VERFAHREN ZUR STEUERUNG DES HYBRIDANTRIEBES EINES KRAFTFAHRZEUGES UND STEUERSYSTEM

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Hybridantriebs eines Kraftfahrzeuges, welcher Hybridantrieb folgende Komponenten umfasst: eine Verbrennungskraftmaschine, ein Achsantriebsgetriebe, mindestens eine elektrische Maschine, mindestens eine Kupplung, mindestens einen Energiespeicher, und mindestens eine angetriebene Achse. Der zu steuernde Hybridantrieb besteht im einfachsten Fall aus einer Verbrennungskraftmaschine, einer in Serie angeordneten als Motor und Generator betreibbaren elektrischen Maschi- ne, einem einstufigen (also nicht schaltbaren) Untersetzungsgetriebe und Differential als Achsantriebsgetriebe für eine angetriebene Achse. Der zu steuernde Hybridantrieb kann aber auch mehrere elektrische Maschinen in komplexer Anordnung, mehrere Kupplungen und mehrere - insbesondere zwei - angetriebene Achsen umfassen.

In bekannten Steuerungen werden Fahrerwunsch und Kapazitäten der Drehmomentquellen und -senken (damit sind die elektrische Maschine und die Verbrennungskraftmaschine gemeint) in verzweigten und unübersichtlichen logischen Entscheidungsbäumen aufeinander abgestimmt, wobei in einem frühen Stadium der zur Erfüllung des Fahrerwunsches führende Modus gewählt und erst danach die Arbeitspunkte ermittelt und in der Folge die Ansteuersignale für die einzel-

nen Komponenten generiert werden. Schon dadurch ist es nicht möglich, die Kapazitäten aller Komponenten gleichzeitig optimal zu nutzen und diese auch noch in ihren wirtschaftlichsten und verschleißärmsten Arbeitspunkten zu betreiben. Dazu kommt im Falle eines Schaltgetriebes noch, dass auch der zu wählende Getriebegang in die Optimierung einzubeziehen ist. Mit einer derart verzweigten Logik ist eine Anpassung an fahrdynamische Erfordernisse nur schwer zu erreichen. Das ist besonders nachteilig, wenn eine Begrenzung des Radschlupfes erwünscht oder gar bei einem Fahrzeug mit zwei angetriebenen Achsen auch die Verteilung des Drehmomentes auf beide Achsen gesteuert werden soll.

Unter Modus ist hier und im Folgenden die Summe der Antriebskonstellationen und Betriebszustände der Komponenten zu verstehen, zum Beispiel: „Fahren mit Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine", „Fahren mit elektrischem Antrieb", „Fahren mit gemischtem Antrieb", „Segeln", „Beschleunigen", „Laden der Batterie", ,3remsen mit Energierückgewinnung" etc. Wenn das System mehrere elektrische Maschinen, mehrere Kupplungen und zwei angetriebene Achsen aufweist, kommt noch eine Reihe weiterer Modi hinzu. Werden diesen Modi jeweils mit in Frage kommenden Getriebegängen verknüpft, entsteht eine noch größere Anzahl von Modi, die bis zu dreistellig sein kann.

Ein weiteres bei stark verzweigter Logik nur mit großem Aufwand zu lösendes Problem stellt der übergang von einem Modus zum anderen dar. Gemäß der US 6,321,143 wird dieses Problem durch hierarchisch geordnete Prioritäten zwischen den einzelnen Modi und ein System von Fahnen (engl.: „flags") zu lösen versucht, deren Definition sehr kompliziert und deren Wirkung zweifelhaft ist.

Aus der WO 02/26520 Al ist eine Steuerung eines Hybridantriebs der einfacheren Art bekannt, in der eine hierarchische Trennung der Festlegung des Soll- Betriebszustandes und der Verteilung der Drehmomentanforderung an die vor-

handenen Drehmomentquellen und -senken vorgenommen ist. Damit gelingt es, allerdings bei eingeschränkter Funktionalität, die Systemkomplexität zu senken. Dort ist auch ein Modus „Wirkungsgrad optimieren" vorgesehen, dieser optimiert aber nicht den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung, sondern nur den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine, die Wirkungsgrade und Ein- schränkungen der anderen Komponenten bleiben unberücksichtigt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Steuerverfahren und eine Steuerung für Hybridantriebe zu schaffen, die unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile beziehungsweise durch Lösung der oben angeführten Probleme höchste Wirtschaftlichkeit, maximale Lebensdauer der Komponenten, hohen Fahrkomfort und die Möglichkeit bieten, allen fahrdynamischen Erfordernissen Rechnung zu tragen. Zum Fahrkomfort gehört auch ein zwangloser und sanfter übergang von einem Modus zum anderen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in den in Anspruch 1 angeführten Schritten a) bis d). Dadurch, dass zunächst sämtliche den Fahrerwunsch auch nur irgendwie erfüllenden Modi (im Falle eines Stufengetriebes einschließlich der möglichen Getriebegänge) herangezogen und quasi simultan „durchgespielt" werden, und die Auswahl erst in einem viel späteren Schritt erfolgt, steht für jeden Fahrerwunsch immer der optimale Modus zur Verfügung und ist ein ü- bergang zwischen den einzelnen Modi weitgehend ohne Fahnen oder Prioritäten möglich. Dadurch ist die Steuerung flexibler. Durch die Flexibilität sind fahrdynamische Eingriffe möglich und die Steuerung ist verschiedenen Fahrzeugen durch Wahl entsprechender Parameter und eingespeicherte Kennfelder leichter anpassbar.

Das simultane , .Durchspielen" der Modi beinhaltet eine Ermittlung der Arbeitspunkte der einzelnen Komponenten unter Berücksichtigung von Betriebszustand

und Systemzustand, sowohl des aktuellen als auch des dem Fahrerwunsch entsprechend einzustellenden Betriebszustandes. Weil der Arbeitspunkt der Komponenten für jeden Modus auf Grund fester gespeicherter Größen (die auch Grenzwerte sein können) beziehungsweise Kennfelder und des Systemzustandes ermittelt wird, können die Arbeitspunkte der einzelnen Komponenten optimal gewählt werden. So findet in den einzelnen Modi bereits vor der Auswahl eines bestimmten Modus eine Optimierung statt. Es werden sozusagen die bereits optimierten Modi bewertet und es wird der am besten bewertete ausgewählt. Dadurch wird die Kapazität aller Komponenten optimal genutzt. In dem ausgewählten Modus stehen dann für den Steuereingriff zur Einstellung der Kompo- nenten die bereits bei der Optimierung der Arbeitspunkte ermittelten Größen in den Arbeitspunkten zur Verfügung. Das erleichtert und vereinfacht auch den übergang von einem Modus zu einem anderen.

Wenn als Achsantriebsgetriebe ein Getriebe mit in Stufen veränderlicher über- setzung (das sind die Getriebegänge) vorhanden ist, wird für die möglichen Modi entschieden, welche Getriebegänge für den dem Fahrerwunsch entsprechenden Betriebszustand in Frage kommen (Anspruch 2), wodurch sich die Anzahl der gemäß Anspruch 1 behandelten Modi entsprechend erhöht. Wenn die übersetzung des Getriebes stufenlos, also kontinuierlich, variabel ist, wird die über- setzung im erfindungsgemäßen Verfahren als zusätzliche Variable behandelt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden bei der Ermittlung der Arbeitspunkte der in dem jeweiligen Modus einbezogenen Komponenten für alle Modi auch gleich die Wirkungsgrade der Komponenten ermittelt und wer- den diese Wirkungsgrade zu einem Gesamtwirkungsgrad für alle Modi (AMK bzw AMGK) zusammengeführt und in die Bewertung und Auswahl des Modus einbezogen (Anspruch 3 bzw 4, mit bzw ohne Stufengetriebe). Dadurch wird nicht nur der für die einzelnen Komponenten optimale Arbeitspunkt ermittelt,

S sondern auch der optimale Wirkungsgrad des gesamten Systems. Die Optimierung ist gewissermaßen zweistufig.

Für die Vorauswahl aller überhaupt in Frage kommenden Modi aus Fahrerwunsch, Betriebszustand und Systemzustand wird zumindest ein dem Fahrer- 0 wünsch entsprechendes erforderliches auf die Räder des Fahrzeuges zu übertragendes Drehmoment berechnet, was zur Einhaltung fahrdynamischer Vorgaben in einem Fahrdynamikregler geschieht (ohne solche Vorgaben direkt aus dem Fahrerwunsch), und anhand dieses Drehmomentes die Vorauswahl getroffen (Anspruch 5). Soferne es sich um ein Kraftfahrzeug mit zwei angetriebenen 5 Achsen handelt, wird zunächst nur das gesamte zu übertragende Drehmoment ermittelt und dessen Verteilung auf die Achsen nur, wenn ein Traktionseingriff vorliegt, andernfalls erst in einem späteren Schritt (Anspruch 6). Ein Traktionseingriff wird zum Beispiel von einem Schlupfregler oder von einem Fahrdya- mikregler vorgenommen. 0

Es ist empfehlenswert, unter anderem zur Erhöhung der Betriebssicherheit, zu überprüfen, ob alle für die in Frage kommenden Betriebsmodi erforderlichen Komponenten verfügbar, intakt und in dem erforderlichen Umfang funktionsfähig sind. Ist das für einen Modus nicht der Fall, wird der entsprechende Modus 5 aus der weiteren Behandlung ausgeschieden (Anspruch 7). Dadurch, dass diese überprüfung in einem frühen Stadium erfolgt, wird auch vermieden, dass zeitweise nicht zur Verfügung stehende Modi in der quasi simultanen Bearbeitung mitgefühlt werden. An dieser Stelle lassen sich auch geeignete Notmaßnahmen einfuhren.

Die Berechnung der Wirkungsgrade in den einzelnen Modi in dem dem Fahrerwunsch entsprechenden Betriebszustand kann je nach Komplexität des Hybridantriebes und nach Erfordernissen in verschiedener Weise erfolgen. Dem ge-

wünschten Betriebszustand entspricht ein von den angetriebenen Rädern zu übertragendes Drehmoment. Dem sind auf Grund der mechanischen Auslegung Grenzen gesetzt. Deshalb wird zunächst für jede Gangstufe unter Berücksichtigung gegebenenfalls dazwischen liegender übersetzungen der Grenzwert des maximal übertragbaren Moments einzelner Komponenten berechnet. Die dem Fahrerwunsch entsprechenden Arbeitspunkte der einzelnen Maschinen werden unter Berücksichtigung von Grenzwerten von Moment und Leistung ermittelt und sodann für diese Arbeitspunkte mit Hilfe von gespeicherten Wirkungsgrad- Kennfeldern zunächst die einzelnen Wirkungsgrade in den Arbeitspunkten und daraus die Gesamtwirkungsgrade für die in Frage kommenden Modi ermittelt (Anspruch 8 bzw 9; 8 ohne, 9 mit Stufengetriebe).

Vorzugsweise sind die Grenzwerte für die Ermittlung des Arbeitspunktes Grenzwerte der Leistung der einzelnen Komponenten, die aus dem thermischen Zustand und aus Kennfeldern der jeweiligen Komponenten ermittelt werden (Anspruch 10) und/oder Grenzwerte der Leistungsaumahmefahigkeit des Energiespeichers (ES) in seinem aktuellen Ladezustand, die aus Kennfeldern des Energiespeichers ermittelt werden (Anspruch 11). Die Grenzwerte sind Grenzwerte des übertragbaren und damit des zu übertragenden Drehmomentes, die aus dem Fahrerwunsch, dem Betriebszustand der Komponenten und dem Systemzu- stand ermittelt werden (Anspruch 12). Die Einführung dieser Grenzwerte führt zu weitgehend optimalen Arbeitspunkten und somit auch zu jeweils optimalen Wirkungsgraden, die in der Folge bewertet werden. Auch die Lage der Arbeitspunkte bezüglich der Grenzwerte wird in die Bewertung einbezogen (Anspruch 14). Beides tragt auch noch zur Maximierung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten bei.

Für eine möglichst genaue Berechnung des Gesamtwirkungsgrades wird die an den Rädern des Fahrzeuges abgegebene mechanische Leistung zu dem Treib-

stofrVerbrauch in Beziehung gesetzt. Dabei wird im Zugbetrieb die in der Batterie gespeicherte Energie aus der beim Laden der Batterie durchlaufenen Wirkungsgradkette von der Verbrennungskraftmaschine über die generatorisch betriebene elektrische Maschine (EMj) und die zugehörige Leistungselektronik ermittelt und im Schubbetrieb nur die elektrische Ladeleistung berücksichtigt (Anspruch 13).

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Bewertung der Modi noch weitere Kriterien herangezogen werden: Thermische Kriterien unter Einbeziehung des Systemzustandes und von Kennfeldern des thermischen Ver- haltens der Maschinen (das sind die ein Moment erzeugenden Komponenten), welche auch bei der Ermittlung der Leistungsgrenzen der einzelnen Maschinen benutzt werden (Anspruch 15); und/oder Kriterien nach dynamischen Gesichtspunkten unter Einbeziehung des Fahrerwunsches und von Fahrzuständen, welche auch zur Festlegungen der Grenzmomente der einzelnen Maschinen zur Be- rechnung der Wirkungsgarde herangezogen werden (Anspruch 16). Man spricht hier von Dynamikmanagement.

Weiters kann zur Bewertung der Modi (AMK, AMGK) als Systemzustand der Zustand des Energiespeichers und gegebenenfalls dessen Kennfeld beim Laden und Entladen herangezogen wird, welches bei der Ermittlung der Leistungsgrenzen verwendet wird (Anspruch 17). Das kommt auch der Lebensdauer des Energiespeichers zugute. Auch Komfort - Gesichtspunkte (insbesondere beim Schalten der Getriebegänge) können in die Bewertung Eingang finden (Anspruch 18). Zur Gesamtbewertung werden dann die einzelnen Wertnoten zusammengeführt, die Modi nach der Bewertung sortiert und der Modus (AMGK*) mit der höchsten Wertnote ausgewählt (Anspruch 19).

Für die Ausgabe der dem ausgewählten Modus entsprechenden Sollwerte beziehungsweise Befehle für die Einstellung der von dem ausgewählten Modus betroffenen Komponenten kann auf die bei der Berechnung des Wirkungsgrades des ausgewählten Modus (AMGK) für den optimalen Arbeitspunkt ermittelten Daten zurückgegriffen werden (Anspruch 20 bzw 21, letzteres mit Stufengetrie- be). Das spart Rechenzeit und trägt zum sanften übergang von einem Modus in einen anderen bei.

Die Sollwerte beziehungsweise Befehle werden schließlich in Ansteuersignale für die Komponenten umgesetzt. (Anspruch 22). Bei zwei angetriebenen Achsen und wenn kein Traktionseingriff vorliegt, erfolgt die Momentenverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse im Zuge der Bestimmung des Arbeitspunktes und der Berechnung des Gesamtwirkungsgrades (Anspruch 23). Dadurch wird auch bei normaler Fahrt (wenn kein Traktionseingriff vorliegt) das Moment mit optimalem Wirkungsgrad auf die beiden angetriebenen Achsen verteilt.

Vorzugsweise stehen die aktuellen veränderlichen Größen (zum Beispiel Drehzahlen, Drehmomente, Temperaturen) sowie daraus berechnete Zwischengrößen (zum Beispiel Beschleunigung des Fahrzeuges, maximale Drehzahl der Ver- brennungskraftmaschine) immer bei allen Schritten in dem Modul Systemzu- Standsanalyse zur Verfügung und ist aus ihm jederzeit abrufbar (Anspruch 24).

Die Erfindung betrifft auch ein Steuersystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, welcher aus folgenden Komponenten besteht: einer Verbrennungskraftmaschine, einem Achsantriebsgetriebe - insbesondere einem Schaltgetriebe - mindestens einer elektrischen Maschine, mindestens einer Kupplung, mindestens einem Energiespeicher und mindestens einer angetriebenen Achse, wobei eine Fahrerwunschauswertung aus der Fahrpedalstellung, der Bremspedalstellung und einer der Fahrgschwindigkeit entsprechenden Größe (zum Beispiel der

Raddrehzahl) den vom Fahrer zu erreichen gewünschten Betriebszustand (Beschleunigung, Verzögerung, Kickdown) erkennt.

Das Steuersystem besteht aus einer Reihe von Moduln, die bei einer Programmsteuerung gedachte Einheiten im Programmablauf sind, die ihrerseits wieder einzelne Blöcke (denen in den Figuren Kästchen zugeordnet sind) umfassen. Die besondere Beschaffenheit, Funktion und Anordnung der Moduln und Blöcke ermöglichen die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In welcher Weise und mit welcher Wirkung ist der Beschreibung des Systems anhand eines Ausfuhrungsbeispieles zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1: Schema eines Hybridantriebs, auf den die erfindungsgemäße

Steuerung anwendbar ist, in seiner einfachsten Form, Fig. 2: Schema eines komplexeren Hybridantriebes, auf den die erfindungsgemäße Steuerung anwendbar ist, Fig. 3: Tabelle der Modi des Hybridantriebes der Fig. 2, Fig. 4: Grobschema der erfindungsgemäßen Steuerung, Fig. 5: Blockschaubild der erfindungsgemäßen Steuerung, geteilt in Fig. 5a und Fig. 5b,

Fig. 6: Blockschaubild zum Modul 1 in Fig. 5, Fig. 7: Blockschaubild zum Modul 2 in Fig. 5, Fig. 8: Blockschaubild zum Modul 3 in Fig. 5, Fig. 9: Detail- Blockschaubild zu Fig. 8, Fig.10: Blockschaubild zum Modul 4 in Fig. 5,

Fig.l 1 : Blockschaubild zum Modul 5 in Fig. 5, Fig.12: Blockschaubild zum Modul 7 in Fig. 5, Fig.13: Diagramm zu Modul 7,

Fig.14: Blockschaubild zum Modul 8 in Fig. 5,

Fig.15: Diagramme a,b,c zu Modul 8, Bestimmung Arbeitspunkt, Fig.16: Schaubild zu Modul 8, Wirkungsgradberechnung, Fig.17: Blockschaubild zum Modul 9 in Fig. 5, Fig.18: Blockschaubild zum Modul 10 in Fig. 5, Fig.19: Blockschaubild zum Modul 11 in Fig. 5,

Fig.20: Blockschaubild zum Modul 13 in Fig. 5, Fig.21: Blockschaubild zum Modul 15 in Fig. 5.

Ein einfacher, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren steuerbarer Hybridantrieb nach Fig. 1 besteht aus folenden Komponenten: einer Verbrennungskraftmaschine VKM, einer elektrischen Maschine EMI, einem Schaltgetriebe SG oder einem Getriebe mit fester Untersetzung, einem Hinterachsdifferential HAD und einem Energiespeicher ES - einer im folgenden einfach als Batterie be- zeichneten Hochvoltbatterie hoher Kapazität oder dergleichen, sowie aus einer ersten Kupplung Kl zwischen der elektrischen Maschine EMI und dem Schaltgetriebe SG, und einer zweiten Kupplung K2 zwischen der Verbrennungskraftmaschine VKM und der elektrischen Maschine EMI . Ein Steuergerät MABx ist über in Fig. 1 im einzelnen nicht bezeichnete Leitungen mit den Komponenten verbunden. Die Verbrennungskraftmaschine VKM und die elektrischen Maschinen EMI sind im Folgenden unter dem Begriff Maschinen zusammengefasst.

Fig. 2 zeigt einen komplexen Hybridantrieb, auf den sich das weiter unten beschriebene Ausfuhrungsbeispiel bezieht. Er besteht aus folenden Komponenten: einer Verbrennungskraftmaschine VKM, zwei elektrischen Maschinen EMI, EM2 mit ihren Umrichtern URl, UR2, einem Schaltgetriebe SG, einem Hinterachsdifferential HAD und einem Vorderachsdifferential VAD für die beiden angetriebenen Achsen HA, VA und einem Energiespeicher ES. Eine der vier Radbremsen B ist nur an einem Rad angedeutet. Weiters ist vorgesehen: eine erste

S Kupplung Kl zwischen der elektrischen Maschine EMI und dem Schaltgetriebe SG, eine zweite Kupplung K2 zwischen der Verbrennungskraftmaschine VKM und der elektrischen Maschine EMI, eine dritte Kupplung K3 zwischen der zweiten elektrischen Maschine EM2 und dem Abtrieb KT für den Antrieb der Vorderachse VA und eine vierte Kupplung K4 zwischen den beiden elektrischen 0 Maschinen EM1,EM2. Ein Steuergerät MABx ist über summarisch mit 1 bezeichnete Leitungen mit den Komponenten verbunden. Summarisch mit 2 bezeichnete Leitungen dienen der Führung elektrischer Energie zwischen den elktrischen Maschinen EM1,EM2 und dem Energiespeicher ES. Mit Ausnahme der Kupplung K4 entspricht diese Anordnung weitgehend der im österreichi- 5 sehen Gebrauchsmuster AT GM 8336 Ul beschriebenen.

In Fig.3 sind die wichtigsten (aber nicht alle) mit diesen Komponenten darstellbaren Modi AMK in einer Tabelle zusammengestellt. Die Spalten geben nach der AMK - Nummer und der Beschreibung der Betriebsart das Achsmoment 0 (negativ = Schubbetrieb, positiv = Zugbetrieb) an und welche Achse(n) angetrieben ist (sind). Weitere Spalten geben den Betriebszustand der Maschinen VKM, EMI, EM2 (1 = Zugbetrieb, -1 = Schleppbetrieb, 0 = ausgeschaltet, LL = Leerlauf), der Batterie ES und den Schaltzustand der Kupplungen Kl bis K4 an.

5 In Fig. 4 ist die Steuereinheit MABx in ihrer Systemarchitekur dargestellt. Kennfelder, Getriebeübersetzungen und weitere unveränderliche Größen sind in einem nicht dargestellten Speicher hinterlegt. Ebenso die Parameter, die zur Anpassung an ein bestimmtes Fahrzeug wählbar sind. Die Steuereinheit MABx umfasst eine Schnittstelle 10 zum CAN-Bus des Fahrzeuges, eine Konditionie- rungseinheit 11 für die den Betriebszustand und/oder den Systemzustand beschreibenden Eingangsgrößen (Sensorsignale von den Komponenten) mit Treiberstufen, eine Konditionierungseinheit 12 für die Ausgangsgrößen mit Leistungsteil und Treiberstufen, Signalverbindungen 13 von der Konditionierungseinheit 11 zur Fahrerwunschauswertung FW, zum Fahrdynamikregler FDR, zum

Hybridregler HCU, und zum Momentenkoordinator MK. Von letzterem werden die Aktuatoransteuersignale auf dem Weg 15 der Konditionierungseinheit 12 zugeführt. Auf dem Weg 16 werden ihr weitere Daten von der Konditionierungseinheit 11 zur Verfügung gestellt. Die Konditionierungseinheit 12 gibt Befehle an die Ansteuerung 24 des Getriebes SG und an die Ansteuerung 25 der Kupplungen Kl bis K4 aus und ist über einen weiteren Bus, den Hybrid-CAN- Bus 17, mit den Komponenten - Einheiten des Hybridantiebs verbunden. Diese Einheiten 20 bis 23 bestehen jeweils aus den Komponenten VKM (Baugruppe 20), EMI (Baugruppe 21), EM2 (Baugruppe 22) und ES (Baugruppe 23) und deren Steuergeräten, Umrichtern und Diagnose- beziehungsweise überwa- chungseinheiten.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufschema der gesamten Steuerung eines Antriebes nach Fig. 2 im Hybridregler HCU, anhand dessen auch das erfindungsgemäße Steuerverfahren beschrieben wird. Es ist in Moduln (die mit einem Großbuchstaben M und durchlaufenden Nummern von 1 bis 16 bezeichnet sind) und Blocks innerhalb der Moduln aufgegliedert, wobei die im Folgenden aufgezählten und weiter unten ausführlich beschriebenen Moduln und Blocks als gedachte Einheiten mit einer bestimmten Funktion im repetitiv durchlaufenen Programm zu verstehen sind:

Der noch nicht zum Hybridregler HCU gehörende Block Fahrerwunsch FW ermittelt aus den Eingaben des Fahrers über Gas- und Bremspedal das auf die Straße zu bringende Drehmoment (im Folgenden nur mehr „Moment" genannt), das positiv, negativ (Bremsen) oder Null (Segeln) sein kann, und stellt es auf dem Weg 27 den Moduln M2, M3, M7 und M8 zur Verfügung.

Auch der Block Fahrdynamikregler FDR ist dem Hybridregler HCU noch vorgeordnet und beeinflusst wenn nötig die aus dem Fahrerwunsch FW ermittelten

Momente, indem er bei Radschlupf einen Traktionseingriff vornimmt, und insbesondere bei einem Fahrzeug mit zwei angetriebenen Achsen auch in die Momentenverteilung zwischen den Achsen VA,HA eingreift.

Modul 1 : Der Modul Svstemzustandsanalvse (SZA) Ml nimmt zu aktuellen Be- triebszuständen Betriebsdaten des Fahrzeuges und der Komponenten auf, stellt vorbereitende Berechnungen an (zum Beispiel der Maschinendrehzahlen) und hält diese über die Wege 28 für die Moduln M2 bis M8 bereit.

Modul 2: Der Achsmomentumsetzer (AMK) M2 stellt auf Basis des Fahrerwun- sches FW und eventueller Vorgaben des Fahrdvnarnikreglers die in Frage kommenden Betriebmodi AMK (siehe Tabelle als Fig. 3) des Hybridantriebes zusammen.

Modul 3: Der Modul Komponentenverfugbarkeit (KV) M3 ist eine erste Filter- stufe, in der diejenigen Modi AMK ausgeschieden werden, die Komponenten einbeziehen, die nicht oder nicht in ausreichendem Maße verfügbar sind, oder die gewissen strategischen Vorgaben nicht genügen.

Modul 4: Der Modul Gangvorwahl M4 identifiziert bei Vorhandensein eines Stufengetriebes auf Basis der Getriebeübersetzungen und der Drehzahlen alle Getriebegänge Gj, die für die von der Komponentenverfügbarkeit nicht ausgeschiedenen AMK in Frage kommen. Er bildet so eine Anzahl von Modi AMGK, die größer als die Anzahl der Modi AMK ist.

Modul 5: Der Modul Wärmemanagement M5 berechnet mit Hilfe von Daten aus der Systemzustandanalyse (Modul 1) die maximalen und minimalen Leistungen der Maschinen VKM, EMI und EM2.

Modul 6: Der Modul Ladungsmanagement (SOC) M6 berechnet mit Hilfe von Daten aus der Systemzustandanalyse (Ml) und/oder Zustandsgrößen der Batterie (ES) deren Ladeleistungsgrenzen. Die Entladeleistung der Batterie wird von dem folgenden Modul (7) regiert.

Modul 7: Der Modul Dvnamikmanagement (DM) M7 bestimmt aus den in den Moduln 5 und 6 ermittelten Leistungsgrenzen Drehmomentgrenzen. Er gibt damit den Bereich der Arbeitspunktoptimierung und Wirkungsgradberechnung im folgenden Modul (8) vor. Er greift in die Momentengrenzen ein, um den Fahrerwunsch hinsichtlich Dynamik bei möglichster Schonung der Batterie (ES) zu erfüllen.

Modul 8: der Modul Arbeitspunktoptimierung/Wirkungsgradberechnung M8 besteht aus den beiden ineinander greifenden Teilmoduln Arbeitspunktoptimierung und Wirkungsgradberechnung für die von der Gangvorwahl identifizierten Modi AMGK, unter Einbeziehung von Daten der Systemzustandsanalyse (Modul 1) und der im Modul 7 ermittelten Momentengrenzen.

Modul 9: Der Modul Bewerter Ladezustand M9 bewertet die von der Gangvorwahl identifizierten AMGK mit ihren in Modul 8 ermittelten Arbeitspunkten anhand der in Modul 6 ermittelten Ladungsgrenzen.

Modul 10: Der Modul Bewerter Wärme MIO bewertet die von der Gangvorwahl (Modul M4) identifizierten AMGK mit ihren in Modul M8 ermittelten Arbeitspunkten hinsichtlich thermischer Belastung.

Modul 11 : Der Modul Bewerter Dynamik MI l bewertet die von dem Modul Gangvorwahl (M4) identifizierten AMGK mit ihren in Modul M8 ermittelten Arbeitspunkten anhand der in Modul 7 ermittelten Momentengrenzen.

Modul 12: Der Modul Gesamtbewertung M12 fasst die Wertnoten aus den Moduln 8,9,10 und 11 zu einer Gesamtwertnote zusammen.

Modul 13: Der Modul Komfortfilter Ml 3 bewertet die von der Gangvorwahl (Modul 4) identifizierten und in den folgenden Moduln gefilterten AMGK hinsichtlich Fahrkomfort und scheidet gegebenenfalls noch weitere AMGK aus.

Modul 14: Der Modul Sortierer Ml 4 sortiert die AMGK nach ihrer in Modul M12 ermittelten Gesamtbewertung, die auch den Gesamtwirkungsgrad ein- schließt.

Modul 15: Der Modul Statusmaschine (AMK) erhält von Modul Ml 4 die Liste der nach Bewertung und Wirkungsgrad sortierten AMGK und wählt die im Sortierer zu oberst erscheinende AMGK* als einzustellende AMGK aus. Weiters bereitet er die Schnittstellen zum folgenden Modul auf.

Modul 16: der Modul Momentenkoordinator (MK) vollzieht den übergang von der aktuellen AMGK zu der einzustellenden AMGK*.

Es folgt die Beschreibung der einzelnen Moduln und ihrer Wirkungsweise:

Modul 1 : Svstemzustandsanalvse (SZA) M1

Fig. 6 zeigt den schematischen Aufbau des Moduls Systemzustandsanalyse Ml.

Er setzt sich aus einzelnen Funktionsblöcken zusammen. Ein Block 30 generiert anhand der Geschwindigkeit des Fahrzeuges Vpzg einen Anfahrflag FlagAnfehr und einen Bremsflag Flag _Brems - Dieser soll bei sehr niedriger Geschwindigkeit anzeigen, ob das Fahrzeug anfahrt oder zum Stillstand abgebremst wird. Diese

Flags werden in einem späteren Modul dazu verwendet, eine feste Betriebsstrategie auszuwählen, wenn aufgrund der geringen Drehzahlen der Maschinen kein korrekter Arbeitspunkt berechnet werden kann.

Der Block 31 „Vorgabe der minimalen und der maximalen Drehzahl der Ver- bennungskraftmaschine" soll die minimale Drehzahl ((Dv _KMm i _n ) und die maximale Drehzahl (ö)vκ _M m _ax ) d ^er Verbrennungskraftmaschine (im Folgenden kurz VKM) in Abhängigkeit von der Temperatur T _VKM vorgeben. Diese Vorgabe soll im weiteren Verlauf des Verfahrens sehr niedere und sehr hohe Drehzahlen der VKM bei geringer Motortemperatur verhindern.

Der Block 32 „Steigungserkennung" ermittelt aus der Beschleunigung des Fahrzeuges a _Fzg und aus der Erdbeschleunigung g die vom Fahrzeug momentan befahrene Steigung in Prozent und gibt einen Flag für die Steigungserkennung

Flags _t ei _g un _g aUS.

Der Block 33 Berechnung der Maschinendrehzahlen" berechnet die zu erwartenden Drehzahlen der E-Maschinen EMI, EM2 und der VKM, die in jeder AMGK bei der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeuges in dem jeweiligen Getriebegang auftreten würden. Zur Gewinnung eines korrekten Geschwindig- keitssignals wird aus allen vier Raddrehzahlen ein weitgehend schlupfunabhängiges Geschwindigkeitssignal erzeugt.

Bei der Berechnung der Maschinendrehzahlen (COVKM. *A ⁾ EMI und üJEγVC) ^sm d die Gesamtübersetzungen Us _G i in den einzelnen Gängen Gj und die Kupplungs- Stellungen zu berücksichtigen. In der Tabelle (Fig. 3) sind das:

Kupplungstellung A: Kl und K2 geschlossen, K3 und K4 offen, Kupplungstellung B: Kl und K3 geschlossen, K2 und K4 offen, Kupplungstellung C: K2 und K3 geschlossen, Kl und K4 offen, Kupplungstellung D: Kl, K2 und K3 geschlossen, K4 offen.

Die Drehzahl der E-Maschine 1 EMI ü) _EMI errechnet sich je nach Kupplungsstellung aus der Fahrzeuggeschwindigkeit vp _Z g und den jeweils zwischen dem Rad und der EMI liegenden übersetzungen ü. Zum Beispiel bei Kupplungsstellung B oder D: <D _E MI = ü _SG x üHAD X (v _Fz g/rRad)

Da diese Berechnung der Maschinendrehzahlen vor der Bestimmung des Arbeitspunktes stattfindet, kann für alle AMGK ohne Verbindung zu einer der Achsen und mit positiver Leistung der VKM, für die EMI und die VKM keine Drehzahl ermittelt werden.

Modul 2: Achsmoment-Umsetzer (AMK) M2

Der Modul Achsmoment-Umsetzer in Fig. 7 steht eingangsseitig mit dem Fahrdynamikregler FDR in Verbindung, der die Achsmomente M _VA und M _HA liefert und gegebenenfalls einen Traktionseingriff vornimmt. Er umfasst zwei Blöcke: „Momentenauswertelogik" 34 und „KO-Filter" 35. ,,KO" steht für „Knock-out", das heisst, alle der Momentenanforderung nicht entsprechenden AMK (siehe die Spalte „Achsmoment" in Fig. 3) werden ausgeschieden.

Der Block 34 ..Momentenauswertelogik" kategorisiert vorerst die Achsmomen- tenvorgaben (M _VA , M _HA ) des Fahrdynamikreglers nach dem Vorzeichen (+ , - oder 0) des Summenachsmomentes (M _VA ⁺ M _HA ) und, falls ein Traktionseingriff TE des Fahrdynamikreglers FDR vorliegt (Signal TE=I), zusätzlich nach den angetriebenen Achsen. Das Vorzeichen des Summenachsmomentes und somit die Grundkategorie (positiv=l, negativ=2, null=3) steht als Signal den nachfolgenden Moduln zur Verfügung. Bei der Teilfunktionalität „Angetriebene Achse" (rein VA, rein HA, Allrad) muss nach dem Vorhandensein eines Traktionsein- griffes des Fahrdynamikreglers unterschieden werden:

Bei Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (Flag TE = 1) erfolgt die weitere Unterkategorisierung nach der angetriebenen Achse (nur Vorderachse, nur Hinterachse oder Allrad, siehe Fig. 3). Die Unterkategorie wird ebenfalls als Signal den nachfolgenden Moduln zur Verfügung gestellt.

Liegt kein Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers vor (Flag TE = 0), wird nur das Summenachsmoment (M _VA + M _HA ) betrachtet. In diesem Fall ist keine weitere Unterkategorisierung nötig, da der später durchlaufene Modul M8 das von dem Fahrdynamikregler geforderte Summenachsmoment (M _VA + M _HA ) energe- tisch optimal auf die beiden Achsen verteilen.

Der Block 35 .JCnock-Out-Switch AMK" hat die Aufgabe, mit den Informationen des Blocks 34 (Summenachsmoment und angetriebene Achse(n)) eine Vorauswahl der für die geforderten Achsmomente in Frage kommenden Modi AMK zu treffen. Bei der Funktionalität Knock-Out-Switch AMK wird nach dem Vorhandensein eines Traktionseingriffes des Fahrdynamikreglers unterschieden.

Wenn kein Traktionseingriff vorliegt (Flag TE = 0), werden die sinnvollen Modi AMK auf Basis des Summenachsmomentes (M _VA + M _HA ) und der Grundkatego- rie (1, 2 oder 3) des Summenmomentindikators ausgewählt. Wenn ein Traktionseingriff vorliegt (Flag TE = 1), muss bei der Auswahl zusätzlich auch die Unterkategorie der angetriebenen Achse berücksichtigt werden.

An dieser Stelle ist zu erläutern, dass in der gesamten Beschreibung die momen- tanen Größen (Betriebszustand) explizit als aktuell bezeichnet sind. Alle nicht als aktuell bezeichneten Größen sind die nach Durchlaufen des beschriebenen Verfahrens schließlich an den Komponenten eingestellten Größen. Die den einzelnen Modi zugeordneten Größen und Flags durchlaufen die einzelnen Moduln jeweils als Paket. Das kann in verschiedener Weise ausgeführt beziehungsweise

programmiert sein. Ein geeignetes und im vorliegenden Ausfϊihrungsbeispiel benutztes Werkzeug ist „SIMULINK" ^® , das die Anordnung der Daten in einer Matrix vorsieht; in der vorliegenden Anwendung ist es eine AMGK- Matrix, die Simulink mit Vektoren 36, im vorliegenden Beispiel mit einem AMK- Vektor, einem Gang- Vektor, einem Knock-Out - Vektor, etc, verknüpfen kann.

Der Knockout Vektor der Ist-AMK bzw Ist-AMGK, das ist die aktuelle AMK bzw AMGK vom vorigen Abtastschritt, wird vom Modul 15 Statemachine (Ml 5) zur Verfügung gestellt.

Modul 3: Komponentenverfügbarkeit (KV) M3

Der Modul ,,Komponentenverfügbarkeit" (KV), illustriert durch Fig. 8, soll aus den vom Modul 2 „Achsmoment-Umsetzer" ausgewählten Modi (AMK) die jenigen Modi ausscheiden, die aus Sicht der Verfügbarkeit der Komponenten nicht realisierbar sind. Der aktuelle Zustand der jeweiligen Komponente wird über den Modul „Momentenkoordinator" (Modul 16), oder über den Hybrid- CAN - Bus 16 gemeldet. Der Komponentenverfügbarkeits-Modul M3 besteht aus aus zwei Blocks, einem Block 37 „Filterung nach Verfügbarkeit der Komponenten" und einem Block 38 „Filterung nach Strategie" und enthält hier einen weiteren Block 39 "Momentbeschränkung", der auch in einem anderen Modul untergebracht sein könnte.

Der Block 39 „Momentenbeschränkung" soll das maximal umsetzbare Moment für jede Gangstufe am Eingang des Getriebes oder der Hinterachse (Hinterachsdifferential) bestimmen und dem Modul 8 zur Verfügung stellen. Mit diesem Grenzmoment ist gewährleistet, dass die Maschinen (VKM, EMI, EM2) im Antriebsstrang der Hinterachse HA nicht durch überlastung zerstört werden. Auf

der im beschriebenen Ausführungsbeispiel ebenfalls angetriebenen Vorderachse VA ist hier aufgrund der mechanischen Auslegung keine Momenteneinschränkung erforderlich.

Die von der mechanischen Auslegung bestimmten maximalen Momente für das Hinterachsdifferential HAD und das Schaltgetriebe SG sind in dem nicht dargestellten Speicher als feste Größen hinterlegt. Das maximale Hinterachsdifferential -Moment wird über die Gang-übersetzungen auf die Getriebeeingangsseite des Schaltgetriebes rückgerechnet. Dann wird dieses errechnete Moment mit dem maximalen Eingangsmoment des Schaltgetriebes (SG) verglichen. Diese Grenzmomente für jede übersetzungsstufe werden in die AMGK-Matrix eingetragen.

Dem Block 37 wird die Verfügbarkeitsinformation jeder Komponente über den Hybrid-CAN-Bus 17 von der separaten Zustandsanalye der einzelnen Baugrup- pen 20-23 (siehe Fig. 4) und der Kupplungen Kl bis K4 (siehe Fig. 2) gemeldet. Aus der Auswertung der Verfügbarkeitssignale der Komponenten (VKM, EMI, EM2, SG, Kl, K2, K3, K4, ES) und einem weiteren temporären Verfügbarkeitssignal der Antriebskomponenten VKM, EMI, EM2 aus dem Modul Momentenkoordinator Ml 6 wird ein KO- Vektor gebildet. Die Komponentenverfügbarkeit nimmt anhand des KO- Vektors eine Filterung vor.

Der Block 38 „Filterung nach Strategie" tritt immer dann in Wirkung, wenn hochrangige eindeutige Entscheidungen unabhängig von der Bewertung der Modi zu treffen sind. Dazu zählt zum Beispiel das gezielte Verhindern des Ab- stellens der Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Entscheidungen der Moduln M5, M6, M7 (Management Wärme, SOC, Dynamik).

Fig. 9 zeigt den Block 38 „Filterung nach Strategie" im Detail. Er enthält die Unterblocks 40 „Filterung nach internem VKM-Start-Stop", 41 („Filterung nach Kickdown - Flag" und 42 „Filterung nach Wunsch- AMGK", die auf einen „Verbrennungskraftmaschine -Start-Stopp-Flag" (40), auf einen „Kick-Down- Flag" (41) und auf eine Wunsch- AMGK (42) ansprechen. Dazu im Einzelnen:

a) Filterung nach internem Verbrennungskraftmaschine Start-Stopp-Flag.

Der Unterblock 40 empfangt vom Modul Dynamik-Management (Modul 7) den Start-Stopp-Flag 43 (Flagstartstopp) und eine Meldung „Status VKM" 44. Durch Berücksichtigung dieses Flags und des aktuellen Zustands der VKM (ist gestar- tet/abgestellt) findet eine Filterung von betroffenen AMK statt. Das VKM - Stopp-Signal wird im Modul Komponenten- Verfügbarkeit (M3) als Ausschlusskriterium verwendet. Kriterium ist: Wenn ein Modus der AMK die VKM-Start- Stopp-Bedingung verletzt, wird dieser Modus aus der AMK herausgefiltert. Zur Entscheidung, ob die VKM im Leerlauf abgestellt werden soll oder nicht, filtert der Modul M3 bei Anliegen des Flags _tart stopp ⁼ 0" nur jene AMK heraus, die die VKM im Leerlauf abstellen würden.

b) Filterung nach Kick-Down-Flag

Ein Kick-Down kann vom Fahrer im Antriebsfall immer gegeben werden, wenn eine erhöhte Leistungfahigkeit der Komponenten auch hinsichtlich Dynamik gefort ist. Der Unterblock 41 empfangt dann vom Modul Dynamik-Management (Modul 7) einen Kick-Down-Flag 45. In diesem Fall erfolgt ein Herausfiltern aller Modi, in denen die VKM nicht auf die Hinterachse des Antriebstrangs wirkt. Dazu muss vom Modul Achsmoment-Umsetzer (Modul 2) eine positive Momentenkategorie vorgegeben sein (M>0).

c) Filterung nach Wunsch-AMK

Der Unterblock 42 bietet dem Fahrer die Möglichkeit, gezielt bestimmte Modi unter Berücksichtigung verschiedener Einschränkungen anzuwählen. Dazu wird der entsprechende KO- Vektor ausgewählt und zur Wirkung gebracht. Soll keine Filterung erfolgen, so kann der Block 42 durch einen entsprechenden Parameter desaktiviert werden.

Modul 4: Gang- Vorwahl M4

Aufgabe der Gangvorwahl ist es, für die vom Modul Komponentenverfügbarkeit (M3) als möglich eingestuften AMK zusätzlich alle möglichen Gänge zu identifizieren. Im weiteren Verlauf der Filterkette werden nur noch jene AMGK einer AMK weiterbearbeitet, die mögliche Gangstufen darstellen. Der Modul M4, dargestellt in Fig. 10, steht eingangsseitig mit dem Modul Komponentenver- fugbarkeit M3 in Verbindung und enthält einen Block 47, der eine Drehzahlbe- dingung auf die vom Modul M3 vorgefilterten AMK anwendet und die dieser Bedingung genügenden Modi AMGK an den Modul M8 weitergibt. Dazu werden zunächst sieben AMK-Gruppen definiert, die dann in der Gangvorwahl unterschiedlich behandelt werden. Die Modi (siehe Fig. 3, dort „AMK") einer AMK-Gruppe werden bezüglich der Gangvorwahl gleich behandelt. Zur Veran- schaulichung sind weiter oben die Kupplungsstellungen A,B,C und D definiert.

Zum Beispiel gelten in den folgenden AMK-Gruppen die Drehzahlbedingungen:

Gruppe 1 - VKM-Betrieb (AMK: 1. 2. 28-30. 34-36)

Die Gänge müssen zwingend auf den Drehzahlbereich der VKM ausgelegt sein. Drehzahlbedingung: nvKMMin < n < nvKMMax

Gruppe 2 - VKM-Anpassune (AMK: 14. 17. 20. 21. 31) Kupplungsstellung B: Ein Zukoppeln der VKM ist wahrscheinlich.

Kupplungsstellung C: Der Gang kann vorausschauend für einen Betrieb der VKM gewählt werden. Da Kl geöffnet ist, ist der Getriebeeingang lastfrei und damit ein Schaltvorgang nicht spürbar. Drehzahlbedingung: nvKMMin < n < nvKMMax

Gruppe 3 - TowStart-Anpassung (AMK: 3. 6, 10)

Die Verbrennungskraftmaschine ist nicht in Betrieb. Kupplungsstellung B. Die EMI wird motorisch oder generatorisch betrieben. Die Gangwahl wählt vorausschauend einen Gang, der ein Anschleppen des Fahrzeuges (TowStart) ermöglicht, in dem die Drehzahl der VKM nahe der Leerlaufdrehzahl ist. In den weite- ren Gruppen ist keine Berechnung notwendig. Der je nach Gruppe richtige Gang wird über den KnockOut- Vektor vorgegeben.

Die VKM beziehungsweise die EMI können nur in einem begrenzten Drehzahlbereich betrieben werden. Nur die AMGK, die garantieren, dass die Getriebe- eingangsdrehzahl sich in diesem Drehzahlbereich befindet, dürfen als Modi an die folgenden Moduln weitergegeben werden. Alle anderen werden über den KnockOut- Vektor gestrichen.

Modul 5: Wärmemanagement M5

Der Modul Wärmemanagement M5 hat die Aufgabe, bei der Wahl des Arbeitspunktes thermisch unerwünschte Bereiche der Hybridkomponenten auszuschlie- ßen und die elektrischen Leistungsgrenzen der E-Maschinen EMI, EM2 sowie die thermisch eingegrenzte Maximalleistung der VKM an folgende Moduln (insbesondere an Modul MIO) weiterzugeben. Als Querschnittsfunktion wird im Wärmemanagement das „Start-Stopp-Flag" gebildet.

In Fig. 11 umfasst der Modul M5 einen Block 51 Berechnung der Maschinenleistungsgrenzen" und einen Block 52 „Erzeugung des Start-Stop-Flags". Der Block 51 berechnet die Leistungsgrenzen der VKM und der Elektrischen Maschinen EMI, EM2.

Berechnung der Leistungsgrenzen der Verbrennungskraftmaschine

Zur Berechnung der oberen Maschineneleistungsgrenze der VKM wird eine Drehzahlbedingung und eine parametrierbare maximale Leistung benötigt und ist eine Fallunterscheidung zwischen seriellen und parallelen Modi zu treffen. Parametrierbar bedeutet für die jeweilige Anwendung (Zur Anpassung an das jeweilige Fahrzeug) wählbar.

a) Modi mit positivem Sollmoment der VKM

(Seriell = Inselbetrieb = VKM treibt nur den Generator)

Da bei seriellem Betrieb (zum Beispiel AMK 31, siehe Tabelle in Fig. 3) die Drehzahlbedingung des Moduls Gangvorwahl M4 für zu hohe Drehzahlen nicht greift, hat das Wärmemanagement die Aufgabe, für diese Modi die Einhaltung der von dem Modul Systemzustandsanalyse Ml berechneten Drehzahlobergren- ze zu garantieren. Die maximale Leistung der VKM errechnet sich aus der Drehzahl und dem Moment der streng monoton steigenden Optimallinie (aus überlagerung der Kennfelder von VKM und EMI ) bei der Drehzahlobergrenze der Verbrennungskraftmaschine. Die sich ergebende maximale Leistung wird mit einer Minimum- Auswahl mit der temperaturabhängigen Leistung Pv _KMm a _x aus dem Modul Systemzustandanalyse Ml verknüpft.

b) Parallele Modi unabhängig vom Soll-Moment

(Die Verbennungskraftmaschine ist mit der Hinterachse verbunden)

In diesem Fall ist die die maximale Leistung die parametrierbar und von der Temperatur der Verbrennungskraftmaschine abhängige Leistung Pv _KMMax - Die

Leistung der VKM ergibt sich aus der Schleppkennlinie und der temperaturabhängigen maximal zulässigen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine

©VKMmax- ^Ul ^M VKMSchleppmax = f( ^W VKMmax )

Mit der Vorgabe einer minimalen Leistung der VKM PvK _MMm i _n als untere Leis- tungsgrenze kann der Modul Wärmemanagement M5 auch den Schleppbetrieb einschränken und damit verhindern, daß die VKM im Schubbetrieb durch einen zu niedrigen Gang eine zu hohe Drehzahl erreicht. Die minimale Leistung der VKM errechnet sich für alle Modi aus dem maximalen negativen Moment im Schleppbetrieb (M _V κ _MSch i _e pp _max ) und der temperaturabhängigen maximalen Dreh- zahl der VKM . Die maximale negative Leistung der Verbrennungskraftmaschine ist damit: PyKMmIn = ^W VKMmax -MvKMSchlβppmax

Berechnung der Leistungsgrenzen der Elektrischen Maschinen (EMI. EM2)

Ebenso wie die Leistungsgrenzen der VKM ist auch die maximale und die minimale Leistung der elektrischen Maschinen EM1,EM2 vom Modus abhän-gig. Im generatorischen Betrieb ist die untere Grenze der Leistung (Sekunden- oder Dauerleistung) die maximale Leistung im Zugbetrieb der EMI, aber umgerechnet auf den generatorischen Bereich und die obere Grenze ist Null. Im mo- torischen Betrieb ist die untere Grenze 0 kW und die obere Grenze die maximale Leistung der EMI.

Die im Block 51 errechneten Maschineneleistungsgrenzen werden in einem folgenden Modul (M8: Arbeitspunkt/Wirkungsgrad) den Bereich der Arbeits- punktoptimierung durch das Setzen von Leistungsgrenzen einschränken.

Durch Setzen des „Start-Stopp-Flags" (Block 52) wird der für eine Filterung der AMK-Liste durch den Modul Komponentenverfügbarkeit (Modul 3) benötigte Flag „Start-Stopp-Flag" generiert. Dieser Flag hat folgende Bedeutung:

Start-Stopp-Flag = 1 : VKM darf nach Belieben gestartet und abgestellt werden, Start-Stopp-Flag = 0: die VKM darf, einmal gestartet, nicht mehr abgestellt werden. Der Start-Stopp Flag wird vom Block 52 gesetzt, wenn die Temperatur der VKM unter einem parametrierbaren Wert liegt. Er wird später vom Wärmemanagement dazu genutzt, bei einer zu tiefen Temperatur T _VKM der VKM ein Abstellen der VKM zu verhindern.

Modul 6: Ladunqsmanagement (SOC) M6

Der Modul Ladungsmanagement („State of Charge" = SOC) sorgt für einen ausgeglichenen Ladezustand der Batterie (ES), indem er einerseits für gewisse AMK bzw AMGK Leistungsgrenzen der Batterie an das Dynamikmanagement (M7) vorgibt, andererseits der Bewertung (dem SOC-Bewerter, M9) die zu be- wertenden Daten für die unterschiedlichen AMK bzw AMGK nach deren Ein- fluss auf einen ausgeglichenen Ladezustand vorgibt. Weiters analysiert er den Batteriezustand.

Der Modul Ladungsmanagement versucht, die Batterie bei niederem Ladestand zu laden und reduziert bei hohem Ladestand kontinuierlich die mögliche Ladeleistung. Das SOC-Management regelt nur die Ladeleistung der Batterie, aber nicht deren Entladeleistung. Die Regelung der Entladeleistung der Batterie ü- bernimmt das Dynamikmanagement (Modul 7). Die Ladegrenzen der Batterie sind unabhängig von der Fahrdynamik, im Gegensatz dazu sind die Entladegren- zen der Batterie sehr wohl von ihr abhängig (z.B. bei einem Modus „BOOST", in dem eine E-Maschine die VKM unterstützt, um - zum Beispiel für einen ü- berholvorgang - die maximal mögliche Leistung zu erreichen).

Ein gespeichertes Kennfeld für Ladezustand und Ladeleistung der Batterie ist in Bereiche mit jeweils geeigneter Ladeleistung eingeteilt. So gibt es einen optimalen Bereich für maximale Lebensdauer der Batterie ES und einen verbotenen

Bereich, in dem sie Schaden leidet, und Zwischenzonen. Wenn der Ladestand unter einem parametrisierbaren Wert fallt, wird ein Start/Stopp Flag gesetzt (Querschnittsfunktion). Ist er gesetzt, wird ein Abstellen der VKM verhindert.

Modul 7: Dynamik - Management M7

Unter Berücksichtigung der Vorgaben der vorher beschriebenen Managementsysteme (SOC, Wärme, Moduln M5,M6) gibt der Modul Dynamikmanagement M7 den Bereich der Arbeitspunktoptimierung und der Wirkungsgradberechnung vor. Er greift dabei aktiv in die Momentengrenzen ein, um den Fahrerwunsch hinsichtlich Dynamik zu erfüllen und die Batterie zu schonen. Der Modul Dynamikmanagement M7 hat folgende Aufgaben bzw Besonderheiten :

- Er hat die höchste Priorität der Managementsysteme,

- Er enthält eine Zustandsanalyse für den Leistungshaushalt und Vorgabe von Maschinenmomentengrenzen, - Er berücksichtigt bei der Vorgabe der Momente der elektrischen Maschinen EM1,EM2 die Batterie ES und erhöht so deren Lebensdauer,

- Er kann Momentengrenzen dynamisch verschieben, (z.B Boost: mehr Moment auf E-Maschinen, da elektrisch das Soll-Moment schneller erreicht wird, dann Verschiebung der Antriebsleistung auf die VKM), - Er gibt die Beurteilungskriterien für die unterschiedlichen Modi AMK bzw AMGK nach deren Einfluss auf Dynamikanforderung und Batterielebensdauer an den Dynamikbewerter MI l vor,

- Er berücksichtigt die Verteilung der verfügbaren elektrischen Leistung auf die beiden elektrischen Maschinen EMI, EM2.

In Fig. 12 ist die Softwarestruktur des Moduls Dynamikmanagement (M7) dargestellt. Er enthält im Wesentlichen drei Blocks: Einen Dynamikblock 55, einen Sammelblock 56 und einen Umrechnungsblock 57. Der Dynamikblock 55 steht eingangsseitig mit dem Fahrdynamikregler FDR und über den Momenten-

koordinator M6, den Konditionierer 12 und den Hybrid-CAN-Bus 17 mit den Komponenten - Einheiten 21 bis 23 (Fig.4) und 25,26 in Verbindung, und mit der Batterie ES. Im Dynamikblock 55 errechnet zuerst ein Unterblock 58 einen Elektro - Dynamikfaktor E _Dyn und legt in der Folge ein Unterblock 59 die dynamisch korrigierten Leistungsgrenzen der Batterie ES fest und stellt sie dem Sammelblock 56 zur Verfügung (Linie 60 ).

Der Elektro - Dynamikfaktor E _Dyn erweitert den Dynamikfaktor um die Betrachtung der Batterie. Er ist immer kleiner gleich dem Dynamikfaktor aus der Fahrerwunschauswertung FW. Nur wenn die Batterie im Idealzustand für hohe Ent- ladung ist, sind beide Dynamikfaktoren gleich (E _Dyn ⁼ DynF).

Fig. 13 zeigt die Grenzen der von der Batterie ES abgegebenen und von den e- lektrischen Maschinen aufgenommenen Leistung (auf der Ordinate) in Abhängigkeit vom Dynamikfaktor (auf der Abszisse), mit anderen Worten von der Dynamikanforderung. Der Dynamikfaktor Edyn liegt zwischen 0 % (keine Dynamikanforderung, Schonung der Batterie) und 100 % (höchste Dynamikanforderung, auch bei überlastung der Batterie). Bei den Leistungsgrenzen der Batterie wird zwischen einer Dauerleistung P _E S _d aue _r (68) und einer Sekundenleistung Pεsse _k (69) (auf der Ordinate aufgetragen) unterschieden. Ebenfalls auf der Ordi- nate sind die Leistungsgrenzen der elektrischen Maschine EMI aufgetragen: PEMi _m in 70 und Pε _M i _max 71. Die Kennlinien 72,73 berücksichtigen die Lastkollektive des Fahrers und die Lebensdauer der Batterie, wobei erstere (72) für ein Minimum an Dynamik sorgt und zweitere (73) die maximale Batterieleistung zwecks Optimierung ihrer Lebensdauer beschränkt.

Bei einer mittleren Dyanamikanforderung von 40 % schneidet die entsprechende vertikale Gerade die der minimalen Leistung der EMI entsprechende Horizontale 70 im Punkt 75 und die Dynamik-Kennlinie 73 im Punkt 76. Dem entspre-

chen die minimale und maximale dynamische Leistung der EMI, P _EM i _m inD und P _EM i _m a _xD - Das sind deren Leistungsgrenzen für die Optimierung deren Arbeitspunktes im folgenden Modul M8.

Im Sammelblock 56 (wieder in Fig. 12) werden dann die verschiedenen Leis- tungsgrenzen zusammengeführt, und zwar: die dynamisch korrigierten Leistungsgrenzen der Batterie (ES) aus Block 55, die thermischen Leistungsgrenzen der Maschinen (VKM, EM1,EM2) aus dem Modul 5 und die aus dem Ladezustand der Batterie (ES) von Modul 6. In einem Unterblock 62 wird zwischen dynamischen Leistungsgrenzen mit oder ohne Mitwirkung des Fahrdynamikreg- lers (FD) unterschieden und entsprechend dieser Unterscheidung werden die Leistungsgrenzen in zwei Unterblocks 63,64 einer Minimum- Auswahl unterzogen. So werden im unteren Block 64 die Leistungsgrenzen weiter eingeschränkt, sodass die Dynamikanforderung bei möglichster Schonung der Batterie erfüllt wird.

Die Leistungsgrenzen werden sodann im Umrechnungsblock 57 für die in Frage kommenden AMGK unter Einbeziehung von Daten und Zwischenresultaten aus dem Modul, Systemzustandsanalyse Ml, in Drehmomentgrenzen umgerechnet. Die Leistungsgrenze aus dem Unterblock 63 ergibt die maximalen Momente bei Dauerleistung; die aus dem Unterblock 64 die maximalen Momente bei Sekundenleistung. Diese eingeschränkten Grenzen werden der Wirkungsgradberechnung in Modul 8 dann als Grenzen für die Optimierung vorgegeben und auch dem Dynamik - Bewerter (Ml 1) zur Verfügung gestellt.

Der Block Start-Stop-Flag 66 wird in diesem Modul vom Fahrdynamikkregler FD und vom Ladezustand (Modul 6) beeinflusst, zum Beispiel, um bei Befahren einer Steigung das Abstellen der VKM zu verhindern, da schnell hohe Momente gefordert werden können. Sie wird dann nicht abgestellt.

Modul 8: Arbeitspunkt / Wirkunαsαradberechnunq

Fig. 14 stellt die Softwarestruktur der Wirkungsgradberechnung / Arbeitspunktoptimierung dar. Für jede AMGK wird genau ein lokal optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Der Modul 8 ist eingangsseitig mit dem Modul „Gangvorwahl" (M4) verbunden und erhält weitere Eingaben von der Systemzustandanalyse (Ml), vom Dynamikmanagement (M7), und die mechanisch bedingten Grenzmomente vom Block 39 des Moduls Komponentenverfügbarkeit M3. Die Optimierung erfolgt in zwei Schritten, „Bestimmung Arbeitspunkt" (Block 80) und Berechnung Wirkungsgrad" (Block 81).

1. Bestimmung des Arbeitspunktes

Für jede AMGK wird jener Arbeitspunkt der drei Maschinen (EMI, EM2 undVKM) bestimmt, der den besten Gesamtwirkungsgrad für die geforderte Momentenverteilung darstellt, in Abhängigkeit von einem Eingriff des Fahrdynamikreglers FDR. Der Bereich, in dem die Optimierung erfolgt, wird vom „Dynamikmanagement" (M7) unter Berücksichtigung der Vorgaben von Wärmemanagement (M5) und Ladungsmanagement (M6), welche die physikalischen Grenzen weisen, mittels Momentengrenzen vorgegeben. Die Momen- tengrenzen von der Komponentenverfügbarkeit (Getriebeschutz) werden in der Bestimmung des Arbeitspunktes berücksichtigt. Liegt der Fahrerwunsch außerhalb des darstellbaren Bereichs, wird der für die jeweilige AMGK maximal darstellbare Arbeitspunkt ermittelt.

Die aktuelle Drehzahl der Maschinen ist generell durch die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit und die aktuelle Gangstufe bestimmt und wird von der Systemzu- standsanalyse (Ml) geliefert. Die Variation des Arbeitsbereichs erfolgt primär

durch eine Umverteilung der Momente zwischen den Maschinen. Somit sind mit der Momentenverteilung die Arbeitspunkte durch Moment und Drehzahl definiert. In Ausnahmefallen (z.B serieller Betrieb) ist die Drehzahl erst nach der Arbeitspunktsbestimmung definiert.

Zur Bestimmung des Arbeitspunktes werden zunächst die AMK nach der Momentenverteilung kategorisiert:

a.) nur eine EM ist eingeschaltet, VKM ist ausser Betrieb oder im Leerlauf zum Beispiel: AMK 6/10/20/21 (siehe Fig. 3)

Das E-Maschinenmoment für die eingeschaltete E-Maschine entspricht dem Fahrerwunschmoment, alle anderen Maschinenmomente sind null.

b.) nur die VKM ist in Betrieb AMK 2/29 (siehe Fig. 3)

Das VKM-Moment entspricht dem Fahrerwunschmoment, alle anderen Maschi- nenmomente sind null.

c.) Allradmodus und zwei Maschinen sind eingeschaltet AMK 1/3/13/33 (siehe Fig. 3), erfordert eine Fallunterscheidung:

cl) VKM und EM2 sind eingeschaltet AMKl/33 (siehe Fig. 3) Wenn ein Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) vorliegt, sind die beiden Achsmomente und somit auch die Maschinenmomente eindeutig vorgegeben. Wenn kein Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) vorliegt, ist die Aufteilung der Momente zwischen der VKM und der EM2 variabel, eine Optimierung hinsichtlich bestem Wirkungsgrad ist durch Verschiebung der Momente bei fixer Drehzahl möglich. Der Bereich des für die Optimierung in Frage kommenden Moments (die Drehzahl ist fix) wird durch die Momentengrenzen sowie den Getriebeschutz bestimmt.

c2) EMI und EM2 sind eingeschaltet (AMK 3/13)

AMK 3: Aufladen der Batterie mit beiden EM

Diese AMK wird nur durch Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) aktiviert, dann gibt der Fahrdynamikregler auch beide Achsmomente eindeutig vor und auch die Maschinenmomente sind eindeutig bestimmt.

AMK 13: Rein elektrischer Allradantrieb

Wenn ein Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) vorliegt, gibt er auch beide Achsmomente und somit auch die Maschinenmomente eindeutig vor. Wenn kein Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) vorliegt, ist die Aufteilung der Momente zwischen EMI und EM2 variabel, eine Optimierung hinsichtlich besten Wirkungsgrad ist durch Verschiebung der Momente bei fixer Drehzahl möglich.

d.) nur Moment an die Hinterachse und VKM und EMI sind ein- und EM2 ist ausgeschaltet , AMK 28/30 (siehe Fig. 3)

In diesem Fall gilt die Forderung, dass das gesamte Fahrerwunschmoment an die Hinterachse geliefert wird. Die Aufteilung der Momente zwischen VKM und EMI ist variabel, eine Optimierung hinsichtlich bestem Wirkungsgrad ist durch Verschiebung der Momente bei fixer Drehzahl möglich. Der Bereich des für die Optimierung in Frage kommenden Moments (Drehzahl ist fix) wird durch die Momentengrenzen vom Dynamikmanagement (M7) sowie dem Getriebeschutz des Moduls Komponentenverfügbarkeit (M3) bestimmt.

e.) Allradmodus und alle Maschinen eingeschaltet

AMK32/AMK34, auch hier erfolgt eine Fallunterscheidung

el) EMI arbeitet generatorisch. VKM und EMI motorisch (AMK 32) Diese AMK wird nur durch Traktionseingriff des Fahrdynamikreglers (FDR) aktiviert, der eine eindeutige Verteilung der Achsmomente vorgibt. Die EM2

muss das Vorderachsmoment liefern, die Verteilung zwischen VKM und EMI ist frei wählbar. Die Optimierung des Momentes von der EMI und der VKM erfolgt wie unter d.).

e2) Alle drei Maschinen arbeiten motorisch (AMK34)

Wenn ein Traktionseingriff vorliegt, gibt der FDR beide Achsmomente eindeutig vor. Die EM2 muss das Vorderachsmoment liefern, die Verteilung zwischen VKM und EMI ist frei wählbar. Die Optimierung der Momente der EMI und der VKM erfolgt wie unter d.)

Liegt kein Traktionseingriff vor, ist die Aufteilung der Momente zwischen VKM, EMI und EM2 variabel. Es wird versucht, mit EM2 die Vorgaben des Fahrdynamikreglers (FDR) darzustellen, das restliche Summenmoment wird von der EMI und der VKM aufgebracht. Eine Optimierung hinsichtlich bestem Wir- kungsgrad ist durch Verschiebung der Momente zwischen der VKM und der EMI bei fixer Drehzahl möglich.

Es folgt eine genaue Beschreibung der Vorgangsweise, die für die Ermittlung der Momentenverteilung mit optimalem Wirkungsgrad exemplarisch ist, anhand der Fig. 15 und der AMK 28 (VKM und EMI treiben die Hinterachse, EM2 ist ausgeschaltet, reiner Hinterradantrieb). Fig 15 setzt sich dazu aus drei Diagrammen zusammen: Diagramm a) zeigt die Vollastkurve 90 der VKM (das Moment über der Drehzahl), Diagramm b) zeigt die Vollastkurve 91 der EMI, und Diagramm c) zeigt den Wirkungsgrad auf der Ordinate über dem Diffe- renzmoment.

In einem ersten Schritt wird das Fahrerwunschmoment M _F w auf den Getriebeeingang umgerechnet, mit dem maximalen Getriebeeingangsmoment aus dem

Modul Komponentenverfügbarkeit (M3) beschränkt und mit der aktuellen Drehzahl (Fahrgeschwindigkeit) ω _IS χ verknüpft. So erhält man den Punkt 92.

In einem zweiten Schritt werden die Momentengrenzen für die Optimierung des Wirkungsgrades bestimmt. Die Momentengrenzen aus dem Dynamikmanage- ment M7 (Volllastkurven 90 der VKM in Fig. 15a) und 91 der EMI in Fig. 15b) beschreiben die maximalen Momente Mvκ _M _ _ma χ _» M _EMI _ _πUIX der Maschinen für die aktuelle AMGK. Das Moment, das die VKM noch über den Fahrerwunsch Mpw hinaus abgeben kann (der vertikale Abstand des Punktes 92 von der Kurve 90), ist die Momentenreserve der VKM (δM _MHXVKM ) _» ein Differenzmoment. Wenn dieses von der EMI aufgebracht werden kann, so ist dies die obere Momentengrenze δM _Ma χ (siehe Fig. 15c) für die Optimierung. Andernfalls reduziert sich die Momentenreserve auf das Maximalmoment von EMI (AM _MJKEMI )-

Die obere Momentengrenze δM _Ma χwird durch Minimum- Auswahl aus den ma- ximalen Momenten (δMvκM_m _a χ _» δM _EM i_m _a χ ) der beiden Maschinen für die aktuelle AMGK erhalten. Die untere Momentengrenze (AM _M i _n ) für die Optimierung ist nur bestimmt durch das minimale Moment der EMI , das im Modul Ladungsmanagement M6 ermittelt wird. Das sind die Optimierungsgrenzen AM _1nJn , δM _max (vertikale Gerade) in Fig. 15c.

Im dritten Schritt wird innerhalb der Optimierungsgrenzen AM _nUn , δM _max der Arbeitspunkt besten Wirkungsgrades bestimmt, der auch gleichzeitig die Momente der EMI und der VKM festlegt. Das ist in Fig. 15c zu sehen, in der der Wirkungsgrad über dem Differenzmoment AM aufgetragen ist. Die wellenför- mige Kennlinie 96 des Gesamtwirkungsgrads ergibt sich aus der überlagerung der Wirkungsgradkennfelder der beiden Maschinen VKM und EMI (im Hintergrund des Diagramms, nicht zu sehen), für das AM _M8X - Der höchste Punkt 97 auf der Wellenlinie 96 zwischen den Grenzen δM _M i _n undδM _Ma χist der optimale Ar-

beitspunkt. Er entspricht dem optimalen Differenzmoment δMo _pt auf der Abszisse des Diagramms c).

Im letzten Schritt wird daraus das an den Maschinen einzustellende Moment ermittelt, wobei MVKM = MFW + δMopt MEMI = ~ δMopt

In den Diagrammen a) und b) entspricht dem M _VKM der Punkte 98 und dem M _EMI der Punkt 99.

Ad. 2: Wirkungsgradberechnung

Die Wirkungsgradberechnung ermittelt für die in Frage kommenden AMGK den Gesamtwirkungsgrad in den Arbeitspunkten (definiert durch Moment und Drehzahl der Maschinen) für die unter Bestimmung Arbeitspunkt" berechneten Momente, in Abhängigkeit des Systemzustands. Der Gesamtwirkungsgrad basiert auf dem gesamten Leistungsfluss in einer Wirkungsgradkette. Er setzt den TreibstoffVerbrauch pro Zeiteinheit zu der abgegebenen mechanischen Leistung an den Rädern in Beziehung.

So wird zum Beispiel beim Laden der Batterie durch Rekuperation der Bremsenergie die Wirkungsgradkette von dem Tank 105 (in Fig.16) („chemischer" Energiespeicher) über eine generatorisch betriebene elektrische Maschine, die Batterie und deren Umrichter, und zusätzlich die Wirkungsgradkette von der Batterie über die motorisch betriebene elektrische Maschine und die Kraftüber- tragung bis zu den Rädern berücksichtigt. Die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie ist durch den zusätzlichen Kraftstoffverbrauch der VKM über die Wirkungsgradkette von der VKM bis zur Batterie in Beziehung gesetzt (durch ηθptLPAH_dp), somit ergibt sich auch bei rein elektrischem Fahren ein virtueller

Kraftstoffverbrauch. In der Folge kann auch der Wirkungsgrad in dieser Betriebsart bestimmt werden.

Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus der auf die Straße abgegebenen Leistung und allen durch Treibstoff und durch Rekuperation zugeführten Leistungen; mit anderen Worten: er ist der Quotient aus der vom System abgegebenen Leistung und der Summe der dem System durch den Treibstoff der VKM und durch Rekuperation zugeführten Leistungen. Das ist in Fig. 16 symbolisch dargestellt.

In Fig. 16 ist die Energiezufuhr durch den Treibstoff aus dem Kraftstofftank (Pfeil 101) und durch Rekuperation (Pfeil 102). Das System 100 ist das gesamte Fahrzeug mit seinem Hybrid-Antrieb und mit seinem Energiespeicher ES. Energieverluste entstehen im Antriebsstrang (Pfeil 103) und durch Nebenverbraucher (Pfeil 104). Die vom System abgegebene Leistung ist der Vortrieb (Pfeil 106).

Dabei ist zwischen Zugbetrieb (=positive Achsmomente) und Schubbetrieb (=negative Achsmomente) des Fahrzeuges zu unterscheiden. Eine Kombination von positiven und negativen Achsmomenten ist ausgeschlossen (keine AMGK). Bei den Leistungen sind immer die Absolutwerte anzusetzen.

Modul 9: Bewerter Ladezustand (SOC)

Es ist Aufgabe dieses Moduls, die AMGK nach ihrem Einfluss auf den Batterieladezustand zu bewerten. Jene AMGK, die sich positiv auf den Ladezustand der

5 Batterie (ES) auswirken, werden gut, die anderen schlechter bewertet. Eine leere Batterie soll geladen werden, eine volle Batterie möglichst entladen.

Der Modul Bewerter Ladezustand M9 schließt an den Modul Wirkungsgradberechnung M8 an und steht eingangsseitig auch mit dem Modul Ladungsmana-

10 gement M6 in Verbindung. Er gibt für alle in Frage kommenden AMGK eine Wertnote BF _S oc aus. Die Ermittlung dieser für einen AMGK ist In Fig. 17 dargestellt. Das den geschätzten Leistungsbedarf für die Batterie ES (positiv: Batterie wird entladen, negativ: Batterie wird geladen) angebende Signal 110 (HCUw _BPhvBatt ) kommt von der Wirkungsgradberechnung (M8) zu einem Block

15 111 (Stabilisation) und zu einem Block 112 (Leistungsbeanspruchung der Batterie). Das Signal 110 (HCUw _BPh v _B att) für jede zur Auswahl stehende AMGK ist ein eindeutiges Maß für deren Einfluss auf den Batterieladezustand.

Die Bewertung der Batterieleistung hinsichtlich des Ladezustandes erfolgt nach 0 zwei Gesichtspunkten: Im ersten in Block 111 wird die AMGK spezifische Batterieleistung auf ihren Einfluss auf einen ausgeglichenen Ladezustand der Batterie ES (zwischen rund 40 und 70 % geladen) bewertet; nach dem zweiten (Block 112) wird die Leistungsbeanspruchung der Batterie bewertet.

5 Zur Bewertung des Ladezustandes (Stabilisation) in Block 111 stehen Wertno- ten zwischen BF _S ocstabii ⁼ 0 und BFsocstabii = 1 zur Verfügung. Im Extremfall wird bei leerer Batterie eine AMGK mit maximaler Ladeleistung mit 1 und eine AMGK ohne Ladeleistung mit 0 bewertet, bei voller Batterie mit 0 beziehungsweise 1.

0 Zur Bewertung der Leistungsbeanspruchung der Batterie (Block 112): Der Modul Ladezustands-Management (M6) hat die Aufgabe, die Laderegelung der Batterie zu übernehmen und liefert damit die Grundlage für die Bewertung der Ladeleistung. Für die Entladegrenzen hinsichtlich mechanischer Leistungsfähig-

keit (Moment) ist das Dynamikmanagement (M7) zuständig. Deshalb bewertet der Modul M9 auch die Entladeleistung der Batterie, um ein Entladen/Laden der Batterie bei unterschiedlichen AMGK überhaupt vergleichbar zu machen. Sehr geringe Leistungen sind für die Lebensdauer der Batterie günstig, sehr hohe sind schädlich. Entsprechend werden die Wertnoten BFsocLeistg in dem Bereich zwi- sehen 0 und 1 gewählt.

Die beiden Wertnoten BFsocstabii und BFsocLeistg werden in einem Block 113 durch Multiplikation zu einer Gesamtwertnote BFsoc zusammengeführt. Das entspricht einer Abwägung zwischen schnellem Erreichen des optimalen Lade- zustands und schonender Ladung/Entladung der Batterie. Die multiplikative Verknüpfung bewirkt, dass eine sehr niedere Wertnote sehr starken Einfluss haben kann, was möglich ist, weil die Wertnoten nie ganz gleich Null sind.

Modul 10: Bewerter Wärme

Der Bewerter Wärme hat die Aufgabe, durch Bewertung nach der thermischen Entwicklung der VKM, der E-Maschinen und der Batterie Einfluss auf die Aus- wähl einer AMGK zu nehmen. Für die thermischen Zustände dieser Komponenten ist die Verlustleistung im Arbeitspunkt maßgebend. Modul 10 steht ein- gangsseitig mit dem Modul Wirkungsgrad und Arbeitspunkt M8, mit dem Modul Wärmemanagement M5 und mit Temperatursensoren (nicht dargestellt) in Verbindung. In Fig. 18 ist je ein Block (121-124) für die Berechnung und Be- wertung der Verlustleistung jeder Komponente (VKM, EMI, EM2, ES) im Arbeitspunkt für alle in Frage kommenden AMGK, vorgesehen. Die einzelnen Wertnoten der parallelen Beurteilung der thermischen Entwicklung in den Komponenten werden in Block 125 zusammengeführt.

Dazu werden zunächst in Block 120 für jede in Frage kommende AMGK und die bereits in Modul M8 ermittelten Arbeitspunkte jeder Komponente die Ver-

lustleistungen aus den Momenten und Drehzahlen der einzelnen Maschinen und aus deren Einzelwirkungsgraden (auch aus Modul M8) berechnet. Aus diesen werden dann unter Berücksichtigung der Temperaturen (126) der Komponenten in den Blocks 121 bis 124 die Einzelwertnoten BF ermittelt, und zwar im Block 121 BFwaπneVKM für die VKM, 122 BFw&meEMi für die EMI, 123 BF _Wfl rmeEM2 für die EM2 und 124 BFwarmeBatt für die Battere (ES).

Die Gesamtbewertung in Block 121 wird geteilt in die bestmögliche Erreichung der Optimaltemperatur (eigentliches Wärmemanagement), in die Beurteilung des entstehenden Treibstoffdurchsatzes in Abhängigkeit der Temperatur, die Vermeidung zu hoher Temperaturen und die Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine. Sowohl „Gewährleistung der Erwärmung", als auch Beurteilung des Treibstoffdurchsatzes bei niedrigen Temperaturen" ermitteln ihre Wertno- teen aus der Verlustleistung und der Temperatur der VKM.

In Block 122 und 123 wird die Wertnote für die Verlustleistung der E-Maschi- nen ermittelt. Eine einfache Abschätzung des zu erwartenden thermischen Zu- standes besteht zum Beispiel darin, die Verlustleistung der E-Maschine in den in Frage kommenden AMGK zu der Verlustleistung in Beziehung zu setzen, die momentan bei maximaler Leistung auftreten würde. So kommt man für jede der beiden E-Maschinen zu einer Wertnote BF _BWEM i und BF _BWEM 2 welche wieder zwischen 0 und 1 liegt. Dabei ergibt sich die beste Bewertung bei einer Verlustleistung von 0 und die schlechteste Bewertung bei maximaler Verlustleistung. Dadurch werden AMGK bevorzugt, bei denen die Maschinen abkühlen können, wenn sie heiß sind.

Berechnung des Wertnote BFwam„.n,,tt der Batterie

Bewertet werden soll für die gewünschte Batterieleistung im Arbeitspunkt der stationäre Endwert der Batterietemperatur und die Tendenz der Wärmeentwicklung. Der Wertnote für die Temperatur der Batterie wird daher in 2 Teile aufgeteilt, welche addiert werden. Die Addition wird gewählt, weil selbst bei einem außerhalb des erlaubten Temperaturbandes liegenden stationären Endwert der Wertnote nicht 0 werden darf. Die höchste Wertnote wird vergeben, wenn die Optimaltemperatur erreicht wird. Da es sich um eine von zwei in eine Addition eingehende Wertnoten handelt, ist der maximale Wert für die Wertnote BFew _Batt i = 0,5. Liegt der Wert für die Endtemperatur außerhalb eines erlaubten Bandes, kann es nur eine Wertnote BFewβ _att i ⁼ 0 geben.

In Block 125 wird aus den einzelnen Wertnoten aus den Blocks 121 - 124,

BFBWVKM, BFBWEMI ,, BF _B WEM2 und BF _B wBatt durch Multi ^p likation eine Gesamtwertnote BF _B w _Gesamt berechnet, wobei die einzelnen Wertnoten mit Gewichtungsfaktoren versehen sein können. Dabei besteht auch die Möglichkeit, ein- zelne Wertnoten ganz auszublenden.

Modul 11 : Bewerter Dynamik Der Bewerter Dynamik soll alle AMGK hinsichtlich ihrer Dynamik bewerten. Es ist seine Aufgabe, die Höhe des Momentes jeder AMGK nach der Abweichung vom Fahrerwunsch FW zu bewerten. Die Wertnote Dynamik (BF _D ynamik) wird aus Teilbewertungen für die Momentenhöhe und für das Beschleunigungsvermögen (aus der Zugkraftreserve und der Bewertung der Lage des Arbeits- punktes) ermittelt.

Der Bewerter Dynamik MI l steht eingangsseitig direkt mit dem Bewerter Wärme (MIO), indirekt mit dem Modul Arbeitspunkt/Wirkungsgrad (M8) und mit dem Modul Dynamik-Management (M7) in Verbindung und liefert aus- gangsseitig die Wertnote Dynamik BF _Dynaπük -

In Fig. 19 sind die dafür bestimmten Blocks eingezeichnet: ein Block 130 Berechnung Gesamtachsmoment", ein Block 131 Bewertung Momentenhöhe", ein Block 132 „Bewertung Zugkraftreserve", ein Block 133 Bewertung Arbeitspunkt", ein die Ergebnisse der Blocks 132 und 133 zusammenfassender Block 134 ,3ewertung Beschleunigungvermögen" und schließlich ein die Ergebnisse von Block 131 und Block 134 zusammenfassender Block 135 Berechnung Wertnote Dynamik".

Da das Summenachsmoment aus Modul M2 von dem vom Fahrdynamikregler FDR vorgegebenen wegen mangelnder Leistungsreserve einer der Komponenten abweichen kann, muss es aus den Arbeitspunkten für jede AMGK neu berechnet werden. Die Berechnung wird im Block 130 durchgeführt, weil der Ausgangswert außer im Bewerter Dynamik auch weiter unten im Komfortfilter benötigt wird. Das Moment einer AMGK ergibt sich aus der Addition der Momente für alle drei Maschinen in den Betriebspunkten (aus Modul 8) unter Berücksichtigung der jeweiligen übersetzungen zu: MAP = (MAP.VKM + MAP,EMI) * iGang * IHAD + MAP,EM2 * ivAD

In Block 131 wird das in Block 130 ermittelte Summenachsmoment bewertet. Die Bewertung der Momentenhöhe ist bei Zug- und Schubbetrieb gleich. Die Wertnote liegt zwischen 0 und 1. Die Beziehung zwischen der Wertnote und der Abweichung kann eine lineare sein. Vorteilhaft ist es, die Beziehung anhand einer parametrisierbaren Kurve herzustellen, die bei Nicht-Erfüllbarkeit des Fahrerwunsches sehr steil vom Wert 1 abfallt.

In Block 132 wird die Zugkraftreserve bewertet. Damit soll neben der statischen

Betrachtung der Momentenhöhe eine dynamische Betrachtung des Beschleunigungsvermögens möglich werden. Unter „Zugkraftreserve" ist hier und im Folgenden immer ein Moment zu verstehen. Je nach Fahrsituation muss durch die

Schaltstrategie eine Zugkraftreserve vorgehalten werden. Die Betrachtung der Zugkraftreserve ist nur für den Zug-Betrieb sinnvoll.

Zur Bewertung der Zugkraftreserve muss die aktuelle Zugkraftreserve jeder AMGK berechnet und mit der gewünschten Zugkraftreserve verglichen werden. Zusätzlich ist es von Bedeutung, ob die Zugkraftreserve mit der Verbrennungskraftmaschine oder einer E-Maschine aufgebracht wird. Die Bewertung der Höhe der Zugkraftreserve findet in drei Schritten statt. Zunächst wird die aktuelle Zugkraftreserve für jede (Zug-)AMGK bestimmt. Im Anschluss wird die gewünschte Zugkraftreserve gebildet und schließlich wird sie mit der aktuellen verglichen. Alles das ist im Block 132 vereint.

Berechnung der aktuellen Zugkraftreserve

Es wird für jede AMGK die Zugkraftreserve bestimmt. Die Zugkraftreserve ist die Differenz zwischen dem aktuell von den Maschinen abgerufenen Moment und dem maximal möglichen Moment - ohne dazu kuppeln oder schalten zu müssen. Das bedeutet, dass z.B. bei reinem Verbrennungskraftmaschine -Hinterachsantrieb dazu das Maximalmoment der Verbrennungskraftmaschine, das der EMI (ist angekuppelt und könnte bei Bedarf sofort bestromt werden) und bei geschlossener K3 das der EM2 betrachtet werden muss. Dabei ist es unerheblich, dass zum Abrufen des Momentes der EMI die AMGK gewechselt werden muss. Daher ist die Bestimmung der Zugkraftreserve nicht AMGK-spezi- fisch, sondern von der Kupplungsstellung und der verfügbaren Leistung der Maschinen abhängig.

Die gesamte Zugkraftreserve entspricht der Addition aus den Zugkraftreserven der VKM und der E-Maschinen:

M _Res - M _ReSjV κM + M _Res ,EM

Alle anderen AMGK betreffen nicht den Zugbetrieb. Diese AMGK werden einheitlich mit „1" bewertet.

Berechnung der Zugkraftreserve nach Fahrerwunsch

Die aus dem Fahrerwunsch abgeleitete Zugkraftreserve wird noch in Abhängig- keit von Dynamikfaktor und Steigung verändert. Die Größe der Zugkraftreserve wird im Block 132 ähnlich wie die Momentenhöhe im Block 131 mit einer Wertnote zwischen 1 und (beinahe) 0 bewertet.

In dem Block 132 erfolgt die Bewertung der Zusammensetzung der Zugkraftre- serve. Nicht nur die bloße Bereitstellung der gewünschten Zugkraftreserve ist von Bedeutung, sondern auch deren Zusammensetzung. Eine Zugkraftreserve, die rein mit E-Maschinen anstatt mit Verbrennungskraftmaschine aufgebracht wird, hat den Vorteil, dass sie schneller zur Verfügung steht. Zudem hat die Zugkraftreserve mit E-Maschi-nen den Vorteil, dass sie nicht - wie eine VKM - durch einen ungünstigen Arbeitspunkt „erkauft" werden muss. In dem Block 132 wird aus der Zusammensetzung der Zugkraftreserve die Wertnote BF _ZU s bestimmt, bei Annahme einer linearen Beziehung zwischen Zusammensetzung und Wertnote nach der Gleichung:

BFzUS ⁼ M _Rese rveVKM /(MReserveVKM + M _Rese rveEM)

Im Block 133 Bewertung Arbeitspunkt wird der Tatsache Rechnung getragen, das nicht nur die bloße Bereitstellung des FW-Momentes von Bedeutung ist, sondern auch dessen Zusammensetzung. Ein Arbeitpunkt, der mit einem großen E-Maschinen- Anteil dargestellt wird, fuhrt im Falle einer Beschleunigung zu besseren Beschleunigungswerten als ein Arbeitpunkt der zum großen Teil mit der Verbrennungskraftmaschine abgedeckt wird. Das wird mit einer weiteren Wertnote BF _AP , die zwischen 0 und 1 liegt bewertet. Die Wertnote berechnet sich bei linearem Zusammenhang wie folgt:

BFAP = MVKM / (MVKM + M _E MI + MEM ₂ )

Zur Bewertung des Beschleunigungsvermögens werden in Block 134 die Wertnoten BF _RES von Block 132 und BF _AP von Block 133 zusammengefasst. Wird während stationärer Fahrt nur eine geringe potentielle Beschleunigung vorgehal- ten, kann bei Beschleunigung auch nur diese geringe abgerufen werden. Daher müssen sowohl die Zugkraftreserve (aller Maschinen insgesamt), als auch die Zusammensetzung der Zugkraftreserve aus den Zugkraftreserven der einzelnen Maschinen im Arbeitspunkt des Arbeitpunktes bewertet werden.

Die Zugkraftreserve ist relevant für eine potentielle Beschleunigung. Sie ist daher haptsächlich dann von Bedeutung, wenn gerade nicht beschleunigt wird. Die Zusammensetzung des Arbeitspunktes ist dagegen nur dann von Bedeutung wenn das Fahrzeug gerade beschleunigt wird. Die Bewertung von Zugkraftreserve und Arbeitspunkt wechseln sich je nach Höhe des Faktors E-Dyn ab. Es ist sinnvoll, hier den gleichen Dynamik-Faktor anzusetzen, der auch im Dynamik- Management genutzt wird, da dort durch diesen Dynamik-Faktor der EM- Anteil des Arbeitspunktes beeinflusst wird.

In Block 135 erfolgt die Berechnung der Wertnote Dynamik BF _DYN aus den bei- den Teilwertnoten für die Momentenhöhe und das Beschleunigungsvermögen beziehungsweise für die Zugkraftreserve und die Lage des Arbeitspunktes aus den Blocks l31 bis l34.

Modul 12: Bildung der Gesamt-Wertnote

In der einfacheren Form wird nur ein rein multiplikativer Zusammenhang zwi- sehen den Wertnoten angenommen und keine weitere Abhängigkeit berücksichtigt. Die Gesamt - Wertnote BFo _esam t ergibt sich dann zu:

η * BFoynamik * BFwäπne * BFsoc

Der Wertebereich aller Wertnoten liegt zwischen 0 und 1, deshalb liegt aufgrund der rein multiplikativen Verknüpfung der Wertebereich für BF _GeS a _mt ebenfalls zwischen 0 und 1. In Verfeinerung der einfachen Multiplikation können die einzelnen Wertnoten und der Wirkungsgrad η (aus dem Modul 8) zuvor mit Gewichtungsfaktoren versehen sein.

Modul 13: Komfortfilter

In diesem Modul wird die aktuelle (alte) AMGK mit ihren den Betriebszustand des Fahrzeuges beschreibenden Werten mit den in Betracht kommenden AMGK einschließlich ihrer berechneten Arbeitspunkte verglichen. Der Komfortfilter ist für den übergang von einer AMGK zur anderen zuständig und nimmt Einfluß auf die Gesamtwertnote der AMGK.

In Fig.20 ist die Softwarestruktur des Komfortfilters dargestellt, in dem zunächst der Wechsel von der aktuellen AMGK auf die zu vergleichende AMGK nach verschiedenen Kriterien beurteilt wird. Der Modul ist eingangsseitig mit dem Modul Gesamtbewertung Ml 2 und so indirekt auch mit dem Modul Bewerter Dynamik MI l, sowie mit dem Modul Systemzustandanalyse Ml und mit der Konditionierungseinheit 11 verbunden, die den aktuellen Betriebzustand beschreibende aktuelle Größen 142 (Gang, Achsmomente, Fahrpedalwinkel, Maschinendrehzahlen, Fahrzeuggeschwindigkeit) liefert. Er umfasst einen Block 140 zur Beurteilung der durch einen AMGK- Wechsel verursachten Störungen und einen Block 141 zur Bewertung des Gesamt - Komforts.

Folgende Symptome sind zu beurteilen, weil sie beim Wechsel der AMGK den

Komfort stören können:

- unpassendes Schaltverhalten

- zu häufige Drehzahl- oder Drehmomentwechsel der Verbrennungskraftmaschine

- Geräusche der Verbrennungskraftmaschine ■ Betragsmäßige Zugkraftunterbrechung - zu häufige Zugkraftunterbrechungen

- Momentenwechsel zwischen den Antriebsachsen.

Alle einzelnen Beurteilungen werden an den Block 141 „Filterung und Bewertung" weitergegeben.

Bei der Beurteilung der Geräuschentwicklung der VKM wird davon ausgegangen, daß deren Geräusche voneinander unabhängig durch das Moment und die Drehzahl verursacht werden. Bei der Beurteilung der Geräusche kann mit guter Näherung eine leistungsproportionale Zunahme angenommen werden. Sowohl die Momente der aktuellen AMGK und der zu bewertenden AMGK als auch die Drehzahl (somit die Drehmomenten- und Drehzahlsptrünge) wurden im Modul 8 berechnet und stehen hier zur Verfügung.

Eine Zugkraftunterbrechung, zum Beispieles beim Gangwechsel oder beim Start mittels einer der elektrischen Maschinen (Soft Start) kann dank der Erfindung teilweise ausgegelichen werden. Die für den Fahrer spürbare Folge eines Zugkraftausfalls ist eine Differenz in der Beschleunigung δa (ein Ruck). Diese ist weder vom Gesamtachsmoment (M _So ii) vor der Unterbrechung abhängig, noch vom Fahrwiderstand (aus Geschwindigkeit und Steigung), sondern nur vom ab- soluten Wert des Momentenrückgangs.

Im Block 141 (Filterung und Bewertung) werden dann für alle verbliebenen AMGK weitere Wertnoten gebildet, die zu der Gesamt- Wertnote BF _ges addiert,

also hinzu gezählt, werden. Einzelne Komfort - Bewertungen können ein- und ausgeschaltet werden.

Modul 14: Sortierer

In diesem Modul werden die noch möglichen AMGK nach ihrer Gesamtwertnote BFoesa _m t, vermehrt um die Wertnote BFκ _Omf oit (so vorhanden), sortiert, die mit der höchsten Bewertung obenauf. Es werden nur die AMGK, bei denen der KO- Vektor = 1 (also nicht 0, denn 0 bedeutet „knock-out") ist, in die Sortierung einbezogen. Falls es zwei AMGK mit gleichem (eventuell in einer kleinen Bandbreite) Gesamt- Wertnoten gibt, muss zunächst die AMGK den Vorrang bekommen, welche aktuell gerade eingestellt ist. Die Sortierung wird im KO- Vektor abgelegt. Statt einer „1" enthält der KO- Vektor dann also die Sortierung der je- weiligen AMGK, einen Wert zwischen 0 und 1. AMGK, bei denen vor der Sortierung der KO- Vektor = 0 war, bleiben unverändert.

Modul 15: Statusmaschine AMK

Der Modul Statusmaschine (AMK) befindet sich am Ende der Filterkette des ganzen Hybridreglers HCU. Er erhält vom letzten Modul des Filterkettenblocks, dem Sortierer (Ml 4) die Liste der nach Wertnoten und Wirkungsgrad sortierten AMGK und er erst vollzieht daraus schließlich die Auswahl unter Berücksichtung der Applizierbarkeit. Anhand der ausgewählten AMGK* wird die Schnittstelle zum Momentenkoordinator Ml 6 aufbereitet.

Fig.21. zeigt den Modul 15 als Bindeglied zwischen dem Modul Sortierer M14 und dem Momentenkoordinator Ml 6. Die folgenden Signale (sie haben durch die Auswahl das Suffix „soll" erhalten) müssen über die jeweils aufbereiteten Schnittstellen zum Momentenkoordinator geführt werden, der die Sollwerte

• Das Sollmoment der VKM: M _VKMSO I _I

• Das Sollmoment der EMI : M _Em is _o ii

• Das Sollmoment der EM2: M _EπüSOü

• Den Soll-Getriebgang: G _SGSOI I

• Kommandos für die jeweils zu schaltenden Kupplungen Kl - K4 • Diverse weitere Kommandos (z.B. Start-Stop).

mit entsprechenden Routinen und Zeitverläufen umsetzt in einen Getriebegang G, ein Drehmoment der VKM, ein Drehmoment (Drehmomente positiv oder negativ) der einzelnen elektrischen Maschinen EMI, EM2, und Kupplungsstel- hingen