LEISTUNGSSTEUERVORRICHTUNG FÜR EINE MOTORSTEUERVORRICHTUNG, MOTORSTEUERVORRICHTUNG UND MOTORSYSTEM

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungssteuervorrichtung für eine Motorsteuervorrichtung für ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und mit einem, mit dem Verbrennungsmotor gekoppeltem, elektrischen Generator. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine entsprechende Motorsteuervorrichtung und ein entsprechendes Motorsystem.

Stand der Technik In der Fahrzeugtechnik wird versucht, den Treibstoffverbrauch moderner Kraftfahrzeuge immer weiter zu reduzieren. Neben Verbesserungen an herkömmlichen Verbrennungsmotoren werden immer häufiger auch Elektromotoren in Fahrzeugen eingesetzt. Die Elektromotoren können dabei z.B. den Verbrennungsmotor unterstützen. Dieses Prinzip wird in sog. Hybridfahrzeugen eingesetzt.

Alternativ kann der Elektromotor aber auch den Verbrennungsmotor in dem Fahrzeug ersetzen. Ein Fahrzeug in welchem der Elektromotor der einzige Antriebsmotor ist, wird auch Elektrofahrzeug genannt. Auf Grund der beschränkten Kapazität momentan verfügbarer elektrischer Energiespeicher ist die Reichweite solcher Elektrofahrzeuge begrenzt.

Eine Möglichkeit die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen bietet ein sog. Range Extender. Bei Elektrofahrzeugen mit Range Extender ist neben dem rein elektrischen Antriebssystem ein unabhängiger Verbrennungsmotor mit einer E-Maschine gekoppelt, um elektrische Energie für den Antrieb zu erzeugen. Abhängig von Fahrzustand und Ladezu- stand der Batterie soll die E-Maschine eine gewünschte elektrische Leistung erzeugen.

Ein möglicher Range Extender wird z.B. in der US 2013 300 126 A1 gezeigt.

Üblicherweise wird die Leistung, welche der Range Extender erzeugt, durch Wahl von Drehmoment und Drehzahl des Verbrennungsmotors eingestellt. Zum Einstellen des

Drehmoments an einem Ottomotor dienen als Stellglied die Drosselklappe und die Zünd- winkelverstelleinrichtung. Zum Einstellen des Drehmoments an einem Dieselmotor dienen die einstellbare Einspritzdauer und der Einspritzwinkel.

Der beste Wirkungsgrad für die aktuelle Drehzahl stellt sich bei Verbrennungsmotoren al- lerdings nur bei einem bestimmten Drehmoment ein. Da die Drehzahl durch Verändern des Verbrennerdrehmoments geregelt werden muss, ist mit dieser Struktur keine wirkungsgradoptimale Leistungsregelung möglich.

Um eine wirkungsgradoptimale Leistungsregelung ausführen zu können, darf das Verb- rennerdrehmoment nicht Ausgang des Drehzahlreglers sein, sondern muss frei wählbar sein. Die Drehzahlregelung muss über das Drehmoment der E-Maschine erfolgen. Diese Struktur ist in Fig. 12 dargestellt.

Fig. 12 zeigt die Struktur eines Steuer- bzw. Regelsystems für ein Motorsystem mit einem übergeordneten Steuergerät 100, welches u.a. aus dem Ladezustand 101 der Fahrzeugbatterie, auch SOC genannt, eine elektrische Solleistung 102 von dem Verbrennungsmotorsteuergerät 103 fordert. Aufgrund von Vorgaben bezüglich der Schallentwicklung kann dabei die Motordrehzahl auf einen Maximalwert 104 begrenzt werden. Im Range Extender System - hier beispielhaft dargestellt in dem Verbrennungsmotorsteuergerät 103 - regelt eine Leistungsregelfunktion 105 die elektrische Ausgangsleistung auf die vorgegebene Solleistung 102. Die Leistungsregelfunktion 105 berechnet das vom Verbrennungsmotor 120 abzugebende Drehmoment 106 und die am Generator 121 einzustellende Drehzahl 107, die von einem E-Maschinensteuergerät 108 gefordert wird. Ferner ist in dem Verbrennungsmotorsteuergerät 103 eine Funktion 109 vorhanden, welche im wesentlichem das Drehmoment 106 im Verbrennungsmotor 120 einstellt, indem je nach Art des Verbrennungsmotors 120 die geeigneten Aktoren wie Drosselklappenstellung, Zündwinkel und Einspritzmengen- und Zeitpunkte geregelt bzw. gesteuert werden. In dem E-Maschinensteuergerät 108 sorgt eine Drehzahlregelfunktion 1 10 dafür, dass der Solldrehzahl 107 eingeregelt wird. Dies kann beispielsweise mit einem Pl-Regler erfolgen, dessen Eingang die gemessene Istdrehzahl und dessen Ausgang das Drehmoment an der E-Maschine 121 sein kann. Der aktuelle E-Maschinenstrom 1 1 1 und die Hochvoltspannung 1 12 werden an die Leistungsregelfunktion 105 gesandt, die hier beispielhaft in dem Verbrennungsmotorsteuergerät 103 dargestellt ist. Das Batteriemanagementsystem 1 13 ermittelt laufend den SOC 101 und die Ladegrenzen der Hochvoltbatterie 1 14. Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Leistungssteuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , eine Motorsteuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 1 und ein Motorsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Leistungssteuervorrichtung für eine Motorsteuerung für ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und einem mit dem Verbrennungsmotor gekoppeltem elektrischen Generator, mit einer Recheneinrichtung, welche ausgebildet ist, eine mechanische Soll- leistung für das Motorsystem und eine maximal zulässige Drehzahl für den Verbrennungsmotor zu empfangen und basierend auf der Solleistung und der maximal zulässigen Drehzahl eine Solldrehzahl für den elektrischen Generator und ein Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors zu berechnen, mit einer Trägheitskompensationseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Änderung der Solldrehzahl für den elekt- rischen Generator ein durch ein Gesamtmassenträgheitsmoment des Verbrennungsmotors und des Generators auf eine Welle des Generators übertragenes Drehmoment zu berechnen und basierend auf dem übertragenen Drehmoment und dem berechneten Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors ein Solldrehmoment für den Verbrennungsmotor zu berechnen, und mit einer Effizienzberechnungseinrichtung, welche ausgebildet ist, basierend auf der Solldrehzahl für den elektrischen Generator und dem berechneten Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors und einer Batteriespannung und einem Generatorstroms einer Batterie des Motorsystems und dem berechneten Solldrehmoment für den Verbrennungsmotor einen Wirkungsgrad des Motorsystems zu berechnen und den Wert für die mechanische Sollleistung, welche der ersten Recheneinrichtung zuge- führt wird, basierend auf dem berechneten Wirkungsgrad anzupassen.

Ferner ist vorgesehen:

Eine Motorsteuervorrichtung für ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und ei- nem mit dem Verbrennungsmotor gekoppeltem elektrischen Generator, mit einer erfindungsgemäßen Leistungssteuervorrichtung, mit einer Drehzahlsteuereinrichtung, welche mit der Leistungssteuervorrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, von der Leistungssteuervorrichtung ein Ausgangsmoment des Verbrennungsmotors zu erhalten und die Drehzahl des elektrischen Generators in Abhängigkeit von einer von der Leistungssteuervorrichtung angefragten Solldrehzahl und dem Ausgangsmoment des Verbrennungsmo- tors zu steuern.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, mit einem mit dem Verbrennungsmotor gekoppeltem elektrischen Generator, und mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuervorrichtung, welche mit dem Verbrennungsmotor und mit dem Generator gekoppelt ist und ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor und den Generator zu steuern.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass mit herkömmlichen Steuer- und Regelsystemen für Elektrofahrzeuge mit Range-Extender keine wirkungsgradoptimale Regelung möglich ist und dadurch ein erhöhter Treibstoffver- brauch entsteht.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, bei welcher ein geschlossener Regelkreis in Bezug auf die Leistung des Motorsystems genutzt wird, wodurch eine verbesserte Leistungsregelung bei reduziertem Verbrauch durchgeführt werden kann.

Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, dass basierend auf einem Wirkungsgrad des Gesamtsystems die geforderte mechanische Sollleistung angepasst wird. Ferner sieht die vorliegende Erfindung auch vor, dass ein Massenträgheitsmoment des Verbrennungsmo- tors bei der Einstellung des von dem Verbrennungsmotor geforderten Drehmoments genutzt wird.

Die erfindungsgemäße Motorsteuerung sieht schließlich vor, dass der Generator basierend auf der Solldrehzahl für den Generator und basierend auf dem Ausgangsdrehmo- ment des Verbrennungsmotors gesteuert wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch den beschriebenen Aufbau eine Steuerung des Motorsystems mit einem minimal möglichen Kraftstoffverbrauch. Dabei kann gleichzeitig eine gewünschte elektrische Leistung erzeugt werden. Ferner kann die Leistungssteuervorrichtung einer gewünschten Solleistungsänderung rasch folgen. Dies ist z.B. wichtig, weil Leistung die beim Bremsen durch Rekuperation entsteht, sofort durch eine entsprechende Leistungsreduktion ausgeglichen werden muss, wenn gleichzeitig eine Begrenzung auf eine maximale Ladeleistung des Batteriesystems wirksam wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü- chen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

In einer Ausführungsform weist die Recheneinrichtung einen ersten Kennlinienspeicher auf, welcher eine Kennlinie aufweist, die zu einer vorgegebenen mechanischen Leistung die optimale Drehzahl für den Verbrennungsmotor aufweist, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist, basierend auf der mechanischen Sollleistung die optimale Drehzahl auszuwählen, wobei die Recheneinrichtung einen Drehzahlbegrenzer aufweist, welcher ausgebildet ist, die ausgewählte optimale Drehzahl basierend auf der maximal zulässigen Drehzahl zu begrenzen, wobei die Recheneinrichtung einen Ratenbegrenzer aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, die begrenzte Drehzahl zu erhalten und die Änderungsrate der begrenzten Drehzahl basierend auf einer vorgegebenen maximalen Änderungsrate zu begrenzen, und wobei die Recheneinrichtung einen ersten Tiefpassfilter aufweist, welcher ausgebildet ist, die änderungsratenbegrenzte Drehzahl tiefpasszufiltern und als die Solldrehzahl für den elektrischen Generator auszugeben. Unter der optimalen Drehzahl für den Verbrennungsmotor ist im Zusammenhang mit dem ersten Kennlinienspeicher dieje- nige Drehzahl zu einer mechanischen Leistung zu verstehen, bei welcher der Verbrennungsmotor den geringsten Kraftstoffverbrauch aufweist. Die Begrenzung der maximalen Änderungsrate erlaubt es, die Schwungmassen in Verbrennungsmotor und dem Generator zu berücksichtigen und der Tiefpassfilter verhindert einen Ruck in dem Antrieb zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator, da eine abrupte Drehzahländerung verhindert wird.

In einer Ausführungsform weist die Recheneinrichtung mindestens einen zweiten Kennlinienspeicher und eine Auswahleinrichtung auf, welche ausgebildet ist, auszuwählen, welcher Kennlinienspeicher für die Auswahl der optimalen Drehzahl genutzt wird. Werden weitere Kennlinienspeicher vorgesehen, können in den weiteren Kennlinienspeichern

Kennlinien abgelegt werden, die z.B. andere Optimierungsziele aufweisen. Beispielsweise kann eine der weiteren Kennlinien dahingehend optimiert sein, den Katalysator des Verbrennungsmotors möglichst schnell aufzuheizen oder eine verbesserte Dynamik des Motorsystems bereitzustellen. Weitere Optimierungsziele können je nach Anwendungsfall ebenfalls definiert werden.

In einer Ausführungsform weist die Recheneinrichtung einen Divisionsblock auf, welcher dazu ausgebildet ist, mechanische Sollleistung durch einen ersten konstanten Wert, insbesondere durch 2 ^* TT/60, und durch die Solldrehzahl für den elektrischen Generator zu dividieren und das Ergebnis der Division als Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmo- tors auszugeben. Dies ermöglicht eine einfache Umrechnung der angeforderten mechanischen Sollleistung in ein Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors.

In einer Ausführungsform weist die Trägheitskompensationseinrichtung einen Speicher zum Speichern eines Wertes der Solldrehzahl auf und ist dazu ausgebildet, jeweils aus einem aktuellen Wert der Solldrehzahl und einem gespeicherten älteren Wert der Solldrehzahl eine Änderung der Solldrehzahl zu berechnen, wobei die Trägheitskompensati- onseinrichtung eine Multiplikationseinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den berechneten Wert der Änderung der Solldrehzahl mit einem zweiten konstanten Wert, insbesondere mit 2 ^* π/60, und mit einem Wert des Massenträgheitsmoments des Ver- brennungsmotors und des Generators zu multiplizieren. Dies ermöglicht es auf einfache Art das durch den Verbrennungsmotor auf die Welle des Generators übertragene Drehmoment zu berechnen. Ist dieses Drehmoment bekannt, kann dies in der Ansteuerung des Generators berücksichtigt werden und ein Überschwingen oder ein Untersteuern vermieden werden.

In einer Ausführungsform weist die Effizienzberechnungseinrichtung mindestens einen dritten Kennlinienspeicher auf, in welchem Kennlinien für den Wirkungsgrad des Generators und den Wirkungsgrad eines mit dem Generator gekoppelten Inverters des Motorsystems über die Drehzahl und das Drehmoment gespeichert sind, wobei die Effizienzbe- rechnungseinrichtung ausgebildet ist, einen theoretischen Wirkungsgrad des Motorsystems basierend auf aus dem mindestens einen dritten Kennlinienspeicher für die Solldrehzahl für den elektrischen Generator und das Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors ausgelesenen Wirkungsgraden zu berechnen. In einer weiteren Ausführungsform sind der Verbrennungsmotor und der Generator nicht über eine Welle sondern über ein Getriebe miteinander gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist ein weiterer dritter Kennlinienspeicher vorgesehen, in welchem eine Kennlinie mit dem Wirkungsgrad des Getriebes über Drehzahl und Drehmoment abgelegt ist. Dies ermöglicht eine exakte Berechnung des Wirkungsgrads des Motorsystems.

In einer Ausführungsform ist die Effizienzberechnungseinrichtung ausgebildet, eine Aus- gangsleistung des Motorsystems durch eine Multiplikation der Batteriespannung mit dem Generatorstrom zu berechnen. Ferner ist die Effizienzberechnungseinrichtung ausgebildet, eine Eingangsleistung des Motorsystems aus der Solldrehzahl für den elektrischen Generator und dem Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors zu berechnen. In einer Ausführungsform ist die Effizienzberechnungseinrichtung ausgebildet, von der berechneten Eingangsleistung das durch das Massenträgheitsmoment des Verbrennungsmotors auf eine Welle des Generators übertragene Drehmoment zu subtrahieren.

In einer Ausführungsform weist die Effizienzberechnungseinrichtung einen zweiten Tief- passfilter auf, welcher ausgebildet ist, die berechnete Ausgangsleistung tiefpasszufiltern. Ferner weist die Effizienzberechnungseinrichtung einen dritten Tiefpassfilter auf, welcher ausgebildet ist, die berechnete Eingangsleistung des Motorsystems tiefpasszufiltern, wobei die Effizienzberechnungseinrichtung ausgebildet ist, einen auf Messwerten basierenden Wert für den Wirkungsgrad durch eine Division der gefilterten berechnete Ausgangs- leistung und der gefilterten berechnete Eingangsleistung des Motorsystems zu berechnen. Die Berechnung und Verwendung des auf Messwerten basierenden Werts für den Wirkungsgrad hat den Vorteil, das der Momentenfehler, der in der Drehmomentkette in der Verbrennungsmotorsteuerung zwischen Signal tqJCE und der Ausgabe an die Steller für Einspritzung, Drosselklappe und Zündwinkel auftritt, keine Auswirkung hat und daher der tatsächliche Wirkungsgrad berechnet wird.

In einer Ausführungsform weist die Effizienzberechnungseinrichtung einen ersten Hochpassfilter auf und ist ausgebildet, aus dem auf Sollwerten basierenden Wert für den Wirkungsgrad und einem auf Berechnungen basierenden Wert für den Wirkungsgrad des Motorsystems, welcher auf einer Hochpassfilterung des theoretischen Wirkungsgrads des Motorsystems mit dem Hochpassfilter basiert, den Gesamtwirkungsgrad des Motorsystems zu berechnen. Wird der auf Sollwerten basierenden Wert für den Wirkungsgrad durch ein Hochpassfilter geleitet und der auf Messwerten basierenden Wert für den Wirkungsgrad wird durch ein Tiefpassfilter mit gleicher Grenzfrequenz geleitet und beide ge- filterten Signale werden miteinander addiert, kann die Genauigkeit des berechneten Wirkungsgrads erhöht werden. In einer Ausführungsform weist die Drehzahlsteuereinrichtung einen Drehzahlregler auf, welcher ausgebildet ist, basierend auf der Solldrehzahl für den elektrischen Generator und einer aktuellen Drehzahl des elektrischen Generators ein Vorgabedrehmoment zu be- rechnen, wobei die Drehzahlsteuerung einen Sollstromregler aufweist, welcher ausgebildet ist, basierend auf der Summe des Vorgabedrehmoments und des Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors einen Sollstrom für den Generator zu berechnen, und wobei die Drehzahlsteuerung ferner einen Stromsteller aufweist, welcher ausgebildet ist, basierend auf dem berechneten Sollstrom den Strom in dem Generator zu stellen. Wird das Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors in die Berechnung des Sollstroms einbezogen, kann ein Überschwingen der Drehzahl bzw. des Drehmoments vermieden werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzu- fügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungssteuervorrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Motorsteuervorrichtung; ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorsystems; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Recheneinrichtung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trägheitskompensationseinrichtung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Effizienzberechnungseinrichtung;

Fig. 7 eine Kennlinie für die Leistung eines Motorsystems;

Fig. 8 eine weitere Kennlinie für die Leistung eines Motorsystems;

Fig. 9 ein Diagramm einer Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen Motorsystem;

Fig. 10 ein weiteres Diagramm der Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen

Motorsystem;

Fig. 1 1 ein weiteres Diagramm der Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen

Motorsystem; und

Fig. 12 ein bekanntes Motorsystem.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungssteuervorrichtung 1.

Die Leistungssteuervorrichtung 1 weist eine Recheneinrichtung RE auf, die als Eingangsgrößen die maximale Drehzahl n_max und die gewünschte mechanische Leistung P_des_mech erhält. Die gewünschte mechanische Leistung P_des_mech wird aus der gewünschten Leistung P_des berechnet, die dazu durch den Wirkungsgrad eff des Motorsystems 3 dividiert wird.

Die Recheneinrichtung RE berechnet aus der maximalen Drehzahl n_max und der ge- wünschten mechanische Leistung P_des_mech eine gewünschte Drehzahl bzw. eine Solldrehzahl n_des für den Generator G und ein Drehmoment tq_prectl, welches der Verbrennungsmotor M liefert.

Die Solldrehzahl n_des wird der Trägheitskompensationseinrichtung TK bereitgestellt, welche basierend auf der Solldrehzahl n_des ein Drehmoment tq_J berechnet. Das

Drehmoment tq_J ist beim Beschleunigen des Verbrennungsmotors M positiv, und beim Bremsen des Verbrennungsmotors M negativ und beschreibt den Drehmomentunterschied zwischen inneren Verbrennerdrehmoment und dem Drehmoment, das an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors M abgegeben wird.

Das Drehmoment tq_J wird zu dem Drehmoment tq_prectl, welches der Verbrennungsmotor M liefert, addiert und die Summer ergibt das Solldrehmoment tqJCE für den Verbrennungsmotor M. D.h. beim Bremsen wird das innere Drehmoment des Verbrennungsmotors M durch

Androsseln und Zündwinkelverstellung reduziert und beim Beschleunigen wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors M durch Öffnen der Drosselklappe erhöht, sofern diese nicht bereits vollständig offen ist. Die Effizienzberechnungseinrichtung EB berechnet den Wirkungsgrad eff unter anderem aus aktueller elektrischer Ausgangsleistung Pout und mechanischer Eingangsleistung Pin.

Zur Berechnung des Wirkungsgrades eff, welcher benötigt wird, um die mechanische Sollleistung P_des_mech zu berechnen, werden der Effizienzberechnungseinrichtung EB die Solldrehzahl n_des für den Generator G und das Drehmoment tq_prectl, welches der

Verbrennungsmotor M liefert, bereitgestellt. Ferner werden der Effizienzberechnungseinrichtung EB eine Batteriespannung u_batt, ein Generatorstrom i_act sowie das Solldrehmoment tqJCE für den Verbrennungsmotor M bereitgestellt. Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Motorsteuervorrichtung 2. Die Motorsteuervorrichtung 2 weist eine Leistungssteuervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung auf, die mit einer Drehzahlsteuereinrichtung DS gekoppelt ist und dieser das Solldrehmoment tq_ICE für den Verbrennungsmotor M, die Solldrehzahl n_des für den Generator G und das Drehmoment tq_prectl, welches der Verbrennungsmotor M liefert, bereitstellt.

Die Drehzahlsteuereinrichtung DS weist einen Drehzahlregler DR auf, welcher in einer Ausführungsform z.B. als Pl-Regler ausgeführt sein kann und welcher basierend auf einer gemessenen aktuellen Drehzahl n _act und der Solldrehzahl n_des ein Vorgabedrehmoment tq _ct i für den Generator G berechnet. Aus der Summe dieses Vorgabedrehmoments tq _ct i und des Drehmoments tq_prectl, welches der Verbrennungsmotor M liefert, berechnet ein Sollstromregler einen Sollstrom l _de s für den Generator G. Schließlich stellt ein Stromsteller IS in den einzelnen Phasen des Generators den entsprechenden Strom I.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorsystems 3. Das Motorsystem 3 weist die Motorsteuervorrichtung 2 der Fig. 2 auf. Ferner weist das Motorsystem 3 einen Verbrennungsmotor M auf, dem das Solldrehmoment tq_ICE bereitgestellt wird. Das Motorsystem 3 weist schließlich noch einen Generator G auf, der über eine Welle W mechanisch mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelt ist und von dem Stromsteller IS der Motorsteuervorrichtung 2 angesteuert wird. Der Verbrennungsmotor M ist lediglich symbolisch dargestellt und kann in einer Ausführungsform z.B. ein Motorsteuergerät aufweisen. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Recheneinrichtung RE.

Die Recheneinrichtung RE der Fig. 4 weist einen ersten Kennlinienspeicher KS1 und zwei zweite Kennlinienspeicher KS2-1 , KS2-2 auf, welche mit einem Eingang für die mechani- sehe Sollleistung P_des_mech gekoppelt sind, um aus den Kennlinienspeichern KS1 , KS2-1 und KS2-2 zu einer jeweiligen mechanische Sollleistung P_des_mech jeweils die optimale Drehzahl n_opt für den Verbrennungsmotor M zu bestimmen. Die Ausgänge der Kennlinienspeicher KS1 , KS2-1 und KS2-2 und eine konstanter Drehzahlwert konst sind jeweils mit einer Auswahleinrichtung AW gekoppelt, die basierend auf einem ersten Aus- wahlsignal S1 einen der eingehenden Drehzahlwerte an einen Drehzahlbegrenzer MN weiterleitet, der die Drehzahl auf die maximal zulässige Drehzahl begrenzt. Die begrenzte Drehzahl wird einem Ratenbegrenzer RB zugeleitet, der die Änderungsrate der Drehzahl begrenzt. Diese ist notwendig, weil einerseits durch die Schwungmassen des Verbrennungsmotors M und des Generators G keine beliebig schnelle Drehzahländerung möglich ist und andererseits jede Drehzahländerung die Istleistung durch die Schwungmasse in Gegenrichtung zum Sollleistungswunsch verändert. Daher muss mit der höhe der aktuellen Drehzahl die Änderungsrate kleiner werden.

Die änderungsratenbegrenzte Drehzahl wird an einen ersten Tiefpassfilter TP1 weitergeleitet, welcher die Solldrehzahl n_des ausgibt. Dies dient dazu, einen Ruck im Antrieb zwischen Verbrennungsmotor M und dem Generator G zu vermeiden.

Mit Hilfe der Auswahleinrichtung AW kann die Auswahl der optimalen Drehzahl n_opt umgeschaltet werden. So können in den zweiten Kennlinienspeichern KS2-1 , KS2-2 jeweils Kennlinien hinterlegt sein, die für unterschiedliche Ziele optimiert wurden. Die Kennlinie, welche in dem ersten Kennlinienspeicher KS1 hinterlegt ist, dient der Leistungsregelung bei einem optimalen Wirkungsgrad, also bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch.

Die in dem zweiten Kennlinienspeicher KS2-1 hinterlegte Kennlinie kann z.B. dem heizen des Katalysators dienen. Um ein rasches Aufheizen eines Katalysators des Verbren- nungsmotors M und damit eine schadstoffarme Nachstartphase zu ermöglichen kann die Kennlinie z.B. ein Betreiben des Verbrennungsmotors M bei höheren Drehzahlen vorsehen.

Die in den zweiten Kennlinienspeichern KS2-2 hinterlegte Kennlinie kann dem Antriebs- System z.B. eine höhere Dynamik verleihen. Um eine höhere Dynamik des Antriebssystems zu ermöglichen, stellt die Kennlinie in dem Kennlinienspeicher KS2-2 nicht den optimalen Wirkungsgrad ein. Durch die höhere Steilheit dieser Kennlinie und vor allem durch die bestehende signifikante Momenten reserve ist eine Leistungsänderung zusätzlich zur Drehzahländerung auch durch die viel raschere Drehmomentänderung möglich. Dies ist bei seriellen Hybriden notwendig, die nicht die maximale Antriebsleistung aus der Hochvoltbatterie zur Verfügung stellen können und eine rasche Leistungserhöhung aus dem Verbrennungsmotor zur Verfügung stellen müssen. Ein Grund dafür, dass die Leistungsabgabe der Batterie geringer ist als der Bedarf des Antriebs kann sein, dass der maximale Strom der Hochvoltbatterie geringer ist als der vom Antrieb aufgenommene Strom. Dies kann konstruktiv absichtlich so ausgelegt sein oder temporär der Fall sein, wenn z.B. der SOC und damit die Spannung der Hochvoltbatterie niedrig sind. Schließlich kann mit Hilfe einer Solldrehzahlvorgabe über den konstanten Wert konst eine konstante Drehzahl vorgegeben werden.

Ferner wird in der Recheneinrichtung RE der Fig. 4 durch eine Division in dem Divisions- block D1 der mechanischen Sollleistung P_des_mech durch die aktuelle Solldrehzahl n_des und durch 2 ^* PI/60 das Ausgangsdrehmoment tq_prectl berechnet, so dass jederzeit die mechanische Sollleistung P_des_mech gestellt wird.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemä- ßen Trägheitskompensationseinrichtung TK.

Zur Berechnung des Drehmoments tq_J, welches auf Grund der Massenträgheit des Verbrennungsmotors M und des Generators G auf den Generator G übertragen wird, wird bei einer Drehzahländerung die Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Verbrennungsmo- tors M mit dem Massenträgheitsmoment j_Rex des Verbrennungsmotors M und des Generators G multipliziert. Zur Berechnung der Änderung der Winkelgeschwindigkeit wird die Drehzahl differenziert und das Ergebnis in dem Multiplikationsblock M1 mit 2 ^* PI/60 multipliziert. Das Differenzieren geschieht z.B. durch eine Subtraktion eines gespeicherten Drehzahlwertes von einem aktuellen Drehzahlwert.

Die Fig. 9 - 1 1 zeigen Diagramme für die Ausgangsleistung des Motorsystems 3 mit und ohne die Trägheitskompensation durch die Trägheitskompensationseinrichtung TK.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemä- ßen Effizienzberechnungseinrichtung EB.

Der Wirkungsgrad eff_generator des Generators G zusammen mit dem Wirkungsgrad eff_transmission eines Inverters, der den Generator G ansteuert, ist bekannt und wird in den dritten Kennlinienspeichern KS3-1 , KS3-2 über die Drehzahl und das Drehmoment abgelegt.

Falls in einer Ausführungsform der Verbrennungsmotor M und der Generator G nicht über eine Welle miteinander verbunden sind sondern über ein Getriebe oder einen Riemen, so kann der Wirkungsgrad dieser Übersetzung ebenfalls in einem weiteren Kennlinienspei- eher gespeichert werden. Die Wirkungsgrade aus den beiden bzw. drei Kennlinienspei- ehern KS3-1 , KS3-2 werden miteinander multipliziert und ergeben so den berechneten Wirkungsgrad eff_calc, welcher nur auf Berechnungen basiert.

Parallel dazu wird der Wirkungsgrad eff_measure, welcher auf Messwerten basiert, aus Ausgangsleistung Pout und Eingangsleistung Pin berechnet. Die Ausgangsleistung Pout wird aus den gemessenen Ausgangssignalen Generatorstrom i_act und Hochvoltspannung u_batt berechnet. Die Eingangsleistung Pin wird aus Solldrehzahl n_des und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors tq_ICE berechnet. Vom Drehmoment tqJCE wird noch das Drehmoment subtrahiert, welches durch das Massenträgheitsmoment j_Rex verursacht wird. Dazu ist in der Effizienzberechnungseinrichtung EB eine Struktur vorgesehen, welche der Trägheitskompensationseinrichtung TK gleicht. In einer weiteren Ausführungsform kann das Ausgangssignal tq_J von der Trägheitskompensationseinrichtung TK der Effizienzberechnungseinrichtung EB bereitgestellt werden. Für den Verbrennungsmotor M wird bei beiden Methoden ein Wirkungsgrad von 1 angenommen, weil nicht die Kraftstoff masse sondern das Drehmoment tqJCE als Eingang verwendet wird. tqJCE stellt das innere Verbrennungsmotormoment dar und wird genutzt, um daraus Drosselklappenstellung, Einspritzung und Zündwinkel für den Verbrennungsmotor M zu berechnen.

Die Berechnung und Verwendung des Wirkungsgrads eff_measure hat den Vorteil, dass der Momentenfehler, der in der Drehmomentkette zwischen dem Signal tqJCE und der Ausgabe an die Steller für Einspritzung, Drosselklappe und Zündwinkel auftritt, keine Auswirkung hat und daher der tatsächliche Wirkungsgrad berechnet wird. Der Nachteil des Wirkungsgrades eff_measure ist, dass seine Berechnung hauptsächlich mit Istwerten erfolgt. Für die nachgeschaltete Steuerung darf der Wirkungsgrad eff_measure nicht verwendet werden, weil die Istwertmitkopplung zu Schwingungen führen könnte. Der Nachteil des Wirkungsgrades eff_calc ist seine Ungenauigkeit bezüglich Momentenfehlern bei der Steuerung des Verbrennungsmotors M.

Die Nachteile beider Wirkungsgrade können durch eine Kombination beider Signale behoben werden. Dabei wird eff_calc durch ein ersten Hochpassfilter HP1 gefiltert und eff_measure wird tiefpassgefiltert. Da die Berechnung des Wirkungsgrades eff_measure aus einer Division von Eingangsleistung Pin und Ausgangsleistung Pout besteht, wird nicht eff_measure selbst gefiltert, sondern Eingangsleistung Pin und Ausgangsleistung Pout getrennt in den Tief passfiltern TP2, TP3 tiefpassgefiltert, um bei kleinen Leistungen nicht Rechenfehler bei ungleichphasig schwingenden Leistungen zu erzeugen. Der Hochpassfilter TP1 und die Tiefpassfilter TP2, TP3 weisen die gleiche Grenzfrequenz auf und beide gefilterten Signale werden addiert. Das Ergebnis der Addition ist der Wirkungsgrad eff.

Fig. 7 zeigt eine Kennlinie für die Leistung eines beispielhaften Motorsystems 3 für einen optimierten Kraftstoffverbrauch, also für einen optimierten Wirkungsgrad. Für andere Ausführungsformen des Motorsystems 3 können die Werte von den in dem Diagramm der Fig. 7 gezeigten Werten abweichen.

Die Abszissenachse des Diagramms zeigt die Drehzahl von etwa 500 Umdrehungen pro Minute [1/min] bis etwa 4500 Umdrehungen pro Minute [1/min].

Die linke Ordinatenachse des Diagramms zeigt das Drehmoment in Newtonmeter [Nm] und die rechte Ordinatenachse des Diagramms zeigt die Leistung in Kilowatt [kW]. Dabei verlaufen die Linien gleicher Leistung von der rechten Ordinatenachse bogenförmig nach oben.

Konzentrischen Linien bzw. Ellipsen in dem Diagramm stellen Linien gleichen Wirkungs- grades dar. Dabei liegt der Mittelpunkt der konzentrischen Linien bei etwa 2200 Umdrehungen pro Minute und bei 75 Nm und wird in etwa von der Linie einer Leistung von 20kW geschnitten.

Die Linien gleichen Wirkungsgrads werden bei der Applikation des Motorsystems 3, also bei der Abstimmung des Motorsystems 3 während der Entwicklung des Motorsystems 3, aus der Multiplikation aller Wirkungsgrade (Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor M, Generator G, Inverter und falls vorhanden Getriebe) berechnet.

Die gepunktete Kennlinie soll die konzentrischen Linien gleichen Wirkungsgrades mittig so schneiden, dass bei jeder Solleistung der beste Wirkungsgrad erzielt wird. Es ist jedoch auch möglich die Kennlinie auf andere Werte zu legen, wenn Gründe wie die Geräuschentwicklung oder eine höhere Dynamik bei Leistungsänderung dafür sprechen.

Die hier gezeigte Linie weicht bei einer niedrigen Drehzahl von ca. 1000 vom optimalen Wirkungsgrad ab, weil auch kleine Leistungen und Leistung 0 gestellt werden müssen und dabei der Verbrennungsmotor M weiterdrehen muss. D.h. die sonst übliche Leerlaufdreh- zahl wird durch den linken senkrechten Teil der Kennlinie dargestellt. Durch diesen Teil der Kennlinie ist ein kompliziertes Umschalten zwischen Leerlaufregler und Leistungsregler unnötig und auf den in der Motorsteuerung üblichen Leerlaufregler kann verzichtet werden. Der Leerlauf kann somit durch Anforderung von Sollleistung P_des=0 abgedeckt werden.

Fig. 8 zeigt eine Kennlinie für eine Leistungsreduktion von 30kW auf 15kW eines beispielhaften Motorsystems 3. Für andere Ausführungsformen des Motorsystems 3 können die Werte von den in dem Diagramm der Fig. 7 gezeigten Werten abweichen.

Gleichzeitig zur Leistungsreduktion von 30kW auf 15kW findet eine Änderung der Drehzahl anhand der Kennlinie der Fig. 7 statt. Die rasche Leistungsreduktion kann hier durch eine rasche Reduktion des Drehmomentes erfolgen. Die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors M kann z.B. die Drosselklappe stark androsseln, den Zündwinkel nach spät verstellen und/oder die Einspritzung kurzzeitig abschalten. Gleichzeitig wird die Drehzahl langsam verringert. In dem Maß, indem die verringerte Drehzahl eine Leistungsreduktion bewirkt, kann das Drehmoment wieder erhöht werden.

In Fig. 8 ist die Leistungsreduktion durch die gepunktete Linie (angeforderter Arbeits- punkt) und die Strichpunkt-Kurve (tatsächlich gestellter Arbeitspunkt) dargestellt. Die gepunktete Linie verläuft ausgehend von der Kennlinie der Fig. 7 bei 3000 1/min und 95Nm senkrecht nach unten bis zu ca. 50Nm und von dort bis zu 2000 1/min und 70 Nrn.

Durch diese Schwungmassenkompensation werden dynamisch Arbeitspunkte ausgege- ben, die von der Kennlinie der Fig. 7 abweichen. Der Sollleistungsreduktion kann aber durch diese Maßnahme wesentlich schneller Folge geleistet werden.

Fig. 9 zeigt ein Diagramm der Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen Motorsystem 3 ohne Schwungmassenkompensation durch die Trägheitskompensationseinrichtung TK.

Die Abszissenachse des Diagramms zeigt die Zeit in Minuten von 9:30 bis 10:00, also für 30 Sekunden. Die Ordinatenachse zeigt keine Einheit, da sowohl die Drehzahl, als auch die angeforderte Leistung und die tatsächliche Leistung des Motorsystems 3 dargestellt sind. Zum Verständnis sind die Einheiten aber irrelevant. Der Vergleich zwischen den drei Diagrammen der Figs. 9 - 1 1 lässt den Einfluss der Trägheitskompensationseinrichtung TK deutlich erkennen.

Bei einem Motorsystem 3 mit einem Massenträgheitsmoment von 0,5kgm ² wird die Dreh- zahl innerhalb von 5 Sekunden von 9:35 bis 9:40 von 4500Upm auf 3500Upm mit einer Änderungsrate von 200Upm/s abgesenkt. Dies wird durch die obere Kurve des Diagramms veranschaulicht. Während der Drehzahlreduktion entsteht eine Leistung von ca. 4kW in dem Motorsystem 3, die sich als Abweichung zwischen Solleistung P_des und der Istleistung, welche aus u_batt ^* i_act berechnet wird, zeigt.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Diagramm der Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen Motorsystem 3 mit Schwungmassenkompensation durch die Trägheitskompensationsein- richtung TK. Die Achsen und der Drehzahlverlauf gleichen denjenigen aus Fig. 9. In Fig. 10 wird das Verhalten des Motorsystems 3 mit einer Schwungmassenkompensation von j_Rex=0.5kgm ² gezeigt. Zu sehen ist, dass nahezu keine Abweichung zwischen Solleistung und Istleistung entsteht.

Fig. 1 1 zeigt ein weiteres Diagramm der Drehzahländerung in einem erfindungsgemäßen Motorsystem 3 mit Schwungmassenkompensation durch die Trägheitskompensationsein- richtung TK. Die Achsen und der Drehzahlverlauf gleichen denjenigen aus Fig. 9. Allerdings wurde die Schwungmasse j_Rex mit j_Rex=1 kgm ² eingestellt, was zu einer deutlichen Überkompensation führt. Dies ist daran zu erkennen, dass während dem Abfall der Drehzahl die tatsächlich eingestellt Leistung etwa 4kW unter der angeforderten Leistung liegt.

Die Diagramme der Figs. 9 - 1 1 wurden für eine mögliche Ausführungsform eines Motorsystems 3 aufgenommen und erklärt. Für weitere Ausführungsformen des Motorsystems 3 können die tatsächlichen Werte von den in den Diagrammen der Figs. 9 - 1 1 gezeigten Werten abweichen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.