DE102018107180A1

DE102018107180A1 - Fehlertoleranter Betrieb von Hybridelektrofahrzeugen

Info

Publication number: DE102018107180A1
Application number: DE102018107180.9A
Authority: DE
Inventors: Shuitao Yang; Yan Zhou; Kevin Lloyd Newman; Lihua Chen; Fan Xu; Mohammed Khorshed Alam
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108688649A; CN108688649B; US9834206B1

Abstract

Ein Hybridantriebssystem weist eine Batterie und einen Verbrennungsmotor als Energiequellen auf. Das System weist einen Traktionsmotor, einen Generator, einen variablen Spannungswandler (VVC), einen Motorwechselrichter, einen Generatorwechselrichter, einen Bus, der den VVC an die Wechselrichter koppelt, und eine Steuerung auf. Die Steuerung regelt die Motordrehzahl, das Motordrehmoment und das Generatordrehmoment. Die Motordrehzahl wird gemäß einem Fahrerdrehmomentbedarf bestimmt. In normalen Bedingungen 1) regelt die Steuerung die Motordrehzahl durch das Modifizieren eines Generatordrehmomentbefehls und 2) die Busspannung wird unter Verwendung des VVC und der Batterie geregelt. Wenn die Steuerung einen Fehler erfasst, bei dem die Batterie und der VVC zum Regeln der Busspannung unbrauchbar werden, dann regelt die Steuerung eine Motorwechselrichterleistungsausgabe, um mit einer Summe einer Generatorwechselrichterleistungsausgabe und einem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter übereinzustimmen, um die Busspannung zu regeln.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Leistungsverzweigungshybridfahrzeugantriebssysteme und insbesondere den Betrieb des Antriebs, nachdem ein Fehler in der Verbindung mit oder in der Funktionsfähigkeit der Batterie und/oder des variablen Spannungswandlers auftritt.
Eine Art des Hybridelektrofahrzeugantriebsstrangs ist das Leistungsverzweigungsantriebssystem der Art, die in der US-Patentschrift 8,425,377 und der US-Patentschrift 7,686,723 offenbart ist, die beide durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. Das Leistungsverzweigungsantriebssystem weist zwei Leistungsquellen auf. Die erste Quelle beinhaltet einen Verbrennungsmotor und die zweite Quelle ist eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Generator und einer Speichervorrichtung, wie etwa einem Batteriepack. Die Motorleistung ist in zwei Leistungsströmungswege bei einer beliebigen Generatordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit unterteilt. Die Motordrehzahl wird durch den Generator gesteuert, wodurch die Motordrehzahl von der Fahrzeuggeschwindigkeit innerhalb des zulässigen Drehzahlbereichs des Generators entkoppelt werden kann. Dieser Betriebsmodus wird als positive Leistungsverzweigung bezeichnet, wenn der Generator elektrische Leistung unter Verwendung mechanischer Leistung vom Motor erzeugt.
Wegen der mechanischen Eigenschaften des Planetengetriebes kann der Generator Leistung zum Planetengetriebe verteilen, um das Fahrzeug anzutreiben. Dieser Betriebsmodus wird als „negative Leistungsverzweigung“ bezeichnet. Die Kombination eines Generators, eines Motors und eines Planetengetriebes kann somit als Eigenschaften eines elektrischen stufenlosen Getriebes (electrical continuously variable transmission - e-CVT) aufweisend betrachtet werden.
Eine Generatorbremse kann eingeschaltet werden, so dass die Motorausgangsleistung mit einem festen Übersetzungsverhältnis an die Seite der Drehmomentausgabe des Antriebsstrangs lediglich über eine mechanische Strecke übertragen wird. Die erste Leistungsquelle kann lediglich Vortrieb des Fahrzeugs erzeugen, da es keinen Rückwärtsgang gibt. Der Motor erfordert entweder Generatorsteuerung oder die Anwendung einer Generatorbremse, um Ausgangsleistung für Vortrieb zu übertragen. Wenn die zweite Leistungsquelle eingeschaltet ist, verbraucht der Elektromotor Leistung aus der Batterie und treibt das Fahrzeug unabhängig vom Motor sowohl zum Vortrieb als auch zum Rückwärtsantrieb an. Zusätzlich kann der Generator Leistung aus der Batterie verbrauchen und eine Freilaufkupplung auf der Motorleistungsausgangswelle antreiben, um das Fahrzeug in eine nach vorn gerichtete Richtung anzutreiben. Dieser Betriebsmodus wird als „Generatorantriebsmodus“ bezeichnet. Eine Fahrzeugsystemsteuerung stimmt die beiden Leistungsquellen ab, so dass sie nahtlos zusammenarbeiten, um einen Drehmomentbedarf eines Fahrers zu erfüllen, ohne die Antriebsstrangsystemgrenzen zu übersteigen. Die Fahrzeugsystemsteuerung ermöglicht das stufenlose Regeln von Motordrehzahl für eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit und Leistungsanforderung. Der mechanische Leistungsströmungsweg stellt über das Planetengetriebe der Antriebswelle effiziente Leistungszufuhr bereit.
Durch das Optimieren des Betriebs des Verbrennungsmotors (internal combustion engine - ICE) und durch das Umsetzen von regenerativem Bremsen verbessert ein Hybridelektrofahrzeug mit der Leistungsverzweigungsarchitektur die Kraftstoffeffizienz erheblich. Durch die große Anzahl von zusätzlichen Fahrzeugkomponenten (z. B. variabler Spannungswandler (variable voltage converter - VVC), Motorwechselrichter, Generatorwechselrichter, Batterie, Motor, und Generator) sind die Gesamtsystemkosten jedoch erhöht und es werden zusätzliche Bedenken bezüglich Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Fahrzeugs aufgeworfen.
Fehlerzustände, die überwacht werden sollten, beinhalten elektrische Fehler, wie etwa eine Störung des VVC, der Batterie, der Batterieschütze (d. h. Relais), oder Kabel, die den Strom elektrischer Leistung in die oder aus der Batterie unterbrechen. Jede dieser Störungen würde die Fähigkeit des VVC blockieren, den Spannungspegel auf dem Hochspannungs(high voltage - HV-)bus zwischen dem VVC und den Wechselrichtern zu regeln. Demzufolge könnte eine erhebliche Überspannung am HV-Bus auftreten. Um eine derartige Überspannung zu verhindern, wurde das Erfassen von einem dieser Fehler verwendet, um ein Abschalten des Fahrzeugantriebssystems auszulösen. Es wäre wünschenswert, einen fehlertoleranten Betrieb zu erhalten, bei dem ein Abschalten des Fahrzeugantriebs während eines VVC-Fehlers vermieden wird. Es ist ferner wünschenswert, einen derartigen fehlertoleranten Betrieb zu erreichen, ohne eine erhebliche Systemkostenerhöhung zu verursachen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Hybridantriebssystem eine Gleichstromleistungsquelle, einen Verbrennungsmotor, einen Traktionsmotor, einen Generator, einen variablen Spannungswandler (VVC), der wählbar an die Batterie gekoppelt ist, einen Motorwechselrichter, einen Generatorwechselrichter, einen Bus, der eine VVC-Ausgabe an die Wechselrichter koppelt, und eine Steuerung, die eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment und ein Generatordrehmoment regelt. Die geregelte Motordrehzahl wird gemäß einem Fahrerdrehmomentbedarf bestimmt. Die Steuerung erfasst einen Fehler, bei dem die Batterie und der VVC nicht zum Regeln einer Busspannung auf dem Bus zur Verfügung stehen. Beim Erfassen des Fehlers regelt die Steuerung eine Motorwechselrichterleistungsausgabe, um mit einer Summe einer Generatorwechselrichterleistungsausgabe und einem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter übereinzustimmen. Als ein Ergebnis wird die Busspannung auf einem Referenzpegel aufrechterhalten, obwohl die Batterie und der VVC nicht zur Verfügung stehen, und der Fahrzeugbetrieb kann unter Verwendung von nur Motorleistung fortfahren.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Fahrzeug mit einem Leistungsverzweigungshybridelektroantriebssystem zeigt.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen elektrischen Antriebsabschnitt eines Hybridelektrofahrzeugs zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Leistungsstrom in einem Leistungsverzweigungshybridelektroantriebssystem zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das ein herkömmliches Steuersystem zum Bestimmen eines Motordrehzahlbefehls und eines Motordrehmomentbefehls zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das ein herkömmliches Steuersystem zum Bestimmen eines Generatordrehmomentbefehls und eines Motordrehmomentbefehls zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das einen Leistungsstrom in einem Leistungsverzweigungshybridelektroantriebssystem zeigt, wenn ein Fehler auftritt, der den VVC zum Regeln der HV-Busspannung unbrauchbar macht.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Steuersystems der Erfindung zum Bestimmen eines Motordrehzahlbefehls und eines Motordrehmomentbefehls zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Steuersystems der Erfindung zum Bestimmen eines Generatordrehmomentbefehls und eines Motordrehmomentbefehls unter Verwendung einer Motorwechselrichtergleichstromausgleichssteuerung zeigt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Steuersystems der Motorwechselrichtergleichstromausgleichssteuerung zeigt.
10 ist eine Kurve, die eine Spannung des HV-Bus während einem Fehlerzustand des VVC unter Verwendung einer herkömmlichen Steuerung zeigt.
11 ist eine Kurve, die eine Spannung des HV-Bus während einem Fehlerzustand des VVC unter Verwendung einer modifizierten Steuerung der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet ein Hybridelektrofahrzeug 10 einen Verbrennungsmotor 11 und ein Achsgetriebe 12, das einen Traktionsmotor 13, Generator 14 und ein Planetengetriebe 15 enthält. Der Motor 13 nimmt elektrische Leistung von einem Batteriepack 16 über einen VVC 17 und Wechselrichter 18 auf und stellt Antriebsdrehmoment zum Fahrzeugvortrieb gesteuert von einem Getriebesteuerungsmodul (transmission control module - TCM) 20 bereit. Der Motor dient außerdem als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch das Nutzbremsen.
Das Achsgetriebe 12 weist eine Leistungsverzweigungsauslegung auf, bei welcher der Motor 13 und der Generator 14 mit dem ICE 11 über das Planetengetriebe 15 zusammenwirken, das ein Sonnenrad 21, einen Planetenradträger 22 und ein Hohlrad 23 beinhaltet. Das Sonnenrad 21 ist zum Aufnehmen von Generatordrehmoment mit einer Ausgangswelle des Generators 14 verbunden. Der Planetenradträger 22 ist zum Aufnehmen von Motordrehmoment mit einer Ausgangswelle des ICE 11 verbunden. Das Planetengetriebe 15 kombiniert das Generatordrehmoment mit dem Motordrehmoment und stellt ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment am Hohlrad 23 bereit. Das Achsgetriebe 12 kann außerdem eine Freilaufkupplung (One-Way Clutch - OWC) und eine Generatorbremse 24 beinhalten, wie im Fachgebiet bekannt.
Das Achsgetriebe 12 beinhaltet eine Vorgelegewelle 25, die ein erstes Zahnrad 26, ein zweites Zahnrad 27 und ein drittes Zahnrad 28 aufweist. Das Planetenausgangsrad 30 ist mit dem Hohlrad 23 verbunden und tritt mit dem ersten Zahnrad 26 zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem Planetengetriebe 15 und der Vorgelegewelle 25 in Eingriff. Das Ausgangszahnrad 31 ist mit einer Ausgangswelle des Motors 13 verbunden und tritt mit dem zweiten Zahnrad 27 zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem Motor 13 und der Vorgelegewelle 25 in Eingriff. Ein Getriebeausgangszahnrad 32 ist mit einer Getriebeausgangswelle 33 verbunden. Die Ausgangswelle 33 ist über ein Differential 35 an ein Paar von angetriebenen Rädern 34 gekoppelt. Das Getriebeausgangszahnrad 32 tritt mit dem dritten Zahnrad 28 zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem Achsgetriebe 12 und den angetriebenen Rädern 34 in Eingriff.
Die Batterie 16 ist eine Hochspannungsbatterie, die in der Lage ist, eine elektrische Leistung auszugeben, um den Motor 13 und den Generator 14 zu betreiben. Die Batterie 16 nimmt elektrische Leistung vom Motor 13 und vom Generator 14 auf, wenn sie als Generatoren betrieben werden. Typischerweise ist die Batterie 16 ein Batteriepack, das aus mehreren Batteriemodulen (nicht gezeigt) besteht, wobei jedes Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen (nicht gezeigt) enthält. Andere Arten von Energiespeichervorrichtungen können ebenfalls verwendet werden, wie etwa Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht gezeigt), welche die Batterie 16 unterstützen oder ersetzen.
Ein Batterieenergiesteuermodul (battery energy control module - BECM) 36 empfängt Eingabesignale, die Fahrzeug- und Batteriezustände anzeigen, wie etwa die Temperatur, Spannung und Strom der Batterie. Das BECM 36 berechnet und schätzt die Batterieparameter, wie etwa den Batterieladezustand und die Batterieleistungskapazität. Der VVC 17 und die Wechselrichter 18 sind elektrisch zwischen der Batterie 16 und dem Motor 13 und dem Generator 14 verbunden. In Abhängigkeit vom momentanen Betriebsmodus des Antriebssystems überträgt der VVC 17 Leistung von der Batterie 16 an einen Hochspannungs(HV-)gleichstrombus zur Umwandlung durch Wechselrichter 18 oder vom HV-Gleichstrombus zur Batterie 16, wodurch die Gleichstromspannung auf dem Bus innerhalb eines gewünschten Bereichs gehalten wird. Das TCM 20 steuert den Motor 13, den Generator 14, den VVC 17 und die Wechselrichter 18.
Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) 37, die mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen zum Abstimmen ihrer Funktion in Verbindung steht. Obwohl sie als einzelne Steuerung gezeigt ist, kann die VSC 37 mehrere Steuerungen beinhalten, die zum Steuern mehrerer Fahrzeugsysteme gemäß einer Fahrzeuggesamtsteuerlogik oder Software verwendet werden können. Die VSC 37 steht mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen (z. B. das BECM 36 und das TCM 20) über ein oder mehrere Kommunikationsbusse (z. B. einen CAN-Bus) in Verbindung. Die VSC 37 empfängt Bedarfsdrehmomenteingabe (nicht gezeigt) von einem Fahrer, die eine Gaspedalstellung darstellt. Die VSC 37 stellt unterschiedliche Ausgabesignale (d. h. Befehle) zum Steuern des Fahrerbetriebs, z. B. gewünschtes Raddrehmoment, gewünschte Motordrehzahl, und Generatorbremsbefehle bereit. Ein Schützsteuersignal bestimmte das Einschalten der Batterieschützrelais (nicht gezeigt).
Das Fahrzeug 10 kann ein Bremssystem beinhalten, das ein Bremssystemsteuermodul (brake system control module - BSCM) 38 aufweist, das mit der VSC 37 in Verbindung steht, um das Nutzbremsen abzustimmen. Das Fahrzeug 10 kann ferner ein Motorsteuermodul (engine control module - ECM) 39 zum Steuern des ICE 11 beinhalten. Die VSC 37 stellt dem ECM 39 ein gewünschtes Motordrehmoment bereit, das auf einer Reihe von Eingangssignalen basiert, die einen Bedarf an Fahrzeugantrieb des Fahrers beinhalten.
2 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine bevorzugte Ausführungsform eines Elektroantriebssystems zeigt, das mit einem Leistungsverzweigungshybridantrieb verwendbar ist. Die Batterie 16 ist durch die Schützrelaisschalter 40 und 41 an den VVC 17 gekoppelt. Ein Hauptverbindungskondensator 42 ist mit einer Ausgabe des VVC 17 verbunden, wodurch ein positiver Bus 43 und ein negativer Bus 44 festgelegt werden. Ein Motorwechselrichter 18A und ein Generatorwechselrichter 18B sind zwischen die Busse gekoppelt. Die Wechselrichter 18A und 18B umfassen jeweils eine Vielzahl von Schaltungsvorrichtungen (wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode, IGBTs) in einer Brückenauslegung. Die Schalter in den Wechselrichtern 18A und 18B und in dem VVC 17 werden gemäß Steuersignalen von der Steuerung 20 auf herkömmliche Weise angetrieben (z. B. unter Verwendung von Impulsbreitenmodulation).
3 zeigt normale Leistungsströmungswege zwischen den unterschiedlichen Elementen des Leistungsverzweigungsantriebsstrangs. Der Leistungsstrom zwischen unterschiedlichen Komponenten ist bidirektional und hängt von einem Betriebsmodus ab (z. B. Nutzbremsung). Die dem Planetengetriebe 15 zugeführte Motorleistung kann zwischen dem Generator 14 (z. B. zum Aufladen der Batterie 16 oder Antreiben des Motors 13) und der Zwischenwelle 25 (z. B. zum Drehen der Räder) zum Beispiel durch das Steuern des Generatordrehmoments aufgeteilt werden. Das Motordrehmoment kann gemäß dem Generatordrehmoment und einem Drehmomentbefehl des Fahrers (d. h. Drehmomentbedarf über ein Gaspedal) gesteuert werden. Während normaler (d. h. nicht fehlerhafter) Betriebsbedingungen strömt die Leistung gesteuert von den Wechselrichtersystemkomponenten (VVC 17 und Wechselrichter 18) in die Batterie 16 oder aus derselben heraus. Unter Verwendung einer für den HV-Bus gemessenen Spannung werden die Richtungen des Leistungsstroms und des Schaltbetriebs des VVC 17 derartig bestimmt, dass die HV-Busspannung innerhalb eines gewünschten Bereichs geregelt wird.
Bestimmte Steuervorgänge, die in einem herkömmlichen Antriebssystem genutzt werden, werden detaillierter in den 4 und 5 gezeigt. Normaler Betrieb beinhaltet das Verwenden eines Generatordrehmomentbefehls, um die Motordrehzahl zu regeln, und es wird ein Motordrehmomentbefehl erzeugt, um den Fahrerdrehmomentbefehl zu erfüllen. Wie in 4 gezeigt, werden elektronische Signale, die einen Fahrerdrehmomentbefehl darstellen, und eine gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Eingaben einer Multiplikationseinrichtung 45 bereitgestellt, um einen Fahrerleistungsbefehl zu erzeugen, der an eine Additionseingabe eine Summierungseinrichtung 47 gekoppelt ist. Ein Signal, das einen Batterieladezustand (state of charge - SOC) darstellt, und die Signale, die einen Fahrerdrehmomentbefehl und die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit darstellen, werden den entsprechenden Eingaben eines Batterie-SOC-Verwaltungsblocks 46 bereitgestellt, der bekannte Verfahren verwendet, um eine Batterieleistungsanforderung bereitzustellen, die an eine Subtraktionseingabe der Summierungseinrichtung 47 gekoppelt ist. Der Fahrerleistungsbefehl stellt eine Gesamtleistung dar, die den Fahrzeugrädern zugeführt werden soll, und die Ausgabe der Summierungseinrichtung 47 ist ein Motorleistungsbefehl. Wenn der Batterie-SOC hoch ist, dann gibt der Block 46 eine Batterieleistungsanforderung aus, die positiv ist (d. h. es wird das Nutzen gespeicherter elektrischer Leistung gewünscht, um das Fahrzeug anzutreiben). Wenn der Fahrerleistungsbefehl niedrig ist. dann kann das Fahrzeug unter Verwendung von lediglich der Batterieleistung angetrieben werden und der sich ergebende Motorleistungsbefehl kann null sein (d. h. Motor aus). Bei höheren Stufen des Fahrerleistungsbefehls oder wenn die Batterieverwaltung zu einer Anforderung zum Batterieladen führt (d. h. Batterieleistungsanforderung ist negativ), dann ist der sich ergebende Motorleistungsbefehl positiv. Unter Verwendung von Fahrzeuggeschwindigkeit als eine Eingabe bestimmt ein Motoroptimierungsblock 48 einen Motordrehzahlbefehl, der die gewünschte Motorleistung bei einer höchsten Wirksamkeit erzeugt. In einer Divisionseinrichtung 50 wird der Motorleistungsbefehl durch das Dividieren durch ein gemessenes Motordrehzahlrückmeldungssignal in einen Motordrehmomentbefehl umgewandelt. Der Motordrehmomentbefehl kann an eine Motorsteuerung zur Verwendung beim Regeln des Motors übertragen werden.
5 veranschaulicht eine bekannte Weise des Bestimmens gewünschter Drehmomente, die durch den Generator und Motor im Hinblick auf das Motordrehmoment und die Drehzahl erzeugt werden sollen. Somit ist der Motordrehzahlbefehl an eine Summierungseingabe einer Summierungseinrichtung 51 gekoppelt. Die gemessene Motordrehzahl ist an eine Subtraktionseingabe der Summierungseinrichtung 51 gekoppelt. Der Fehler zwischen der befohlenen und tatsächlichen Motordrehzahl wird von der Summierungseinrichtung 51 an eine Motordrehzahlsteuerung 52 eingegeben, die ein herkömmliches Verfahren zum Erzeugen eines Generatordrehmomentbefehls verwendet (z. B. ist durch das Modifizieren des Generatordrehmomentbefehls die Motordrehzahl in der Lage geregelt zu werden). Der Generatordrehmomentbefehl wird in einer Steuerung (z. B. dem TCM) verwendet, um den Generatorwechselrichter derartig zu steuern, dass das gewünschte Generatordrehmoment erhalten wird. Die Motordrehzahlsteuerung 52 kann zum Beispiel eine Proportional-Integral-Steuerung sein und kann im TCM umgesetzt sein.
Der Fahrerdrehmomentbefehl wird mit einem bekannten Übersetzungsverhältnis k₂ in einem Verstärker 53 multipliziert und ist an eine Summierungseingabe einer Summierungseinrichtung 54 gekoppelt. Der Generatordrehmomentbefehl und die Generatordrehzahlrückmeldung werden in eine Hohlraddrehmomentschätzeinrichtung 55 eingegeben und eine sich ergebende Drehmomentschätzung wird mit einem anderen bekannten Übersetzungsverhältnis k₁ in einem Verstärker 56 multipliziert. Die Ausgabe des Verstärkers 56 ist an eine Summierungseingabe der Summierungseinrichtung 54 gekoppelt, um den Motordrehmomentbefehl zu erzeugen.
In dem Fall, dass ein Fehler auftritt, bei dem die Batterie und/oder der VVC für das Regeln der Busspannung auf dem Bus unbrauchbar werden, wird es nötig, das Verwenden der Steuerstrategie aus den 4 und 5 einzustellen. 6 zeigt verfügbare Leistungsströmungswege, wenn der VVC fehlerhaft ist. Die Batterie 16 ist nicht mehr verfügbar, um Überschussleistung zu speichern, die vom Generator 14 oder Motor 13 erzeugt wird. Wenn der VVC-Fehler auftritt, erzeugt die normale Steuerstrategie eine Leistungsdiskrepanz zwischen dem Motorwechselrichter und dem Generatorwechselrichter. Die sich ergebende Zusatzleistung vom Generator würde den HV-Gleichstromverbindungskondensator sehr schnell auf eine nicht wünschenswerte Überspannung (z. B. über 1000 V) aufladen, was einen Systemüberspannungs(overvoltage - OV)schutzfehler auslösen kann, der ein Abschalten des Antriebssystems verursacht.
Um ein nicht wünschenswertes Abschalten zu vermeiden setzt die vorliegende Erfindung ein fehlertolerantes Steuersystem während eines derartigen VVC-/Batteriefehlers ein, das die Motorwechselrichterausgangsleistung derartig regelt, dass sie im Wesentlichen mit der Generatorwechselrichterausgangsleistung übereinstimmt. Insbesondere kann ein HV-Busspannungsausgleich durch das Abgleichen der Motorwechselrichterleistung mit der Generatorwechselrichterleistung plus den Schätzungen von Leistungsverlusten erreicht werden, die im Motorwechselrichter und Generatorwechselrichter auftreten.
Die 7 und 8 veranschaulichen entsprechende Änderungen, die an den herkömmlichen Steuerstrategien der 4 und 5 vorgenommen wurden. In 7 koppelt ein Wahlschalter 60 entweder die Batterieleistungsanforderung vom SOC-Verwaltungsblock 46 oder einen Wert von Null an die Subtraktionseinheit der Summierungseinrichtung 47 in Abhängigkeit von dem Zustand eines Fehlererfassungssignals. Wenn der VVC-Fehler vorliegt, dann ist die Batterie getrennt (d. h. es kann keine Leistung in die Batterie oder aus derselben strömen) und die Batterieanforderung muss während des Fehlers auf Null gestellt werden. In 8 gibt ein Wahlschalter 61 entweder das Ergebnis von der Summierungseinrichtung 54 oder eine Ausgabe von einer Motorwechselrichtergleichstromausgleichssteuerung 62 als den Motordrehmomentbefehl in Abhängigkeit vom Fehlererfassungssignal aus.
Die Motorwechselrichtergleichstromausgleichssteuerung 62, welche die Gleichstrombusspannung durch das Regeln des Motordrehmomentbefehls steuert, wird detaillierter in 9 gezeigt. Es wird eine gewünschte Referenzspannung (V_dc Ref) von einem gemessenen Wert der momentanen Spannung auf dem Wechselrichterbus (V_dc Feedback) in einer Summierungseinrichtung 70 subtrahiert. Der Unterschied (d. h. der Spannungsfehler) wird in eine Gleichstromspannungsregeleinrichtung 71 eingegeben. In Abhängigkeit vom Betrag des Fehlers (z. B. wenn er außerhalb eines konkreten Bereichs um Vdc Ref liegt) erzeugt die Regeleinrichtung 71 ein Steuersignal, das an eine Additionseingabe einer Summierungseinrichtung 72 gekoppelt ist. Die entsprechenden Subtraktionseingaben der Summierungseinrichtung 72 empfangen ein ISC-Verlustschätzungssignal und ein Generatorleistungsrückmeldungssignal. Die Verlustschätzung kann von einer empirisch abgeleiteten Nachschlagetabelle auf Grundlage unterschiedlicher Betriebsparameter des Antriebssystems erhalten werden (z. B. Betrag von Strömen, die in den Wechselrichtern strömen und von Spannungen, die an Schaltbrücken vorliegen, um die Schaltverluste zu kennzeichnen). Das Generatorrückmeldungssignal kann an der Ausgabe des Generatorwechselrichters gemessen werden. Die Ausgabe der Summierungseinrichtung 72 stellt eine Motorleistungsreferenz bereit, die den Betrag von Motorleistungsverbrauch darstellt, der gerade genug der Überschussleistung verbraucht, die vom Generatorwechselrichter kommt, um die Busspannung innerhalb eines gewünschten Spannungsbereichs aufrechtzuerhalten. Die Motorleistungsreferenz wird durch das Dividieren durch ein Motordrehzahlrückmeldungssignal in einer Divisionseinrichtung 73 in einen Motordrehmomentbefehl umgewandelt.
10 zeigt einen Verlauf der Busspannung unter Verwendung der herkömmlichen Steuerstrategien der 4 und 5. Ein VVC-/Batteriefehler tritt bei einem Zeitpunkt t₁ auf. Da die Busspannung durch das Bewegen von Überschussleistung in die Batterie gesteuert werden kann, steigt die Busspannung auf unzulässige Pegel innerhalb eines kurzen Zeitraums und das Fahrzeugantriebssystem muss abgeschaltet werden. Im Gegensatz dazu zeigt 11 einen Verlauf der Busspannung unter Verwendung der verbesserten Steuerstrategien der 7-9. Ein VVC-/Batteriefehler tritt bei einem Zeitpunkt t₁ auf, aber da das Drehmoment (d. h. die Leistung), das durch den Generator erzeugt wurde, durch die Drehmomentlast des Traktionsmotors (plus der Wechselrichterleistungsverluste) ausgeglichen wird, kann die Busspannung innerhalb des gewünschten Bereichs gehalten werden. Wenn sie ausreichend niedrig sind, können die Wechselrichterleistungsverluste in einigen Ausführungsformen ignoriert werden.
12 zeigt ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung. In Schritt 75 wird das Fehlerüberwachen durchgeführt. Die überwachten Fehler beinhalten alle, die anzeigen können, dass die Batterie und/oder der VVC zum Regeln der Busspannung auf dem Bus unbrauchbar sind. Es wird in Schritt 76 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob ein Fehler im Zusammenhang mit dem VVC/der Batterie aufgetreten ist. Wenn nicht, dann bestimmt eine Steuerung für ein Leistungsverzweigungshybridantriebssystem einen Motordrehzahlbefehl auf Grundlage eines Fahrerdrehmomentbedarfs, einer Fahrzeuggeschwindigkeit und eines Batterieladezustands. Ein Motordrehmomentbefehl wird ebenfalls auf herkömmliche Weise bestimmt. In Schritt 78 wird ein befohlenes Generatordrehmoment verwendet, um eine Drehzahl des Verbrennungsmotors zu regeln (d. h. die bestimmte Motordrehzahl bestimmt den Generatordrehmomentbefehl). Während diesem Nennbetrieb, bei dem keine Fehler vorliegen, hält der herkömmliche Betrieb des VVC eine gewünschte Spannung auf dem Hochspannungsbus in Schritt 79. In Schritt 80 wird ein Motordrehmomentbefehl auf Grundlage des Fahrerbedarfsdrehmoments und des befohlenen Generatordrehmoments bestimmt.
Wenn ein Fehler im Zusammenhang mit dem VVC/der Batterie in Schritt 76 erfasst wird, dann werden der Motordrehzahlbefehl und das Motordrehmoment in Schritt 81 bestimmt, ohne den Batterieladezustand zu berücksichtigen. In Schritt 82 wird der befohlene Generatordrehmoment weiterverwendet, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu regeln. In diesem fehlerhaften Zustand wird die Spannung des Wechselrichterbusses durch das Befehlen des Motordrehmoments, mit dem befohlenen Generatordrehmoment plus dem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter in Schritt 83 übereinzustimmen, auf eine vorbestimmte Referenzspannung geregelt. Konkret regelt das Verfahren die Motorwechselrichterleistungsausgabe vorzugsweise gemäß einem Fehler zwischen der Busspannung und der vorbestimmten Spannung. Der befohlene Motordrehmomentbefehl kann gemäß A) einem Fehler zwischen der Busspannung und der vorbestimmten Spannung, B) einer Generatorwechselrichterleistungsausgabe und C) gegebenenfalls gemäß dem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Regeln des Motordrehmoments durch eine Gleichstromausgleichssteuerung durchgeführt, die eine Spannungsregeleinrichtung umfasst, die ein Steuersignal gemäß einem Unterschied zwischen der Spannung am Wechselrichterbus und der Referenzspannung bereitstellt, immer wenn der Bus von einer Fahrzeugbatterie getrennt wird. Die Gleichstromausgleichssteuerung beinhaltet eine Kombinationseinrichtung, die ein Motorwechselrichterleistungsziel gemäß einem Unterschied zwischen dem Steuersignal und einer Leistungsausgabe vom Generatorwechselrichter erzeugt. Demzufolge kann ein Hybridelektroantriebssystem weiter betrieben werden, sogar unter diesen Fehlerzuständen, was das Ausmaß dieser Fehler erheblich senkt und die Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Systems verbessert. Darüber hinaus kann diese Erfindung ohne zusätzliche Hardwarekomponenten oder Kosten eingeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8425377 [0002]
US 7686723 [0002]

Claims

Hybridantriebssystem, umfassend: eine Gleichstromleistungsquelle; einen Verbrennungsmotor; einen Traktionsmotor; einen Generator; einen variablen Spannungswandler (VVC), der wahlweise an die Leistungsquelle gekoppelt ist; einen Motorwechselrichter; einen Generatorwechselrichter; einen Bus, der eine Ausgabe des VVC an die Wechselrichter koppelt; und eine Steuerung, die eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment und ein Generatordrehmoment regelt; wobei die Steuerung einen Fehler erfasst, bei dem die Leistungsquelle und der VVC nicht zum Regeln einer Busspannung auf dem Bus zur Verfügung stehen; und wobei beim Erfassen des Fehlers die Steuerung eine Motorwechselrichterleistungsausgabe regelt, um mit einer Summe einer Generatorwechselrichterleistungsausgabe und einem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter übereinzustimmen.
Hybridantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Motorwechselrichterleistungsausgabe ferner gemäß einem Fehler zwischen der Busspannung und der vorbestimmten Spannung regelt.
Hybridantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Gleichstromleistungsquelle ein Batteriepack ist, wobei die geregelte Motordrehzahl gemäß einem Ladezustand des Batteriepacks bestimmt wird, wenn der Fehler nicht erfasst wird, und wobei die Steuerung die Motordrehzahl regelt, ohne den Ladezustand des Batteriepacks zu berücksichtigen, wenn der Fehler erfasst wird.
Hybridantriebssystem, umfassend: eine Gleichstromleistungsquelle; einen Verbrennungsmotor; einen Traktionsmotor; einen Generator; einen variablen Spannungswandler (VVC), der wahlweise an die Leistungsquelle gekoppelt ist; einen Motorwechselrichter; einen Generatorwechselrichter; einen Bus, der eine Ausgabe des VVC an die Wechselrichter koppelt; und eine Steuerung, die eine Motordrehzahl, ein Motordrehmoment und ein Generatordrehmoment regelt; wobei die Steuerung einen Fehler erfasst, bei dem die Leistungsquelle und der VVC nicht zum Regeln einer Busspannung auf dem Bus zur Verfügung stehen; und wobei die Steuerung beim Erfassen des Fehlers einen Motordrehmomentbefehl gemäß A) einem Fehler zwischen der Busspannung und einer vorbestimmten Spannung und B) einer Generatorwechselrichterleistungsausgabe erzeugt.
Hybridantriebssystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung den Motordrehmomentbefehl ferner während des Erfassens des Fehlers gemäß einem geschätzten Leistungsverlust der Wechselrichter erzeugt.
Hybridantriebssystem nach Anspruch 4, wobei die Gleichstromleistungsquelle ein Batteriepack ist, wobei die geregelte Motordrehzahl gemäß einem Ladezustand des Batteriepacks bestimmt wird, wenn der Fehler nicht erfasst wird, und wobei die Steuerung die Motordrehzahl regelt, ohne den Ladezustand des Batteriepacks zu berücksichtigen, wenn der Fehler erfasst wird.
Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebssystems, das eine Batterie, einen Verbrennungsmotor, einen Traktionsmotor, einen Generator, einen variablen Spannungswandler (VVC), der wählbar an die Batterie gekoppelt ist, einen Motorwechselrichter, einen Generatorwechselrichter, einen Bus, der eine WC-Ausgabe an die Wechselrichter koppelt, und eine Steuerung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Erfassen, ob die Batterie und der VVC zum Regeln einer Spannung auf dem Bus zur Verfügung stehen; wenn die Batterie und der VVC verfügbar sind, dann das Durchführen der folgenden Schritte: das Bestimmen einer Motordrehzahl gemäß einem Fahrerdrehmomentbefehl, einer tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Batterieladezustand; das Regeln der Motordrehzahl auf den Motordrehzahlbefehl durch Modifizieren eines Generatordrehmomentbefehls für den Generatorwechselrichter; und das Bestimmen eines Motordrehmomentbefehls für den Motorwechselrichter gemäß dem Fahrerdrehmomentbefehl und dem Generatordrehmomentbefehl; und wenn die Batterie und der VVC nicht verfügbar sind, dann das Durchführen der folgenden Schritte: das Bestimmen einer Motordrehzahl gemäß dem Fahrerdrehmomentbefehl und einer tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit ohne Berücksichtigung des Batterieladezustands; das Regeln der Motordrehzahl auf den Motordrehzahlbefehl durch Modifizieren eines Generatordrehmomentbefehls für den Generatorwechselrichter; und das Regeln des Motordrehmomentbefehls, um eine Motorleistungsausgabe zu erhalten, die mit einem Leistungsverlust der Wechselrichter plus einer Generatorleistungsausgabe übereinzustimmen, die sich aus dem modifizierten Generatordrehmomentbefehl ergibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Übereinstimmen der Motorleistungsausgabe durch die folgenden Schritte bestimmt wird: das Verwenden einer Spannungsregeleinrichtung, um ein Steuersignal gemäß einem Unterschied zwischen einer Spannung am Bus und einer Referenzspannung am Bus zu erzeugen, der von der Batterie getrennt ist; und das Erzeugen eines Motorwechselrichterleistungsziels gemäß einem Unterschied zwischen dem Steuersignal und der Generatorleistungsausgabe.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Motorwechselrichterleistungsziel ferner gemäß dem Leistungsverlust der Wechselrichter bestimmt wird.