WO2006053624A1 - Verfahren zur steuerung eines betriebs eines hybridkraftfahrzeugs sowie hybridfahrzeug - Google Patents

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Matthias Holz
Ekkehard Pott
David Prochazka
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Volkswagen AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an operation of a motor vehicle with a hybrid drive unit comprising an internal combustion engine and additionally at least one, optionally switchable in a motor or generator operation electric machine, wherein the electric machine powered in generator operation, for example, an electrical system of the vehicle and / or loads an energy store.
  • the invention further relates to a hybrid vehicle with a corresponding control.
  • hybrid vehicle refers to motor vehicles in which at least two drive units are combined, which use different energy sources to provide the power for the vehicle drive.
  • Today's hybrid vehicles are therefore predominantly equipped with a combination of internal combustion engine and one or more electric machines.
  • Two different hybrid concepts can be distinguished.
  • serial or sequential hybrid concepts the vehicle drive takes place exclusively via the electric machine, while the internal combustion engine generates the electric current for charging an energy store supplying the electric motor or for direct feeding of the electric motor via a separate generator.
  • parallel hybrid concepts are preferred today, at least in car applications, in which the vehicle drive can be represented both by the internal combustion engine and by the electric motor.
  • the electrical machines used in such parallel concepts can be operated either by motor or generator.
  • the electric motor in engine operation is typically connected to the internal combustion engine at operating points with higher vehicle loads.
  • it can take over the function of a starter motor for the internal combustion engine.
  • the electric motor in the internal combustion engine traction drive is operated mainly as a generator, wherein a thus generated electric power of the electric motor is used, for example, to charge the energy storage and / or to supply an electrical system.
  • the regenerative operation of one electric motor can also be used to supply another.
  • ASM asynchronous machines
  • PSM permanently excited synchronous machines
  • the object of the present invention is to propose a method for controlling a hybrid vehicle, which permits a more effective and, as a result, fuel-saving use of the electric machine (s) in a parallel hybrid concept.
  • the operation of the electrical machine in regenerative operation takes place at alternating intervals (pulse charging operation) as a function of compliance with predetermined boundary conditions, wherein
  • the electric machine in a first interval, is operated with a first, high electric power output, which is greater than a current power consumption of the electrical system of the motor vehicle, and
  • the electric motor high electrical power to charge the electrical energy storage (to its nominal state of charge plus a buffer amount) and / or on the other hand to supply the electrical system of Motor vehicle, which is understood as both the power consumed by the electrical loads and to charge an optional backup battery (typically a 12V vehicle battery).
  • the supply of the electrical system in the second interval essentially takes place from the energy store (and optionally from the vehicle battery) filled up in the first interval.
  • the switching between the intervals of the generator operation in response to predetermined threshold values for a state of charge of the energy storage of the electric machine is ended when the state of charge of the energy store reaches an upper switching threshold, whereas the second interval (switched-off electric machine) is ended when the state of charge of the energy store reaches a lower switching threshold.
  • the state of charge of the energy storage oscillates to a desired state of charge.
  • the upper and lower thresholds may be set at the same or different distance from the desired state of charge.
  • the desired state of charge is calculated as a function of the operating point as well as as a function of the energy storage size and the energy storage type as a compromise between the recuperation potential, the boost potential, the energy storage life and the cold start safety.
  • boundary conditions are preferably specified which ensure that the performance of the pulsed operation results in an improvement in efficiency compared to a continuous operation with low power output.
  • for the approval of the method particularly preferably falls below a threshold for a current power requirement of electrical system or energy storage, preferably required for the total power requirement of both.
  • the actual power requirement of the electrical energy store is understood to mean an electrical charge required for filling the energy store to a predefinable charge state, which as a rule is less than the maximum charge state.
  • a further threshold value is a ratio of the current Power requirement of electrical system and / or energy storage to a - according to a current operating point of the vehicle - currently maximum possible generator power output of the electric machine concerns.
  • the method is particularly preferably used when the electric machine is operated in areas in which the efficiency curve of the electrical machine has only a low speed dependency.
  • the alternating pulse charging operation of the electric motor is made dependent on an efficiency balance which is carried out before and during the alternating operation.
  • the alternating operation according to the invention is carried out (and so long) only if the balancing results in reaching or exceeding a threshold value for an efficiency advantage to be achieved compared to the conventional continuous operation.
  • the balancing is particularly preferably also considered a load point shift of the internal combustion engine, which takes place to compensate for the resulting with the load point shift of the electric motor higher drive torque of the internal combustion engine.
  • predefinable boundary conditions may relate to the representability of the pulse charging operation. For example, it may be required that the desired state of charge of the energy store is within a certain range, in particular a minimum distance to an upper and a lower permissible limit value for the state of charge. This is necessary in order to be able to represent the amplitudes for the alternating state of charge by the desired state of charge. According to a further advantageous variant of the method, the desired state of charge is deliberately set in such a way that a sufficient distance for exercising the pulse charging operation to the upper and lower permissible limit value is maintained.
  • the torque changes caused by the pulse charging method according to the invention are compensated by the internal combustion engine, in particular in the form of an increase in the cylinder charge in order to avoid adverse effects on the driving behavior. Since, however, any moment compensation can only take place with limited speed and accuracy, it is preferably provided to specify further boundary conditions which permit the implementation of the alternating generator operation according to the invention only in operating situations in which only relatively weak torque changes occur or are easily compensated.
  • alternate operation may be allowed if at least one of the following conditions relating to torque compensation is met: - Maintaining a minimum distance of a current torque of the internal combustion engine to a maximum engine torque (full load characteristic), in particular the current engine torque should be at most 75%, preferably at most 85%, more preferably at most 90% of the full load torque;
  • - having a current minimum vehicle speed, in particular of at least 15 km / h, preferably of at least 25 km / h, more preferably of at least 40 km / h;
  • the invention further relates to a motor vehicle with hybrid drive, which comprises control means with which the inventive alternating regenerative operation of the electric machine according to the above explanations can be controlled.
  • control means according to the invention comprise a program algorithm for controlling the pulse charging operation according to the invention, which can be stored in a general engine control or a separate control unit.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a hybrid drive unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a generator efficiency map of an asynchronous machine
  • Figure 3 is a regenerative efficiency map of a permanently energized
  • Figure 4 shows time courses of an energy storage state of charge, a generator
  • a total of 10 designates a parallel hybrid drive unit of a hybrid vehicle not shown in detail.
  • the drive of the vehicle takes place optionally or simultaneously by a conventional internal combustion engine 12 (petrol or diesel engine) and an electric machine (electric motor) 14, both of which act on the same shaft, in particular on the crankshaft of the internal combustion engine 12.
  • the connection of the E -Machine 14 to the engine crankshaft can be done in various ways.
  • the electric motor 14 may be connected directly or via a coupling with the crankshaft or via a belt drive, a toothed belt, a transmission or another non-positive and / or positive connection.
  • Internal combustion engine 12 and electric motor 14 are connected via an automatic or manual transmission 16 with an indicated drive train 18.
  • the decoupling of the drive shafts of the internal combustion engine 12 and the electric motor 14 from the transmission 16 via a clutch 20 which can be opened by operating a clutch pedal, not shown by the driver and is closed when Tin ⁇ actuation.
  • an additional clutch 22 is also indicated.
  • Such an additional clutch 22 allows the separate decoupling of the internal combustion engine 12 from the drive train 18 or from the electric motor 14, which basically results in the advantage that when the internal combustion engine 12 is switched off, its mechanical frictional resistances do not have to be dragged along.
  • the additional clutch 22 thus causes an additional potential savings of fuel, but is associated with a considerable cost, design and space requirements.
  • the additional clutch 22 between the internal combustion engine 12 and the electric motor 14 is in principle conceivable, but is preferably not provided.
  • the electric motor 14 which may be, for example, a three-phase asynchronous motor or synchronous motor, can optionally be operated in motor or generator mode.
  • motor Operation drives the electric motor 14 to the drive train 18 while consuming electrical energy (electricity), which refers to them from an energy storage 24.
  • electrical energy which refers to them from an energy storage 24.
  • capacitor memories are preferably used, which have a significantly higher injection and Aus Grande für Willsgrade compared to batteries (for example, lead-acid, nickel-metal hydride or lithium-ion batteries).
  • the energy storage 24 may also be a combined system consisting of a battery (30 su) and a parallel-connected capacitor memory, wherein preferably the capacitor storage takes over the majority of the cyclic storage and withdrawal processes.
  • the engine operation of the electric motor 14 may assist the powered-on engine 12, for example, to quickly display high torques.
  • the electric motor 14 is driven by the internal combustion engine 12 or a thrust of the vehicle and converts the kinetic energy into electrical energy for replenishing the energy store 24 and for supplying an indicated on 26 vehicle electrical system of the vehicle.
  • the electrical system 26 includes a plurality of electrical consumers 28 and may optionally include a backup battery 30, usually a conventional 12V vehicle battery included.
  • An intermediate DC / DC converter 32 controls the regenerated energy of the electric motor 14 down to the required voltage of 12 V for the vehicle electrical system 26.
  • the switching of the electric motor 14 between the motor and generator operation is performed by a power electronics 34, which at the same time - depending on the type of electrical machine - possibly required Umplatz between direct and alternating current by means of a built-in inverter.
  • the power electronics 34 also takes over a speed and / or torque control of the electric motor 14 in the motor mode or a regulation of the electrical power generated in the generator mode. For these purposes, about a rotational speed of the stator rotating field (in three-phase machines) is changed or changed by influencing the excitation voltage or excitation current strength, a magnetic field strength.
  • the possible manipulated variables in this regard are again dependent on the machine type.
  • the stator voltage and frequency of an asynchronous motor can be varied steplessly by means of a frequency converter, in order to change the delivered regenerative power at a given speed.
  • the vehicle drive is predominantly carried out by the internal combustion engine 12, which is started by the designed as a starter generator electric motor 14.
  • the electric motor 14 also adopts a boost function in that it is connected to the vehicle drive in high-load situations, in particular during acceleration of the vehicle (motor operation).
  • the electric motor 14 has a so-called recuperation function, by converting the kinetic energy into kinetic energy to charge the energy store 24 during generator operation and thus simultaneously providing a braking torque.
  • the inventive control of the electric machine develops its advantages, especially in so-called mild hybrid vehicles.
  • These are hybrid vehicles with electric motors with relatively low power of at most 25 kW, in particular of at most 205 kW, usually of at most 15 kW.
  • electric motors are used with a power preferably in the range of 7 to 20 kW, more preferably of about 15 kW.
  • the control of the operation of the internal combustion engine 12 and the power electronics 34 is effected by an engine control unit 36, in which a controller (indicated at 38) is integrated in the form of a program algorithm, with which the operation according to the invention described below, the electric machine 14 in an alternating generator mode ( Pulslade réelle) is feasible.
  • the controller 38 may be provided in a separate control unit.
  • FIGS. 2 and 3 show regenerative efficiency maps of an asynchronous machine (FIG. 2) and a permanently excited synchronous machine (FIG. 3) as a function of the engine rotational speed n and the dynamically generated torque M.
  • the (negative) generator torque M is equivalent to a generator-generated electric power the electric motor 14 or a force exerted on the crankshaft braking torque.
  • points of equal efficiency are illustrated by the characteristics.
  • the internal closed characteristics correspond to higher efficiency ranges, which decrease to the outside.
  • the permanently excited synchronous machine typically has very high efficiencies in a limited characteristic field range, which drop sharply at higher rotational speeds.
  • Figure 2 illustrates that the asynchronous machine usually has somewhat lower peak efficiencies, but relatively high efficiencies even at high speeds. Both machine types have in common that at very low Torque requirements and correspondingly small electrical outputs, the efficiencies drop significantly, that is, relatively much kinetic energy is consumed for relatively little generator generated power.
  • a residual braking torque or a residual torque of the electrical power even if there is no torque request to the machine.
  • the asynchronous machine can be completely de-energized magnetically with a zero power requirement and thus switched off virtually lossless.
  • the advantageous effect of the method according to the invention in the asynchronous machine is particularly effective.
  • the method according to the invention is fundamentally applicable to all types of electric machines, preferably those which can be switched off almost lossless in the case of a zero power requirement.
  • graphs 100 and 102 illustrate the timing of a state of charge LZ of the energy storage 24 in a conventional continuous generator operation or in an alternating (pulsed) generator operation according to the present invention.
  • Graphs 104 and 106 illustrate the time profiles of a negative torque M (braking torque) generically generated by the electric machine 14, which is equivalent to a supplied electrical power, according to the conventional or the inventive method.
  • the lower part of the figure shows the course of the vehicle speed vfzg (graph 108).
  • FIG. 4 a constant operating phase of the hybrid vehicle-recognizable by the constant vehicle speed vfzg-and a currently given, relatively low electrical power consumption of the vehicle electrical system 26 are assumed by way of example.
  • the electric machine 14 is operated as a generator with a constant, low torque (graph 104).
  • This moment corresponds to an electrical power according to the current electrical system requirements, whereby electrical losses are taken into account by the electrical lines and voltage conversion in the form of a delta value to be applied to the power.
  • the E ⁇ ergie Eat 24 is constantly at its desired state of charge LZ_S (graph 100), since the entire electrical power requirement of the electrical system 26 is applied by the generated power generator (graph 104).
  • This operating point of the electric machine 14 with a low electric power output at a given rotational speed n is illustrated in FIG. 2 by way of example by the point P1. Due to the low regenerative torque or the low regenerative power, the electric motor 14 operates with only a low efficiency, so that recorded via the crankshaft mechanical Power is relatively high in relation to the regenerative electric power obtained and the fuel consumption of the engine 12 charged accordingly.
  • the electric motor 14 is operated in combination with the electrical energy store 24 according to the method according to the invention with a pulse charge, wherein a deviation of the charge state LZ is deliberately allowed by the target state of charge LZ_S.
  • first of all the on-board network 26 is supplied exclusively from the energy store 24 (and optionally the buffer battery 30). This takes place until the state of charge LZ of the electrical energy store 24 reaches a lower switching threshold LZ_1 at the instant t ⁇ . Meanwhile, in this initial phase, the electric machine 14 is completely turned off so that it does not generate torque or electric power (graph 106).
  • the electric motor 14 When the lower switching threshold LZ_1 is reached at the instant t ⁇ , the electric motor 14 is switched to its generator mode, namely with a torque M which is significantly higher than the conventional method or a significantly higher electrical power. In this interval, the supply of the electrical system 26 and the charge of the energy storage 24 by the output electric power of the electric motor 14, which is apparent by a steep increase in the state of charge LZ.
  • the load point in this phase is indicated in Figure 2 by the point P2 and is at significantly higher regenerative moments over the conventional method. It can be seen that the load point shift in this interval is associated with a significant improvement in efficiency.
  • the regenerative operation of the electric motor 14 is maintained until the state of charge LZ reaches an upper switching threshold LZ_2 at the time t1. At this time, the electric motor 14 is switched off again and it sets the additional electrical system supply exclusively from the energy storage 24 connected with a drop in the state of charge LZ.
  • the lower and the upper switching threshold LZ_1, LZ_2 have a distance below or above the desired state of charge LZ_S of the energy storage 24 of at most 20%, in particular at most 10% and preferably at most of 5% based on a maximum state of charge of the energy storage 24 of 100% , For example, oscillates at a distance of the switching threshold of 5% against a nominal state of charge of 70% of the charge state LZ of the energy storage 24 in the alternating generator mode between 65% (LZ_1) and 75% (LZ_2).
  • the method can also be used when the regenerative power not only the supply of the electrical system 26, but additionally or alternatively to increase the Charging state LZ of the energy storage 24 is used to its desired state of charge LZ_S.
  • the total power consumption requested by the electrical system 26 and / or the energy storage 24 is so low overall that the electric machine 14 only has a low degree of efficiency during constant generator operation.
  • the method according to the invention can thus always be advantageously used independently of a current vehicle electrical system requirement when only a small amount of power is required from the electric motor 14 as a whole as a generator.
  • the method according to the invention is preferably used when an improvement in efficiency is to be expected from the discontinuous operation according to the invention in comparison to continuous operation of the electric motor 14.
  • one or more efficiency-dependent boundary conditions are specified, the fulfillment of which makes the execution of the alternating operation dependent.
  • the alternating operation is carried out when a threshold value for a current power requirement of vehicle electrical system 26 (electrical load 28 and backup battery 30) and / or energy store 24 is less than 1200 W, preferably less than 800 W and particularly preferably - less than 500 W.
  • it is preferably provided to increase the pulse charge during the regenerative interval by at least 500 W, preferably by at least 1000 W and more preferably by at least 1500 W compared to the total power required.
  • a further preferred operating condition for the method is given when a ratio of the current power requirement of on-board network 26 and / or energy storage 24 less than 15%, preferably less than 10% and more preferably less than 5% of the current maximum possible regenerative power of E -Machine 14 is.
  • the ratio of the requested total power to the maximum possible power of the e-machine is increased by at least 5% (for example from 15 to 20%), preferably by at least 10% and particularly preferably by at least 15%.
  • the method according to the invention is particularly preferably used when the electric motor 14 is operated in rotational speed ranges in which the efficiency characteristics (compare FIGS. 2 and 3) have only a small dependence on the rotational speed n.
  • a further advantageous condition for the use of the method can be given by the fact that the desired state of charge LZ_S of the energy store 22 must be within a predetermined range.
  • the target state of charge LZ_S should be a distance from an upper allowable charge limit (which is typically 100% SOC) and / or a lower allowable charge limit of at most 20%, preferably at most 10% and more preferably at most 5% have the maximum state of charge of the energy storage device 22. Both limits can also be selected independently.
  • the lower charge limit value can correspond to the desired charge state LZ_S.
  • the setpoint charge state LZ_S of the energy store 22 is intentionally predetermined in the controller 36, 38 in such a way that a sufficient distance to the upper and lower permissible limit value is maintained for the feasibility of the method.
  • an efficiency audit is carried out and the method is applied only if and / or as a result of the current operating boundary conditions an efficiency advantage over the conventional continuous process.
  • an improvement in efficiency by at least 2%, preferably by at least 5% and more preferably by at least 10% compared to the conventional mode of operation is required.
  • In the efficiency accounting can also be considered a caused by the variable regenerative operation of the electric motor 14 load point shift of the engine 12 are taken into account.
  • the internal combustion engine 12 typically operates in a region with a slightly lower efficiency with the electric motor 14 switched off, as a result of the load point increase of the electric motor 14, that is to say the larger brake torque, a higher load of the internal combustion engine is usually also present during the pulse charging operation according to the invention 12 and thus a higher efficiency.
  • an overall efficiency advantage which should be greater than the above-mentioned values, may be required for the application of the method according to the invention.
  • the influences of the storage losses of the energy store which increase slightly as a result of the higher electrical powers, and also line and connection losses, are preferably taken into account.
  • the torque changes caused by the pulse charging method of the electric motor 14 according to the invention are compensated by the internal combustion engine 12 in order to avoid adverse effects on the driving behavior. Since the torque compensation can be done only with a limited accuracy and speed, the application of the method is preferably limited to those operating situations in which the induced torque fluctuations are relatively low or are well compensated. It should be noted that the magnitude of the torque fluctuations depends on the change in the generator torque or the electrical power and, for example, also on a drive train ratio. For these reasons, it makes sense to limit the maximum regenerative power during the intervals driven by the generator to a maximum of 10 kW, preferably a maximum of 5 kW and more preferably a maximum of 3 kW.
  • the method is only allowed if the value of the current engine torque is at most 90%, in particular at most 85% and preferably at most 75% of the maximum possible engine torque.
  • this procedure is also advantageous because it prevents a mixture enrichment which frequently occurs in full-load gasoline engines in today's gasoline engines from being avoided for component protection, which is associated with an increase in fuel consumption.
  • the method is preferably not carried out even if the internal combustion engine 12 runs, for example, for catalyst protection reasons in the component protection, that is operated with a mixture enrichment.
  • a current power requirement of the on-board network 26 of 350 W is determined by the control unit 36.
  • the nominal state of charge LZ_S of a capacitor memory 24 used in this example has been reached.
  • the e-machine 14 rotates at 3000 min -1 , generating - taking into account the existing line and line Voltage conversion losses - 400W electrical power.
  • E-machine 14 (three-phase asynchronous machine) and an inverter required for its operation operate in conventional mode to produce this power with an overall efficiency of 60%.
  • the electric motor 14 is temporarily operated with 2 kW as generator until the upper switching threshold LZ_2 of the state of charge LZ is reached.
  • an increase in the state of charge LZ of the capacitor reservoir 24 takes place.
  • the drop to the lower switching threshold LZ_1 the electric machine 14 is completely deactivated.
  • the E-machine 14 and inverter system operates at 80% efficiency. Since the energy provided for the on-board power supply is made available predominantly from the capacitor storage 24 during the shutdown pauses, its injection and withdrawal efficiencies must be taken into account.
  • the double-layer capacitor used in this case has an efficiency of 95% for both processes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebes eines Kraftfahrzeuges mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12) sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) im generatorischen Betrieb einen Energiespeicher (22) lädt und/oder ein elektrisches Bordnetz (24) des Kraftfahrzeugs versorgt. Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Einhaltung vorgegebener Randbedingungen die Betreibung der elektrischen Maschine (14) im generatorischen Betrieb in alternierenden Intervallen erfolgt, wobei (a) in einem ersten Intervall die elektrische Maschine (14) mit einer ersten, hohen elektrischen Leistungsabgabe betrieben wird, die höher als eine aktuelle Leistungsaufnahme des elektrischen Bordnetzes (24) des Kraftfahrzeugs ist, und (b) in einem zweiten Intervall ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird das Anfahren von Schwachlastbetriebspunkten der E-Maschine (14) mit geringen Wirkungsgraden weitgehend vermieden und somit ein Kraftstoffvorteil gegenüber einer kontinuierlichen Betriebsweise erzielt.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Hybridkraftfahrzeugs sowie
Hybridfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit, die einen Verbrennungsmotor und zusätzlich mindestens eine, wahlweise in einen motorischen oder generatorischen Betrieb schaltbare elektrische Maschine umfasst, wobei die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb beispielsweise ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs versorgt und/oder einen Energiespeicher lädt. Die Erfindung betrifft ferner ein Hybridfahrzeug mit einer entsprechenden Steuerung.
Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet Kraftfahrzeuge, bei denen mindestens zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert werden, die auf unterschiedliche Energiequellen zurückgreifen, um die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, der durch die Verbrennung von Benzin- oder Dieselkraftstoffen kinetische Energie erzeugt, und einer Elektromaschine, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umsetzt. Heutige Hybridfahrzeuge sind deshalb überwiegend mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und einer oder mehreren elektrischen Maschinen ausgestattet. Es lassen sich zwei verschiedene Hybridkonzepte unterscheiden. Bei den so genannten seriellen oder sequentiellen Hybridkonzepten erfolgt der Fahrzeugantrieb ausschließlich über die elektrische Maschine, während der Verbrennungsmotor über einen separaten Generator den elektrischen Strom für die Aufladung eines, die E-Maschine speisenden Energiespeichers beziehungsweise für die direkte Speisung der E-Maschine erzeugt. Demgegenüber werden heute zumindest in PKW-Anwendungen parallele Hybridkonzepte bevorzugt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die E-Maschine dargestellt werden kann.
Die in solchen Parallelkonzepten eingesetzten elektrischen Maschinen lassen sich wahlweise motorisch oder generatorisch betreiben. So wird etwa die E-Maschine im motorischen Betrieb typischerweise in Betriebspunkten mit höheren Fahrzeuglasten unterstützend zum Verbrennungsmotor zugeschaltet. Zudem kann sie die Funktion eines Anlassermotors für den Verbrennungsmotor übernehmen. Demgegenüber wird die E-Maschine im verbrennungsmotorischen Fahrantrieb überwiegend generatorisch betrieben, wobei eine so erzeugte elektrische Leistung der E-Maschine beispielsweise zur Aufladung des Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes genutzt wird. Im Falle eines leistungsverzweigten Hybridkonzepts mit mehr als einer E-Maschine kann der generatorische Betrieb einer E-Maschine auch zur Speisung einer weiteren genutzt werden. Ferner wird in der Regel zumindest ein Teil einer Bremsleistung durch die generatorisch gefahrene E-Maschine aufgebracht (Rekuperation), wobei ein Teil der mechanischen Verlustenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei ist in Hybridkonzepten generell von Vorteil, dass die E-Maschinen gegenüber konventionellen Klauenpolgeneratoren mit besseren Wirkungsgraden arbeiten.
Als E-Maschinentypen kommen heute vorzugsweise Asynchronmaschinen (ASM) oder permanent erregte Synchronmaschinen (PSM) zum Einsatz. Ungünstig bei sämtlichen Typen ist ihr deutlicher Wirkungsgradabfall bei sehr geringen Momentenanforderungen, das heißt bei kleinen abgegebenen elektrischen Leistungen. Dies hat zur Folge, dass bei relativ geringer elektrischen Last unverhältnismäßig viel mechanische Energie und damit Kraftstoff durch den Verbrennungsmotor aufgebracht werden muss, um die geforderte elektrische Leistung durch die E-Maschine zu erzeugen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridfahrzeugs vorzuschlagen, das eine effektivere und im Ergebnis Kraftstoff sparende Nutzung der elektrische(n) Maschine(n) in einem parallelen Hybridkonzept erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Einhaltung vorgegebener Randbedingungen die Betreibung der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb in alternierenden Intervallen (Pulsladebetrieb) erfolgt, wobei
(a) in einem ersten Intervall die elektrische Maschine mit einer ersten, hohen elektrischen Leistungsabgabe betrieben wird, die größer als eine aktuelle Leistungsaufnahme des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist, und
(b) in einem zweiten Intervall ausgeschaltet wird.
Durch die alternierende Betreibung der elektrischen Maschinen einerseits mit einer elektrischen Leistungsabgabe, die deutlich höher als eine aktuell vom elektrischen Bordnetz (und eventuell vom Energiespeicher zu seiner Aufladung auf einen vorgegebenen Ladezustand) angeforderte Leistung ist, und andererseits in dazwischenliegenden Intervallen im vollständig ausgeschalteten Zustand, wird das Anfahren von zwischen diesen Extremen liegenden Lastpunkten mit ungünstigen Wirkungsgraden weitgehend vermieden. Somit wird der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschine sowie des gesamten Hybridaggregats gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert und der Kraftstoffverbrauch verringert. Dabei kann - je nach Bedarf - die im ersten Intervall durch die E-Maschine bereitgestellte hohe elektrische Leistung genutzt werden, um den elektrischen Energiespeicher (auf seinen Soll- Ladezustand eventuell plus einen Pufferbetrag) zu laden und/oder andererseits zur Versorgung des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, worunter sowohl die von den elektrischen Verbrauchern aufgenommene Leistung als auch die zur Ladung einer optional vorhandenen Pufferbatterie (typischerweise eine12V-Fahrzeugbatterie) verstanden wird. Demgegenüber erfolgt die Versorgung des elektrischen Bordnetzes im zweiten Intervall im Wesentlichen aus dem im ersten Intervall aufgefüllten Energiespeicher (und gegebenenfalls aus der Fahrzeugbatterie).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Umschaltung zwischen den Intervallen des generatorischen Betriebs in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwellenwerten für einen Ladezustand des Energiespeichers der elektrischen Maschine. Dabei wird insbesondere das erste Intervall beendet, wenn der Ladezustand des Energiespeichers eine obere Umschaltschwelle erreicht, wohingegen das zweite Intervall (ausgeschaltete E-Maschine) beendet wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers eine untere Umschaltschwelle erreicht. Auf diese Weise oszilliert der Ladezustand des Energiespeichers um einen Soll-Ladezustand. Der obere und der untere Schwellenwert können mit einem gleichen oder unterschiedlichen Abstand zu dem Soll-Ladezustand vorgegeben werden. Der Soll-Ladezustand seinerseits wird betriebspunktabhängig sowie in Abhängigkeit von der Energiespeichergröße und dem Energiespeichertyp als Kompromiss zwischen Rekuperationspotential, Boostpotential, Energiespeicherlebensdauer und Kaltstartsicherheit berechnet.
Es wurde bereits angedeutet, dass der alternierende generatorische Betrieb von der Einhaltung vorgegebener Randbedingungen abhängig gemacht wird. Vorzugsweise werden insbesondere Randbedingungen vorgegeben, die sicherstellen, dass die Durchführung des gepulsten Betriebs eine Wirkungsgradverbesserung gegenüber einem kontinuierlichen Betrieb bei geringer Leistungsabgabe bewirkt. In diesem Sinne wird für die Zulassung des Verfahrens besonders bevorzugt die Unterschreitung eines Schwellenwertes für eine aktuelle Leistungsanforderung von Bordnetz oder Energiespeicher, vorzugsweise für die Gesamtleistungsanforderung von beiden gefordert. Dabei wird unter der aktuellen Leistungsanforderung des elektrischen Energiespeichers eine zur Auffüllung des Energiespeichers auf einen vorgebbaren Ladezustand, der in aller Regel geringer als der maximale Ladezustand ist, angeforderte elektrische Leistung verstanden. Alternativ oder zusätzlich kann für die Anwendung des alternierenden Generatorbetriebs die Unterschreitung eines weiteren Schwellenwertes gefordert werden, welcher ein Verhältnis der aktuellen Leistungsanforderung von Bordnetz und/oder Energiespeicher zu einer - entsprechend einem aktuellen Betriebspunkt des Fahrzeugs - aktuell maximal möglichen generatorischen Leistungsabgabe der E-Maschine betrifft. Des Weiteren wird das Verfahren besonders bevorzugt dann eingesetzt, wenn die elektrische Maschine in Bereichen betrieben wird, in denen die Wirkungsgradkennlinie der elektrischen Maschine nur eine geringe Drehzahlabhängigkeit aufweist.
Besonders bevorzugt wird der alternierende Pulsladebetrieb der E-Maschine von einer Wirkungsgradbilanzierung abhängig gemacht, die vor und während des alternierenden Betriebs durchgeführt wird. In diesem Fall wird der erfindungsgemäße alternierende Betrieb nur dann (und so lange) durchgeführt, wenn die Bilanzierung ergibt, dass ein Schwellenwert für einen zu erzielenden Wirkungsgradvorteil gegenüber dem konventionellen kontinuierlichen Betrieb erreicht oder überschritten wird. In die Bilanzierung wird besonders bevorzugt auch eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors berücksichtigt, der zur Kompensation des mit der Lastpunktverschiebung der E-Maschine entstehenden höheren Antriebsmomentes des Verbrennungsmotors erfolgt.
Weitere vorgebbare Randbedingungen können die Darstellbarkeit des Pulsladebetriebs betreffen. Beispielsweise kann gefordert werden, dass der Soll-Ladezustand des Energiespeichers in einem bestimmten Bereich liegt, insbesondere einen Mindestabstand zu einem oberen und einem unteren zulässigen Grenzwert für den Ladezustand einhält. Dies ist erforderlich, um die Amplituden für den alternierenden Ladezustand um den Soll-Ladezustand darstellen zu können. Nach einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens wird der Soll- Ladezustand gezielt so vorgegeben, dass ein zur Ausübung des Pulsladebetriebs ausreichender Abstand zu dem oberen und unteren zulässigen Grenzwert eingehalten wird.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die durch das erfindungsgemäße Pulsladeverfahren hervorgerufenen Momentenänderungen durch den Verbrennungsmotor kompensiert werden, insbesondere in Form einer Erhöhung der Zylinderfüllung, um nachteilige Auswirkungen auf das Fahrverhalten zu vermeiden. Da aber jede Momentenkompensation nur mit einer begrenzten Schnelligkeit und Genauigkeit erfolgen kann, ist bevorzugt vorgesehen, weitere Randbedingungen vorzugeben, welche die Durchführung des erfindungsgemäßen alternierenden Generatorbetriebs nur in Betriebssituationen zulassen, in denen nur relativ schwache Momentenänderungen auftreten beziehungsweise gut kompensierbar sind. In diesem Zusammenhang kann der alternierende Betrieb zugelassen werden, wenn mindestens eine der folgenden, die Momentenkompensation betreffenden Randbedingungen erfüllt ist: - Einhaltung eines Mindestabstands eines aktuellen Drehmoments des Verbrennungsmotors zu einem maximalen Verbrennungsmotormoment (Volllastkennlinie), insbesondere soll das aktuelle Verbrennungsmotormoment maximal 75 %, vorzugsweise maximal 85 %, weiter bevorzugt maximal 90 % des Volllastmoments betragen;
- kein aktueller oder nach Lastpunktverschiebung zu erwartender Betrieb des Verbrennungsmotors mit einer Gemischanreicherung zum Bauteileschutz;
- Vorliegen einer aktuellen Mindestfahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere von mindestens 15 km/h, vorzugsweise von mindestens 25 km/h, besonders bevorzugt von mindestens 40 km/h;
- Vorliegen einer eingelegten Mindestgangstufe eines Fahrzeuggetriebes, insbesondere des dritten oder eines höheren Ganges.
Ebenfalls aus momentenkompensatorischen Gründen kann es sinnvoll sein, die maximale generatorische Leistung der elektrischen Maschine während des ersten Intervalls (das heißt während der Pulsladung) auf einen Maximalwert zu begrenzen.
Genauere Ausführungen zu den einzelnen Randbedingungen werden im Rahmen der Ausführungsbeispiele diskutiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, welches Steuermittel umfasst, mit denen der erfindungsgemäße alternierende generatorische Betrieb der elektrischen Maschine entsprechend den vorstehenden Ausführungen steuerbar ist. Die erfindungsgemäßen Steuermittel umfassen insbesondere einen Programmalgorithmus zur Steuerung des erfindungsgemäßen Pulsladebetriebs, der in einer allgemeinen Motorsteuerung oder einer separaten Steuereinheit hinterlegt sein kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hybridantriebseinheit; Figur 2 ein generatorisches Wirkungsgradkennfeld einer Asynchronmaschine;
Figur 3 ein generatorisches Wirkungsgradkennfeld einer permanent erregten
Synchronmaschine und
Figur 4 zeitliche Verläufe eines Energiespeicher-Ladezustands, eines generatorischen
Moments und einer Fahrzeuggeschwindigkeit während eines herkömmlich kontinuierlichen und eines erfindungsgemäß diskontinuierlichen, generatorischen Betriebs einer elektrischen Maschine.
In Figur 1 ist mit 10 insgesamt eine parallele Hybridantriebseinheit eines im Einzelnen nicht weiter dargestellten Hybridfahrzeugs bezeichnet. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt wahlweise oder gleichzeitig durch einen konventionellen Verbrennungsmotor 12 (Otto- oder Dieselmotor) sowie eine elektrische Maschine (E-Maschine) 14, die beide auf die gleiche Welle wirken, insbesondere auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12. Die Anbindung der E-Maschine 14 an die Motorkurbelwelle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann die E-Maschine 14 direkt oder über eine Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden sein oder über einen Riemenantrieb, einen Zahnriemen, ein Getriebe oder einer anderen kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. Verbrennungsmotor 12 und E-Maschine 14 sind über ein automatisches oder Handschalt-Getriebe 16 mit einem angedeuteten Antriebsstrang 18 verbunden. Die Entkopplung der Antriebswellen des Verbrennungsmotors 12 beziehungsweise der E-Maschine 14 vom Getriebe 16 erfolgt über eine Kupplung 20, die durch Betätigung eines nicht dargestellten Kupplungspedals durch den Fahrer geöffnet werden kann und bei Nicht¬ Betätigung geschlossen ist.
In Figur 1 ist zudem eine optionale, zwischen Verbrennungsmotor 12 und E-Maschine 14 angeordnete zusätzliche Kupplung 22 angedeutet. Eine solche zusätzliche Kupplung 22 erlaubt die separate Abkopplung des Verbrennungsmotors 12 vom Antriebsstrang 18 beziehungsweise von der E-Maschine 14, wodurch sich grundsätzlich der Vorteil ergibt, dass bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 seine mechanischen Reibungswiderstände nicht mitgeschleppt werden müssen. Die zusätzliche Kupplung 22 bewirkt daher zwar ein zusätzliches Einsparpotential von Kraftstoff, ist jedoch mit einem erheblichen Kosten-, Konstruktions- und Bauraumaufwand verbunden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist aus diesem Grund die zusätzliche Kupplung 22 zwischen Verbrennungsmotor 12 und E-Maschine 14 zwar grundsätzlich denkbar, bevorzugt jedoch nicht vorgesehen.
Die E-Maschine 14, die beispielsweise ein Drehstrom-Asynchronmotor oder -Synchronmotor sein kann, kann wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Im motorischen Betrieb treibt die E-Maschine 14 den Antriebsstrang 18 unter Verbrauch von elektrischer Energie (Strom) an, die diese aus einem Energiespeicher 24 bezieht. Da im erfindungsgemäßen Verfahren in der gesamten Wirkungsgradbetrachtung auch Wirkungsgradverluste bei Ein- und Ausspeichervorgängen berücksichtigt werden müssen, werden grundsätzlich solche Speichertypen bevorzugt, die bei diesen Vorgängen hohe Wirkungsgrade aufweisen. Insbesondere werden bevorzugt Kondensatorspeicher eingesetzt, die gegenüber Batterien (beispielsweise Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen- Batterien) deutlich höhere Ein- und Ausspeicherwirkungsgrade besitzen. Der Energiespeicher 24 kann auch ein kombiniertes System, bestehend aus einer Batterie (30 s.u.) und einem parallelgeschalteten Kondensatorspeicher, sein, wobei vorzugsweise der Kondensatorspeicher den Großteil der zyklischen Ein- und Ausspeichervorgänge übernimmt. Zusätzlich kann der Motorbetrieb der E-Maschine 14 den angeschalteten Verbrennungsmotor 12 beispielsweise zur schnellen Darstellung hoher Drehmomente unterstützen.
Im generatorischen Betrieb hingegen wird die E-Maschine 14 durch den Verbrennungsmotor 12 beziehungsweise einen Schub des Fahrzeuges angetrieben und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie zur Auffüllung des Energiespeichers 24 sowie zur Versorgung eines mit 26 angedeuteten Bordnetzes des Fahrzeugs um. Das Bordnetz 26 umfasst eine Vielzahl elektrischer Verbraucher 28 und kann optional noch eine Pufferbatterie 30, in der Regel eine übliche 12V-Fahrzeugbatterie, enthalten. Ein zwischengeschalteter DC/DC-Wandler 32 regelt die generatorisch erzeugte Energie der E-Maschine 14 auf die für das Bordnetz 26 erforderliche Spannung von 12 V herunter.
Die Umschaltung des Elektromotors 14 zwischen Motor- und Generatorbetrieb erfolgt durch eine Leistungselektronik 34, die mittels eines integrierten Wechselrichters gleichzeitig eine - je nach Typ der elektrischen Maschine - möglicherweise erforderliche Umrichtung zwischen Gleich- und Wechselstrom vornimmt. Die Leistungselektronik 34 übernimmt femer eine Drehzahl- und/oder Drehmomentregelung der E-Maschine 14 im motorischen Betrieb beziehungsweise eine Regelung der erzeugten elektrischen Leistung im generatorischen Betrieb. Zu diesen Zwecken wird etwa eine Umlaufgeschwindigkeit des Ständerdrehfeldes (bei Drehstrommaschinen) verändert oder durch Beeinflussung der Erregungsspannung beziehungsweise Erregungsstromstärke eine Magnetfeldstärke verändert. Die diesbezüglich möglichen Stellgrößen sind wiederum vom Maschinentyp abhängig. Insbesondere kann mithilfe eines Frequenzumrichters die Statorspannung und -frequenz eines Asynchronmotors stufenlos verändert werden, um bei gegebener Drehzahl die abgegebene generatorische Leistung zu verändern. Gemäß dem dargestellten Konzept erfolgt der Fahrzeugantrieb überwiegend durch den Verbrennungsmotor 12, der durch den als Startergenerator ausgelegten Elektromotor 14 gestartet wird. Der Elektromotor 14 übernimmt zudem eine Boostfunktion, indem er in Hochlastsituationen, insbesondere bei Beschleunigungen des Fahrzeugs, unterstützend zum Fahrzeugantrieb zugeschaltet wird (motorischer Betrieb). Andererseits hat der Elektromotor 14 in Fahrsituationen, bei denen ein Überschuss kinetischer Energie des Fahrzeugs vorliegt, eine so genannte Rekuperationsfunktion, indem er im generatorischen Betrieb die Bewegungsenergie in kinetische Energie zur Ladung des Energiespeichers 24 umwandelt und somit gleichzeitig ein Bremsmoment bereitstellt.
Die erfindungsgemäße Steuerung der elektrischen Maschine entfaltet ihre Vorteile besonders in so genannten Mild-Hybridfahrzeugen. Dies sind Hybridfahrzeuge mit Elektromotoren mit relativ niedrigen Leistungen von höchstens 25 kW, insbesondere von höchstens 205 kW, in der Regel von höchstens 15 kW. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Elektromotoren mit einer Leistung vorzugsweise im Bereich von 7 bis 20 kW, besonders bevorzugt von etwa 15 kW eingesetzt.
Die Steuerung des Betriebes des Verbrennungsmotors 12 sowie der Leistungselektronik 34 erfolgt durch ein Motorsteuergerät 36, in welches eine Steuerung (angedeutet mit 38) in Form eines Programmalgorithmus integriert ist, mit welcher der nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Betrieb der E-Maschine 14 in einem alternierenden Generatorbetrieb (Pulsladebetrieb) durchführbar ist. Alternativ kann die Steuerung 38 auch in einer separaten Steuereinheit vorgesehen sein.
Die Figuren 2 und 3 zeigen generatorische Wirkungsgradkennfelder einer Asynchronmaschine (Figur 2) beziehungsweise einer permanent erregten Synchronmaschine (Figur 3) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n sowie dem generatorisch erzeugten Moment M. Das (negative) Generatormoment M ist äquivalent mit einer generatorisch erzeugten elektrischen Leistung der E-Maschine 14 beziehungsweise eines auf die Kurbelwelle ausgeübten Bremsmomentes. In den Darstellungen sind Punkte gleichen Wirkungsgrades durch die Kennlinien veranschaulicht. Dabei entsprechen die innen liegenden geschlossenen Kennlinien höheren Wirkungsgradbereichen, die nach außen abnehmen.
Die permanent erregte Synchronmaschine (Figur 3) weist typischerweise in einem begrenzten Kennfeldbereich sehr hohe Wirkungsgrade auf, die bei höheren Drehzahlen stark abfallen. Demgegenüber verdeutlicht Figur 2, dass die Asynchronmaschine in der Regel zwar etwas geringere Spitzenwirkungsgrade, dafür aber relativ hohe Wirkungsgrade auch bei hohen Drehzahlen aufweist. Beiden Maschinentypen ist gemeinsam, dass bei sehr geringen Momentenanforderungen und entsprechend kleinen elektrischen Leistungen die Wirkungsgrade deutlich abfallen, das heißt relativ viel kinetische Energie für relativ wenig generatorisch erzeugte Leistung verbraucht wird. Hinzu kommt im Falle der Synchronmaschine aufgrund ihres Dauermagnetfelds ein Restbremsmoment beziehungsweise ein Restmoment der elektrischen Leistung, selbst wenn keine Momentenanforderung an die Maschine besteht. Demgegenüber kann die Asynchronmaschine bei einer Null-Leistungsanforderung komplett magnetisch entregt und damit praktisch verlustfrei abgeschaltet werden. Aufgrund dieser Eigenschaft kommt die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Asynchronmaschine besonders wirksam zum Tragen. Jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich bei allen E-Maschinentypen anwendbar, vorzugsweise solchen, die sich bei einer Null- Leistungsanforderung nahezu verlustfrei abschalten lassen.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wird besonders anhand von Figur 4 deutlich. Hierin verdeutlichen die Graphen 100 und 102 die zeitlichen Verläufe eines Ladezustandes LZ des Energiespeichers 24 bei einem herkömmlichen kontinuierlichen Generatorbetrieb beziehungsweise bei einem alternierenden (gepulsten) Generatorbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Graphen 104 und 106 verdeutlichen die zeitlichen Verläufe eines von der elektrischen Maschine 14 generatorisch erzeugten negativen Momentes M (Bremsmoment), das gleichbedeutend mit einer gelieferten elektrischen Leistung ist, gemäß dem herkömmlichen beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im unteren Teil der Figur ist der Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit vfzg dargestellt (Graph 108).
Gemäß Figur 4 wird beispielhaft eine konstante Betriebsphase des Hybridfahrzeugs - erkennbar an der konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit vfzg - und eine aktuell gegebene, relativ geringe elektrische Leistungsaufnahme des Bordnetzes 26 vorausgesetzt. In dieser Situation wird entsprechend der herkömmlichen Vorgehensweise die E-Maschine 14 generatorisch mit einem konstanten, geringen Moment betrieben (Graph 104). Dieses Moment entspricht einer elektrischen Leistung gemäß dem aktuellen Bordnetzbedarf, wobei elektrische Verluste durch die elektrischen Leitungen und Spannungswandlung in Form eines der Leistung aufzuschlagenden Deltawertes berücksichtigt werden. Währenddessen befindet sich der Eηergiespeicher 24 konstant auf seinem Soll-Ladezustand LZ_S (Graph 100), da die gesamte elektrische Leistungsanforderung des Bordnetzes 26 durch die generatorisch erzeugte Leistung aufgebracht wird (Graph 104). Dieser Betriebspunkt der elektrischen Maschine 14 mit einer geringen elektrischen Leistungsabgabe bei einer gegebenen Drehzahl n ist in Figur 2 beispielhaft durch den Punkt P1 verdeutlicht. Aufgrund des geringen generatorischen Moments beziehungsweise der geringen generatorischen Leistung arbeitet die E-Maschine 14 mit nur einem geringen Wirkungsgrad, so dass die über die Kurbelwelle aufgenommene mechanische Leistung im Verhältnis zur generatorisch gewonnenen elektrischen Leistung relativ hoch ist und den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 12 entsprechend belastet.
In einer solchen Betriebssituation wird die E-Maschine 14 in Kombination mit dem elektrischen Energiespeicher 24 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Pulsladung betrieben, wobei bewusst eine Abweichung des Ladezustandes LZ vom Soll-Ladezustand LZ_S zugelassen wird. Dabei wird gemäß Figur 4 (Graph 102) zunächst das Bordnetz 26 ausschließlich aus dem Energiespeicher 24 (und gegebenenfalls der Pufferbatterie 30) versorgt. Dies erfolgt so lange, bis der Ladezustand LZ des elektrischen Energiespeichers 24 zum Zeitpunkt tθ eine untere Umschaltschwelle LZ_1 erreicht. Währenddessen ist die E-Maschine 14 in dieser anfänglichen Phase vollständig abgeschaltet, so dass sie kein Moment beziehungsweise keine elektrische Leistung erzeugt (Graph 106). Beim Erreichen der unteren Umschaltschwelle LZ_1 zum Zeitpunkt tθ wird die E-Maschine 14 in ihren generatorischen Betrieb geschaltet und zwar mit einem gegenüber dem herkömmlichen Verfahren deutlich höheren Moment M beziehungsweise einer deutlich höheren elektrischen Leistung. In diesem Intervall erfolgt die Versorgung des Bordnetzes 26 sowie die Ladung des Energiespeichers 24 durch die abgegebene elektrische Leistung der E-Maschine 14, was durch einen steilen Anstieg des Ladezustandes LZ ersichtlich ist. Der Lastpunkt in dieser Phase ist in Figur 2 durch den Punkt P2 gekennzeichnet und liegt bei deutlich höheren generatorischen Momenten gegenüber dem herkömmlichen Verfahren. Es wird ersichtlich, dass die Lastpunktverschiebung in diesem Intervall mit einer deutlichen Wirkungsgradverbesserung einhergeht. Der generatorische Betrieb der E-Maschine 14 wird beibehalten, bis der Ladezustand LZ zum Zeitpunkt t1 eine obere Umschaltschwelle LZ_2 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die E-Maschine 14 wieder abgeschaltet und es setzt die weitere Bordnetzversorgung ausschließlich aus dem Energiespeicher 24 verbundenen mit einem Abfall des Ladezustandes LZ ein.
Die untere sowie die obere Umschaltschwelle LZ_1 , LZ_2 weisen einen Abstand unterhalb beziehungsweise oberhalb des Soll-Ladezustandes LZ_S des Energiespeichers 24 von höchstens 20 %, insbesondere höchstens 10 % und vorzugsweise höchstens von 5 % bezogen auf einen maximalen Ladezustand des Energiespeichers 24 von 100 % auf. Beispielsweise oszilliert bei einem Abstand der Umschaltschwellen von 5 % gegenüber einem Soll- Ladezustand von 70 % der Ladezustand LZ des Energiespeichers 24 im alternierenden Generatorbetrieb zwischen 65 % (LZ_1) und 75 % (LZ_2). Es ist jedoch auch denkbar, die obere und untere Umschaltschwelle unabhängig voneinander mit einem unterschiedlichen Abstand zum Soll-Ladezustand LZ_S vorzugeben.
Das Verfahren kann auch dann eingesetzt werden, wenn die generatorische Leistung nicht nur der Versorgung des Bordnetzes 26, sondern zusätzlich oder alternativ zur Anhebung des Ladezustandes LZ des Energiespeichers 24 auf seinen Soll-Ladezustand LZ_S genutzt wird. Voraussetzung ist jedoch stets, dass die gesamte durch Bordnetz 26 und/oder Energiespeicher 24 angeforderte Leistungsaufnahme insgesamt so gering ist, dass die E-Maschine 14 bei konstantem generatorischen Betrieb nur einen geringen Wirkungsgrad aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit unabhängig von einer aktuellen Bordnetzanforderung immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn von der E-Maschine 14 insgesamt generatorisch nur geringe Leistungen angefordert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt dann angewendet, wenn eine Wirkungsgradverbesserung durch den erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Betrieb gegenüber einem kontinuierlichen Betrieb der E-Maschine 14 zu erwarten ist. Insbesondere werden eine oder mehrere wirkungsgradabhängige Randbedingungen vorgegeben, von deren Erfüllung die Durchführung des alternierenden Betriebs abhängig gemacht wird. Insbesondere wird der alternierende Betrieb ausgeführt, wenn ein Schwellenwert für eine aktuelle Leistungsanforderung von Bordnetz 26 (elektrische Verbraucher 28 und Pufferbatterie 30) und/oder Energiespeicher 24 kleiner als 1200 W, vorzugsweise kleiner als 800 W und besonders bevorzugt - kleiner als 500 W ist. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, die Pulsladung während des generatorischen Intervalls um mindestens 500 W, vorzugsweise um mindestens 1000 W und besonders bevorzugt um mindestens 1500 W gegenüber der angeforderten Gesamtleistung zu erhöhen.
Eine weitere bevorzugte Einsatzbedingung für das Verfahren ist dann gegeben, wenn ein Verhältnis der aktuellen Leistungsanforderung von Bordnetz 26 und/oder Energiespeicher 24 weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % der aktuell maximal möglichen generatorischen Leistung der E-Maschine 14 beträgt. In diesem Fall wird im generatorischen Intervall (Pulsladung) das Verhältnis der angeforderten Gesamtleistung zur maximal möglichen Leistung der E-Maschine um mindestens 5 % (beispielsweise von 15 auf 20 %), vorzugsweise um mindestens 10 % und besonders bevorzugt um mindestens 15 % erhöht.
Des Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt dann eingesetzt, wenn die E-Maschine 14 in Drehzahlbereichen betrieben wird, in denen die Wirkungsgradkennlinien (vergleiche Figur 2 und 3) nur eine geringe Abhängigkeit von der Drehzahl n aufweisen. Hieraus ergibt sich ein bevorzugter Anwendungsbereich für Drehzahlen n von > 1250 min"1, vorzugsweise > 1500 min"1 und besonders bevorzugt von > 2000 min'1. Aus den genannten Gründen kann es andererseits auch sinnvoll sein, das Verfahren auch bei sehr hohen Drehzahlen nicht anzuwenden. Eine weitere vorteilhafte Bedingung für den Einsatz des Verfahrens kann dadurch gegeben sein, dass der Soll-Ladezustand LZ_S des Energiespeichers 22 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen muss. Dies ist notwendig, um unter Berücksichtigung der erforderlichen Schwankungsbreite um den Soll-Ladezustand LZ_S einen für die Darstellung des alternierenden Betriebs erforderlichen Ladehub für die Energiespeicher 22 zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise sollte der Soll-Ladezustand LZ_S einen Abstand von einem oberen zulässigen Ladungsgrenzwert (der in der Regel 100 % SOC beträgt) und/oder von einem unteren zulässigen Ladungsgrenzwert von höchstens 20 %, vorzugsweise höchstens 10 % und besonders bevorzugt von höchstens 5 % bezogen auf den maximalen Ladezustand des Energiespeichers 22 aufweisen. Beide Grenzwerte können auch unabhängig voneinander gewählt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann der untere Ladungsgrenzwert dem Soll-Ladezustand LZ_S entsprechen. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in der Steuerung 36, 38 der Soll-Ladezustand LZ_S des Energiespeichers 22 gezielt so vorgegeben, dass für die Ausführbarkeit des Verfahrens ein ausreichender Abstand zum oberen und unteren zulässigen Grenzwert eingehalten wird.
Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vor und während des erfindungsgemäßen alternierenden Generatorbetriebs in der Motorsteuerung 36 eine Wirkungsgradbilanzierung durchgeführt und das Verfahren nur dann beziehungsweise so lange angewendet, wenn beziehungsweise wie sich durch die aktuellen Betriebsrandbedingungen ein Wirkungsgradvorteil gegenüber dem konventionellen kontinuierlichen Verfahren ergibt. Insbesondere wird eine Wirkungsgradverbesserung um mindestens 2 %, vorzugsweise um mindestens 5 % und besonders bevorzugt um mindestens 10 % gegenüber der konventionellen Betriebsweise verlangt. In der Wirkungsgradbilanzierung kann vorteilhaft auch eine durch den variablen generatorischen Betrieb der E-Maschine 14 verursachte Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors 12 berücksichtigt werden. Während der Verbrennungsmotor 12 typischerweise bei abgeschalteter E-Maschine 14 in einem Bereich mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad arbeitet, liegt während des erfindungsgemäßen Pulsladebetriebs durch die Lastpunktanhebung der E-Maschine 14, das heißt dem größeren Bremsmoment, in der Regel auch eine höhere Last des Verbrennungsmotors 12 und damit ein höherer Wirkungsgrad vor. Unter Berücksichtigung der Wirkungsgradverschiebungen des Verbrennungsmotors 12 kann für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gesamtwirkungsgradvorteil gefordert werden, der größer als die vorstehend genannten Werte sein soll. In der Wirkungsgradbilanzierung werden vorzugsweise auch die Einflüsse der durch die höheren elektrischen Leistungen leicht ansteigenden Einspeicherverluste des Energiespeichers sowie Leitungs- und Verbindungsverluste berücksichtigt. Die vom erfindungsgemäßen Pulsladeverfahren der E-Maschine 14 hervorgerufenen Momentenänderungen werden vom Verbrennungsmotor 12 kompensiert, um nachteilige Auswirkungen auf das Fahrverhalten zu vermeiden. Da die Momentenkompensation nur mit einer begrenzten Genauigkeit und Schnelligkeit erfolgen kann, wird die Anwendung des Verfahrens vorzugsweise auf solche Betriebssituationen beschränkt, in denen die hervorgerufenen Momentenschwankungen relativ gering sind beziehungsweise gut kompensierbar sind. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Höhe der Momentenschwankungen abhängig von der Änderung des Generatormoments beziehungsweise der elektrischen Leistung und beispielsweise auch von einer Triebstrangübersetzung ist. Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, die maximale generatorische Leistung während der generatorisch gefahrenen Intervalle auf maximal 1O kW, vorzugsweise maximal 5 kW und besonders bevorzugt auf maximal 3 kW zu begrenzen. Des Weiteren ist es sinnvoll, das Verfahren in bestimmten Gängen des Getriebes 16, insbesondere im Rückwärtsgang und im ersten und zweiten Gang, nicht anzuwenden. Schließlich kann es aus den vorgenannten Gründen auch sinnvoll sein, das Verfahren nur für Fahrzeuggeschwindigkeiten oberhalb von 15 km/h, vorzugsweise oberhalb von 25 km/h und besonders bevorzugt oberhalb von 40 km/h zu aktivieren.
Um auch die erforderliche Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors 12 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, für die Aktivierung des alternierenden Generatorverfahrens einen Mindestabstand der aktuellen verbrennungsmotorischen Last zur Volllastkennlinie des Verbrennungsmotors 12 einzuhalten. Vorzugsweise wird das Verfahren nur dann zugelassen, wenn der Wert des aktuellen Verbrennungsmotormomentes maximal 90 %, insbesondere maximal 85 % und bevorzugt maximal 75 % des maximal möglichen Verbrennungsmotormomentes beträgt. Diese Vorgehensweise ist darüber hinaus auch deshalb vorteilhaft, um zu verhindern, dass eine bei heutigen Ottomotoren bei Volllast häufig einsetzende Gemischanreicherung zum Bauteileschutz vermieden wird, die mit einer Kraftstoffverbrauchserhöhung verbunden ist. Somit wird vorzugsweise das Verfahren auch dann nicht durchgeführt, wenn der Verbrennungsmotor 12 beispielsweise aus Katalysatorschutzgründen im Bauteileschutz läuft, das heißt mit einer Gemischanreicherung betrieben wird.
Der Wirkungsgradvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand einer Beispielrechnung verdeutlicht:
In einem Hybridfahrzeug wird von dem Steuergerät 36 ein aktueller Leistungsbedarf des Bordnetzes 26 von 350 W festgestellt. Der Soll-Ladezustand LZ_S eines in diesem Beispiel eingesetzten Kondensatorspeichers 24 ist erreicht. Die E-Maschine 14 rotiert mit 3000 min"1 und erzeugt dabei - unter Berücksichtigung von vorhandenen Leitungs- und Spannungswandlungsverlusten - eine elektrische Leistung von 400 W. Die E-Maschine 14 (Drehstrom-Asynchronmaschine) und ein für ihren Betrieb erforderlicher Wechselrichter arbeiten in konventioneller Betriebsweise zur Erzeugung dieser Leistung mit einem Gesamtwirkungsgrad von 60 %.
Mit dem erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Pulsladeverfahren wird die E-Maschine 14 bis zum Erreichen der oberen Umschaltschwelle LZ_2 des Ladezustands LZ kurzzeitig mit 2 kW generatorisch betrieben, wobei neben der Versorgung des Bordnetzes 26 eine Erhöhung des Ladezustands LZ des Kondensatorspeichers 24 stattfindet. Bis zum Abfall auf die untere Umschaltschwelle LZ_1 wird die E-Maschine 14 dagegen vollständig deaktiviert. Bei einem Betrieb mit 2 kW arbeitet das System aus E-Maschine 14 und Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von 80 %. Da die für die Bordnetzversorgung zur Verfügung gestellte Energie während der Abschaltpausen überwiegend aus dem Kondensatorspeicher 24 zur Verfügung gestellt wird, müssen dessen Ein- und Ausspeicherwirkungsgrade berücksichtigt werden. Der in diesem Fall eingesetzte Doppelschichtkondensator weist für beide Vorgänge einen Wirkungsgrad von 95 % auf. Der Wirkungsgrad für die Bordnetzversorgung ergibt hierbei (unter Vernachlässigung der veränderten Wirkungsgrade des Verbrennungsmotors 12 während der Pulsladung) insgesamt 0,8 x 0,95 x 0,95 = 0,72, das heißt 72 %. Demnach ergibt sich durch den erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Betrieb der E-Maschine 14 ein Wirkungsgradvorteil gegenüber dem kontinuierlichen Betrieb von + 12 %. Dieser wird bei Berücksichtigung der Lastpunktverschiebungen des Verbrennungsmotors 12 und der etwas höheren Einspeicher¬ und Leitungsverlusten tatsächlich zwar leicht reduziert, fällt gegenüber dem kontinuierlichen Betrieb aber immer noch signifikant aus.
Bezugszeichenliste
10 Hybridantriebseinheit
12 Verbrennungsmotor
14 elektrische Maschine
16 Getriebe
18 Antriebsstrang
20 Kupplung
22 zusätzliche Kupplung
24 Energiespeicher
26 Bordnetz
28 elektrischer Verbraucher
30 Pufferbatterie
32 DC/DC-Wandler
34 Leistungselektronik
36 Motorsteuergerät
38 Steuerung
M Moment n Drehzahl
LZ Ladezustand des Energiespeichers
LZ_S Soll-Ladezustand
LZ_1 untere Umschaltschwelle für den Ladezustand
LZ_2 obere Umschaltschwelle für den Ladezustand vfzg Fahrzeuggeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12) sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) im generatorischen Betrieb einen Energiespeicher (24) lädt und/oder ein elektrisches Bordnetz (26) des Kraftfahrzeugs versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Einhaltung vorgegebener Randbedingungen die Betreibung der elektrischen Maschine (14) im generatorischen Betrieb in alternierenden Intervallen erfolgt, wobei
(a) in einem ersten Intervall die elektrische Maschine (14) mit einer ersten, hohen elektrischen Leistungsabgabe betrieben wird, die höher als eine aktuelle Leistungsaufnahme des elektrischen Bordnetzes (26) ist, und
(b) in einem zweiten Intervall ausgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Intervall die Versorgung des elektrischen Bordnetzes (26) aus dem Energiespeicher (24) und/oder aus einer Fahrzeugbatterie (30) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Intervall • beendet wird, wenn ein Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (24) eine obere
Umschaltschwelle (LZ_2) erreicht, und das zweite Intervall beendet wird, wenn der Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (24) eine untere Umschaltschwelle (LZ_1) erreicht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Umschaltschwelle (LZ_2) und/oder die untere Umschaltschwelle (LZ_1) unabhängig voneinander höchstens um 20 %, insbesondere höchstens um 10 %, vorzugsweise höchstens um 5 % bezogen auf einen maximalen Ladezustand des Energiespeichers (24) oberhalb beziehungsweise unterhalb eines Soll-Ladezustands (LZ_S) liegen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) angewendet wird, wenn die aktuelle Leistungsanforderung von Bordnetz (26) und/oder Energiespeicher (24) einen Schwellenwert unterschreitet, insbesondere wenn die Leistungsanforderung kleiner als 1200 W, vorzugsweise kleiner als 800 W, besonderes bevorzugt kleiner als 500 W ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) angewendet wird, wenn ein Verhältnis der aktuellen Leistungsanforderung von Bordnetz (26) und/oder Energiespeicher (24) zu einer aktuellen maximalen generatorischen Leistungsabgabe der elektrischen Maschine (14) einen Schwellenwert unterschreitet, insbesondere kleiner als 0,15, vorzugsweise kleiner als 0,10, besonders bevorzugt kleiner als 0,05 ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) angewendet wird, wenn ein Wirkungsgradvorteil des alternierenden Betriebs gegenüber einem kontinuierlichen Betrieb einen Schwellenwert überschreitet, insbesondere mindestens 2 %, vorzugsweise mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 % beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) in einem Drehzahlbereich angewendet wird, in dem der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (14) eine geringe Abhängigkeit von der Drehzahl aufweist, insbesondere bei Drehzahlen (n) von > 1250 min"1, vorzugsweise > 1500 min"1, besonders bevorzugt > 2000 min'1.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) angewendet wird, wenn ein Soll- Ladezustand (LZ_S) des Energiespeichers (24) einen Mindestabstand zu einem unteren und/oder einem oberen zulässigen Ladungsgrenzwert einhält, insbesondere einen Abstand von 20 %, vorzugsweise von 10 %, besonders bevorzugt von 5 %.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alternierende Betrieb der elektrischen Maschine (14) angewendet wird, wenn mindestens eine der folgenden Randbedingungen erfüllt ist:
- Einhaltung eines Mindestabstands eines aktuellen Drehmoments des Verbrennungsmotors (12) zu einem maximalen Verbrennungsmotormoment;
- kein aktueller Betrieb des Verbrennungsmotors (12) mit einer Gemischanreicherung zum Bauteileschutz;
- Vorliegen einer aktuellen Mindestfahrzeuggeschwindigkeit und
- Vorliegen einer eingelegten Mindestgangstufe eines Fahrzeuggetriebes (16).
11. Kraftfahrzeug mit einer Hybridantriebseinheit (10), welche einen Verbrennungsmotor (12) sowie mindestens eine, wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine (14) umfasst, wobei die elektrische Maschine (14) im generatorischen Betrieb einen Energiespeicher (24) lädt und/oder ein elektrisches Bordnetz (26) des Kraftfahrzeugs versorgt, gekennzeichnet durch Steuermittel, mit denen in Abhängigkeit von der Einhaltung vorgegebener Randbedingungen die Betreibung der elektrischen Maschine (14) im generatorischen Betrieb in alternierenden Intervallen erfolgt, wobei
(a) in einem ersten Intervall die elektrische Maschine (14) mit einer ersten, hohen elektrischen Leistungsabgabe betrieben wird, die höher als eine aktuelle Leistungsaufnahme des elektrischen Bordnetzes (26) des Kraftfahrzeugs ist, und
(b) in einem zweiten Intervall ausgeschaltet wird.
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