden, die einen Verbrennungsmotor-Eingeschaltet-Zustand oder einen Verbrennungsmotor-Ausgeschaltet-Zustand, einen Zustand mit allen Zylindern oder einen Zustand mit Zylinderabschaltung und einen Zustand mit Kraftstoffversorgung oder einen Zustand mit abgesperrtem Kraftstoff enthalten. Das Hybridgetriebe 250 kann vorzugsweise selektiv in einem einer Vielzahl von Bereichszuständen betrieben werden, die Zustände mit fester Übersetzung und kontinuierlich variablem Bereich umfassen. Die Drehmomentmaschinen 230, der Verbrennungsmotor 240 und das Hybridgetriebe 250 enthalten jeweils eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen zum Überwachen der Arbeitsweise derselben und von Stellgliedern zum Steuern der Arbeitsweise derselben.
Alternativ ist das Hybridantriebsstrangsystem mit einem Elektrofahrzeug verbunden, was ein Elektrofahrzeug mit einer Bereichserweiterungsfähigkeit einschließt. Das Hybridantriebsstrangsystem enthält die Drehmomentmaschine(n) 230, die in der Energiespeichereinrichtung (ESD) 210 gespeicherte Energie in mechanisches Drehmoment zum Fahrzeugvortrieb über den Endantrieb 300 umformt bzw. umformen, welches ein Antriebsdrehmoment zum Fahrzeugvortrieb und ein rückwirkendes Drehmoment, das mit einem regenerativen Bremsen verbunden ist, umfasst. Eine Drehmomentmaschine 230 ist mit dem Verbrennungsmotor 240 funktional verbunden, um mechanisches Drehmoment in potentielle Energie umzuformen, die in der Energiespeichereinrichtung (ESD) 210 speicherbar ist.
Das Steuersystem 100 enthält ein Steuermodul 120, das mit einer Bedienerschnittstelle 130 und mit einem GPS/Kommunikationssystem 110 signaltechnisch verbunden ist. Das GPS/Kommunikationssystem 110 enthält vorzugsweise die Fähigkeit zur Kommunikation außerhalb des Fahrzeugs und ein digitales Landkartensystem eines dreidimensionalen (3D) geographischen Informationsdiensts (GIS), um Höheninformationen für eine Verkehrsroute bereitzustellen, die mit einem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug 10 verbunden ist. Das GPS/Kommunikationssystem 110 kann fahrzeugeigene Trägheitsmessungssensoren, Infraroterfassungseinrichtungen, Radar, Lidar und andere Überwachungssysteme enthalten, von denen keines gezeigt ist, um momentane lokale Fahrzeugverkehrsmuster zu überwachen und zu bewerten. Die Bedienerschnittstelle 130 enthält eine Vielzahl von Mensch/Maschine-Schnittstelleneinrichtungen, durch welche der Fahrzeugbediener den Betrieb des Fahrzeugs 10 befiehlt, einschließlich eines Gaspedals, eines Bremspedals und eines Getriebebereichswahlhebels (PRNDL).
Der Fahrzeugbediener übermittelt einen Abtriebsdrehmomentbefehl, der eine Bedienerdrehmomentanforderung, eine Richtung der Fahrzeugfahrt, d. h. vorwärts oder rückwärts, und einen bevorzugten Bereichszustand für das Hybridgetriebe 250 enthält, durch das Gaspedal, das Bremspedal und den Getriebebereichswahlhebel. Die Bedienerschnittstelle 130 kann ferner eine Schnittstelle zu einem fahrzeugeigenen Navigationssystem umfassen, das mit dem GPS/Kommunikationssystem 110 interagiert.
Das Steuermodul 120 ist mit den Erfassungseinrichtungen jeder der Drehmomentmaschinen 230, des Verbrennungsmotors 220, des Hybridgetriebes 250 und der ESD 210 signaltechnisch verbunden, um einen Betrieb zu überwachen und parametrische Zustände derselben zu ermitteln. Überwachte Zustande der ESD 210 umfassen vorzugsweise einen momentanen Stromfluss und eine momentane Temperatur, wenn die ESD 210 eine elektrische Energiespeichereinrichtung umfasst. Das Steuermodul 120 berechnet einen parametrischen Zustand der ESD 210, der die Fähigkeit der ESD 210 zum Übertragen von Leistung an die Drehmomentmaschine(n) 230 anzeigt. Der parametrische Zustand der ESD 210 umfasst einen Ladezustand (SOC), wenn die ESD 210 eine elektrische Energiespeichereinrichtung ist. Überwachte Zustände des Verbrennungsmotors 220 umfassen vorzugsweise eine Motordrehzahl (N_E), ein Abtriebsdrehmoment (T_E) oder eine Last, und eine Temperatur. Überwachte Zustände des Hybridgetriebes 250 umfassen vorzugsweise eine Drehzahl und einen Hydraulikdruck an einer Vielzahl von Stellen, aus dem parametrische Zustande ermittelt werden können, die eine Anwendung spezifischer Drehmomentübertragungskupplungen umfassen. Überwachte Zustände der Drehmomentmaschine(n) 230 umfassen vorzugsweise Drehzahlen und Leistungsflüsse, z. B. einen elektrischen Stromfluss, aus denen ein parametrischer Zustand für Motorabtriebsdrehmomente von der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 ermittelt werden kann.
Das Steuermodul 120 ist mit den Stellgliedern jeder der Drehmomentmaschinen 230, des Verbrennungsmotors 220 und des Hybridgetriebes 250 funktional verbunden, um einen Betrieb derselben in Übereinstimmung mit ausgeführten Steuerschemata, die in der Form von Algorithmen und Kalibrierungen gespeichert sind, zu steuern. Die mit der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 verbundenen Stellglieder umfassen vorzugsweise Gleichrichter/Wechselrichter-Module. Die mit dem Verbrennungsmotor 220 verbundenen Stellglieder umfassen vorzugsweise z. B. Kraftstoffeinspritzventile, Luftströmungscontroller, Funkenzündungssysteme und andere bekannte Einrichtungen, die mit einem Steuern eines Verbrennungsmotorbetriebs verbunden sind, was ein Steuern von Verbrennungsmotorzuständen umfasst. Die mit dem Hybridgetriebe verbundenen Stellglieder umfassen Solenoideinrichtungen, um Drehmomentübertragungskupplungen zum Erzielen eines Betriebs in spezifischen Bereichszuständen zu betätigen.
Das Steuermodul 120 umfasst vorzugsweise einen oder mehrere digitale Universalcomputer, die jeweils einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital (A/D) und Digital/Analog (D/A)-Schaltungen und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Einrichtungen (E/A) umfassen, und geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfassen. Das Steuermodul 120 weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfassen, die in einem der Speichermedien gespeichert sind und ausgeführt werden, um gewünschte Funktionen bereitzustellen. Eine Informationsübertragung an das und von dem Steuermodul 120 kann mit Hilfe eine Direktverbindung, eines lokalen Netzwerkbusses und eines seriellen peripheren Schnittstellenbusses bewerkstelligt werden. Die Algorithmen der Steuerschemata werden während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, sodass jeder Algorithmus mindestens einmal in jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. In den nicht flüchtigen Speichereinrichtungen gespeicherte Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt, um Eingänge von den Erfassungseinrichtungen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um die Arbeitsweise von Stellgliedern, die mit Elementen des Hybridantriebsstrangs 200 verbunden sind, unter Verwendung von Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen werden in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs des Hybridantriebsstrangs. Alternativ können Algorithmen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
2 zeigt Elemente eines vorausschauenden Energiemanagement-Steuerschemas zum Steuern eines Hybridantriebsstrangsystems für ein Fahrzeug, zum Beispiel das Hybridantriebsstrangsystem 200 für das in 1 dargestellte Fahrzeug 10. Das vorausschauende Energiemanagement-Steuerschema umfasst das Überwachen einer Fahrzeugnavigation einschließlich der Verkehrsroute, die mit dem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug 10 verbunden ist, und das Überwachen von Fahrmustern des Bedieners. Die bevorstehenden Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen, die mit der Fahrzeugnavigation und den Fahrmustern des Bedieners verbunden sind, werden iterativ vorhergesagt, vorzugsweise einschließlich der Vorhersage einer nahe bevorstehenden Straßenlast, die mit dem vorhergesagten Fahrweg verbunden ist, wobei die Fahrzeugnavigation und die Fahrmuster des Bedieners berücksichtigt werden. Das vorausschauende Energiemanagement-Steuerschema zum Betreiben des Hybridfahrzeugs 10 umfasst ein Lastvorhersage-Steuerschema (Straßenlastvorhersage) 410, ein modelliertes vorausschauendes Steuerschema (vorausschauender Controller) 420 und ein Antriebsstrangsteuerschema (Hybridantriebsstrangcontroller) 430.
Das Lastvorhersagesteuerschema 410 umfasst das Überwachen von Zuständen von Fahrzeugbetriebsparametern und externen Parametern, die eine gegenwärtige Fahrzeugnavigation, Verkehrsmuster und Fahrmuster des Bedieners umfassen. Das Lastvorhersage-Steuerschema 410 sagt eine nahe bevorstehende Straßenlast (RL) voraus, die mit der Fahrzeugnavigation und Verkehrsmustern verbunden ist, die dem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug 10 entsprechen. Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 verwendet bei einer Ausführungsform die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast verbundenen Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen, um einen Kraftstoffkostenfaktor λ_pred vorherzusagen, der das bevorzugte Leistungsaufteilungsverhältnis zwischen dem Verbrennungsmotor 240 und der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 lenkt. Ein bevorzugter Betriebszustand für das Hybridantriebsstrangsystem wird auf der Grundlage der Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen und des bevorzugten Kraftstoffkostenfaktors ermittelt, um eine bevorzugte Kraftstoffeffizienz zu erreichen. Das Antriebsstrangsteuerschema 430 steuert den Betrieb des Hybridantriebsstrangsystems im bevorzugten Betriebszustand, sodass es auf die Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen anspricht, die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast und dem vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred verbunden sind, welche unter Verwendung des modellierten vorausschauenden Steuerschemas 420 ermittelt wurden. Das Lastvorhersagesteuerschema 410, das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 und das Antriebsstrangsteuerschema 430 sind zur Vereinfachung der Beschreibung als diskrete Elemente gezeigt. Es ist festzustellen, dass die durch die diskreten Elemente beschriebenen und ausgeführten Funktionen unter Verwendung einer oder mehrerer Einrichtungen ausgeführt werden können, die z. B. einen algorithmischen Code in einem oder mehreren Steuermodulen, vorbestimmte Kalibrierungen, Hardware und/oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) enthalten.
Einer der Betriebsparameter des Hybridantriebsstrangsystems 200 umfasst eine gewünschte Ladezustandstrajektorie für die ESD 210 (SOC-Trajektorie-Soll), die entweder eine Strategie zur Ladungserhaltung oder eine Strategie zur Ladungsentleerung enthält. Das Steuerschema kann eine Ladezustandstrajektorie und einen zugehörigen SOC-Bereich für die Energiespeichereinrichtung vorhersagen, die dem geschätzten Kraftstoffkostenfaktor entsprechen, der mit der vorhergesagten nahe bevorstehenden Straßenlast und der gewünschten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung verbunden ist.
Das Lastvorhersage-Steuerschema 410 umfasst das Überwachen von Zuständen von Fahrzeug- und externen Parametern, welche die gegenwärtige Fahrzeugnavigation, Verkehrsmuster und Fahrmuster des Bedieners umfassen. Das Steuermodul 120 überwacht Signaleingänge von dem GPS/Kommunikationssystem 110 einschließlich beliebiger verfügbarer Kommunikationen außerhalb des Fahrzeugs und fahrzeugeigener Überwachungssysteme, um Verkehrsmuster zu bewerten und eine Fahrzeuggeschwindigkeit vorherzusagen. Die Informationen umfassen Eingänge von GPS-Einrichtungen, Trägheitsmesssensoren und Infrarotsensoren und Radareinrichtungen, um die Verkehrsinformationen eines definierten aktiven Fensters in der Umgebung des Fahrzeugs zu schätzen.
Höhen- und topographische Informationen des Fahrzeugs werden durch Interpolieren der fahrzeugeigenen digitalen 3D-GIS-Landkarte mit GPS-Signaleingängen und der vorhergesagten Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt, um eine Navigationstrajektorie zu erzeugen. Dies umfasst, dass das GPS-System Informationen in der digitalen 3D-GIS-Landkarte interpoliert, um eine Höheninformation für den vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug 10 bereitzustellen. Andere Informationen umfassen einen gegenwärtigen geographischen Aufenthaltsort des Fahrzeugs 10, gegenwärtige Verkehrsmuster in der Umgebung des geographischen Aufenthaltsorts des Fahrzeugs 10 und eine gegenwärtige Route des Fahrzeugs 10, d. h. die Richtung, in die das Fahrzeug auf einer spezifischen Fahrbahn auf seinem gegenwärtigen Fahrweg fährt. Die geographischen Informationen für die gegenwärtige Route werden bewertet, um Auswirkungen der Straßenlast zu ermitteln, welche mit topographischen Veränderungen bei der Höhe, Kurven, Kreuzungen und anderen Fahrbahnmerkmalen verbunden sind.
Das Fahrmuster des Bedieners umfasst vorzugsweise eine mittlere Leistungsanforderung, eine mittlere Bremsleistungsanforderung, eine Standardabweichung der Fahrleistungsanforderung, und ein Verhältnis zwischen einer Fahrzeugstoppzeit zu der Gesamtfahrzeit, die unter Verwendung der Bedienerschnittstelle 130 ermittelt werden. Das Fahrmuster des Bedieners wird unter Verwendung einer Fahrmustererkennungsfunktion vorhergesagt, die auf statistischen Fahrzyklusinformationen beruht, die während eines fortlaufenden Betriebs des Fahrzeugs 10 erschlossen werden können. Dies umfasst vorzugsweise, dass Fahrmuster des Bedieners überwacht werden, um statistische Fahrmusterinformationen aus historischen Fahrzyklusinformationen abzuleiten.
Das Lastvorhersage-Steuerschema 410 sagt die nahe bevorstehende Straßenlast, die mit der Fahrzeugnavigation verbunden ist, das Fahrverhalten des Bedieners, die Fahrzeughöhe und topographische Informationen und die Verkehrsmuster über einen zurückweichenden Horizont des vorhergesagten Fahrweges iterativ und periodisch vorher. Die nahe bevorstehende Straßenlast nimmt vorzugsweise die Gestalt einer vorhergesagten Abtriebsleistungsanforderung (P_pred) und der vorhergesagten Fahrzeuggeschwindigkeit (V_ss-pred) an. Der zurückweichende Horizont ist ein darauffolgendes zwei- bis dreiminütiges Zeitfenster des Fahrzeugbetriebs, in welchem die nahe bevorstehende Straßenlast auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Eingänge vorhergesagt werden kann.
Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 ermittelt eine Hybridleistungs-Managementsteuerung auf der Grundlage von Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen, die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden sind, ausgedrückt als der vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred. Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 verwendet die Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen, die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden sind, und die vorhergesagten Fahrzeugfahrbedingungen, um die bevorzugte Leistungsmanagementsteuerung iterativ zu ermitteln, welche das Leistungsaufteilungsverhältnis zwischen dem Verbrennungsmotor 240 und der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 enthält, vorzugsweise unter Verwendung eines modellierten vorausschauenden Steuerungsgerüsts, um den vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred zu erzeugen.
Bevorzugte Eingänge in das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 zur Ermittlung der bevorzugten Leistungsmanagementsteuerung, die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden ist, umfassen eine bevorzugte Trajektorie für einen Ladezustand der ESD 210 (SOC-Trajektorie-Soll), eine gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit und den Bereichszustand für das Hybridgetriebe 250, der eine Ausführung eines vorgeplanten Schaltkennfeldes umfasst, das eine Online- oder Echtzeitanpassung aufweist. Andere Eingänge umfassen gegenwärtige Antriebsstrangbetriebszustände, die den Abtriebsdrehmomentbefehl, die Abtriebsdrehzahl des Hybridgetriebes 250, den SOC der ESD 210, ein Effizienzkennfeld des Verbrennungsmotors 240, das einen Leistungsverlust im Verbrennungsmotor 240 als eine Funktion der Betriebsdrehzahl und Last im Detail darstellt, ein Effizienzkennfeld des Hybridgetriebes 210, das einen Leistungsverlust im Hybridgetriebe 210 typischerweise als eine Funktion der Betriebsdrehzahl im Detail darstellt, und Systembeschränkungen. Die Systembeschränkungen umfassen Maximal- und Minimalgrenzen für eine Drehmomentübertragung durch das Hybridgetriebe 210 aufgrund von Grenzen, die mit Drehmomentübertragungskupplungen verbunden sind, Leistungsgrenzen der ESD 210, einer Motordrehmomentkapazität der Drehmomentmaschine(n) 230 und andere. Der SOC der ESD 210 wird mit Hilfe des gegenwärtigen SOC, maximaler und minimaler Grenzbedingungen für den Batterieladezustand (BAT SOC Max, BAT SOC Min) und des SOC-Bereichs (+/–ΔSOC) charakterisiert.
Der Bereichszustand für das Hybridgetriebe 250 wird in das vorbestimmte Schaltkennfeld eingegeben, das unter Verwendung vorbestimmter Fahrzyklen mit einer Offline-Optimierung aufgebaut wurde. Das vorbestimmte Schaltkennfeld wird während eines fortlaufenden Betriebs auf der Grundlage des tatsächlichen Bereichszustands angepasst, welcher von dem Hybridantriebsstrangcontroller 430 während eines tatsächlichen Betriebs des Hybridantriebsstrangsystems in Ansprechen auf Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen, welche mit der nahe bevorstehenden Straßenlast und dem Kraftstoffkostenfaktor verbunden sind, ermittelt und realisiert wird.
Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 wird iterativ ausgeführt, um den vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred, der Kraftstoff- und/oder Gesamtleistungskosten minimiert, zu periodischen Zeitschritten über den zurückweichenden Horizont [engl: receding horizon] zu erzeugen. Die maximalen und minimalen Grenzbedingungen für den SOC der ESD 210 zeigen eine Fähigkeit der ESD 210 zur Übertragung von Leistung an, welche eine Aufladeleistung und eine Entladeleistung umfasst. Die Ladezustandstrajektorie für die ESD 210 ist entweder mit der Strategie zur Ladungserhaltung oder der Strategie zur Ladungsentleerung verbunden. Die Strategie zur Ladungserhaltung umfasst, dass das Hybridantriebsstrangsystem 200 derart betrieben wird, dass der SOC der ESD 210 am Ende einer Fahrt im Wesentlichen gleich dem SOC der ESD 210 zu Beginn der Fahrt ist. Der SOC-Bereich (+/–ΔSOC) kann im Verlauf der Fahrt variieren. Die Strategie zur Ladungsentleerung umfasst, dass das Hybridantriebsstrangsystem 200 derart betrieben wird, dass der SOC der ESD 210 am Ende einer Fahrt bei oder in der Nähe eines vorbestimmten SOC-Werts liegt, der kleiner als der SOC der ESD 210 zu Beginn der Fahrt ist. Bei einer Ausführungsform sind die maximalen und minimalen Grenzbedingungen und der SOC-Bereich (+/–ΔSOC) im Wesentlichen statische Grenzen, die im Lauf der Zeit nicht variieren. Bei einer Ausführungsform umfassen die maximalen und minimalen Grenzbedingungen einen Bereich zwischen 60% und 50% SOC. Bei einer anderen Ausführungsform sind die maximalen und minimalen Grenzbedingungen dynamische Grenzen, die der Ladungsentleerungstrajektorie folgen.
Für eine Ausführung in Echtzeit ist das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 als ein beschränktes quadratisches Optimierungsproblem aufgebaut, um eine Rechenlast des beschränkten nichtlinearen Optimierungsproblems zu minimieren.
Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 nimmt an, dass die in Ansprechen auf den Abtriebsdrehmomentbefehl vorhergesagte Abtriebsleistungsanforderung (P_pred) erreicht wird, indem Leistung mit dem Verbrennungsmotor 240 (P_Eng) und der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 unter Verwendung gespeicherter Leistung von der ESD 210 (P_ESD) erzeugt wird, um Antriebsleistung an den Endantrieb 300 zu übertragen. Der Gesamtleistungsverbrauch umfasst einen entsprechenden Gesamtsystemleistungsverlust (P_LossTotal): P_Pred = P_Eng + P_ESD + P_LossTotal [1]
Der minimale Gesamtsystemleistungsverlust (P_LossTotal) wird wie folgt ermittelt. Das Fahrzeug und der Antriebsstrang werden als leistungsbasierte quasi statische mathematische Modelle dargestellt, die genau genug sind, um alle gewünschten Systemeigenschaften zu modellieren, wobei eine Berechnung in Echtzeit ermöglicht wird. Der Gesamtsystemleistungsverlust (P_LossTotal) wird als eine Kombination von Leistungsverlusten von Elementen des Hybridantriebsstrangs wie folgt ermittelt: P_LossTotal = λ·P_LossEng + P_LossESD + P_LossMech + P_LossMot [2] wobei λ ein Kraftstoffkostenfaktor ist.
Der Leistungsverlust durch den Verbrennungsmotor 240 (P_LossEng) wird wie folgt ermittelt: P_LossEng = α₂(N_E)·P 2 / Eng + α₁(N_E)·P_Eng + α₀(N_E) [3] wobei α₂, α₁ und α₀ vorbestimmte Konstanten sind und NE die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist.
Der Leistungsverlust durch die Drehmomentmaschine(n) 230 (P_LossMng) wird wie folgt ermittelt: P_LossMot = γ₂(ω) 2 / Mot + γ₁(ω)·P_Mot + γ₀(ω) [4] wobei γ₂, γ₁ und γ₀ vorbestimmte Konstanten sind und ω die Drehzahl der Drehmomentmaschine(n) 230 ist.
Der Leistungsverlust durch die ESD 210 (P_LossESD) wird wie folgt ermittelt: P_LossESD = β₂(SOC, Temp)·P 2 / ESD [5] wobei β₂ eine vorbestimmte Konstante ist, Temp eine Temperatur der ESD 210 ist und SOC der gegenwärtige Ladezustand der ESD 210 ist.
Der mechanische Leistungsverlust des Hybridgetriebes 250 (P_MechLoss) ist wie folgt: P_MechLoss = aN_I + bN 2 / I + cN_IN_O + dN 2 / O [6] wobei N_I die Drehzahl einer Antriebswelle an das Hybridgetriebe 250 ist, durch welche Leistung vom Verbrennungsmotor 240 übertragen wird, und N_O die Drehzahl des Abtriebselements 64 des Hybridgetriebes 250 ist. Obwohl N_I und N_E aufgrund einer Dämpfungsvorrichtung, die zwischen dem Verbrennungsmotor 240 und der Getriebeantriebswelle platziert ist, verschieden sein können, werden N_I und N_E im stationären Zustand wie folgt als gleich angesehen: N_E = N_I [7]
Die Motordrehzahl ω, die Getriebeantriebsdrehzahl N_I und die Getriebeabtriebsdrehzahl N_O weisen eine kinematische Beziehung wie folgt auf:
wobei s₁ und s₂ vorbestimmte Konstanten sind.
Die nichtlinearen Komponentenmodelle werden als quadratische Beziehungen zwischen einer ankommenden und einer abgehenden Leistung angenähert, die auf eine einzige Gleichung eines gesammelten Gesamtsystemleistungsverlusts (P_LossTotal) wie folgt reduziert wird: P_LossTotal = P(λ_pred, Bereichszustand, T_E) [9]
Der gesammelte Gesamtsystemleistungsverlust P_LossTotal wird somit zu einer quadratischen Kostenfunktion, bei der Ausdrücke höherer Ordnung weggelassen wurden, mit λ_pred als dem vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor, Bereichszustand als dem Bereichszustand des Hybridgetriebes 250 und T_E als dem Antriebsdrehmoment vom Verbrennungsmotor 240 an das Hybridgetriebe 250 über eine Zeitperiode N des zurückweichenden Horizonts. Durch die Zeitperiode N des zurückweichenden Horizonts wird der Kraftstoffkostenfaktor λ als eine Konstante angenommen.
Folglich kann das nichtlineare Optimierungsproblem auf ein beschränktes quadratisches Optimierungsproblem reduziert werden, welches einen globalen Minimalwert für den gesammelten Gesamtsystemleistungsverlust (P_LostTotal) erreicht. Bevorzugte Werte für den vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred und den Bereichszustand des Hybridgetriebes 250 können ermittelt werden und T_E ist das Antriebsdrehmoment vom Verbrennungsmotor 240, das in einer relativ kurzen Berechnungszeit ermittelt werden kann.
Insgesamt sagt das quadratische Optimierungsproblem den Kraftstoffkostenfaktor λ vorher, der zu einem minimalen Leistungsverlust für die vorhergesagte Straßenlast innerhalb des zurückreichenden Horizonts N und zur dynamischen Ermittlung der SOC-Grenze innerhalb des zurückweichenden Horizonts N führt. Der Kraftstoffkostenfaktor λ_k umfasst vorzugsweise einen einer Vielzahl voreingestellter Werte wie folgt: λ_k ∊ (λ₁, λ₂, ..., λ_m) [10] wobei λ₁, λ₂, λ_m Zahlenwerte umfassen, die zwischen 0 und 1 liegen.
Wenn angenommen wird, dass der Kraftstoffkostenfaktor λ über jede Zeitperiode N des zurückweichenden Horizonts hinweg mit vorbestimmten diskreten Werten konstant ist, reduziert sich das Online-Optimierungsproblem auf das Wählen des vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktors λ_pred als den voreingestellten Wert für λ_k, der einen minimalen vorhergesagten Leistungsverlust über den zurückweichenden Horizont N für eine Abtastungszeit ΔT_s erreicht, wie folgt:
Der Getriebebereichszustand wird mit dem vorgeplanten Schaltkennfeld mit Online-Anpassung vorbestimmt und das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 wird mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit ausgeführt, z. B. einer Schleifenzeit von 1 Sekunde. Der voreingestellte Wert für λ_k, der den minimalen vorhergesagten Leistungsverlust über den zurückweichenden Horizont N erreicht, wird als der vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred zur Verwendung mit dem Antriebsstrangsteuerschema 430 bezeichnet.
Das Antriebsstrangsteuerschema 430 steuert den Betrieb des Hybridantriebsstrangsystems im bevorzugten Betriebszustand, um Drehmoment- und Drehzahlausgaben an den Endantrieb 300 zu erzeugen, die auf die Fahrzeugvortriebsleistungsanforderungen ansprechen, welche mit der nahe bevorstehenden Straßenlast und dem vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred verbunden sind, wobei der gegenwärtige SOC und ein SOC Bereich berücksichtigt werden. Der SOC-Bereich wird durch die statischen oder dynamischen maximalen und minimalen Grenzbedingungen für den SOC definiert.
Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 übermittelt die Steuervariablen, welche den vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred und die vorhergesagte SOC-Trajektorie für die ESD 210 enthalten, an das Antriebsstrangsteuerschema 430. Andere Eingänge umfassen die maximalen und minimalen Grenzbedingungen für den SOC, die mit der vorhergesagten SOC-Trajektorie und dem SOC-Bereich (SOC-Bereich (+/–ΔSOC)) verbunden sind, die maximalen und minimalen Grenzbedingungen für den Batterieladezustand (BAT SOC Max, BAT SOC Min) und den gegenwärtigen SOC der ESD 210. Andere Eingänge umfassen den Betrieb des Verbrennungsmotors einschließlich der Verbrennungsmotordrehzahl (N_E) und der Verbrennungsmotorabtriebsleistung, z. B. hinsichtlich des Verbrennungsmotordrehmoments (T_E). Andere Eingänge umfassen den gegenwärtigen Betriebsbereichszustand (Bereichszustand) des Hybridgetriebes 200. Andere Eingänge umfassen gegenwärtige Antriebsstrangbetriebszustände einschließlich des Abtriebsdrehmomentbefehls, der Abtriebsdrehzahl des Hybridgetriebes 250, eines Effizienzkennfelds des Verbrennungsmotors 240, das einen Leistungsverlust im Verbrennungsmotor 240 als eine Funktion der Betriebsdrehzahl und Last detailliert aufführt, eines Effizienzkennfelds des Hybridgetriebes 210, das einen Leistungsverlust im Hybridgetriebe 210 detailliert aufführt, typischerweise als eine Funktion der Betriebsdrehzahl, und von Systembeschränkungen. Die Systembeschränkungen umfassen maximale und minimale Grenzen für eine Drehmomentübertragung durch das Hybridgetriebe 210 aufgrund von Grenzen mit Bezug auf Drehmomentübertragungskupplungen, Leistungsgrenzen der ESD 210, der Motordrehmomentkapazität der Drehmomentmaschine(n) 230 und andere. Das Antriebsstrangsteuerschema 430 ermittelt bevorzugte Arbeitspunkte für den Verbrennungsmotor 240 und die Drehmomentmaschine(n) 230, die durch die vorstehend erwähnten Systembeschränkungen und gegenwärtige Antriebsstrangbetriebszustände begrenzt sind.
Das Antriebsstrangsteuerschema 430 bewirkt eine Stabilisierung des dynamischen Verhaltens zwischen dem Verbrennungsmotor 240 und der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230. Dies umfasst eine SOC-Steuerfunktion, die einen Ziel-SOC verwendet, der aus der vorhergesagten SOC-Trajektorie für die ESD 210 ermittelt wird, und die maximalen und minimalen Grenzbedingungen für den SOC, die mit der vorhergesagten SOC-Trajektorie (SOC-Bereich (+/–ΔSOC)) von dem modellierten vorausschauenden Steuerschema 420 verbunden sind, um einen momentanen Kraftstoffkostenfaktor λ_inst zu ermitteln. Dies ist mit Bezug auf 3 gezeigt. Ein kombinierter Kraftstoffkostenfaktor λ_comb wird auf der Grundlage der vorhergesagten und momentanen Kraftstoffkostenfaktoren λ_pred und λ_inst wie folgt ermittelt: λ_comb = λ_pred + λ_inst [12]
Der kombinierte Kraftstoffkostenfaktor λ_comb kann von einer strategischen Optimierungsfunktion verwendet werden, um einen bevorzugten Getriebebereichszustand und eine bevorzugte Verbrennungsmotordrehzahl in Echtzeit zu ermitteln. Der kombinierte Kraftstoffkostenfaktor λ_comb wird verwendet, um die Anwendung eines alternativen Verbrennungsmotorbetriebszustands dynamisch zu entscheiden, einschließlich eines Zylinderabschaltungs-Betriebszustands und eines Kraftstoffabsperrzustands. Eine bevorzugte Drehmomentaufteilung zwischen dem Verbrennungsmotor 240 und der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 kann auch ermittelt werden.
Das Antriebsstrangsystem 200 kann eine externe Leistungsquelle enthalten, die zum Aufladen der ESD 210 verwendet werden kann, z. B. wenn das Fahrzeug 10 steht, etwa wenn es eine Zeitlang geparkt ist. Das Steuermodul 120 kann Betriebsstrategien enthalten, die eine Strategie zur Ladungsentleerung für die ESD 210 umfassen. Bei dieser Ausführungsform sind die maximalen und minimalen Grenzbedingungen dynamische Grenzen, die einer bevorzugten Ladungsentleerungstrajektorie über die Zeit folgen. Das Antriebsstrangsystem 200 verwaltet Leistungsausgaben aus der ESD 210 und dem Verbrennungsmotor 240 unter Berücksichtigung der Strategie zur Ladungsentleerung.
Das Antriebsstrangsteuerschema 430 verwendet gesammelte Systemverluste (P_{LossTotalInst}) des Hybridantriebsstrangs, um die minimale Leistungsverlustoptimierung für eine momentane Leistungsmanagementsteuerung zu formulieren, welche die bevorzugte Leistungsaufteilung auf den Verbrennungsmotor und den Elektromotor wie folgt ermittelt: P_{LossTotalInst} = λ_comb·P_LossEngInst + P_LossESDInst + P_LossMechInst + P_LossMotInst [13] wobei P_LossEngInst, P_LossESDInst, P_LossMechInst und P_LossMotInst momentane Systemleistungsverluste des Verbrennungsmotors 240, der ESD 210, des Getriebes 250 und der Drehmomentmaschine(n) 230 sind, die empirisch ermittelt werden können.
Die Arbeitspunkte für den Verbrennungsmotor 240 und die Drehmomentmaschine(n) 230 für das Hybridgetriebe 250, die mit der bevorzugten Leistungsaufteilung zwischen Verbrennungsmotor und Motor verbunden sind, werden identifiziert, indem ein brauchbarer Arbeitsraum für die vorgewählten Antriebsstrangbetriebsparameter ermittelt wird, etwa die Antriebsleistung vom Verbrennungsmotor (Ti/Ni), wobei der brauchbare Arbeitsraum nach einem Arbeitspunkt durchsucht wird, der einem minimalen Systemleistungsverlust (P_{LossTotalInst}) im Echtzeitbetrieb entspricht. Wegen der Aufnahme des kombinierten Kraftstoffkostenfaktors λ_comb bei der Formulierung des beschränkten nichtlinearen Optimierungsproblems wird die Suche nach einem minimalen Systemleistungsverlust angepasst, um die Wahl durch eine Funktion von Parametern zu beeinflussen, die mit einer Verwendung und einem Durchsatz von elektrischem Strom verbunden sind, der mit wiederholten Auflade/Entladezyklen der ESD 210 verbunden ist.
Das Antriebsstrangsteuerschema 430 zum Steuern des Hybridantriebsstrangsystems 200 enthält drei Schichten zur momentanen Optimierung, um die bevorzugten Arbeitspunkte des Hybridantriebsstrangs 200 zu ermitteln. Eine erste Schicht wird ausgeführt, um den Hybridbereichszustand und die Verbrennungsmotordrehzahl zu ermitteln, eine zweite Schicht wird ausgeführt, um das Verbrennungsmotordrehmoment und den Verbrennungsmotorbetriebszustand zu ermitteln, und eine dritte Schicht wird ausgeführt, um Motordrehmomente zu ermitteln. Diese Arbeitspunkte werden dann durch die koordinierte Steuerung des Verbrennungsmotors 240, des Getriebes 250 und der Drehmomentmaschine(n) 230 realisiert. Dies umfasst, dass der beschränkte Arbeitsraum und der momentane Getriebebereichszustand während jeder Iteration ermittelt werden, um eine bevorzugte Verbrennungsmotordrehzahl (N_E-Soll), ein bevorzugtes Antriebsdrehmoment (T_E-Soll) vom Verbrennungsmotor 240 an das Getriebe 250, einen bevorzugten Bereichszustand (Bereichszustand-Soll) für das Hybridgetriebe 250, der beliebige Änderungen an Kupplungsdrehmomenten (T_CL-Soll) umfasst, die mit dem Ausführen von Schaltvorgängen verbunden sind, und bevorzugte Motordrehmomente (T_M-Soll), die von der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 ausgegeben werden, zu ermitteln.
Der Betrieb des Hybridantriebsstrangsystems 200 wird in Ansprechen auf den Abtriebsdrehmomentbefehl gesteuert, der die Bedienerdrehmomentanforderung und die vorhergesagte Ladezustandstrajektorie für die ESD 210 enthält. Bevorzugte Betriebszustände für das Hybridantriebsstrangsystem 200, die Verbrennungsmotorzustände und Hybridgetriebebereichszustände enthalten, können auf der Grundlage der vorhergesagten bevorstehenden Leistungsanforderungen und der bevorzugten Leistungsmanagementsteuerung zum Fahrzeugvortrieb ermittelt werden. Die Verbrennungsmotorzustände umfassen Ein- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors, Zustände mit allen Zylindern und mit Zylinderabschaltung und Zustände mit Kraftstoffzufuhr und abgesperrtem Kraftstoff. Getriebebereichszustände umfassen kontinuierlich variable Modi und Bereichszustände mit fester Übersetzung.
4A bis 4D zeigen auf graphische Weise maximale und minimale Grenzen für den Batterieladezustand (BAT SOC Max, BAT SOC Min), die vorhergesagte Abtriebsleistungsanforderung P_pred, die mit der nahe bevorstehenden Straßenlast (RL) verbunden ist, den vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred, die vorhergesagte SOC-Trajektorie und den SOC-Bereich (+/–ΔSOC), die über einem zurückweichenden Horizont in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Steuerschemata aufgezeichnet sind. Die gewünschte SOC-Trajektorie ist vorzugsweise einschließlich einer Grenze mit einem zulässigen Arbeitsbereich für den SOC (+/–ΔSOC) um die gewünschte SOC-Trajektorie herum vorbestimmt. Die dynamisch ermittelte SOC-Grenze wird auf der Grundlage des zulässigen Arbeitsbereichs für den SOC (+/–ΔSOC) relativ zu der vorhergesagten SOC-Trajektorie eingestellt.
Die gewünschte SOC-Trajektorie umfasst eine idealisierte Zeitratenveränderung des SOC der ESD 210, die mit einem Betrieb des Fahrzeugs 10 verbunden ist. Bei einem Fahrzeug, das ein Hybridantriebsstrangsystem verwendet, das in einem Modus zur Ladungserhaltung arbeitet, soll die gewünschte SOC-Trajektorie den SOC der ESD 210 derart steuern, dass der SOC am Ende einer Fahrt im Wesentlichen gleich dem ursprünglichen SOC-Wert ist, der zu Beginn der Fahrt auftritt. Bei einem Fahrzeug, das ein Hybridantriebsstrangsystem verwendet, das in einem Modus zur Ladungsentleerung arbeitet, soll die gewünschte SOC-Trajektorie den SOC der ESD 210 derart steuern, dass der SOC der ESD 210 am Ende einer Fahrt einen minimalen Ziel-SOC-Wert erreicht, um einen fahrzeugeigenen Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Eine beispielhafte gewünschte SOC-Trajektorie in einem Betrieb zur Ladungsentleerung ist eine lineare Verbindung zwischen einem anfänglichen SOC und dem minimalen Ziel-SOC.
Die nahe bevorstehende Straßenlast (RL) wird unter Verwendung des Lastvorhersage-Steuerschemas 410 iterativ und periodisch vorhergesagt. Der vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor (λ_pred) nimmt die nahe bevorstehende Straßenlast (RL) vorweg und ist zu dieser umgekehrt proportional. Der vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor wird verwendet, um die vorhergesagte SOC-Trajektorie mit einer direkten Beziehung zu ermitteln. Somit erhöht ein Anstieg beim vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor die vorhergesagte SOC-Trajektorie, was eine aggressivere unmittelbare Entladerate der ESD 210 erlaubt, und eine Verringerung bei dem vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor verringert die vorhergesagte SOC-Trajektorie, was eine unmittelbare Entladerate der ESD 210 einschränkt.
Das modellierte vorausschauende Steuerschema 420 wird ausgeführt, um den dynamischen SOC-Arbeitsbereich in Übereinstimmung mit dem Kraftstoffkostenfaktor λ_pred zu ermitteln, wie mit Bezug auf 2 beschrieben wurde. Der SOC wird innerhalb der dynamisch ermittelten SOC-Grenze (+/–ΔSOC) um die vorhergesagte SOC-Trajektorie herum, die dem vorhergesagten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred entspricht, gesteuert. Der vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred und die dynamisch ermittelte SOC-Grenze werden von dem SOC-Steuerschema im Hybridantriebsstrangcontroller 430 verwendet, um den momentanen Kraftstoffkostenfaktor λ_inst zu ermitteln.
Der Kraftstoffkostenfaktor λ_pred und die dynamisch ermittelte SOC-Grenze werden von dem vorausschauenden Controller 420 gesendet und durch den Hybridcontroller 430 eingespeist, um das dynamische Verhalten zwischen dem Verbrennungsmotor 240, der bzw. den Drehmomentmaschine(n) 230 und der ESD 210 zu stabilisieren, und um das bevorzugte Verbrennungsmotordrehmoment/die bevorzugte Verbrennungsmotordrehzahl und das bevorzugte Motordrehmoment/die bevorzugte Motordrehzahl innerhalb des beschränkten Arbeitsraums zu ermitteln, um die Systemeffizienz und -leistung zu maximieren. Diese Beschränkungen, die das verfügbare Verbrennungsmotordrehmoment, das verfügbare Elektromotordrehmoment, die verfügbare Batterieleistung und die verfügbare Hydraulikkupplungskapazität umfassen, werden bei jedem Zeitschritt durch das Antriebsstrangsteuerschema 430 dynamisch verstärkt.
3 zeigt eine beispielhafte SOC-Kalibrierung, die in dem Antriebsstrangsteuerschema 430 ausgeführt wird, um den momentanen Kraftstoffkostenfaktor λ_inst zu ermitteln. Wenn der gegenwärtige SOC größer als der Ziel-SOC ist, dann steigt der momentane Kraftstoffkostenfaktor λ_inst an, wenn der SOC ansteigt; wenn der gegenwärtige SOC kleiner als der Ziel-SOC ist, nimmt der momentane Kraftstoffkostenfaktor λ_inst ab, wenn der SOC abnimmt. Die maximalen und minimalen Ladezustände (SOC max und SOC min) werden in dem modellierten vorausschauenden Steuerschema 420, das mit dem bevorzugten Kraftstoffkostenfaktor λ_pred verbunden ist, dynamisch ermittelt. Wenn der SOC größer als der maximale SOC oder kleiner als der minimale SOC ist, steigt oder fällt der augenblickliche Kraftstoffkostenfaktor λ_inst mit beschleunigten Raten.
4A zeigt einen Betrieb, bei dem sich die vorhergesagte nahe bevorstehende Straßenlast (RL) nicht ändert. Der zugehörige vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred bleibt unverändert, und die dynamisch ermittelte SOC-Grenze (+/–ΔSOC) wird eingestellt, und die vorhergesagte SOC-Trajektorie folgt der gewünschten SOC-Trajektorie.
4B zeigt einen Betrieb, bei dem die vorhergesagte nahe bevorstehende Straßenlast (RL) zu einem zukünftigen Zeitpunkt abnimmt. Der zugehörige vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred nimmt entsprechend in Erwartung der verringerten nahe bevorstehenden Straßenlast zu, wodurch die dynamisch ermittelte SOC-Grenze (+/–ΔSOC) verringert wird. Die vorhergesagte SOC-Trajektorie kann anfänglich mit einer beschleunigten Rate relativ zu der gewünschten SOC-Trajektorie abnehmen und anschließend beginnend bei dem Punkt, an dem die tatsächliche Straßenlast abnimmt, den SOC wiedererlangen. Der SOC wird durch ein Management des Antriebsstrangsystems wiedererlangt, das die Verwendung eines Kraftstoffabsperrbetriebs und eines regenerativen Bremsens und anderer Steuerschemata umfasst, um die ESD 210 am Ende des zurückweichenden Horizonts wieder aufzuladen.
4C zeigt einen Betrieb, bei dem die vorhergesagte nahe bevorstehende Straßenlast (RL) zu einem zukünftigen Zeitpunkt zunimmt. Der zugehörige vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred nimmt entsprechend in Erwartung der verringerten nahe bevorstehenden Straßenlast ab, wodurch die dynamisch ermittelte SOC-Grenze (+/–ΔSOC) erhöht wird. Die vorhergesagte SOC-Trajektorie kann anfänglich mit einer beschleunigten Rate relativ zu der gewünschten SOC-Trajektorie zunehmen und anschließend beginnend bei dem Punkt, bei dem die tatsächliche Straßenlast zunimmt, den SOC verringern. Der SOC nimmt durch ein Management des Antriebsstrangsystems ab, das umfasst, dass Antriebsdrehmoment unter Verwendung der Drehmomentmaschine(n) 230 während der erhöhten Straßenlast am Ende des zurückweichenden Horizonts erzeugt wird.
4D zeigt einen Betrieb, bei dem die vorhergesagte nahe bevorstehende Straßenlast (RL) monoton ansteigt. Der zugehörige vorhergesagte Kraftstoffkostenfaktor λ_pred nimmt entsprechend mit der erhöhten nahe bevorstehenden Straßenlast monoton ab, wodurch die dynamisch ermittelte SOC-Grenze (+/–ΔSOC) erhöht wird. Die vorhergesagte SOC-Trajektorie bleibt relativ nahe bei der gewünschten Trajektorie.
Das vorausschauende Energiemanagement-Steuerschema verwendet die Fahrzeugroute, die nahe bevorstehende Straßenlast und die statistischen Fahrmusterinformationen in dem Steuerproblem mit zurückweichendem Horizont, um Fahrzeugfahrbedingungen für eine unmittelbar bevorstehende begrenzte Zeitperiode vorherzusagen, z. B. über die nächsten paar Minuten des Fahrzeugbetriebs. Die vorhergesagten Fahrzeugfahrbedingungen können verwendet werden, um Fahrzeugleistungsanforderungen auf der Grundlage der vorhergesagten Fahrzeugfahrbedingungen für die begrenzte Zeitspanne vorherzusagen und einzustellen. Die vorhergesagten Fahrzeugfahrbedingungen für die begrenzte Zeitspanne können verwendet werden, um bevorstehende Leistungsanforderungen zum Fahrzeugvortrieb iterativ vorherzusagen, vorzugsweise unter Verwendung einer vorausschauenden Energiemanagementstrategie in einem modellierten vorausschauenden Steuerungsgerüst.
Es versteht sich, dass Modifikationen im Umfang der Offenbarung zulässig sind. Die Offenbarung wurde mit speziellem Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen und Veränderungen umfasst sind, sofern sie in den Umfang der Offenbarung fallen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, das ein Hybridantriebsstrangsystem enthält, welches einen Verbrennungsmotor umfasst, der mit einem Antriebselement eines Hybridgetriebes funktional gekoppelt ist, das eine Drehmomentmaschine enthält, die zum Austauschen von Leistung mit einer Energiespeichereinrichtung dient, wobei das Hybridgetriebe ausgestaltet ist, um Drehmoment zwischen dem Antriebselement, der Drehmomentmaschine und einem Abtriebselement zu übertragen, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Fahrzeugnavigation und Verkehrsmuster, die mit einem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug verbunden sind, überwacht werden; eine nahe bevorstehende Straßenlast, die mit der Fahrzeugnavigation und den Verkehrsmustern verbunden ist, vorhergesagt wird; eine Fahrzeugvortriebsleistung, die mit der vorhergesagten nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden ist, geschätzt wird; eine gewünschte Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung ermittelt wird; eine Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung vorhergesagt wird, die der geschätzten Fahrzeugvortriebsleistung und der gewünschten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung entspricht; und ein Betrieb des Hybridantriebsstrangsystems in Ansprechen auf die vorhergesagte Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: Grenzbedingungen ermittelt werden, die mit der vorhergesagten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung verbunden sind; und eine Arbeitsweise des Hybridantriebsstrangsystems in Ansprechen auf ein befohlenes Abtriebsdrehmoment und die Grenzbedingungen, die mit der vorhergesagten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung verbunden sind, gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass ein Lastvorhersage-Steuerschema ausgeführt wird, um die nahe bevorstehende Straßenlast vorherzusagen, die mit der Fahrzeugnavigation und den Verkehrsmustern verbunden ist, um den Fahrzeugvortrieb zu schätzen, der mit dem vorhergesagten Fahrweg für das Fahrzeug verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst, dass ein vorausschauendes Steuerschema ausgeführt wird, das ein Steuerschema mit zurückweichendem Horizont umfasst, um die nahe bevorstehende Straßenlast vorherzusagen, die mit der Fahrzeugnavigation und den Verkehrsmustern verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass: ein Kraftstoffkostenfaktor, der mit der nahe bevorstehenden Straßenlast verbunden ist, optimiert wird; und die vorhergesagte Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung auf der Grundlage des optimierten Kraftstoffkostenfaktors dynamisch eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Optimieren des Kraftstoffkostenfaktors die Kraftstoffkosten und/oder die Gesamtleistungskosten über den zurückweichenden Horizont minimiert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das modellierte vorausschauende Steuerschema ein leistungsbasiertes quasi statisches Modell von Hybridantriebsstranggesamtverlusten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine bevorzugte Leistungsaufteilung zwischen einem Leistungsabtrieb vom Verbrennungsmotor und einem Leistungsabtrieb von der Drehmomentmaschine ermittelt wird, wobei die bevorzugte Leistungsaufteilung auf der vorhergesagten Ladezustandstrajektorie für die Energiespeichereinrichtung beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gewünschte Ladezustandstrajektorie eine Trajektorie zur Ladungsentleerung umfasst.