DE10325262A1 - Motorstartsteuerung für ein Elektro-Hybridfahrzeug - Google Patents

Motorstartsteuerung für ein Elektro-Hybridfahrzeug

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DE10325262A1
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Rongjun Zhang
La Salle Stephen De
Mark Leonard Hoppe
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Visteon Global Technologies Inc
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Abstract

Ein Steuerungssystem wird in ein Elektro-Hybridfahrzeug eingebaut, um die Vibrationen des Antriebsstrangs während des Motorstarts zu minimieren. Das Steuerungssystem bestimmt die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors sowie dessen Änderungsrate, um so die Beschleunigung zu ermitteln. Es wird ein Signal aufgebaut, das die Beschleunigung wiedergibt. Dieses Beschleunigungssignal wird zunächst gefiltert. Das gefilterte Beschleunigungssignal wird von einer Steuerungseinheit dazu verwendet, einen Regelungswert zu ermitteln. Die Steuerungseinheit kann entweder eine PD- oder eine PID-Steuerungseinheit mit niedriger Eigenverstärkung sein. Der Regelungswert wird verwendet, um das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors so einzuregeln, dass die Vibrationen infolge des Startens des Verbrennungsmotors unterdrückt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Hybridfahrzeug, und im Besonderen ein Steuerungssystem zur Minimierung der Vibrationen im Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs.
  • Elektro-Hybridfahrzeuge (EHF) sind dafür bekannt, dass sie zwei Energiequellen zum Antrieb des Fahrzeugs besitzen. In einer Bauart stellen ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor die Antriebsquellen des EHF dar. Der Verbrennungsmotor wird normalerweise durch Kraftstoff aus einem Kraftstofftank betrieben, der Elektromotor durch elektrische Energie, die von einem elektrischen Speicherelement zur Verfügung gestellt wird.
  • Es ist weiterhin bekannt, dass beim Betrieb eines EHF der Elektromotor zeitweise den alleinigen Antrieb des Fahrzeugs übernimmt. Dennoch wird in Situationen, in denen die vom Fahrzeug benötigte Antriebsenergie eine bestimmte Obergrenze überschreitet, der Verbrennungsmotor gestartet, um die notwendige Energie zur Verfügung zu stellen. Der Vorgang des Startens des internen Verbrennungsmotors (22) wird als Motorstart bezeichnet.
  • Der Vorgang des Motorstarts verursacht Lärm und ruft ernstzunehmende Vibrationen hervor, die vor der Zündung des Motors durch innere Reibungswiderstände bedingt sind, und nach der Zündung durch den Pumpvorgang entstehen. Diese Vibrationen werden auf den Antriebsstrang übertragen und letztendlich auch vom Fahrer des Fahrzeugs sowie den Mitreisenden registriert.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Vibrationen während des Motorstarts auf ein Minimum zu reduzieren. Der Fahrkomfort und die Produktqualität sollen verbessert werden, da diese für die Wettbewerbsfähigkeit von Elektro- Hybridfahrzeugen von großer Relevanz sind.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung löst die im Vorangegangenen geschilderten Probleme dadurch, dass sie eine Motorstartsteuerung für ein Elektro- Hybridfahrzeug zur Verfügung stellt. Im Speziellen enthält die vorliegende Erfindung eine Steuerungseinheit, welche die Vibrationen während des Motorstarts minimiert.
  • Die Steuerungseinheit der vorliegenden Erfindung steuert das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors derart, dass es die Vibrationen kompensiert, die beim Eingriff des Verbrennungsmotors in den Antriebsstrang entstehen. Die Antriebsstrang-Vibrationen während des Motorstarts werden also minimiert.
  • Zusätzliche Vorteile und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der nun folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform sowie der beigefügten Ansprüche und begleitenden Zeichnungen klar werden. In dieser Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränken, sondern vielmehr einen Fachmann auf dem Gebiet der Elektro- Hybridfahrzeuge dazu befähigen, die Erfindung herzustellen und anzuwenden.
  • Fig. 1 illustriert schematisch das, was gemeinhin unter dem Begriff eines parallelen Elektro-Hybridfahrzeugs oder einem Fahrzeug mit parallelem Antriebsstrang-System bekannt ist, im Folgenden als Fahrzeug 20 bezeichnet. Das Fahrzeug 20 hat einen Verbrennungsmotor 22, einen Kraftstofftank 23 zur Speicherung von Kraftstoff, mit dem der Verbrennungsmotor 22 angetrieben wird, einen Elektromotor 24, ein Energie-Speicherungselement 26 zum Antrieb des Elektromotors 24, und ein Getriebe 28, über das die Räder 30 und 32 des Fahrzeugs 20 angetrieben werden. Des Weiteren ist ein Verbindungsmechanismus 34 zu sehen, der den Verbrennungsmotor 22, den Elektromotor 24, sowie das Getriebe 28 miteinander verbindet. In einer parallelen Anordnung erlaubt es der Verbindungsmechanismus 34, dass der Antrieb des Fahrzeugs zu jedem Zeitpunkt dem Verbrennungsmotor 22, dem Elektromotor 24, oder beiden gleichzeitig übertragen werden kann.
  • Der Verbrennungsmotor 22 kann, muss aber nicht zwingend ein Verbrennungsmotor oder ein Dieselmotor sein. Analog dazu kann, muss aber das Energie-Speicherungselement nicht zwingend eine Batterie oder ein Kondensator sein.
  • Es ist außerdem eine Motorsteuerung 35 und eine Elektromotorsteuerung 37 abgebildet. Die Elektromotorsteuerung 37 steuert die Funktion des Elektromotors 24 durch das Festlegen akkurater Strom- und Spannungszuweisungen für den Elektromotor 24, basierend auf den Signalen der Motordrehzahlsteuerung.
  • Die Abtriebswelle des Elektromotors 24 ist über den Verbindungsmechanismus 34 mechanisch mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 22 verbunden, um Drehzahlspitzen zu unterstützen. Damit dies so geschehen kann, muss der Verbindungsmechanismus 34 in einer bestimmten Bauart ausgeführt sein. Jedenfalls soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass es verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten für den Verbindungsmechanismus 34 gibt.
  • Eine solche Möglichkeit stellt ein Differential dar, das zwei Eingänge zur Kraftaufnahme, aber lediglich eine Abtriebswelle aufweist. In diesem Fall sorgt eine Einwegkupplung dafür, dass bei Wegfall einer Kraftquelle dennoch ein Drehmoment durch das Differential übertragen werden kann. Der Verbindungsmechanismus 34 kann jedoch ebenso eine mechanische Kupplung oder ein beliebiges anderes Bauteil sein, solange es die geschilderten Anforderungen erfüllt.
  • Das Fahrzeug kann außerdem einen motorgetriebenen Wechselstromgenerator 39 aufweisen, der Elektrizität in die Batterie einspeist. Alternativ dazu kann der Elektromotor als sein eigener Wechselstromgenerator betrieben werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird allein der Elektromotor für den Antrieb des Fahrzeugs 20 eingesetzt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird kann dann aber zusätzliche Energie erforderlich werden. Ursachen hierfür können zum Beispiel erhöhter Antriebsbedarf des Fahrzeugs 20 oder die Aktivierung bestimmter Zubehörteile sein. In einer solchen Situation wird der Verbrennungsmotor 22 gestartet, um die zusätzliche Energie bereitzustellen, die der Elektromotor 24 nicht liefern kann. Dieser Vorgang wird Motorstart genannt.
  • Zu Beginn des Vorgangs des Motorstarts dreht allein der Elektromotor 24 und treibt so das Fahrzeug 20 an. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verbrennungsmotor 22 vollständig ausgeschaltet und weist daher auch keinerlei Motordrehung auf.
  • Wenn zusätzliche Energie benötigt wird, greift der Verbindungsmechanismus 34 in den Verbrennungsmotor 22 ein und bringt diesen, ausgehend vom Stillstand oder einer eventuell vorhandenen Restumdrehungszahl, auf eine Betriebsumdrehungsgeschwindigkeit. Wenn der Verbrennungsmotor 22 läuft und dabei eine bestimmte Umdrehungszahl erreicht hat, wird ihm Kraftstoff zugeführt und die Zündung aktiviert, damit er selbst Kraft abgeben kann. Zu diesem Zeitpunkt ist der Start des Verbrennungsmotors vollständig vollzogen.
  • Der Motorstart ist mit Lärm und ernstzunehmenden Vibrationen verbunden. Es gibt verschiedene Arten von Belastungen, die während des Prozesses des Motorstarts starke Vibrationen hervorrufen. Eine Belastungsart resultiert aus der Zündung, eine andere aus dem Verbrennungsvorgang. Belastungen infolge der Zündung treten auf, wenn der Verbindungsmechanismus 34 in den Verbrennungsmotor 22 eingreift und dadurch eine Rotation des Verbrennungsmotors 22 bewirkt. Belastungen infolge des Verbrennungsvorgangs treten auf, wenn der Verbrennungsmotor 22 Kraftstoff erhält und die Verbrennung einsetzt. Als eine Folge des Verbrennungsvorgangs setzt der Verbrennungsmotor 22 ein großes Drehmoment frei. Das Steuerungssystem, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, minimiert beide Arten von Vibrationen im Antriebsstrang.
  • Die Vibrationen, die während des Motorstarts durch diese Belastungen hervorgerufen werden, sind unerwünscht, da sie über den Antriebsstrang des Fahrzeugs 20 übertragen und als Folge dessen vom Fahrer und den Mitreisenden gespürt werden.
  • Das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung arbeitet derart, dass es diese Vibrationen erfasst und die Leistungsabgabe des Elektromotors 24 so reguliert, dass er die Vibrationen kompensiert. Daher beinhaltet diese Erfindung ein Steuerungssystem, das die Leistungsabgabe des Elektromotors 24 steuert, um so die Vibrationen im Antriebsstrang des Fahrzeugs 20 zu minimieren. Das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung soll vorzugsweise in einem Elektro-Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen, das genau einen Elektromotor 24 besitzt.
  • Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise des Steuerungssystems 120 erläutert. Die Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs wird ermittelt 122. Es existieren verschiedene Wege, diesen Wert zu ermitteln. Es kann ein Sensor verwendet werden, der entweder die Stellung oder die Rotationsgeschwindigkeit der Abtriebswelle des Elektromotors 24 misst. Alternativ dazu kann ein Sensor verwendet werden, der entweder die Stellung oder die Rotationsgeschwindigkeit der An- oder Abtriebswelle des Getriebes 28 misst. Wenn die Stellung ermittelt wird, muss ihre Veränderungsrate gemessen werden, um von ihr auf die zugehörige Geschwindigkeit schließen zu können. Eine weitere Alternative besteht darin, die Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs über eine Schätzung zu ermitteln, die auf dem Strom/Spannungs-Verhältnis des Elektromotors 24 beruht. Anschließend wird dann ein Signal aufgebaut, das die Geschwindigkeit des Antriebsstrangs wiedergibt 124.
  • Anhand dieses Signals wird die Beschleunigung des Antriebsstrangs ermittelt 126. Die Beschleunigung des Antriebsstrangs wird anhand der Veränderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs berechnet. Ein Signal wird aufgebaut, das die Beschleunigung der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs wiedergibt 128.
  • Alternativ kann die Beschleunigung des Antriebsstrangs über eine direkte Beschleunigungsmessung mit mindestens einem Sensor ermittelt werden. Auch hier kann die Messung an verschiedenen Orten vorgenommen werden, solange keine nichtlinearen Mechanismen zwischen der Motor- und der Verbrennungsmotorwelle liegen. Mit anderen Worten, die Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Wellen müssen gleich groß sein. Einige mögliche Orte zur Messung der maßgebenden Beschleunigung sind etwa die Motorwelle, die An- oder Abtriebswelle des Getriebes, oder die Welle des Verbrennungsmotors. Das Beschleunigungssignal muss nicht unbedingt eine Echtzeitwiedergabe sein. Solange die Verzögerung des Signals vernachlässigbar ist, bleibt die Steuerungsfunktion unbeeinträchtigt. Die Verzögerung des Signals sollte vorzugsweise kleiner als 1/10 der Dauer des Motorstarts sein oder zwischen 0,3-0,4 Sekunden betragen.
  • Es gibt eine weitere Möglichkeit, entweder das Beschleunigungs- oder das Geschwindigkeitssignal zu gewinnen. Beide Signale können durch Beobachtungs- oder beliebige Formen von Schätzfunktionen Näherungsverfahren generiert werden, ausgehend von verschiedenen Arten von Sensorausgaben und den dynamischen Gleichungen, die für den Antriebsstrang gelten.
  • Obwohl jede Art von Antriebsstrang-Sensoren verwendet werden kann, können mit hochauflösenden Sensoren bessere Ergebnisse bei der Steuerung erzielt werden.
  • Das mit der Beschleunigung des Antriebsstrangs korrespondierende Signal wird gefiltert 130, um hochfrequente Störgeräusche auszufiltern, die typischerweise in Beschleunigungssignalen zu finden sind. Es handelt sich bei dem Filter vorzugsweise um einen Tiefpass. Ein gefiltertes Signal, das die Beschleunigung des Antriebsstrangs wiedergibt, wird dann aufgebaut 132.
  • Alternativ dazu kann das tiefpassgefilterte Signal, das die Beschleunigung wiedergibt, durch ein hochpassgefiltertes Signal ersetzt werden, das die Rotationsgeschwindigkeit wiedergibt. Das durch einen Tiefpass gefilterte Beschleunigungssignal des Antriebsstrangs gleicht funktional dem Signal der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs, das durch einen Hochpass gefiltert wurde. Das tiefpassgefilterte Beschleunigungssignal und das hochpassgefilterte Rotationsgeschwindigkeitssignal sind gleich, solange die abgeschnittenen Frequenzen übereinstimmen. Daher kann der Steuerungsbefehl 124 auch unter Verwendung des Rotationsgeschwindigkeitssignals des Antriebsstrangs generiert werden.
  • Das gefilterte Beschleunigungssignal wird in eine Steuerungseinheit gespeist, um einen Feedback-Regelungswert zu bestimmen 134. Die Steuerungseinheit kann entweder eine Proportional-Differential (PD) oder eine Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerungseinheit mit niedriger Eigenverstärkung sein. Die PD- oder PID-Steuerungseinheit kann auch durch ein anderes System wie etwa einem Vorlauf/Verzögerungs-Kompensator (engl.: lead/lag compensator) ersetzt werden. Der Vorlauf/Verzögerungs- Kompensator kann in etwa die Funktion einer Derivat/Integral-Steuerung (engl.: derivative/integral control) übernehmen. Die Steuerungseinheit kann auch derart ausgeführt sein, dass andere, PD/PID ähnliche Verfahren zur Anwendung kommen können, zum Beispiel nichtlineare Steuerungseinheiten (engl.: nonlinear control), stabile Steuerungseinheiten (engl.: robust control), und adaptive Steuerungseinheiten (engl.: adaptive control).
  • Der Steuerungswert wird in eine Steuerungseinheit für den Elektromotor 24 gespeist. Die Steuerungseinheit des Elektromotors verarbeitet den Steuerungswert und veranlasst den Elektromotor 24, ein genau festgelegtes Drehmoment abzugeben, das so berechnet ist, dass es die resultierenden Vibrationen des Antriebsstrangs reduziert 136. Die Vibrationssteuerungsprozedur ist vorzugsweise in der Motorsteuerung implementiert, da die Vibrationsunterdrückung eine schnelle Signalverarbeitung erfordert.
  • Die Motorsteuerung des Elektromotors 24 kann eine Steuerung für einen Gleichstrom-Motor mit Bürsten (engl.: DC brush motor controller) sein, eine vektorielle Motorsteuerung für einen Drehstrom-Asynchronmotor (engl.: vector motor controller for AC induction controller), ein PM Gleichlaufmotor (engl.: PM synchronous motor), oder ein Umschaltungs-Reluktanzmotor (engl.: switch reluctance motor).
  • Bezüglich seiner Funktion kann der Elektromotor 24 ein Bahn- oder Fahrmotor (engl.: traction motor), ein integrierter Zündungs/Generatorenmotor (engl.: integrated starter/generator motor), oder ein so genannter smartstarter-motor) sein, der eine Drehmomentenaussteuerung (engl.: torque rejection) ausführen kann. Bezüglich seines Motortyps kann der Elektromotor 24 ein beliebiger Motor sein, etwa ein Drehstrom-Asynchronmotor (engl.: AC induction motor), ein bürstenloser PM Gleichstrom-Gleichlaufmotor (engl.: PM DC/ brushless/ synchronous motor), ein Umschaltungs-Reluktanzmotor (engl.: switch reluctance motor), ein Schrittmotor, oder ein Gleichstrommotor mit Bürsten (engl.: DC brushed motor).
  • Obwohl in der vorangegangenen Beschreibung die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargelegt wurde, ist es offensichtlich, dass die Erfindung offen für Modifikationen, Variationen und Änderungen ist, ohne dass vom eigentlichen Sinn und der wahren Bedeutung der beiliegenden Ansprüche abgewichen würde.

Claims (11)

1. Verfahren zur Minimierung von Vibrationen im Antriebsstrang während des Motoreingriffes in einem Elektro-Hybridfahrzeug (20), mit einem parallelen Antriebsstrangsystem mit einem Elektromotor (24) und einem Verbrennungsmotor (22), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- Bestimmung der Beschleunigung des Antriebsstrangs des Fahrzeugs (20), (126)
- Aufbau eines Signals, das die Beschleunigung des Antriebsstranges wiedergibt (128),
- Herausfiltern der hochfrequenten Störgeräuschen aus dem Signal, die Beschleunigung des Antriebträgers wiedergibt (130),
- Bestimmung eines Regelungswertes anhand des gefilterten Signals, das die Beschleunigung des Antriebsstranges wiedergibt (134), und
- Nutzung des Regelungswertes zur Steuerung eines Ausgangsdrehmoments des Elektromotors (24) (136).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung des Antriebsstranges des Fahrzeugs (20) durch die Bestimmung der Beschleunigung des Elektromotors (24) des Fahrzeugs (20) bestimmt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgendes umfasst:
Bestimmung der Geschwindigkeit des Elektromotors (24), den Aufbau eines Signals, das die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors (124) wiedergibt, und
Bestimmung der Beschleunigung des Antriebsstrangs anhand des Signals, das die Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors (24) wiedergibt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung des Antriebsstrangs des Fahrzeugs (20) durch einen Sensor ermittelt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gefilterte Signal, das die Beschleunigung des Antriebsstrangs wiedergibt, durch einen Tiefpass gefiltert ist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungswert unter Zuhilfenahme einer PD-Steuerungseinheit ermittelt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungswert unter Zuhilfenahme einer PID-Steuerungseinheit mit niedriger Eigenverstärkung ermittelt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungswert unter Zuhilfenahme einer nichtlinearen Steuerungseinheit ermittelt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungswert unter Zuhilfenahme einer stabilen Steuerungseinheit ermittelt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungswert unter Zuhilfenahme einer adaptiven Steuerungseinheit ermittelt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridfahrzeug als Parallelaufbau konzeptioniert ist.
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