Titel

Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit wenigstens zwei Antriebseinheiten

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit wenigstens zwei Antriebseinheiten sowie eine Recheneinheit und ein Compu- terprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Neben Kraftfahrzeugen mit nur einer Brennkraftmaschine gibt es auch immer mehr Kraftfahrzeuge mit einem oder mehreren elektrischen Antrieben zusätzlich zu der Brennkraftmaschine. Solche Fahrzeuge werden dann als sog. Hybrid- Fahrzeuge bezeichnet.

Bei solchen Fahrzeugen mit mehreren Antriebseinheiten, die dann in der Regel auch noch unterschiedlichen Achsen zugeordnet sind, ist es wünschenswert, ei- ne möglichst optimale Betriebsstrategie zur Aufteilung eines geforderten Dreh- moments bzw. einer geforderten Leistung zwischen den Antriebseinheiten und den Achsen zu finden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit we nigstens zwei Antriebseinheiten sowie eine Recheneinheit und ein Computerpro- gramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Pa- tentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Fahrzeugs mit we- nigstens zwei Antriebseinheiten, wovon wenigstens eine als elektrische Maschi- ne ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist zudem eine davon eine Brennkraft- maschine, denkbar ist jedoch auch eine weitere elektrische Maschine. Weiterhin weist das Fahrzeug zwei antreibbare Achsen auf, denen jeweils wenigstens eine der Antriebseinheiten zugeordnet ist. So kann also einer Achse eine Brennkraft- maschine zugeordnet sein, welche dann auch als Primärachse bezeichnet wird, der anderen Achse kann dann eine elektrische Maschine zugeordnet sein, wel- che dann auch als Sekundärachse bezeichnet wird.

Denkbar ist auch, dass noch eine oder auch mehrere weitere elektrische Ma- schinen als Antriebseinheiten vorgesehen sind (insgesamt also wenigstens drei Antriebseinheiten), die dann je nach Bedarf auf die Achsen verteilt sind. Ebenso ist es grundsätzlich jedoch denkbar, dass nur zwei oder mehr elektrische Ma- schinen als Antriebseinheiten vorgesehen. Bei einem solchen, rein elektrisch be- triebenen Fahrzeug ist ebenso eine möglichst optimale Betriebsstrategie zur Auf- teilung eines geforderten Drehmoments zwischen den Antriebseinheiten und den Achsen wünschenswert.

Weiterhin weist das Fahrzeug ein Energiespeichersystem für die wenigstens eine elektrische Maschine auf. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Batterie, ggf. auch mit Invertern für elektrische Maschinen, handeln. Im Falle mehrerer elektrischer Maschinen kann dieses dann auch für alle elektrischen Maschinen vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass ein solches Energiespeichersystem mehrere separate Energiespeicher, beispielsweise Batterien, aufweist.

Auf Anforderung, also beispielsweise durch einen Fahrerwunsch oder durch Vor- gabe eines Fahrerassistenzsystems oder dergleichen, wird nun automatisch, insbesondere unter Verwendung eines entsprechend eingerichteten Steuerge- räts, mittels der wenigstens zwei Antriebseinheiten eine auf die zwei Achsen ver- teilte Leistung basierend auf mehreren Kriterien gestellt und bei Bedarf, also un- ter Berücksichtigung der Kriterien, begrenzt. Insgesamt wird diese Leistung also durch das Fahrzeug bereitgestellt. Bei Leistung kann es sich sowohl um eine po- sitive bzw. motorische Leistung, als auch eine negative bzw. generatorische Leis- tung handeln. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle angemerkt, dass auch eine Brenn- kraftmaschine eine gewisse Leistung aufnehmen kann, nämlich durch seine Rei- bungsverluste, also eine in diesem Sinne bzw. in dieser Zeichenkonvention ge- neratorische Leistung stellen kann. Weiterhin sei angemerkt, dass eine Anforde- rung auch in Bezug auf eine Kraft oder Drehmoment erfolgen kann, was jedoch immer entsprechend in eine Leistung umgerechnet werden kann, sodass auch dann eine gewisse Leistung gefordert wird. Die Leistung ergibt sich beispielswei- se als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl.

Diese mehreren Kriterien umfassen dabei eine betragsmäßig maximal von den einzelnen Antriebseinheiten stellbare Leistung (also je nach Situation motorisch oder generatorisch), eine vorgegebene, von dem Energiespeicher maximal steil- bare oder aufnehmbare Leistung (welche insbesondere durch einen maximalen Strom und eine maximale Spannung angegeben werden kann), und einen vor- gegebenen Bereich für die Aufteilung der Leistung auf die zwei Achsen.

Unter einer solchen Aufteilung der Leistung auf die zwei Achsen sind dabei die Anteile der der jeweiligen Achse zugordneten Antriebseinheit an der insgesamt zu stellenden Leistung zu verstehen. Ein solcher Bereich liegt dabei beispiels- weise zwischen 40% und 60% der gesamten Leistung für die Primärachse, wenn eine Brennkraftmaschine verwendet wird. Eine solche Aufteilung wir dabei zweckmäßigerweise durch ein Fahrzeugstabilitätssystem z.B. ein All-Rad- Management-System, vorgegeben.

Bevorzugt ist es, wenn die mehreren Kriterien weiterhin eine angeforderte Leis- tung, die gestellt werden soll, umfassen, also beispielsweise durch einen Fahrerwunsch oder durch Vorgabe eines Fahrerassistenzsystems oder derglei- chen.

Durch die Berücksichtigung - und Ausnutzung - dieser Kriterien ist es nun also möglich, auf Anforderung eine Leistung (oder ein Drehmoment) zu stellen, und zwar auch innerhalb physikalischer bzw. vorgegebener Grenzen, wobei insbe- sondere im Rahmen der Kriterien vorgegebene Bereich optimal ausgenutzt wer- den können. Denkbar ist insbesondere, dass dynamisch immer eine aktuell ma- ximal stellbare Leistung ermittelt wird, sodass bei Anforderung und bei Bedarf ei- ne Einschränkung gegenüber der Anforderung vorgenommen werden kann.

Die erwähnten Kriterien lassen sich im Sinne physikalischer bzw. vorgegebener Grenzen wie folgt begründen. Die maximal von den einzelnen Antriebseinheiten stellbare Leistung ist zu berücksichtigen, da physikalisch keine höhere Leistung durch die Antriebseinheiten bereitstellbar ist. Die vorgegebene, von dem Ener- giespeichersystem maximal stellbare oder aufnehmbare Leistung ist zu berück- sichtigen, da bei Überschreiten gewisser Grenzen, wenngleich dies theoretisch möglich wäre, irreparable Schäden am Energiespeichersystem, also beispiels- weise einer Batterie, verursacht werden könnten. Der vorgegebene Bereich für die Aufteilung der Leistung auf die zwei Achsen ist zu berücksichtigen, da es an- dernfalls zu Instabilitäten des Fahrzeugs bzw. zu Kontrollverlust kommen könnte.

Dieser Bereich für die Aufteilung kann dabei von der Art und dem Aufbau des Fahrzeugs und auch den konkret verwendeten Antriebseinheiten abhängen. Die von dem Fahrzeug geforderte Leistung, die gestellt werden soll, ist zweckmäßi- gerweise zu berücksichtigen, da die Bereitstellung einer höheren Leistung, als überhaupt gefordert, dann gar nicht erst in Betracht gezogen werden muss.

Vorzugsweise werden die mehreren Kriterien bei der Ermittlung der zu stellenden Leistung in der folgenden Reihenfolge berücksichtigt: zunächst die maximal von den einzelnen Antriebseinheiten stellbare Leistung, dann die von dem Energie- speichersystem maximal stellbare oder aufnehmbare Leistung, dann der vorge- gebene Bereich für die Aufteilung der Leistung auf die zwei Achsen und dann, sofern überhaupt berücksichtigt, die angeforderte Leistung, die gestellt werden soll. Damit wird den einzelnen Kriterien eine Priorität zugeordnet, in deren Rei- henfolge diese, falls eine Einschränkung der geforderten Leistung nötig ist, be- rücksichtigt werden. Die gewählte Reihenfolge gibt dabei die Wichtigkeit hinsicht lich der Sicherheit des Fahrzeugs bzw. dessen Betriebs wieder.

Vorteilhafterweise wird die auf Anforderung mittels der wenigstens zwei An- triebseinheiten auf die zwei Achsen verteilte, zu stellende Leistung basierend auf einem elektrischen Horizont ermittelt. Unter einem solchen elektrischen Horizont sind dabei insbesondere aufgrund verschiedener Sensoren oder anderweitig er- fasste oder ermittelte Daten über den zukünftigen Verlauf der zu fahrenden Stre- cke zu verstehen. Auf diese Weise ist es also möglich, die zu stellende Leistung noch genauer zu ermitteln.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Fahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher oh- nehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerpro- gramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema- tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug, bei dem ein erfindungsgemäßes Ver- fahren durchführbar ist.

Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figuren 3a und 3b zeigen ein stellbares Drehmoment bei erfindungsgemäßen Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen. Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist schematisch ein als Hybrid-Fahrzeug 100 ausgebildetes Fahrzeug dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Hybrid-Fahrzeug 100 weist beispielhaft drei Antriebseinheiten, nämlich eine Brennkraftmaschine 130 und zwei elektrische Maschinen 140 und 145 auf.

Die Brennkraftmaschine 130 und die elektrische Maschine 140 sind einer Achse 1 10 zugeordnet und mit dieser drehmomentwirksam verbunden bzw. verbindbar. Aufgrund der Brennkraftmaschine 130, die der Achse 1 10 zugeordnet ist, wird die Achse 1 10 auch als Primärachse bezeichnet.

Die elektrische Maschine 145 ist der Achse 120 zugeordnet bzw. sie ist mit die- ser drehmomentwirksam verbunden bzw. verbindbar. Entsprechend wird die Achse 120 auch als Sekundärachse bezeichnet. Für die elektrischen Maschinen 140 und 145 ist jeweils ein geeigneter Inverter 151 bzw. 152 vorgesehen, über welchen die elektrischen Maschinen jeweils an eine Batterie 150 angebunden sind. Die Batterie 150 stellt dabei ein Energieversorgungssystem oder zumindest einen Teil davon dar.

Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 180 vorgesehen, mittels welcher die Antriebseinheiten ansteuerbar sind, und auf welcher entspre- chend ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.

Bei einem solchen Fahrzeug ist nun die maximal mögliche, von einem Fahrer an- forderbare Leistung für eine vorgebebene Aufteilung der stellbaren Leistung auf die beiden Achsen durch die insgesamt durch die drei Antriebseinheiten zusam- men lieferbare Leistung gegeben. Die optimale Achsverteilung für die maximale Leistung kann dabei anhand folgender Gleichungen ermittelt werden:

Dabei geben 4 _{max up lim} und 4 _{max low lim} die obere bzw. die untere Grenze für einen Anteil der Leistung an der Primärachse im optimalen Fall an. Mit P _{Br msK} wird hierbei eine maximale, (mechanisch) von der Brennkraftmaschine stellbare Leis- tung, mit _{EM1 max} und P _{EM 2 max} entsprechend eine maximale, (mechanisch) von der elektrischen Maschine der Primärachse bzw. der Sekundärachse stellbare Leistung angegeben. Mit P _{Batt max} wird die maximal von der Batterie bzw. dem

Energiespeichersystem stellbare Leistung angegeben.

Wenn diese beiden Werte für die Anteile gleich sind, so kommen aus elektrischer Sicht die Grenzen letztlich von den elektrischen Maschinen mit ihren (mechani- schen) maximal stellbaren Leistungen. Falls sie verschiedenen sind, kommen die Grenzen von der Batterie.

Die maximal mögliche, von einem Fahrer anforderbare Leistung für einen vorge- gebenen Bereich der Achsaufteilung der Leistung zwischen den beiden Achsen kann dann wie folgt ermittelt werden:

Wenn der vorgegebene maximale Anteil A _max kleiner oder gleich der unteren Grenze im optimalen Fall, 4 _{max low lim} , ist, oder wenn der vorgegebene minimale Anteil A _min größer oder gleich der oberen Grenze im optimalen Fall, 4 _{max up lim} , ist, dann erhält man die maximal mögliche, von einem Fahrer anforderbare Leistung als

Mit A _max und A _min sind dabei die eingangs bereits erwähnten Aufteilungen be- zeichnet. Die minimal mögliche, von einem Fahrer anforderbare Leistung für eine vorgegebene Aufteilung der stellbaren Leistung auf die beiden Achsen ist durch die insgesamt durch die drei Antriebseinheiten zusammen aufnehmbare (negati- ve) Leistung gegeben. Die optimale Achsverteilung für die minimale Leistung kann dabei anhand folgender Gleichungen ermittelt werden:

Hierbei sind im Vergleich zur entsprechenden Achsverteilung für eine maximal stellbare Leistung, wie oben angegeben, die entsprechenden Werte ersetzt durch Werte für die negative Leistung, hier durch ein "min" im Index.

Entsprechend kann die minimal mögliche, von einem Fahrer anforderbare Leis- tung für einen vorgegebenen Bereich der Achsaufteilung der Leistung zwischen den beiden Achsen dann wie folgt ermittelt werden:

Wenn der vorgegebene maximale Anteil A _max kleiner oder gleich der unteren Grenze im optimalen Fall, 4 _{min low lim} , ist, oder wenn der vorgegebene minimale Anteil A _min größer oder gleich der oberen Grenze im optimalen Fall, 4 _{min up lim} , ist, dann erhält man die minimal mögliche, von einem Fahrer anforderbare Leistung als

Andernfalls ergibt sich:

P dem, min = P ^L Br, min + P EM l,min + P EM 2, min

Eine ggf. begrenzte, angeforderte Leistung ergibt sich damit dann zu

^dem, lim = min (max (P _dem , P _dem ^ ) , P _{dem max} ) , wobei mit P _dem die tatsächlich angeforderte Leistung angegeben ist.

Es kann also sein, dass die tatsächlich angeforderte Leistung mit dem gesamten, für die Achsaufteilung vorgegebenen - und damit zur Verfügung stehenden - Be- reich nicht erfüllt bzw. gestellt werden kann. Für den Fall, dass die begrenzte, angeforderte Leistung, _{&m lim} , kleiner ist als die maximale, anforderbare Leis- tung, P _{dem max} , ergibt sich eine Achsverteilung als

4max, dem = A ^ma , dem, uni '

Andernfalls ergibt sich: na ,dem max (min (

Dabei gibt A _m ^ _dem eine Achsverteilung im Falle einer nicht begrenzten, ange- forderten Leistung an, mit:

Für den Fall, dass die begrenzte, angeforderte Leistung, P _{&m lim} , größer ist als die minimale, anforderbare Leistung, P _{dem n} , ergibt sich eine Achsverteilung als

A‘ nrin ,dem - A‘ nrin, dem , uni

Andernfalls ergibt sich:

Dabei gibt eine Achsverteilung im Falle einer nicht begrenzten, ange- forderten Leistung an, mit:

Weiterhin lässt sich eine maximale, von der Brennkraftmaschine bereitzustellen- de Leistung für einen vorgegebenen Bereich einer Achsverteilung wie folgt ermit- teln:

Entsprechend ergibt sich eine minimale, von der Brennkraftmaschine bereitzu- stellende Leistung für einen vorgegebenen Bereich einer Achsverteilung wie folgt:

mit

Weiterhin kann eine maximale Leistung, die dem Energieversorgungssystem bzw. der Batterie für einen vorgegebenen Bereich einer Achsverteilung zugeführt werden kann, wie folgt ermittelt werden:

Falls eine berechnete, maximale Leistung, die der Batterie zugeführt werden kann, ein positives Vorzeichen hat, bedeutet dies, dass die Batterie entladen würde. Ein negatives Vorzeichen bedeutet, dass die Batterie geladen würde.

Eine minimale Leistung, die von dem Energieversorgungssystem bzw. der Batte- rie für einen vorgegebenen Bereich einer Achsverteilung bereitgestellt werden kann, kann wie folgt ermittelt werden:

Weiterhin kann eine maximale Leistung, die von den elektrischen Maschinen zu- sammen bereitgestellt werden kann, für einen vorgegebenen Bereich einer Achsverteilung, wie folgt ermittelt werden: P EM ,max = p dem, lim - P Br, min, dem '

Ein minimaler Wert hierfür ergibt sich entsprechend über:

P EM, min = P dem, lim - P Br, max, dem '

Mit den angeführten Gleichungen lässt sich also ein Algorithmus bilden, mit dem sich unter aktuellen Bedingungen immer eine optimale, stellbare Leistung bzw. ein stellbares Drehmoment ermittelt lässt.

In Figur 2 ist dies anhand eines Diagramms veranschaulicht. Hier ist zunächst eine tatsächlich angeforderte Leistung P _dem (die einem angeforderten Drehmo- ment entspricht), gezeigt. Beispielsweise können dies 100 kW sein. Dies ergäbe mit einem Bereich B für die Achsaufteilung zwischen 40 kW und 60 kW für die Primärachse (berechnet mit einem A _max von 0,6 und einem A _min von 0,4).

Für die Sekundärachse ergibt diese Achsaufteilung (1 -B) also einen Bereich von zwischen 60 kW und 40 kW. Wenn nun zudem die elektrische Maschine der Se- kundärachse maximal eine Leistung P _{EM2, max} von beispielsweise 30 kW (bzw. ein entsprechendes Drehmoment) bereitstellen kann, so können an der Sekun- därachse also maximal 30 kW bereitgestellt werden, was mit dem Bereich für die Achsaufteilung an der Primärachse maximal einen Wert von 45 kW ermöglicht, um in dem Bereich zwischen A _max und A _mm zu bleiben, bzw. insgesamt maximal 75 kW, hier mit P _{dem Jim} bezeichnet.

In den Figuren 3a und 3b ist jeweils eine stellbare Leistung bei Durchführung ei- nes erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen bevorzugten Ausführungs- formen dargestellt. Hierzu ist eine Leistung P über eine Achsaufteilung A in Be- zug auf die Primärachse aufgetragen.

In Figur 3a werden als Beispiel zwei elektrische Maschinen, die je maximal 150 kW Leistung aufnehmen können, eine Batterie, die maximal 200 kW Leis- tung aufnehmen kann, und eine Brennkraftmaschine, die maximal 20 kW Leis- tung aufnehmen kann, verwendet. Mit Pi ist nun die minimale Leistung an der Primärachse, mit P ₂ die minimale Leistung an der Sekundärachse und mit P ₃ die insgesamt minimale stellbare Leistung, jeweils unter Einhaltung der entspre- chenden Aufteilung der minimalen Leistung auf die Achsen, bezeichnet. Der fla che Bereich für die insgesamt minimal stellbare Leistung ergibt sich aus der Summe der Leistungen von Batterie und Brennkraftmaschine.

In Figur 3a werden als Beispiel zwei elektrische Maschinen mit je maximal 150 kW Leistung, eine Batterie mit maximal 200 kW Leistung und eine Brennkraftma- schine mit maximal 120 kW Leistung verwendet. Mit Pi ist nun die maximale Leistung an der Primärachse, mit P ₂ die maximale Leistung an der Sekundärach- se und mit P ₃ die insgesamt maximale stellbare Leistung, jeweils unter Einhal- tung der entsprechenden Aufteilung der maximalen Leistung auf die Achsen, be- zeichnet. Der flache Bereich für die insgesamt maximale stellbare Leistung ergibt sich aus der Summe der maximalen Leistungen von Batterie und Brennkraftma- schine.

An diesen Beispielen ist zu sehen, dass je nach Leistung der jeweiligen An- triebseinheiten und je nach Achsaufteilung nicht immer das Maximum an Leis- tung gestellt werden kann.