DE60306610T2

DE60306610T2 - Energierückgewinnung während Hochschaltung eines seriellen Hybridfahrzeugs

Info

Publication number: DE60306610T2
Application number: DE60306610T
Authority: DE
Inventors: Gregory De Wulf; Jean-Michel Prou
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: ATE332460T1; FR2848922B1; EP1431623A1; FR2848922A1; ES2268302T3; DE60306610D1; EP1431623B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energiezurückgewinnung bei einem Gangwechsel von einer anfänglichen Untersetzung eines Getriebes eines seriellen Hybridfahrzeugs in eine Enduntersetzung, die kleiner als die anfängliche Untersetzung ist.
Ein serielles Hybridfahrzeug umfaßt eine Wärmekraftmaschine oder einen Verbrennungsmotor, der mit einer Elektromaschine in Reihe geschaltet ist, wobei der Verbrennungsmotor und die Elektromaschine jeweils ein Drehmoment bereitstellen können, die die Räder des Fahrzeugs antreiben.
Die Elektromaschine unterstützt den Verbrennungsmotor in dessen unterschiedlichen Betriebsphasen und ermöglicht im allgemeinen eine Verringerung des Kraftstoffsverbrauchs des Wärmekraftmotors. Insbesondere kann die elektrische Maschine in gewissen Betriebsphasen des Fahrzeugs als Generator funktionieren, der von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, um eine Batterie zu laden. Der Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 wird durch US-A-5,944,630 definiert.
Im allgemeinen treibt die Welle des Verbrennungsmotors eine Eingangswelle eines Getriebes unter Zwischenschaltung einer Kupplung an. Das Getriebe ermöglicht unterschiedliche Untersetzungen der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle oder eine unterschiedliche Motorleistung. Außerdem ist die Antriebswelle im allgemeinen von der Eingangswelle des Getriebes aufgrund der Kupplung während eines Gangwechsels getrennt.
Bei einem manuellen Gangschaltgetriebe hält der Fahrer während eines Gangwechsels das Kupplungspedal gedrückt, um die Antriebswelle von der Eingangswelle des Getriebes zu trennen, und gibt gleichzeitig das Gaspedal frei, was die Winkelgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors bis auf das Standgas absinken läßt. Sobald der neue Gang des Getriebes eingelegt ist, gibt der Fahrer teilweise das Kupplungspedal frei. Das Drehmoment, das von der Eingangswelle des Getriebes bereitgestellt wird, wird nur teilweise von der Kupplung an die Antriebswelle übertragen. Gleichzeitig betätigt der Fahrer das Gaspedal, um die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle zu erhöhen, bis sie im wesentlichen der Winkelgeschwindigkeit der Eingangswelle des Getriebes entspricht. Nur dann, wenn die beiden Winkelge schwindigkeiten einander entsprechen, gibt der Fahrer das Kupplungspedal vollständig frei. Eine solche Betätigung, die für jeden Gangwechsel wiederholt wird, erfordert von dem Fahrer einen nicht vernachlässigbaren Konzentrationsaufwand.
Wenn der Verbrennungsmotor nicht mit dem Getriebe verbunden ist, wird die Energie, die er bereitstellt, nicht genutzt. Außerdem muß die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle reduziert werden, wenn die Enduntersetzung des Getriebes kleiner als die anfängliche Untersetzung ist, das heißt, bei einem Heraufschalten. Die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors ist also im allgemeinen während des Gangwechsels unterbrochen, und die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle nimmt durch das einzige Widerstandsmoment des Verbrennungsmotors ab. Der Verbrennungsmotor liefert folglich Energie ohne Kraftstoffverbrauch.
Im Falle eines seriellen Hybridfahrzeugs ist es möglich, die „freie" Energie zu nutzen, die von dem Kraftfahrzeugmotor unverbraucht während des Heraufschaltens bereitgestellt ist, um die Elektromaschine anzutreiben. Die Elektromaschine funktioniert dann als Generator und kann eine Kraftfahrzeugbatterie laden. Ein derartiges Verfahren wird Energiezurückgewinnungsprozeß während des Heraufschaltens genannt.
Die Erfindung betrifft ein originäres Verfahren zum Steuern einer Elektromaschine eines seriellen Hybridfahrzeuges, welches Verfahren eine Energiezurückgewinnung beim Heraufschalten ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Regeln des Drehmoments, das von einer Elektromaschine beim Heraufschalten bereitgestellt wird, was den Fahrkomfort des Fahrers des Fahrzeugs verbessert.
Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Energiezurückgewinnung für ein serielles Hybridfahrzeug bei einem Gangwechsel eines Getriebes von einer anfänglichen Untersetzung in eine Enduntersetzung vor, die kleiner als die anfängliche Untersetzung ist, wobei die Eingangswelle des Getriebes von einer Antriebswelle eines Verbrennungsmotors angetrieben wird, wenn eine Untersetzung in Eingriff ist, und von der Antriebswelle während des Gangwechsels getrennt wird, wobei eine Elektromaschine an der Antriebswelle angebunden ist und ein Hilfsmoment der Antriebswelle mitteilt, welches erfindungsgemäße Verfahren dadurch gebildet wird, daß überprüft wird, ob Freigabebedingungen erfüllt werden; eine theoretische, finale Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle bestimmt wird, die vor dem Gangwechsel und der Enduntersetzung vorlag; eine theoretische Gangwechseldauer in Abhängigkeit von der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird; die Elektromaschine gesteuert wird, um der Antriebswelle ein erstes Bremshilfsmoment während eines Zeitraums mitzuteilen, der von der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird; und die Elektromaschine gesteuert wird, um der Antriebswelle ein zweites Hilfsmoment, das von dem ersten Hilfsmoment unterschiedlich ist, bis nach Ablauf der theoretischen Dauer mitzuteilen.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung entspricht das erste Bremshilfsmoment der maximalen Leistung, die von der Elektromaschine erreicht werden kann.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist das zweite Hilfsmoment gleich null.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist das zweite Hilfsmoment gleich einem positiven Antriebsmoment der Antriebswelle entsprechend der maximalen Leistung, die durch die Elektromaschine bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung besteht eine der Freigabebedingungen darin, daß die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle größer als ein bestimmter Schwellenwert ist.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die Schwelle unterschiedlich, je nachdem ob die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle zunimmt oder abnimmt.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist eine der Freigabebedingungen dadurch festgelegt, daß die Beschleunigung des Fahrzeugs größer als eine bestimmte Beschleunigung ist.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist eine der Freigabebedingungen dadurch festgelegt, daß die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors unterbrochen ist.
Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Steuern einer Elektromaschine vor, mit der ein serielles Hybridfahrzeug ausgestattet ist, das einen Verbrennungsmotor, der eine Antriebswelle antreibt, die mit der Eingangswelle eines Getriebes verbunden ist, und eine Kupplung umfaßt, die von der Antriebswelle der Eingangswelle bei einem Gangwechsel des Getriebes von einer anfänglichen Untersetzung in eine Enduntersetzung trennbar ist, wobei die Elektromaschine an der Antriebswelle angebunden ist und ein Hilfsmoment der Antriebswelle mitteilt, welche Vorrichtung zum Steuern der Elektromaschine umfaßt eine Einrichtung zum Bestimmen des Beginns eines Übergangs von der anfänglichen Untersetzung zur Enduntersetzung, die kleiner als die anfängliche Untersetzung ist, eine Einrichtung zum Bestimmen einer theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle vor dem Gangwechsel und von der Enduntersetzung, eine Einrichtung zum Bestimmen einer theoretischen Gangwechsel-Dauer in Abhängigkeit von der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit, und eine Einrichtung zum sukzessiven Mitteilen eines ersten Bremshilfsmomentbetrags während eines bestimmten Zeitraums, der abhängig von der theoretischen Dauer, der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt ist, und eines zweiten Hilfsmomentbetrags an die Elektromaschine, bis die theoretische Dauer abgelaufen ist.
Dieser Gegenstand, diese Eigenschaften und Vorteile sowie andere der Erfindung werden im Detail durch die folgende Beschreibung besonderer Ausführungen nicht einschränkend anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels für die Architektur eines erfindungsgemäßen, seriellen Hybridfahrzeugs;
2 beispielhafte Verläufe der Winkelbeschleunigung der Antriebswelle in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle für unterschiedliche Hilfsmomente der Elektromaschine;
3 den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle in Abhängigkeit von Zeitdauer für unterschiedliche Hilfsmomente der Elektromaschine; und
4 der Verlauf der theoretischen Dauer für einen Gangwechsel in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle für unterschiedliche Gangwechsel.
Wie in 1 dargestellt ist, umfaßt das Hybridfahrzeug 10 einen Verbrennungsmotor 11, der mit einem Lenkradmotor 12 verbunden ist. Eine Elektromaschine 13 ist an die Antriebswelle 14 des Verbrennungsmotors 11 angebunden. Die Antriebswelle 14 ist mit einer Kupplung 16 verbunden, die, wenn sie aktiviert wird, die Antriebswelle 14 mit einer Eingangswelle 17 einer Übertragungskette 18 verbindet. Die Übertragungskette 18 umfaßt beispielsweise ein Getriebe und einen Brückenteiler. Die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle 19 der Antriebskette 18 entspricht der Drehgeschwindigkeit der Eingangswelle multipliziert mit der Gesamtuntersetzung der Übertragungskette 18. Die Ausgangswelle 19 treibt die Räder 20 des Fahrzeugs an. Das Getriebe kann ein manuelles Schaltgetriebe oder ein manuell gesteuertes Getriebe sein. Ein manuell gesteuertes Getriebe ist ein Getriebe, für welches der Fahrer einen Gangwechsel auswählt, beispielsweise mit Hilfe eines Steuerungsknopfes, wobei der Gangwechsel automatisch realisiert wird. Das Getriebe kann auch ein automatisches Getriebe sein. Die Kupplung 16 kann je nach Getriebetyp automatisch ausgelegt sein oder durch den Fahrer betätigt werden.
Die Elektromaschine 13 ist mit einer Hochspannungsbatterie oder einer Leistungsbatterie 22 über einen Gleichstrom-Alternativ-Wandler 24 verbunden. Die Elektromaschine 13 kann wie ein Generator funktionieren, der durch den Verbrennungsmotor 11 angetrieben ist, und kann die Hochspannungsbatterie 22 aufladen oder kann sogar als Elektromotor fungieren, der von der Hochspannungsbatterie 22 versorgt wird, um die Antriebswelle 14 anzutreiben.
Die Hochspannungsbatterie 22 ist mit einer Niedrigspannungsbatterie 26 mittels eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 28 verbunden. Die Niedrigspannungsbatterie 26 versorgt ein Bordnetz mit einer Niedrigspannung (nicht dargestellt), um die klassischen Einrichtungen des Fahrzeugs 10 (beispielsweise Klimaanlagen, Scheibenwischanlagen, etc.) zu versorgen. Die Niedrigspannungsbatterie 26 kann auch einen klassischen Anlasser 27 versorgen, der die Antriebswelle 14 antreibt. Die Hochspannungsbatterie 22 kann an der Versorgung des Bordnetzes beteiligt sein und kann ein Bordnetz hoher Spannung für besondere Einrichtungen des Fahrzeugs versorgen, die eine erhöhte Leistung fordern, wie Heizwiderstände, Servolenkung, etc. Die Niedrigspannungsbatterie 26 hat beispielsweise eine Durchschnittsspannung von 12 Volt, und die Hochspannungsbatterie ist eine Leistungsbatterie des Typs NimH (Nickel-Metall-Hydrid) mit einer Durchschnittsspannung von 42 Volt.
Das Hybridfahrzeug 10 umfaßt mehrere Rechner 30, 32, 34, 36, die unterschiedliche Bauteile des Hybridfahrzeugs 10 steuern. Die Rechner 30, 32, 34, 36 können untereinander Daten mittels eines Datenaustauschbusses 38 austauschen. Ein Rechner 30 zum Steuern des Verbrennungsmotors kann beispielsweise die Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors 11 ausgehend von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 11 steuern. Ein Rechner 32 zum Steuern der Elektromaschine 13 kann der Elektromaschine einen Kopplungsbefehl auf der Basis von Betriebsparametern der Elektromaschine und einem von einem Oberrechner 34 bereitgestellten Befehl mitteilen. Der Oberrechner 34 kann auch über den Datenbus 38 ein Alarmsignal ausgeben, wenn er eine Fehlfunktion der Elektromaschine 13, des Gleichstrom-Alternativ-Wandlers 24 oder des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 28 erfaßt. Der Oberrechner 34 kann auch die Rechner 30, 32, 36 mit dem Ziel steuern, daß besondere, zu erbringenden Leistungen sicher gestellt sind. Ein Rechner 36 zum Steuern der Batterien 22, 26 ist dazu ausgelegt, ausgehend von Funktionsparametern der Hochspannungsbatterie 22 und der Niedrigspannungsbatterie 26 untereinander über den Datenbus 38 ein Alarmsignal auszutauschen, wenn gewisse Bedingungen einer korrekten Funktionsweise der Batterien nicht erfüllt sind.
Die verschiedenen, durch die Rechner 30, 32, 34, 36 verwendeten Signale können direkt von nicht dargestellten Sensoren bereitgestellt werden, die das Hybridfahrzeug 10 aufweist, oder können von den Rechnern 30, 32, 34, 36 berechnet werden. Jeder Sensor kann direkt mit einem der Rechner 30, 32, 34, 36 und/oder mit einem anderen Rechner des Fahrzeugs 10 (nicht dargestellt) verbunden sein, wobei jeder mit dem Datenbus 38 oder einem der Rechner 30, 32, 34, 36 verbunden ist.
Bei Normalbetrieb des Hybridfahrzeugs 10 stellt der Verbrennungsmotor 11 dem Antriebsmotor 14 ein Antriebsmoment C_MT für die Räder 20 derart bereit, daß die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 gesteuert wird. Die Elektromaschine 13 stellt ein Hilfsmoment C_ME an der Antriebswelle 14 bereit. Die Elektromaschine, die von der Hochspannungsbatterie 22 versorgt wird, kann ein zusätzliches Antriebsmoment bereitstellen, um den Verbrennungsmotor zu unterstützen, oder kann ein Widerstandsmoment erzeugen, das dem Antriebsmoment entgegen gerichtet ist, um elektrische Energie zu erzeugen, damit die Hoch spannungsbatterie 22 oder die Niedrigspannungsbatterie 26 mit Hilfe des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 28 geladen werden. Gemäß den Funktionsbedingungen des Fahrzeugs legt der Oberrechner 34 das von dem Verbrennungsmotor 11 bereitzustellende Drehmoment und das von der Elektromaschine 13 bereitzustellende Drehmoment fest, indem angepaßte Steuersignale an den Verbrennungsmotorrechner 30 und an den Elektromaschinenrechner 32 mittels des Datenbusses 38 übertragen werden.
Das Hybridfahrzeug gemäß der Erfindung 10 stellt eine besondere Leistungsfähigkeit bereit, die darin besteht, einen Teil der von dem Verbrennungsmotor 11 beim Heraufschalten bereitgestellte Energie zurückzugewinnen. Eine derartige Leistungsfähigkeit kann gegebenenfalls aktiviert oder mittels eines Auswahlknopfes unterdrückt werden, der beispielsweise an der Armaturentafel des Fahrzeugs vorgesehen ist und von dem Fahrer bedient werden kann.
Im Falle, daß die Energiezurückgewinnungseigenschaft aktiviert werden soll, verifiziert der Oberrechner 34, ob Freigabebedingungen erfüllt sind.
Die folgenden Freigabebedingungen zielen besonders genau darauf ab, daß erfaßt wird, ob ein Heraufschalten von dem Fahrer beispielsweise mittels des Schalthebels des manuellen Getriebes oder des Steuerknopfs des manuell gesteuerten Getriebes veranlaßt wird:

– die Beschleunigung des Fahrzeugs ist größer als eine bestimmte Schwelle. Tatsächlich ist kurz vor der Durchführung des Heraufschaltens das Fahrzeug im allgemeinen in einer Beschleunigungsphase, die den Gangwechsel rechtfertigt;
– die Antriebswelle 14 wird von der Eingangswelle 17 der Übertragungskette 18 getrennt; und
– die Versorgung des Verbrennungsmotors 11 wird unterbrochen.

Die folgenden Freigabebedingungen sind genau darauf ausgerichtet, zu verifizieren, ob die Funktionsweise des Fahrzeugs eine Zurückgewinnung von Energie zuläßt:

– die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 ist größer als eine Schwelle. Die Bestimmung der Schwelle wird im folgenden detailliert beschrieben;
– die anfängliche Untersetzung des Getriebes ist größer als die minimal mögliche Untersetzung des Getriebes, was ein realisierbares Heraufschalten impliziert; und
– der Rückwärtsgang des Fahrzeugs wird nicht eingelegt.

Die folgenden Bedingungen sind genau darauf ausgerichtet, die Verfügbarkeit verschiedener Bauteile des Fahrzeugs zu verifizieren, die an der elektrischen Energiebereitstellung beteiligt sind:

– die Rechner des Fahrzeugs zeigen die Fehlfunktionslosigkeit der Elektromaschine 13, des Gleichstrom-Alternativ-Wandlers 24, des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 24, der Batterien 22, 26, der Sensoren und im allgemeinen der Anordnung von elektrischen Systemen des Fahrzeugs an; und
– die Temperaturen des elektrischen Systems sind mit einer Ladung der Leistungsbatterie 22 kompatibel, welche im übrigen nicht gefordert wird.

Beim Gangwechsel wird die Antriebswelle 14 von der Eingangswelle 17 der Übertragungskette 18 getrennt. Die Winkelbeschleunigung ω .MOT der Antriebswelle 14 wird durch folgende Gleichung erhalten:
wobei I_vol die Trägheit des Verbrennungsmotors 11 und I_emb die Trägheit der Kupplung 16 sind.
Für einen Verbrennungsmotor 11, der nicht mit einem Brennstoff versorgt wird, ist das bereitgestellte Moment C_MT resistiv und im wesentlichen konstant, wie auch immer die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 ist. Für einen Diesel-Motor liegt das resistive Moment oder Widerstandsmoment beispielsweise bei etwa –28 Nm. Das Hilfsmoment C_ME der Elektromaschine 13 liegt im wesentlichen etwa bei: CME = PME/ωMOT (2) wobei P_ME die Leistung ist, die von der Elektromaschine 13 erhalten oder bereitgestellt wird.
2 zeigt Kurvenverläufe der Winkelbeschleunigung ω ._MOT der Antriebswelle 14 in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 für verschiedene Beträge des Hilfsmoments C_ME der Elektromaschine 13.
Die Kurve P_MEMAX stellt die Winkelbeschleunigung ω ._MOT der Antriebswelle 14 für ein maximales, positives Hilfsmoment dar, das heißt, daß sie zu einer Zunahme der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 neigt, was einer maximalen Leistung entspricht, die von der Elektromaschine 13 bereitgestellt wird. Die Kurve P_MENULL stellt die Winkelbeschleunigung der Antriebswelle für ein Hilfsmoment dar, das null ist. Die Kurve P_MEMIN stellt Winkelbeschleunigungen der Antriebswelle für ein minimales Hilfsmoment dar, das heißt für ein maximales Widerstandsmoment desselben Vorzeichens wie das Widerstandsmoments C_MT des Verbrennungsmotors 11, was einer maximalen Leistung entspricht, die von der Elektromaschine 13 empfangen wird.
Drei Bereiche I, II, III können in 2 abgegrenzt werden:

– der Bereich I entspricht Winkelgeschwindigkeiten ω_MOT der Antriebswelle, die beispielsweise von 500 bis 1500 Umdrehungen pro Minute variieren. Das Widerstandsmoment, das von der Elektromaschine 13 bereitgestellt wird, kann relativ erhöht sein und könnte bei geringen Winkelgeschwindigkeiten den Verbrennungsmotor 11 abwürgen, was erheblich den Fahrkomfort beeinträchtigt. Außerdem ist bei derartigen Drehgeschwindigkeiten der Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors 11 nicht vollständig unterbrochen, so daß die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 14 im Hinblick auf einen Verzögerungssollwert geregelt wird. Es ist folglich im Hinblick auf energetische Zusammenhänge wenig interessant, eine Energierückgewinnung in diesem Bereich durchzuführen. Die Funktion der Energiezurückgewinnung wird also bei Winkelgeschwindigkeiten ω_MOT der Antriebswelle 14 unterbunden, die kleiner als 1500 Umdrehungen pro Minute sind, was |C_ME| ≤ (zu_präzisieren)|C_MT| entspricht;
– der Bereich II entspricht den Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle 14, die von etwa 1500 bis 3500 Umdrehungen pro Minute variieren. In diesem Bereich ist der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 11 systematisch während eines Gangwechsels unterbrochen. Die Elektromaschine 13 kann folglich Energie abziehen und das „Gratis"-Aufladen der Leistungsbatterie 22 sicherstellen. Außerdem reichen in diesem Bereich die von der Elektromaschine 13 erzeugten Widerstandsmomente dazu aus, eine Störung bei dem Abfallen der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 bei einem Gangwechsel zu haben. Die Elektromaschine 13 kann folglich aktiv bei der Kontrolle oder Regelung der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 beitragen, um den Fahrkomfort zu verbessern; und
– der Bereich III entspricht den Winkelgeschwindigkeiten ω_MOT der Antriebswelle, die größer als 3500 Umdrehungen pro Minute sind. In diesem Bereich sind die Widerstandsmoment, die von der Elektromaschine 13 erzeugt werden, wenig signifikant, um die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 zu entwickeln. Die Funktion der Energiezurückgewinnung kann folglich nicht entscheidend dazu beitragen, das Fahrverhalten zu verbessern. Im Gegenteil kann die Elektromaschine 13 aus energetischer Sicht mit dem Energieabzug fortfahren und das Aufladen der Leistungsbatterie 22 auf dieselbe Weise wie in dem Bereich II sicher zustellen.

Die Schwelle der Winkelgeschwindigkeit, die die Bereiche I und II voneinander trennt, hängt erheblich von den Eigenschaften des Verbrennungsmotors ab. Sie kann durch eine Hysterese definiert werden und ist folglich variant, sobald die Winkelgeschwindigkeit der Antriebeswelle zunimmt oder abnimmt.
Beim Integrieren der Gleichung (1) wird der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 während eines Gangwechsels durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Es ist wichtig festzustellen, daß die zurückgewonnene Energie bei nur einem einzigen Gangwechsel gering ist, was sich aufgrund der kurzen Dauer des Gangwechsels ergibt. Wenn man tatsächlich berücksichtigt, daß die Elektromaschine maximal eine Leistung von 4 kW abziehen kann, und unter der Bedingung, daß die durchschnittliche Dauer eines Heraufschaltens in einem Bereich von 0,5 s liegt, kann die Elektromaschine 13 im besten Fall nur 2 kJ zurückgewinnen. Dies entspricht etwa 0,1% des Ladungszustands einer Leistungsbatterie 22, dessen Vollladungseigenschaften bei 2300 kJ und bei 9 kW liegen. Jedoch bei mehreren Hochschaltvorgängen, die im allgemeinen beim Fahren eines Fahrzeugs auf einem klassischen Parcours zahlreich sind, ist der energetische Gesamtgewinn entsprechend hoch. Für beispielsweise 30-maliges Heraufschalten, was einer Durchschnittsanzahl von Schaltvorgängen auf einem klassischen Parcours entspricht, der für die Zulassung des Fahrzeugs verwendet wird, kann ungefähr eine zusätzliche Beladung von 3% für die Leistungsbatterie 22 erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus dem Verlassen einer anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω_INI, die über die Antriebswelle 14 bekannt ist, und einem Gelangen zu einer Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ der Antriebswelle 14 innerhalb einer Zeitdauer T_MAX, wobei eine maximale Energie gehalten wird, die durch die Elektromaschine 13 zurückgewonnen wird. Die Zeitdauer T_MAX entspricht der theoretischen Dauer des Gangwechsels, wobei zu dessen Ende die Antriebswelle 14 und die Eingangswelle 17 der Kettenübertragung 18 erneut miteinander verbunden sind. Die Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ der Antriebswelle 14 entspricht der optimalen Synchronisationswinkelgeschwindigkeit, das heißt, die Winkelgeschwindigkeit ermöglicht, eine Verbindung der Antriebswelle 14 mit der Eingangswelle 17 der Übertragungskette 18 unter optimalen Bedingungen gegen Ende der Zeitdauer T_MAX sicher zu stellen. Die Winkelendgeschwindigkeit ω_obj hängt von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω_INI der Antriebswelle 14 ab, vom durchgeführten Gangwechsel und von Parametern ab, wie die Beschleunigung des Fahrzeugs. Die möglichen Werte der Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ sind in einem Bereichsspeicher eines der Rechner des Fahrzeugs 10 enthalten.
Die Regelung der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle kann durch folgendes Gleichungssystem definiert sein:
Für ein manuell gesteuertes Getriebe oder ein automatisches Getriebe ist die Zeitdauer für einen Gangwechsel T_MAX von vornherein bekannt. Auf jeden Fall ist die Zeitdauer T_MAX für ein manuelles Schaltgetriebe bei einem Gang und einer anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω_INI nicht bekannt, welche vorgegeben sind. Tatsächlich kann der Fahrer einen Gangwechsel gemäß unterschiedlicher Zeitdauer für den gleichen Gang und für eine gleiche, anfängliche Winkelgeschwindigkeit ω_INI durchführen. Die Zeitdauer T_MAX kann folglich, wie detailliert im folgenden beschrieben, bestimmt werden. Die möglichen Werte der Zeitdauer T_MAX sind in einem Bereichsspeicher eines der Rechner des Fahrzeugs enthalten.
3 zeigt den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 in Abhängigkeit von der Zeit für zwei Ausführungen des Steuerungs- und/oder Regelungsverfahrens der Elektromaschine 13 gemäß der Erfindung. Die anfängliche Winkelgeschwindigkeit ω_INI ist beispielsweise bei 3000 Umdrehungen pro Minute festgelegt. Die Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ ist bei 1800 Umdrehungen pro Minute festgelegt. Für das hier in Betracht stehende Heraufschalten gibt die Kartographie an, daß die Zeitdauer T_MAX bei etwa 0,57 s liegt. Die Kurve P'_MEMAX deutet den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 an, wenn die Elektromaschine 13 ein positives Hilfsmoment bereitstellt, das einer maximalen, bereitgestellten Leistung entspricht. Die Kurve P'_MENULL deutet den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 an, wenn die Elektromaschine 13 kein Hilfsmoment bereitstellt. Die Kurve P'_MEMIN stellt den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 dar, wenn die Elektromaschine 13 ein Widerstandsmoment bereitstellt, das einer maximalen, erhaltenen Leistung entspricht.
Gemäß einer ersten, beispielhaften Ausführung ist die Elektromaschine 13 bis zu einem ersten Zeitpunkt t₁ derart gesteuert, daß ein negatives Hilfsmoment bereitgestellt wird, das einer maximalen, erhaltenen Leistung entspricht, was einen starken Abfall der Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 veranlaßt. Die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT paßt folglich zu einem Abschnitt der Kurve P'_MEMIN. Anschließend von dem Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t_MAX, stellt die Elektromaschine 13 kein Hilfsmoment bereit. Die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT fällt folglich schwächer bis zu einer Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ entlang eines Kurvenabschnitts 40 ab, der parallel zur Kurve P'_MENULL verläuft.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung, bis zum Zeitpunkt t₂, stellt die Elektromaschine 13 ein Widerstandsdrehmoment bereit, das einer maximalen, erhaltenen Leistung entspricht. Die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT der Antriebswelle 14 paßt folglich zu einem Abschnitt der Kurve P'_MEMIN. Anschließend bis zum Zeitpunkt t_MAX stellt die Elektromaschine 13 ein positives Hilfsmoment bereit, das einer maximal bereitgestellten Leistung entspricht. Die Winkelgeschwindigkeit ω_MOT fällt folglich nur noch sehr leicht bis zu einer Winkelendgeschwindigkeit ω_OBJ gemäß einem Abschnitt der Kurve 42 parallel zur Kurve P'_MEMAX.
Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht einer optimalen Steuerung, die auf eine Elektromaschine 13 angewendet werden kann, um eine optimale Energiezurückgewinnung zu erhalten. Auf jeden Fall setzt dies voraus, daß zwischen den Zeitpunkten t₂ und t_MAX die Elektromaschine der Antriebswelle 14 ein positives Drehmoment mitteilt. Dies kann entscheidende Funktionszwänge implizieren, damit den Sicherheitsvoraussetzungen für die Funktionsweise der Elektromaschine 18 entsprochen wird.
Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht einer Steuerung der Elektromaschine 13, die nicht optimal im Hinblick auf eine Energierückgewinnung ist, allerdings vollkommen zufriedenstellend ist. Außerdem liefert die Elektromaschine 13 kein positives Moment, wobei das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Steuern robuster als das zweite Ausführungsbeispiel im Hinblick auf die Funktionssicherheit ist und sehr einfach in Betrieb genommen werden kann.
Für die beiden Ausführungsbeispiele können die Zeitpunkte t₁ und t₂ vorbestimmt sein und in einem Speicher abgelegt sein, und können von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω_INI und der Zeitdauer T_MAX abhängen.
Die Zeitdauer T_MAX ist der Kalibrationsparameter, welcher der wichtigste für die vorliegende Regelung ist. Die Änderung von T_MAX ist stark mit den Winkelgeschwindigkeiten ω_INI und ω_OBJ verbunden. Um die Berechnung der Zeitdauer T_MAX zu vereinfachen, kann davon ausgegangen werden, daß das von der Elektromaschine 13 bereitgestellte Moment C_ME in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 14 linear ist und folgender Gesetzmäßigkeit folgt: CME = K1ωMOT + K2 (5),wobei die Koeffizienten K₁ und K₂ durch eine lineare Annährung erhalten werden.
Schließlich erhält man folgenden Ausdruck:
Die 4 stellt Beispiele des Verlaufs der Zeitdauer T_MAX in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω_INI der Antriebswelle 14 unterschiedliche Gangwechsel dar. Die Kurven 1-2, 2-3, 3-4 und 4-5 repräsentieren jeweils die Gangwechsel zwischen dem ersten und zweiten, zweiten und dritten, dritten und vierten, und vierten sowie fünften Gang des Getriebes.
In dem Fall, bei dem das Getriebe ein gesteuertes Getriebe oder ein automatisches Getriebe ist, kann eine optimale Steuerung dann erhalten werden, wenn die Kupplung automatisch gesteuert ist. Gemäß einer Variante der Erfindung läßt der Einsatz einer leistungsfähigeren Elektromaschine eine hervorragende Abbremsung der Motorgeschwindigkeit zu.
Selbstverständlich ist die Erfindung dazu geeignet, verschiedene Varianten und Modifikationen zuzulassen, die einem Fachmann offensichtlich sind. Insbesondere können die verschiedenen Rechner in einem einzigen Rechner ungruppiert sein.

Claims

Verfahren zur Energiezurückgewinnung für ein serielles Hybridfahrzeug (10) bei einem Gangwechsel eines Getriebes von einer anfänglichen Untersetzung in eine Enduntersetzung, die kleiner als die anfängliche Untersetzung ist, wobei die Eingangswelle (17) des Getriebes von einer Antriebswelle (14) eines Verbrennungsmotors (11) angetrieben wird, wenn eine Untersetzung im Eingriff ist, und von der Antriebswelle während des Gangwechsels getrennt wird, wobei eine Elektromaschine (13) an der Antriebswelle angebunden wird und ein Hilfsmoment (C_ME) der Antriebswelle mitteilt, dadurch gekennzeichnet, daß: überprüft wird, ob Freigabebedingungen erfüllt werden; eine theoretische, finale Winkelgeschwindigkeit (ω_OBJ) der Antriebswelle in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit (ω_INI) der Antriebswelle bestimmt wird, die vor dem Gangwechsel und der finalen Untersetzung bestand; eine theoretische Gangwechsel-Dauer (T_MAX) in Abhängigkeit von der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird; die Elektromaschine gesteuert wird, um der Antriebswelle ein erstes Bremshilfsmoment während eines Zeitraums mitzuteilen, der abhängig von der theoretischen Dauer, der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird; und die Elektromaschine gesteuert wird, um der Antriebswelle ein zweites Hilfsmoment, das von dem ersten Hilfsmoment unterschiedlich ist, bis nach Ablauf der theoretischen Dauer mitzuteilen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Bremshilfsmoment der maximalen Leistung entspricht, die von der Elektromaschine (13) erreicht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Hilfsmoment gleich null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Hilfsmoment gleich einem positiven Antriebsmoment der Antriebswelle (14) entsprechend der maximalen Leistung ist, die durch die Elektromaschine (13) bereitgestellt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine der Freigabebedingungen dadurch festgelegt wird, daß die Winkelgeschwindigkeit (ω_MOT) der Antriebswelle (14) größer als ein bestimmter Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Schwelle unterschiedlich ist, je nachdem, ob die Winkelgeschwindigkeit (ω_MOT) der Antriebswelle (14) zunimmt oder abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine der Freigabebedingungen dadurch festgelegt wird, daß die Beschleunigung des Fahrzeugs (10) größer als eine bestimmte Beschleunigung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine der Freigabebedingungen dadurch festgelegt wird, daß die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors (11) unterbrochen wird.
Vorrichtung zum Steuern einer Elektromaschine (13), mit der ein serielles Hybridfahrzeug (10) ausgestattet ist, das einen Verbrennungsmotor (11), der eine Antriebswelle (14) antreibt, die mit einer Eingangswelle (17) eines Getriebes verbunden ist, und eine Kupplung (16) umfaßt, die von der Antriebswelle (14) der Eingangswelle (17) bei einem Gangwechsel des Getriebes von einer anfänglichen Untersetzung zu einer finalen Untersetzung trennbar ist, wobei die Elektromaschine an der Antriebswelle angebunden ist und ein Hilfsmoment C_ME der Antriebswelle mitteilt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen des Beginns eines Übergangs von der anfänglichen Untersetzung zu einer finalen Untersetzung, die kleiner als die anfängliche Untersetzung ist, eine Einrichtung zum Bestimmen einer theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit (ω_OBJ) der Antriebswelle (14) in Abhängigkeit von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit (ω_INI) der Antriebswelle (14) vor dem Gangwechsel und von der finalen Untersetzung, eine Einrichtung zum Bestimmen einer theoretischen Gangwechsel-Dauer (T_MAX) in Abhängigkeit von der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit und eine Einrichtung zum sukzessiven Mitteilen eines ersten Bremshilfsmomentbetrags während eines bestimmten Zeitraums, der abhängig von der theoretischen Dauer, der theoretischen, finalen Winkelgeschwindigkeit und von der anfänglichen Winkelgeschwindigkeit bestimmt ist, und eines zweiten Hilfsmomentbetrags an die Elektromaschine, bis die theoretische Dauer abgelaufen ist.