Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben

Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben Von der Fakultat Verfahrenstechnik und Technische Kybernetik der Universitat Stuttgart zur Erlangung der Wurde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung

vorgelegt von Jurgen Loffler aus Stuttgart

Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. A. Kistner Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. C. Woernle Tag der mundlichen Prufung: 27. Juli 2000

Institut A fur Mechanik der Universitat Stuttgart 2000

Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand berufsbegleitend zu meiner Tatigkeit als Mitarbeiter im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH, Stuttgart. Herrn Dr.-Ing. Klaus-Peter Schnelle, Leiter der Abteilung Antriebstrangsysteme FV/SLT, und Herrn Dipl.-Ing. Ferdinand Grob, Leiter der Gruppe FV/SLT2, danke ich herzlich fur die Unterstutzung meines Promotionsvorhabens. Sie haben mir den fachlichen Freiraum zur Untersuchung neuer Methoden im Rahmen der Projektarbeit gewahrt und standen mir jederzeit als kompetente Ansprechpartner zur Verfugung. Herrn Professor Dr.-Ing. Arnold Kistner vom Institut A fur Mechanik der Universitat Stuttgart danke ich fur die engagierte Betreuung der Arbeit und die U bernahme des Hauptberichts. Herr Professor Kistner hat mir wahrend meines Studiums der Technischen Kybernetik und bei der Erstellung der Dissertation wesentliche fachliche Impulse gegeben und mich gefordert. Dafur gilt ihm mein herzlicher Dank. Herr Professor Dr.-Ing. Christoph Woernle vom Institut fur Antriebstechnik und Mechatronik der Universitat Rostock hat durch seine wertvolle Kritik zum Gelingen der Arbeit beigetragen. Dafur und fur seine Bereitschaft, den Mitbericht zu ubernehmen, bedanke ich mich herzlich. Meine Kollegen Dr.rer.nat. Holger Hulser und Dipl.-Ing. Peter Bolz haben durch anregende Diskussionen und Kritik Anteil an der Arbeit. Ihnen und den Studenten, die mich durch Studien- und Diplomarbeiten unterstutzt haben, gilt dafur mein Dank. Ludwigsburg, im September 2000

Jurgen Loer

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Kurzfassung Hohe Umweltvertraglichkeit und Wirtschaftlichkeit, dynamisches Fahrverhalten, Fahrkomfort und Fahrsicherheit sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung von Fahrzeugantrieben und elektronischen Systemen zur Fahrzeugsteuerung. Aufgabe eines Systems zur Steuerung des Fahrzeugantriebs ist es, in allen Fahrsituationen und unter allen Betriebsbedingungen einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen. Dazu sind die Aggregate des Antriebstrangs so anzusteuern, dass sich ein optimaler Betriebszustand entsprechend einstellt und die vom Fahrer bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit angeforderte Antriebsleistung realisiert wird. In dieser Arbeit werden Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben vorgestellt. Ihre Funktionalitat wird mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe nachgewiesen. Durch eine dynamische Adaption des Betriebszustands des Antriebstrangs an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen wird ein optimaler Fahrzeugbetrieb bei hohem Fahrkomfort und Fahrsicherheit erreicht. Die entwickelten neuen Verfahren basieren auf einer koordinierten Ansteuerung der Aggregate des Fahrzeugantriebs und sind in ein Gesamtsystem zur Fahrzeugsteuerung eingebettet. Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. Die in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs ermittelte Losung maximiert die dynamische Leistungsreserve, den Antriebstrang-Wirkungsgrad und die Emissions-Ezienz im Sinne einer Edgeworth-ParetoOptimalitat. Fur die Optimierungskriterien werden physikalisch basierte Gutefunktionen de niert und in einer skalaren Zielfunktion zusammengefasst. Ihre Gewichtung erfolgt abhangig von der Fahrsituation, dem Fahrertyp und von Betriebsbedingungen. Zur Optimierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit bei Gangwechseln des automatisierten Schaltgetriebes wird ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang vorgestellt, das auf der Losung eines Problems der optimalen Steuerung beruht. Dazu wird der Verlauf von Zustandsgroen des Antriebs mit B-SplineFunktionen beschrieben, so dass ein auf physikalischen Bewertungsgroen basierendes Zielfunktional minimiert wird. Die beiden entwickelten Verfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands und zur Optimierung des Schaltvorgangs wurden mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD implementiert und durch Simulation in Verbindung mit einem Modell des Fahrzeugs sowie mit Versuchstragern erprobt. Die systematische Berucksichtigung verschiedener, sich teilweise entgegenstehender Ziele durch physikalisch basierte Optimierungskriterien und deren adaptive Gewichtung wahrend des Fahrbetriebs hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen.

Inhaltsverzeichnis Kurzfassung

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Liste der Symbole und Abkurzungen

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1 Einleitung

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1.1 Aufgabenstellung und Inhalt der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 Systeme zur Steuerung von Fahrzeugantrieben . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

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2.1 Dynamische Modelle der Aggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.1 Motor und Motor-Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.3 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.4 Dierential, Achse und Rad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Dynamik des Antriebstrangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3 Fahrzeug-Langsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Fahrzeug-Langsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 6

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3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

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3.1 Mehrkriterien-Optimierungsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 De nition von Optimierungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Dynamische Leistungsreserve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Antriebstrang-Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.3 Emissions-Ezienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 Optimalitatskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

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4.1 Bestimmung des optimalen Betriebszustands . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.1 De nition einer skalaren Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.2 Dynamische Adaption der Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Simulation von Fahrzyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.1 Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell . . . . . . . . 67 4.3.2 System-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.1 De nition von Kenngroen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4.2 Stadtfahrten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4.3 Fahrten auerorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

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5.1 Phasen des Schaltvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.2 De nition von Optimierungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

8 5.2.1 Antriebsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.2.2 Fahrzeug-Langsbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2.3 Dissipationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3 Formulierung des Optimierungsproblems . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6 Koordinierte Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

100

6.1 Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie . . . . . . . . . . . . . . 101 6.1.1 Verlauf des Kupplungsmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.1.2 Verlauf der Motordrehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3 Simulation von Schaltvorgangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Anhang

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A Systemimplementierung mit ASCET

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B Simulation des Fahrzeugmodells mit Matlab/Simulink

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C Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell

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Literaturverzeichnis

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Liste der Symbole und Abkurzungen Lateinische Symbole

ax aft afaw

m/s2

A be bt bs B c cx C f (:) fr Ffaw Fx Fz g gi

m2 g/kWh g/h l/100km

a

g

g/kWh Nm/rad N N N

Fahrzeug-Langsbeschleunigung Fahrertyp (okonomisch{dynamisch) normierter Fahrwiderstand Parameter-Vektor Fahrzeug-Stirn ache spezi scher Kraftstoverbrauch Massenstrom des Kraftstoverbrauchs streckenbezogener Kraftstoverbrauch Penalty-Funktion spezi sche Emission Luftwiderstands-Beiwert Drehfeder-Stei gkeit Verteilungsdichte Rollwiderstands-Beiwert Fahrwiderstand Zugkraft Rad-Normalkraft Getriebe-Gang Gutefunktion Vektor von Gutefunktionen

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G Ga Gd Ge G Gp Gw H m M Mm n patm P Pa
Pa rr s st t T u

u

v W

x xk x^ x^ s(t) X XP Xs

kg Nm Nm 1/min Pa W W W m 1/min s s km/h J

Zielfunktion, Zielfunktional fur - Verlauf der Fahrzeug-Langbeschleunigung - Dissipationsenergie - Emissions-Ezienz - Antriebstrang-Wirkungsgrad - dynamische Leistungsreserve - Abweichung der Antriebsarbeit Hysterese Masse Drehmoment eektives Motormoment Drehzahl atmospharischer Luftdruck Leistung Antriebsleistung dynamische Leistungsreserve Rad-Radius Schlupf mittlere Schalthau gkeit Zeit Dauer kinematische Getriebe-U bersetzung Vektor von Eingangsgroen Fahrzeug-Geschwindigkeit Arbeit Betriebszustand des Antriebstrangs Kandidaten-Betriebszustand optimaler Betriebszustand optimale Systemtrajektorie Menge zulassiger Betriebszustande Menge Edgeworth-Pareto-optimaler Betriebszustande Raum zulassiger Systemtrajektorien

11 Griechische Symbole



; a g m #atm    h x atm b  ' 'f:g !

rad

K kgm2

1/s kg/m3 kg/l s rad rad/s

Fahrbahn-Steigung Gewichtungsfaktor Zielfunktion, Zielfunktional Antriebstrang-Wirkungsgrad Getriebe-Wirkungsgrad relativer Motor-Wirkungsgrad atmospharische Luft-Temperatur Massentragheitsmoment Momentenubersetzung Kraftschlussbeanspruchung (Kapitel 2.3) maximale Kraftschlussbeanspruchung Frequenz von Fahrzeug-Langsschwingungen Luftdichte Kraftsto-Dichte Zeit Drehwinkel U bertragungsfunktion Winkelgeschwindigkeit

Indices

a br cycle d e est fzg g k m max min mn r

Ausgang{ Bremse Zyklus{ Dierential Eingang{ geschatzt Fahrzeug Getriebe Kupplung Motor maximal minimal Motor-Nebenaggregate Rad

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ref soll tn tot ziel

Referenz{ Soll{ Triebstrang-Nebenaggregate Nenn{ Ziel{

Abkurzungen

ACC ASCET ASG ASR AT CAN CVT ECE EDC ERCOS EUDC FGR HSRI KATS MVEG UDC

Adaptive Cruise Control Advanced Simulation and Control Engineering Tool Automatisiertes Schaltgetriebe Antriebs-Schlupf-Regelung Automatic Transmission (Stufenautomat-Getriebe) Controller Area Network Continuously Variable Transmission Economic Comission for Europe Electronic Diesel Control Embedded Realtime Control Operating System Extra Urban Driving Cycle Fahrgeschwindigkeitsregler Highway Safety Research Institute Koordinierte Antriebstrangsteuerung Motor Vehicle Emissions Group Urban Driving Cycle

Kapitel 1 Einleitung Hohe Umweltvertraglichkeit und Wirtschaftlichkeit, dynamisches Fahrverhalten, Fahrkomfort und Fahrsicherheit sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen und elektronischen Systemen zur Fahrzeugsteuerung. Um diese Anforderungen bestmoglich zu erfullen, mussen die Systeme des Fahrzeugs und ihre Wechselwirkung mit dem Fahrer und der Umwelt ganzheitlich betrachtet und optimiert werden [Bra97]. Dabei kommt dem Fahrzeugantrieb besondere Bedeutung zu. Neben der Notwendigkeit, neue, auf alternativen Energietragern basierende Antriebstechnologien in Serie zu bringen, ist die Weiterentwicklung und Optimierung konventioneller Fahrzeugantriebe geboten [KF98, Voh98]. Ihre Ezienz bestimmt den Ressourcenbedarf an fossilen Kraftstoen und das Ma der Kohlendioxid-Emissionen, die global klimarelevant sind [She95]. Emissionen mit lokaler Wirksamkeit wie Stickoxide (NOx ) und Schall mussen ebenso minimiert werden [She97b]. Parallel zu diesen Herausforderungen steigen die Anspruche der Fahrzeugnutzer an Fahrleistungen und Komfort [Mop97, She97a]. Elektronische Systeme fur das Fahrzeug-Management leisten einen entscheidenden Beitrag, um die genannten Ziele zu erreichen. Aufgabe eines Systems zur Steuerung des Fahrzeugantriebs ist es, in allen Fahrsituationen und unter allen Betriebsbedingungen fur jeden Fahrer einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen. Dabei sind hoher Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu gewahrleisten. Eine koordinierte Ansteuerung der Aggregate des Antriebstrangs durch einen Verbund elektronischer Steuerungs- und Regelsysteme ermoglicht die Optimierung des Fahrzeugbetriebs. Dafur wurden bei der Robert Bosch GmbH Systeme fur die koordinierte Antriebstrangsteuerung entwickelt [Lof97, BSS98, LH98, HLM99]. Abbildung 1.1 stellt Anforderungen und wesentliche Funktionen dar. Die Architektur der koordinierten An13

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1 Einleitung

triebstrangsteuerung sieht eine modulare Implementierung von Steuerungs- und Regelfunktionen vor und eignet sich damit fur verschiedene Triebstrang-Kon gurationen. Die Aggregate des Antriebstrangs werden durch einen Koordinator angesteuert, so dass der Fahrerwunsch nach einer Antriebsleistung realisiert wird. Die Grundlage dafur bilden Verbrennungsmotoren mit elektronischer MotorleistungsSteuerung [SB96, GBH97] sowie elektronisch gesteuerte Getriebe [Neu92]. Ottomotoren mit elektronischer Leistungs-Steuerung und Dieselmotoren mit EDC (Electronic Diesel Control ) kann das gewunschte Motormoment vorgegeben werden. Bei den Getrieben konnen stufenlose Getriebe (CVT = Continuously Variable Transmission) sowie diskret schaltende Stufengetriebe unterschieden werden. Letztere umfassen StufenautomatGetriebe (AT = Automatic Transmission) mit hydrodynamischem Drehmomentwandler und automatisierte Schaltgetriebe (ASG). Der elektronischen Getriebesteuerung kann die gewunschte U bersetzung bzw. der gewunschte Gang vorgegeben werden.

Abbildung 1.1: Koordinierte Antriebstrangsteuerung [LH98]. Die koordinierte Antriebstrangsteuerung verfugt uber Schnittstellen zur Integration ubergeordneter Funktionen zur Fahrzeugsteuerung, wie beispielsweise einer Fahrdynamikregelung, und arbeitet im Verbund mit einem Bordnetz- und Nebenaggregatemanagement.

1 Einleitung

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1.1 Aufgabenstellung und Inhalt der Arbeit Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben und ihre Realisierung mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung. Ziel ist es, einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen und dabei einen hohen Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu gewahrleisten. Die Optimierungsverfahren sollen diese sich teilweise entgegenstehenden Anforderungen systematisch berucksichtigen und dazu auf physikalisch basierten Optimierungskriterien beruhen. Die vom Fahrer bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit angeforderte Antriebsleistung ist durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsaggregate zu realisieren. Dazu sind fur die Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs Algorithmen zu entwerfen, die eine Adaption an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen vornehmen. Am Beispiel einer Realisierung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe ist die Funktionalitat der Verfahren nachzuweisen. Dabei kommt der koordinierten Steuerung der Aggregate wahrend Getriebe-Schaltvorgangen besondere Bedeutung zu, um Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu gewahrleisten. Im folgenden Abschnitt wird der Stand der Forschung und Technik bei Systemen zur Steuerung von Fahrzeugantrieben dargelegt. Abschnitt 1.3 beschreibt die Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung, in die sich die koordinierte Antriebstangsteuerung einfugt. Im letzen Abschnitt der Einleitung wird die Systemstruktur der koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe skizziert, die den Rahmen fur die Realisierung der entwickelten Verfahren bildet. Ein Modell des Fahrzeugantriebs und der Fahrzeug-Langsdynamik wird in Kapitel 2 entwickelt. Dieses Modell bildet die Grundlage fur den Entwurf der Steuerungs- und Regelsysteme. Durch Simulation der Fahrzeugsteuerung in Verbindung mit dem Fahrzeugmodell konnen Steuerungs- und Regelalgorithmen erprobt und optimiert werden. Im dritten Kapitel werden Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement hergeleitet. Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. Dabei wird auf die Methode der Mehrkriterien-Optimierung und ihre Anwendung in den Ingenieurwissenschaften eingegangen. Fur die dynamische Leistungsreserve, den Antriebstrang-Wirkungsgrad und die Emissions-Ezienz werden Gutefunktionen de niert. Ein Verfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird in Kapitel 4 entwickelt. Die Einbindung des Verfahrens in die koordinierte Antriebstrangsteuerung wird dargestellt, wobei auch auf die Systemarchitektur der Antriebstrangsteuerung im Detail eingegangen wird. Ergebnisse aus der Simulation von

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1 Einleitung

Fahrzyklen und aus Fahrversuchen werden beschrieben und diskutiert. Die Kapitel 5 und 6 sind der Optimierung des Schaltvorgangs bei automatisierten Schaltgetrieben im Hinblick auf die Dauer der Zugkraftunterbrechung und den Schaltkomfort gewidmet. Im Kapitel 5 werden Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang de niert. Auerdem werden die relevanten Phasen des Schaltvorgangs beschrieben und bisherige Arbeiten zu dessen Optimierung gewurdigt. In Kapitel 6 wird ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang entwickelt, das diesen Optimierungskriterien gerecht wird. Die Funktionalitat der Verfahren wird durch Simulation von Schaltvorgangen und durch Fahrversuche demonstriert. In Kapitel 7 werden die Ergebnisse der Arbeit zusammenfassend diskutiert und mogliche Weiterentwicklungen skizziert. Genauere Angaben zur Implementierung der Algorithmen mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD und zur Simulation des Fahrzeugmodells und der Steuerung sind in die Anhange A bis C ausgelagert.

1.2 Systeme zur Steuerung von Fahrzeugantrieben Durch die zunehmende Verbreitung leistungsfahiger elektronischer Systeme zur Steuerung der Antriebsaggregate [Neu92, SE94, GB95, Het95, SB96, GBH97, GLU98], die Entwicklung mechatronischer Module zur Automatisierung des Antriebstrangs [IB96, FS97, ME97, OL97] und durch den Einsatz von Bus-Systemen zum Datenaustausch wurden die Grundlagen fur eine Vernetzung der Systeme zur Steuerung des Fahrzeugantriebs geschaen. Darauf aufbauend wurden verschiedene Verfahren und Systeme vorgeschlagen, die eine koordinierte Ansteuerung des Motors und des Getriebes durch eine ubergeordnete Instanz vorsehen:

 Ein System zur Antriebstrangsteuerung, das auf statischen Schaltkennlinien zur Gangbestimmung beruht, wird in [SBW93] dargestellt. Eingangsgroen dieses Systems Mastershift sind die Fahrzeug-Geschwindigkeit und das Soll-Radmoment, das einer Leistungsforderung entspricht.

 Systeme zur Antriebstrangsteuerung werden auch in [TM96, MKOI96, GT97, MSV98] beschrieben, wobei vorwiegend eine Fokussierung auf die Verringerung des Kraftstoverbrauchs erfolgt.

 In [HE97a, Hot99] wird eine verbrauchsoptimierte Schaltstrategie fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe vorgeschlagen. Dazu werden zu jedem Zeitpunkt die Betriebspunkte aller Gange hinsichtlich ihres zu erwartenden Verbrauchs ausgewertet und somit der verbrauchsoptimale Gang bestimmt.

1 Einleitung

17

 In [APH98] wird ein universelles Schaltprogramm fur verbrauchsorientiertes Fahren

dargestellt. Eine Hochschaltung wird dabei immer dann ausgelost, wenn die Zieldrehzahl des neuen Gangs gleich oder hoher als eine Drehzahl ist, die in Abhangigkeit von der Leistungsforderung des Fahrers festgelegt wird. Eine Ruckschaltung erfolgt, wenn 90% des maximalen Motormoments erreicht werden. Dieses Schaltprogramm nimmt jedoch auf die Verbrauchscharakteristik des Motors keine Rucksicht.

 Ein Aggregate Management System fur Direktschaltgetriebe1 beschreibt [Kru98].

Durch die Vernetzung der Steuerungen des Verbrennungsmotors und eines automatisierten Schaltgetriebes wird eine Reduktion des Kraftstoverbrauchs erreicht.

Parallel zu diesen Aktivitaten auf dem Gebiet der Antriebstrangsteuerung wurden seit etwa 1990 fur konventionelle elektronische Getriebesteuerungen umfangreiche Verfahren entwickelt, um die Gangbestimmung an den Fahrertyp und die Fahrsituation anzupassen und so einen optimalen Kompromiss zwischen Kraftstoverbrauch und Fahrbarkeit zu erreichen [WRF93, TWW95]. Ein Nachteil der dort verwendeten kennlinienbasierten Systeme ist jedoch eine groe Zahl von Applikationsparametern, denen oft keine physikalische Bedeutung unterlagert ist. Eine Nutzbarmachung solcher adaptiver Verfahren fur die Optimierung der Antriebstrangsteuerung wird in [BSS98] und [PS99] fur Fahrzeuge mit CVT vorgeschlagen:

 Der Beitrag [BSS98] beschreibt eine integrierte Triebstrangsteuerung, die in Abhan-

gigkeit von der Leistungsforderung des Fahrers und dem Fahrertyp eine optimale Motordrehzahl bestimmt. Diese wird gegebenenfalls in Abhangigkeit von der Fahrsituation angehoben oder abgesenkt. Das CVT wird so angesteuert, dass sich diese optimale Motordrehzahl einstellt.

 Ein kombiniertes Motor-Getriebe-Management wird in [PS99] am Beispiel eines

Fahrzeugs mit Dieselmotor und CVT dargestellt. Durch einen Zustandsautomaten erfolgt dabei die Umschaltung zwischen verschiedenen Fahrsituationen. In Abhangigkeit von der Fahrsituation wird durch Betriebskennlinien eine Soll-Motordrehzahl bestimmt. Dieses System nutzt jedoch nicht das volle Potential eines Systems zur Antriebstrangsteuerung, da auf eine Vorgabe des Motormoments verzichtet wird.

Die diskutierten Systeme zur Antriebstrangsteuerung be nden sich mit Ausnahme einer Serienrealisierung [Kru98] in der Konzeptphase oder wurden mit Versuchsfahrzeugen dargestellt. Oft ist eine Fokussierung auf das Ziel der Verbrauchsminimierung erkennbar, und die Problematik der Integration der Systeme in eine GesamtFahrzeugsteuerung wird meist nur angedeutet. Das in [Kru98] Direktschaltgetriebe genannte Aggregat wird in dieser Arbeit als automatisiertes Schaltgetriebe bezeichnet. 1

18

1 Einleitung

1.3 Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung Die zunehmende Anzahl elektronischer Systeme im Fahrzeug und deren Vernetzung erfordert eine Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung. Diese kann sich nicht nur auf einzelne Teilsysteme wie die Antriebstrangsteuerung beziehen, sondern muss alle elektronische Systeme im Fahrzeug umfassen. Die koordinierte Antriebstrangsteuerung fugt sich in ein Gesamtsystem zur Fahrzeugsteuerung ein, das bei der Robert Bosch GmbH unter dem Namen CARTRONIC entwickelt wurde [BSDV97, HBGG98]. Durch dieses Ordnungskonzept fur Steuerungen, Regelungen, Sensoren und Aktuatoren eines Fahrzeugs werden wesentliche Schnittstellen der Antriebstrangsteuerung de niert und Grundzuge der Strukturierung festgelegt. Die Fahrzeugsteuerung verfugt uber Steuerungskomponenten, die miteinander kommunizieren, und ist in mehrere Abstraktionsebenen gegliedert. Die Komponenten der obersten Ebene sind in Abbildung 1.2 dargestellt. Eine Steuerungskomponente ist daU m w e ltg rö ß e n

K o o rd in a to r F a h rz e u g

F a h rs itu a tio n

F a h rz e u g b e w e g u n g

F a h rz e u g g rö ß e n F a h re re ig e n s c h a fte n

A n trie b K a ro s s e rie u n d In n e n ra u m

E le k tris c h e s B o rd n e tz

Abbildung 1.2: Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung. Der Koordinator Fahrzeug ist den Komponenten Antrieb, Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum und Elektrisches Bordnetz ubergeordnet. Die rechts abgebildeten Informationsgeber erfassen fur das gesamte Fahrzeug relevante Groen und stellen diese auf Anfrage zur Verfugung.

1 Einleitung

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bei eine logische Einheit und nicht an ein bestimmtes Bauteil oder ein Steuergerat gebunden. Der Koordinator Fahrzeug ist den Komponenten Antrieb, Fahrzeugbewegung, Karosserie und Innenraum und Elektrisches Bordnetz ubergeordnet. Der Antrieb umfasst den gesamten Antriebstrang, der mechanische und thermische Leistung fur das Fahrzeug zur Verfugung stellt. Die Komponente Fahrzeugbewegung enthalt Systeme zur Steuerung der Fahrdynamik, insbesondere das Bremssystem und die Lenkung. Die Komponente Karosserie und Innenraum umfasst unter anderem Aggregate zur Fahrzeugklimatisierung. Das elektrische Bordnetz enthalt den Starter und Generator sowie die Batterie. Neben diesen Steuerungskomponenten stehen Informationsgeber, die fur das gesamte Fahrzeug relevante Groen erfassen und aufbereiten. Umweltgroen beschreiben Parameter der Fahrzeugumgebung, wie den atmospharischen Luftdruck oder die Temperatur. Fahrsituationen sind beispielsweise Kurvenfahrt oder Stadtfahrt. Die Komponente Fahrzeuggroen stellt Informationen uber die Fahrzeug-Geschwindigkeit und Beschleunigungswerte bereit. Weiterhin werden Fahrereigenschaften ermittelt und zur Verfugung gestellt. Dazu gehort der Fahrertyp, der einen Fahrer als okonomisch oder dynamisch charakterisieren kann. Die Koordinations-Komponenten erlauben die Koordination von Anforderungen, die von verschiedenen Sub-Systemen an eine Komponente gestellt werden. Dies wird in Abbildung 1.3 deutlich. Hier sind exemplarisch die Architektur des Antriebs mit seinen Teilkomponenten sowie wesentliche Kommunikationsbeziehungen dargestellt. Dabei konnen Auftrage, Anforderungen und Abfragen unterschieden werden (vgl. Legende in Abbildung 1.3). Teilkomponenten des Antriebs sind der Koordinator Antrieb und die Aggregate des Antriebstrangs. Der Koordinator Antrieb erhalt vom Koordinator Fahrzeug den Auftrag, eine Antriebsleistung bereitzustellen. Dazu fordert er vom Motor ein entsprechendes Motormoment, von der Kupplung bzw. dem Wandler die U bertragung eines Drehmoments und vom Getriebe die geeignete U bersetzung bzw. den geeigneten Gang. Bei der Bestimmung der Vorgaben berucksichtigt er Informationen uber Umweltgroen, Fahrsituationen, Fahrzeuggroen und Fahrereigenschaften. In der Steuerungs-Komponente Fahrzeugbewegung werden Anforderungen des Fahrers und von Systemen zur Bein ussung der Fahrzeugdynamik wie ASR (AntriebsSchlupf-Regelung) und ACC (Adaptive Cruise Control ) koordiniert. Die Komponente Fahrzeugbewegung fordert vom Koordinator Fahrzeug eine Antriebsleistung an. Der Koordinator Fahrzeug beauftragt den Antrieb mit der Bereitstellung dieser Antriebsleistung. Er kontrolliert weiterhin den Leistungsbedarf der Nebenaggregate und teilt

20

1 Einleitung

dem Antrieb deren aktuelle Leistungsaufnahme mit. K o o rd in a to r F a h rz e u g

L e is tu n g A n trie b !

? ?

L e is tu n g N e b e n a g g re g a te !

F a h rs itu a tio n

?

F a h rz e u g b e w e g u n g L e is tu n g A n trie b ! L e is tu n g N e b e n a g g re g a te

K o o rd in a to r A n trie b M o m e n t !

M o m e n t !

M o to r

W a n d le r/ K u p p lu n g

K a ro s s e rie u n d In n e n ra u m

A n trie b

U m w e ltg rö ß e n

F a h rz e u g g rö ß e n

? E le k tris c h e s B o rd n e tz

F a h re re ig e n s c h a fte n

G a n g ! G e trie b e

L e g e n d e :

!

A u ftra g A n fo rd e ru n g A b fra g e

?

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Abbildung 1.3: Systemarchitektur der Fahrzeugsteuerung: Komponenten des Antriebs.

Die koordinierte Antriebstrangsteuerung ist mit Hilfe der objektorientierten Technik implementiert. Die Steuerungskomponenten sind dabei als Objekte realisiert. Dadurch wird eine Kapselung der zu einer Steuerungskomponente gehorigen Daten und Algorithmen erreicht. Dies erhoht die Wiederverwendbarkeit und Austauschbarkeit von Teilen der Steuerung. Die koordinierte Antriebstrangsteuerung umfasst die gesamte Funktionalitat der Steuerungskomponente Antrieb. Weiterhin sind Teile anderer Komponenten im erforderlichen Umfang realisiert. Dies sind insbesondere die Erfassung und Auswertung des Fahrerwunsches, die in der Komponente Fahrzeugbewegung erfolgt, sowie die Ermittlung und Bereitstellung von Informationen durch die Informationsgeber.

1 Einleitung

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1.4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe Die Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung des Fahrzeugantriebs werden mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe realisiert. Die Implementierung der Steuerungs- und Regelalgorithmen und die Erprobung durch Fahrversuche mit Versuchstragern erfolgt mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD (Advanced Simulation and Control Engineering Tool ), [ETA97]. Dieses System erlaubt die Steuerung der Antriebsaggregate uber eine CAN-Schnittstelle (CAN = Controller Area Network ). Die Struktur und wesentliche Module der koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe sind in Abbildung 1.4 beispielhaft fur ein Fahrzeug mit vorn quer eingebautem Antriebstrang dargestellt.

P R N D

S o llL e is tu n g

S o ll- G a n g

Abbildung 1.4: Struktur der koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe [LH98].

Automatisierte Schaltgetriebe vereinen einen hohen Wirkungsgrad mit geringem Gewicht [IB96]. Durch eine automatisierte Betatigung der Schalteinrichtungen kann eine gewunschte Getriebe-U bersetzung eingestellt werden. Ein Fahrzeugantrieb mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung und einem automatisierten Schaltgetriebe bietet

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1 Einleitung

daher ein hohes Optimierungspotential zur Senkung des Kraftstoverbrauchs bei gleichzeitig dynamischem Fahrverhalten. Die koordinierte Antriebstrangsteuerung verfugt uber Schnittstellen zum Verbrennungsmotor mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung, zu einem Kupplungsaktuator-Modul, das die Kupplung betatigt, und zu einem Getriebeaktuator-Modul, das den Gangwechsel im Schaltgetriebe vornimmt. Die Fahrpedalstellung wird durch ein PedalModul erfasst. Aus der Pedalstellung wird eine Soll-Antriebsleistung abgeleitet. Auch die Stellung des Wahlhebels am Getriebe-Bedienfeld wird erfasst und der koordinierten Antriebstrangsteuerung zur Verfugung gestellt. Durch Rad-Drehzahlsensoren wird die Fahrzeug-Geschwindigkeit ermittelt. Die Antriebstrangsteuerung bestimmt ein SollMotormoment, das der Motor einstellt. Weiterhin werden ein Soll-Kupplungsmoment und ein Soll-Gang fur das Getriebe bestimmt. Die Ist-Groen der Aggregate werden standig erfasst und der Antriebstrangsteuerung ubermittelt.

Kapitel 2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik Die Simulation des Fahrzeugantriebs und der Fahrzeugdynamik ist eine wesentliche Grundlage fur den Entwurf von Steuerungs- und Regelsystemen [Las88, LSS95, Ger97]. Durch Simulation der Fahrzeugsteuerung in Verbindung mit einem Fahrzeugmodell konnen Steuerungs- und Regelalgorithmen erprobt und optimiert werden. Im Folgenden wird ein Modell des Antriebs und der Fahrzeug-Langsdynamik entwickelt. Die Modellbeschreibung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Schaltgetriebe mit diskreten Gangen. In Abbildung 2.1 ist der Antriebstrang eines Fahrzeugs mit Vorderradantrieb und quer zur Fahrtrichtung eingebautem Motor dargestellt. In der Ansicht von vorne oben ist der Verbrennungsmotor erkennbar, an den Motor-Nebenaggregate fest angekoppelt sind. U ber die Hauptkupplung, ein Schaltgetriebe mit mehreren diskreten Gangen, das Dierential und Achswellen ubertragt der Motor seine Ausgangsleistung an die Rader. Ein Abbremsen des Fahrzeugs ist durch Radbremsen moglich. Das dargestellte Getriebe verfugt uber 5 Vorwarts-Gange, wobei fur die jeweiligen Zahnradpaare durch Schalteinrichtungen eine formschlussige Verbindung hergestellt wird. Bei einem automatisierten Schaltgetriebe erfolgt die Betatigung dieser Schalteinrichtungen durch steuerbare Aktuatoren. Triebstrang-Nebenaggregate konnen an der Getriebe-Eingangswelle angekoppelt sein. Durch die Kupplung und das Getriebe kann der Kraftschluss im Antriebstrang unterbrochen werden. Deshalb ist zur Beschreibung eine variable Systemstruktur vorzusehen. Die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems hangt vom Zustand der Kupplung und des Getriebes ab. Bei geschlossener Kupplung besteht eine kraftschlussige Verbindung zwischen der Kurbelwelle des Motors und der Getriebe-Eingangswelle. Bei oener oder 23

24

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik R a d v o rn e re c h ts

D iffe re n tia l B re m se A c h se

M o to r

H a u p tk u p p lu n g

1

2 3

4 5

A u to m a tis ie rte s S c h a ltg e trie b e

M o to rN e b e n a g g re g a te

T rie b s tra n g N e b e n a g g re g a te F a h rz e u g

Abbildung 2.1: Antriebstrang eines Fahrzeugs mit Vorderradantrieb und quer zur Fahrtrichtung eingebautem Motor.

schleifender Kupplung sind Motor- und Getriebe-Eingangsdrehzahl entkoppelt, wobei durch die Reibbelage der Kupplung ein Drehmoment ubertragen werden kann. Das Getriebe stellt bei eingelegtem Gang eine formschlussige Verbindung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle her. Wahrend des Gangwechsels ist der Kraft- und Formschluss unterbrochen. Tabelle 2.1 zeigt die sich so ergebende variable Systemstruktur auf. Es ist fur die Simulation von Fahrzeugantrieben und fur den Entwurf von Systemen zur Antriebstrangsteuerung sinnvoll, eine Beschreibung der physikalischen Groen im Fahrzeugantrieb festzulegen, die von der baulichen Anordnung der Aggregate im Fahrzeug unabhangig ist. Abbildung 2.2 zeigt einen solchen schematischen Antriebstrang mit Angabe von relevanten Drehmomenten. Am Verbrennungsmotor sind Motor-Nebenaggregate, an der Getriebe-Eingangswelle Triebstrang-Nebenaggregate angekoppelt. Weiterhin wirkt an den zu einem Rad zusammengefassten Radern eine Bremse. Es wird angenommen, dass die Aggregate und die sie verbindenden Wellen starr und spielfrei seien.

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

25

Getriebe Kupplung Gangwechsel aktiv Gang eingelegt oen/schleifend 3 Freiheitsgrade: 2 Freiheitsgrade: Motor, Motor, Getriebe-Eingangswelle, Fahrzeug-Dynamik Fahrzeug-Dynamik geschlossen 2 Freiheitsgrade: 1 Freiheitsgrad: Motor/Kupplung, Fahrzeug-Dynamik Fahrzeug-Dynamik

Tabelle 2.1: Modellierung des Antriebstrangs: Variable Systemstruktur und Subsysteme (ohne Berucksichtigung von Schwingungen und Radschlupf). Werden fur die Beschreibung der Systemdynamik als Zustandsgroen Winkelgeschwindigkeiten ! gewahlt, so entspricht der Freiheitsgrad der Systemordnung. Werden als Zustandsgroen Drehwinkel ' gewahlt, so verdoppelt sich die Systemordnung.

M

M o to r (m )

M

M

m a

k e

+

m

M M o to N e b e a g g re g (m n

M

)

rn a te

m n

K u p p lu n g (k )

m n a

T rie b s tra n g N e b e n a g g re g a te (tn )

M

tn

M

M

g e

M

tn a

k a

+

M g a D iffe re n - M d a G e trie b e tia l (g ) + M de (d ) M

M

re

R a d (r)

M

ra

b r

B re m se n (b r)

M

b r

Abbildung 2.2: Schema des Antriebstrangs mit Angabe von Drehmomenten. Die Indices kennzeichnen die Aggregate und die Wirkungsrichtung der Momente. Der Index a steht fur ein Ausgangsmoment, der Index e fur ein Eingangsmoment.

26

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

In der gezeigten Kon guration des Antriebstrangs ist das Eingangsmoment eines Aggregats durch das Ausgangsmoment der vorgeschalteten Aggregate gegeben. So ist mit dem Motor-Ausgangsmoment Mma und dem Ausgangsmoment der Motor-Nebenaggregate Mmna das Kupplungs-Eingangsmoment Mke = Mma + Mmna ; (2.1) mit dem Kupplungs-Ausgangsmoment Mka und dem Ausgangsmoment der TriebstrangNebenaggregate Mtna das Getriebe-Eingangsmoment Mge = Mka + Mtna ; (2.2) mit dem Dierential-Ausgangsmoment Mda und dem Rad-Bremsmoment Mbr das RadEingangsmoment Mre = Mda + Mbr : (2.3) Fur Drehzahlen n bzw. Winkelgeschwindigkeiten ! an der Eingangs- oder Ausgangswelle eines Aggregats sind die Bezeichnungen analog zu Abbildung 2.2 festgelegt, z.B. nge fur die Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle und nga fur die Drehzahl der GetriebeAusgangswelle. Das Verhaltnis zwischen der Eingangsdrehzahl ne und der Ausgangsdrehzahl na einer Antriebstrangkomponente wird durch die kinematische U bersetzung u beschrieben: u = nne = !!e : (2.4) a a Die Momentenubersetzung  gibt das Verhaltnis zwischen Ausgangsmoment und Eingangmoment an [LN94]: a = M (2.5) Me : Treten in der Antriebstrangkomponente keine Verluste auf, so gilt  = u. Das Kapitel ist wie folgt gegliedert: Die Dynamik von Motor, Motor-Nebenaggregaten, Kupplung, Getriebe, Dierential, Achse und Rad wird in Abschnitt 2.1 durch Dierentialgleichungen beschrieben. Aus der Dynamik der Aggregate wird in Abschnitt 2.2 die Dynamik des Antriebstrangs abgeleitet. Daraus und aus der Fahrwiderstandsgleichung ergibt sich das dynamische Verhalten des Fahrzeugs in Langsrichtung (Abschnitt 2.3). Auf Fahrzeug-Langsschwingungen wird in Abschnitt 2.4 eingegangen.

2.1 Dynamische Modelle der Aggregate In den folgenden Abschnitten wird die Dynamik des Verbrennungsmotors und seiner Nebenaggregate, der Kupplung, des Getriebes, des Dierentials, der Achse und des Rades dargestellt.

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

27

2.1.1 Motor und Motor-Nebenaggregate Der Verbrennungsmotor erzeugt durch Verbrennung eines Kraftsto-Luft-Gemisches die fur den Fahrzeugantrieb und den Betrieb der Nebenaggregate erforderliche mechanische Energie. Dynamik des Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor stellt an der Kurbelwelle das Moment Mma zur Verfugung. Fur seine Dynamik gilt

m!_ m = Mm ; Mma :

(2.6)

Dabei ist m das Ersatz-Massentragheitsmoment des Motors. Es umfasst das Massentragheitsmoment der Kurbelwelle und den Ein uss der Massen der Kolben und der Pleuelstangen [Url94]. Fur das eektive Motormoment Mm gilt die Beziehung

Mm = Mmind ; Mmver :

(2.7)

Dabei ist Mmind das durch Verbrennung erzeugte indizierte Motormoment und Mmver das Motorverlustmoment, erzeugt durch Reibung und Ladungswechsel. Die Groen Mm ; Mmind und Mmver sind jeweils uber zwei Kurbelwellenumdrehungen gemittelt. Damit werden Ungleichformigkeiten vernachlassigt, die sich aus dem Arbeitsverfahren1 des Verbrennungsmotors ergeben. Dynamik der Motor-Nebenaggregate. Fur ein mit einer festen kinematischen U bersetzung umn an die Kurbelwelle angekoppeltes Motor-Nebenaggregat mit dem Massentragheitsmoment mn gilt !mn = !m umn; (2.8) !_ mn = !_ m umn; (2.9) Mmna = mn (Mmn ; mn !_ mn) : (2.10) Dabei ist Mmn das vom Motor-Nebenaggregat erzeugte Moment und mn die Momentenubersetzung bezogen auf die Kurbelwelle. Das Ausgangsmoment der Nebenaggregate Mmna bezieht sich auf die Kurbelwelle und ist bei Verbrauchern negativ. Fur die Modellierung des Antriebstrangs sind alle Motor-Nebenaggregate entsprechend zu berucksichtigen. Dynamik des Verbrennungsmotors mit fest angekoppelten Motor-Nebenaggregaten. Mit der Vereinfachung mn = umn und m;mn = m + mn u2mn folgt aus (2.1), (2.6), (2.9) Bei einem Viertaktverfahren betragt die Periodenlange 720 Kurbelwinkel, d.h. das Verfahren erstreckt sich uber zwei Kurbelwellenumdrehungen [Url94]. 1

28

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

und (2.10) fur das System Motor/Motor-Nebenaggregate bei fester Ankopplung der Motor-Nebenaggregate m;mn !_ m = Mm + Mmn mn ; Mke:

(2.11)

Dynamik der Momentenerzeugung des Motors. Die Momentenerzeugung des Verbrennungsmotors wird durch ein System zur elektronischen Motorleistungs-Steuerung kontrolliert, der das gewunschte Soll-Motormoment Mm;soll vorgegeben werden kann. Eine elektronische Motorsteuerung fur Ottomotoren ermittelt daraus geeignete Sollwerte fur die Stellung der Drosselklappe, die Steuerung der Einspritzung und fur den Zundzeitpunkt, Abbildung 2.3. S o ll-M o to rm o m e n t E le k tro n is c h e M o to rs te u e ru n g D ro s s e lk la p p e

E in s p ritz u n g

Z ü n d u n g

L u ftm a s s e n s tro m

Abbildung 2.3: Momentenerzeugung eines Ottomotors mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung [Rob93].

Das dynamische U bertragungsverhalten von Verbrennungsmotor und zugehoriger Motorsteuerung vom Soll-Motormoment Mm;soll zum tatsachlichen Motormoment Mm werde durch die U bertragungsfunktion 'm beschrieben:

Mm = 'm fMm;soll g:

(2.12)

Die Dynamik der Momentenerzeugung des Verbrennungsmotors kann durch Mittelwertmodelle beschrieben werden, die die zylinderindividuelle Momentenerzeugung durch ein kontinuierliches Modell annahern [Neu95, WM95, CH96, Hen96]. Bei einem HubkolbenVerbrennungsmotor mit mehreren Zylindern ergibt sich das indizierte Motormoment

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

29

Mmind durch U berlagerung der durch den Verbrennungsvorgang in den einzelnen Zylindern erzeugten Gasdrehmomente [Url94]. Weiterhin werden Massendrehmomente [Url94] wirksam, die durch die Beschleunigung bzw. Verzogerung der Kolben und Pleuelstangen entstehen. Die sich aus dem Arbeitsverfahren des Verbrennungsmotors ergebende Ungleichformigkeit des Momentenverlaufs ist fur die Untersuchungen in dieser Arbeit jedoch nicht relevant. Deshalb wird ein Mittelwertmodell zur Beschreibung der Dynamik der Momentenerzeugung herangezogen. Diese wird im wesentlichen durch den Ansaugtrakt bestimmt, der ein Transport- und Speichersystem fur die angesaugte Frischluft darstellt. Das durch Verbrennung erzeugte indizierte Motormoment Mmind wird bei einem stochiometrischen Luft-Kraftsto-Gemisch ( = 1) durch die Frischluftmasse im Zylinder bestimmt. Der Massenstrom der vom Ansaugtrakt in die Zylinder einstromenden Luft hangt vom Druck im Ansaugtrakt und der Motordrehzahl ab; der Massenstrom der in den Ansaugtrakt einstromenden Luft wird durch die Stellung der Drosselklappe und die Druckdierenz zwischen Ansaugtrakt und Umgebungsluft bestimmt. Der Druck im Ansaugtrakt ist, die Gultigkeit des idealen Gasgesetzes fur Luft vorausgesetzt, proportional zur Masse der Luft im Ansaugtrakt [CH96]. Die Speicherwirkung des Ansaugtraktes kann durch ein PT1 -Glied beschrieben werden, dessen Zustand die Masse bzw. den Druck im Ansaugtrakt reprasentiert [RG96].

M

M

m ,s o ll

+

M

m v e r ,e s t

M

m in d ,s o ll

T

1 m

T

M

m in d

m

tm

M o m e n te n d y n a m ik V e rb re n n u n g s m o to r M

m v e r

Abbildung 2.4: Vereinfachtes regelungstechnisches Ersatzmodell zur

Beschreibung der Dynamik der Momentenerzeugung eines Ottomotors mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung.

Daneben fuhrt die Funktion des Ansaugtraktes als Transportsystem zu einer Totzeit. Weitere Totzeiten werden durch das System zur Kraftstozumessung und den diskontinuierlichen Charakter der Momentenerzeugung in mehreren Zylindern verursacht [CH96, RG96]. Werden die auftretenden Totzeiten zu einer Totzeit Ttm zusammenfasst und wird weiterhin angenommen, dass die Dynamik der Verstellung der Drosselklappe wesentlich schneller ist als die Dynamik des Ansaugtraktes, so kann die Dynamik

30

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

der Momentenerzeugung eines Ottomotors vereinfacht durch ein PT1 -Glied mit der Verstarkung 1 und der Zeitkonstanten T1m und eine Totzeit dargestellt werden, Abbildung 2.4. Die Groe der Totzeit Ttm hangt von der Groe der Luftmassenstrome im Ansaugtrakt ab. Wesentliche Bezugsgroe fur das System zur Motorsteuerung ist das indizierte Moment Mmind . Entsprechend wird der Soll-Wert fur das indizierte Moment Mmind;soll ermittelt zu Mmind;soll = Mm;soll + Mmver;est. Dabei ist Mmver;est das bei der aktuellen Motordrehzahl zu erwartende Verlustmoment.

2.1.2 Kupplung Bei der Kupplung sind die beiden Zustande geschlossen und schleifend zu unterscheiden. Im geschlossenen Zustand haften die Kupplungsscheiben, und es gilt (ke + ka) !_ k = Mke ; Mka

(2.13)

mit dem Kupplungs-Eingangsmoment Mke und dem Kupplungs-Ausgangsmoment Mka. Das Massentragheitsmoment ke beschreibt das Tragheitsmoment der fest mit der Kurbelwelle des Motors verbundenen drehenden Teile der Kupplung. Die Groe ka gibt das Tragheitsmoment der mit der Kupplungs-Ausgangswelle verbundenen Teile an. Diese Tragheitsmomente der Kupplung konnen zum Gesamttragheitsmoment k = ke + ka zusammengefasst werden. Bei schleifender Kupplung gelten die Beziehungen ke !_ ke = Mke ; Mk ;

(2.14)

ka !_ ka = Mk ; Mka : (2.15) Dabei ist Mk das Kupplungsmoment, das durch Reibung der Kupplungsbelage ubertragen wird. Bei automatisierten Reibkupplungen wird durch einen steuerbaren Aktuator das Ausrucklager der Kupplung positioniert. Die Position sk des Ausrucklagers bestimmt die auf die Kupplungsbelage wirkende Normalkraft. Das von der Kupplung maximal ubertragbare Drehmoment Mk;max ist eine Funktion der Normalkraft und des Reibwerts der Kupplungsbelage. Somit ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Postion sk des Ausrucklagers und dem maximal ubertragbaren Kupplungsmoment Mk;max [ZS98a]. Diese Abhangigkeit ist beispielhaft in Abbildung 2.5 dargestellt.

31

Mk,max [Nm]

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

0

1

2

3

4

5

•

6

sk [mm]

Abbildung 2.5: Maximal ubertragbares Kupplungsmoment Mk;max als Funktion der Position sk des Ausrucklagers. Messungen an einem Versuchsfahrzeug mit Dieselmotor und automatisierter Kupplung.

Fur den Satz von Messwerten () in Abbildung 2.5 kann der Zusammenhang zwischen sk und Mk;max durch ein Polynom zweiter Ordnung beschrieben werden, das nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt wurde. Die Position des Greifpunkts der Kupplung () kann sich uber die Lebensdauer des Kupplungssystems verandern, insbesondere durch Verschleiss der Kupplungsbelage und durch Alterung des Betatigungsmechanismus. Der Reibwert der Kupplungsbelage ist abhangig von deren Zustand, so dass bei einer gegebenen Position sk das maximal ubertragbare Kupplungsmoment variieren kann. Feuchtigkeit oder Erhitzung der Belage haben dabei einen nennenswerten Ein uss [AH98]. Fur die Betatigung der Kupplung sind verschiedene Aktuator-Mechanismen moglich, die pneumatisch, hydraulisch oder elektro-mechanisch wirken [FS97]. Elektro-mechanische Aktuatoren konnen direkt auf das Ausrucklager wirken oder uber einen hydraulischen Zwischenkreis, wie in Abbildung 1.4 dargestellt.

32

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

Das Soll-Moment Mk;soll ist Eingangsgroe des Kupplungsaktuators, der uber einen unterlagerten Regelkreis das maximal ubertragbare Kupplungsmoment Mk;max einstellt. Bei haftender Kupplung gilt Mk  Mk;max . Im Fahrbetrieb wird Mk;soll so vorgegeben, dass eine gewunschte Sicherheit gegen Gleiten erreicht wird. Bei schleifender Kupplung ist Mk = Mk;max. Das dynamische U bertragungsverhalten von Kupplung und Kupplungsaktuator werde durch die U bertragungsfunktion 'k beschrieben:

Mk = 'k fMk;sollg:

(2.16)

Fur die U bertragungsfunktion 'k kann kein allgemein gultiges regelungstechnisches Ersatzmodell angegeben werden, da sie von der mechanischen Ausfuhrung der Kupplung und des Aktuators bestimmt wird. Bei einem elektro-mechanischen Aktuator hangt die Dynamik im Wesentlichen vom Verhalten des Stellmotors und des zugehorigen Lageregelkreises ab. Der Kupplungsaktuator weist eine im Vergleich zur Momentenerzeugung durch den Verbrennungsmotor hohe Dynamik auf.

2.1.3 Getriebe Beim Getriebe sind die Zustande mit eingelegtem Gang vom Gangwechsel zu unterscheiden. Die folgenden Gleichungen gelten fur automatisierte Schaltgetriebe und Handschaltgetriebe. Mit der Vereinfachung g = ug und dem Ersatztragheitsmoment des Getriebes g = ga + ge u2g gilt bei eingelegtem Getriebe-Gang g !_ ga = Mge g ; Mga :

(2.17)

Dabei beschreibt die Groe Mge das Getriebe-Eingangsmoment, Mga das GetriebeAusgangmoment, ug die kinematische U bersetzung und g die Momentenubersetzung. Fur die Eingangs- und Ausgangsdrehzahlen gilt bei eingelegtem Gang die Beziehung

nga = u1 nge: g

Fur Wirkungsgradbetrachtungen im Antriebstrang ist die Vereinfachung g = ug nicht zulassig. Die Momentenubersetzung des Getriebes hangt aufgrund von mechanischen Verlusten von der Getriebe-Eingangsdrehzahl nge und dem am Getriebe-Eingang ubertragenen Moment Mge ab: g = g (ug ; nge; Mge) : (2.18)

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

33

Die mechanischen Verluste werden bei einem Schaltgetriebe mit diskreten Gangen insbesondere durch Verzahnungsverluste, Lagerverluste und Dichtungsverluste verursacht [LN94]. Bei einer Betrachtung von der Getriebe-Ausgangsseite kann g auch in Abhangigkeit von der Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga und dem Getriebe-Ausgangsmoment Mga angegeben werden:

g = g (ug ; nga; Mga ) :

(2.19)

Aus (2.18) bzw. (2.19) kann der Getriebe-Wirkungsgrad g abgeleitet werden zu g = ug : (2.20) g Die am Getriebe-Ausgang ubertragene Leistung Pga ist das Produkt aus der am Getriebe-Eingang ubertragenen Leistung Pge und g :

Pga = Pge g :

(2.21)

Wahrend des Gangwechsels wird der Formschluss zwischen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle unterbrochen. Durch Synchronisierungs-Einrichtungen wird die Drehzahl der Getriebe-Eingangwelle wahrend des Gangwechsels auf die Synchrondrehzahl des neuen Gangs gebracht. Durch diese Synchronisierungs-Einrichtungen wird wahrend des Gangwechsels ein Moment Mges auf die Getriebe-Eingangswelle und ein Moment Mgas auf die Getriebe-Ausgangswelle ausgeubt: ge !_ ge = Mge + Mges;

(2.22)

ga !_ ga = ;Mga + Mgas :

(2.23)

Groe und zeitlicher Verlauf von Mges und Mgas werden durch die Ausfuhrung der Synchronisierungs-Einrichtungen und deren Betatigung bestimmt. Wie bereits erwahnt, kann durch an die Getriebe-Eingangswelle angekoppelte Triebstrang-Nebenaggregate ein Moment Mtna auf die Getriebe-Eingangswelle einwirken. Bei automatisierten Schaltgetrieben werden die Getriebe-Schalteinrichtungen durch Aktuatoren so betatigt, dass ein automatisierter Gangwechsel erfolgt. Die Steuerung der Aktuatoren wird durch eine unterlagerte Steuerungs-Einheit vorgenommen, der der gewunschte Soll-Gang vorgegeben werden kann. Bei einem Gangwechsel muss zunacht der eingelegte Gang herausgenommen werden; danach ist die Drehzahl der GetriebeEingangwelle durch Synchronisierungs-Einrichtungen auf die Synchrondrehzahl des neuen Gangs zu bringen. Ist die Synchrondrehzahl erreicht, kann der neue Gang eingelegt werden.

34

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

Die Betatigung der Schalteinrichtungen kann pneumatisch, hydraulisch oder elektromechanisch erfolgen. Der Gangwechsel benotigt bei Pkw-Getrieben typischerweise zwischen 100 und 400 ms. Die Dauer des Gangwechsels wird wesentlich von der Dauer fur die Synchronisation bestimmt, die von der von der Getriebe-Eingangwelle zu uberwindenden Drehzahldierenz abhangt. Abbildung 1.4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines elektro-mechanischen Aktuators.

2.1.4 Dierential, Achse und Rad Es wird die Annahme getroen, dass die angetriebenen Rader die gleiche Drehzahl aufweisen und in gleichem Mae das Getriebe-Ausgangsmoment ubertragen. Sie konnen somit zu einem Rad zusammengefasst werden. Fur das Dierential gilt dann d !_ da = Mde d ; Mda

(2.24)

mit dem Dierential-Eingangsmoment Mde , dem Dierential-Ausgangsmoment Mda und der Momentenubersetzung d. Fur die Eingangs- und Ausgangsdrehzahlen gilt die Beziehung nda = u1 nde : d

Am Radeingang wirkt die Summe aus Dierential-Ausgangsmoment und dem negativen oder verschwindenden Rad-Bremsmoment:

Mre = Mda + Mbr :

(2.25)

Werden die Massentragheitsmomente der Achswellen zu a und die der angetriebenen Rader zu r zusammengefasst, so gilt (a + r ) !_ r = Mre ; Mra :

(2.26)

2.2 Dynamik des Antriebstrangs Der Antriebstrang stellt fur den Vortrieb des Fahrzeugs in Langsrichtung die Zugkraft Fx = Mr ra (2.27) r zur Verfugung. Dabei ist rr der dynamische Rad-Radius. Bei eingelegtem Gang und geschlossener Kupplung konnen die im Antriebstrang gema Abbildung 2.2 auftretenden

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

35

Massentragheitsmomente zu einem Ersatz-Tragheitsmoment des Antriebstrangs ts = (m;mn + k )u2g u2d + g u2d + d + a + r

(2.28)

zusammengefasst werden. In Gleichung (2.28) sind die Tragheitsmomente der nicht angetriebenen Rader und der Triebstrang-Nebenaggregate nicht berucksichtigt. Fur die Dynamik des Antriebstrangs gilt dann mit (2.11), (2.13), (2.17), (2.24), (2.25) und (2.26) ts !_ r = (Mm + Mmnmn ) g d + Mbr ; rr Fx: (2.29)

2.3 Fahrzeug-Langsdynamik Fur die Beschreibung der Fahrzeug-Langsdynamik gilt die Fahrwiderstands-Gleichung

mfzg v_ = Fx ; Ffaw ;

(2.30)

wobei v die Fahrzeug-Geschwindigkeit in Langsrichtung angibt und die Kraft Ffaw die Summe der wirkenden Fahrwiderstande reprasentiert. Die Gesamtmasse des Fahrzeugs ist mfzg . Bei der Umsetzung der rotatorischen Bewegung der Rader in eine translatorische Bewegung des Fahrzeugs wird der Radschlupf s in Langsrichtung wirksam [Mit95], so dass gilt v = !r rr (1 ; s): (2.31) Die Zugkraft Fx kann als Funktion des Radschlupfs angegeben werden [Mit95]:

Fx = fschlupf (s):

(2.32)

Der Fahrwiderstand hangt insbesondere von der Fahrzeug-Geschwindigkeit v und der Fahrbahn-Steigung  ab:

Ffaw = ffaw (v; ) + mfzg g sin :

(2.33)

Die Langsdynamik des Fahrzeugs wird somit durch die Dierentialgleichungen (2.29), (2.30) und die algebraischen Gleichungen (2.31), (2.32) und (2.33) beschrieben. Bei Vernachlassigung des Radschlupfes lasst sich die Fahrzeug-Langsdynamik durch Zusammenfassen von (2.29), (2.30) und (2.31) beschreiben durch

 mfzg rr2 + ts !_ r = (Mm + Mmn mn) g d + Mbr ; rr Ffaw :



(2.34)

36

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

Im Allgemeinen ist jedoch der Radschlupf s nicht zu vernachlassigen, und fur Gleichung (2.32) ist ein geeigneter Ansatz anzugeben. Dazu wird die Kraftschlussbeanspruchung  zwischen Reifen und Fahrbahn de niert zu  = FFx ; (2.35) z wobei Fz die Rad-Normalkraft beschreibt, die senkrecht zur Kontakt ache zwischen Reifen und Fahrbahn wirkt. Durch eine Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurve wird der Zusammenhang zwischen dem Schlupf s und der Kraftschlussbeanspruchung  vermittelt. Der Verlauf der Kurve (s) hangt von der Beschaenheit der Reifen und dem Zustand der Fahrbahnober ache ab. Abbildung 2.6 zeigt gemessene Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurven fur verschiedene Fahrbahnzustande. Der Schlupf setzt sich aus einem Deformations-

Abbildung 2.6: Gemessene Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurven fur verschiedene Fahrbahnzustande ([ER95], aus [Mit95]).

anteil (Formanderungsschlupf) und einem Gleitanteil (Gleitschlupf) zusammen, wobei

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

37

fur kleine Werte von s der Formanderungsschlupf uberwiegt und bei s = 1 reiner Gleitschlupf vorliegt. Fur die Beschreibung der Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurve gibt beispielsweise Pacejka [PB91] einen halb-empirischen Ansatz an, bei dem die Kurve abschnittsweise durch trigonometrische Funktionen angenahert wird. A hnlich ist der Ansatz in [Fan94], wo im Bereich des Formanderungsschlupfes die Kurve (s) durch   (s) = h sin 2s s (2.36) c beschrieben und der Bereich des Gleitschlupfes durch eine fallende Gerade angenahert wird. Abbildung 2.7 zeigt diese Naherung fur eine maximale Kraftschlussbeanspruchung h = 1:2 und sc = 0:2. 1.4

Kraftschlussbeanspruchung µ

(s ,µ ) c

1.2

h

1

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Schlupf s

Abbildung 2.7: Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurve. Annahe-

rung durch eine Sinus-Funktion entsprechend (2.36) und eine fallende Gerade (durchgezogene Linie); alternativ Annaherung durch eine Gerade entsprechend (2.37) im Bereich des Formanderungsschlupfes (gestrichelte Linie). Maximale Kraftschlussbeanspruchung h = 1:2; sc = 0:2.

Eine weiter vereinfachte Betrachtung liegt dem HSRI-Modell (Highway Safety Research Institute, [DFS69]) zu Grunde, bei dem die Kurve (s) durch zwei Geradenstucke angenahert wird. Fur haftende Reifen gilt der lineare Zusammenhang  = sh s: (2.37) c

38

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik

Auch fur die Beschreibung des Fahrwiderstands Ffaw sind Ansatze mit verschiedenen Detailliertheitsgraden moglich. Fur ein Fahrzeug kann die Funktion ffaw (v; 0) durch Ausroll-Versuche in der Ebene unter Normalbedingungen bestimmt werden. Das Fahrzeug muss einen Rollwiderstand Fr und einen Luftwiderstand Fl uberwinden [Mit95]. Der Rollwiderstand kann naherungsweise angegeben werden zu Fr = fr mfzg g cos ; (2.38) wobei die dimensionslose Groe fr den Rollwiderstands-Beiwert angibt. Der Luftwiderstand kann beschrieben werden durch 2 Fl = atm (2.39) 2 cx A v : Dabei ist atm die Luftdichte, cx der Luftwiderstands-Beiwert in Langsrichtung und A die Fahrzeug-Stirn ache.

2.4 Fahrzeug-Langsschwingungen Schwingungen des gesamten Fahrzeugs in Fahrtrichtung werden als Langsschwingungen oder Fahrzeug-Ruckeln bezeichnet. Fahrzeug-Langsruckeln wird von den Insassen als unangenehm empfunden und beein usst damit den Fahrkomfort negativ. Langsschwingungen des Fahrzeugs konnen durch schnelle A nderungen von Drehmomenten im Antriebstrang oder durch Fahrbahnunebenheiten angeregt werden [Mit97]. Durch die Fahrpedalstellung bestimmt der Fahrer die Soll-Antriebsleistung und damit das SollMotormoment. Durch schnelles Gasgeben (Tip-In) und schnelle Rucknahme des Fahrerwunsches (Back-Out) kann der Fahrer Langschwingungen anregen. Auch GetriebeSchaltvorgange konnen in gleicher Weise durch eine A nderung des Getriebe-Ausgangsmoments Fahrzeug-Langsschwingungen hervorrufen. Die Dynamik der Fahrzeug-Langsschwingungen wird durch die Eigenschaften des Antriebstrangs, den Schlupf zwischen Reifen und Fahrbahn sowie durch Masse und Fahrwiderstand des Fahrzeugs bestimmt [Fan94, Mit94, Exn98]. In Abbildung 2.8 ist ein Schwingungsmodell des Antriebstrangs fur ein Fahrzeug mit Vorderradantrieb und quer zur Fahrtrichtung eingebautem Motor dargestellt. Als Torsionselemente sind die Kupplungsfeder mit der Drehfeder-Stei gkeit Ck , die torsionsweichen Achswellen mit der Federstei gkeit Ca und die Reifen mit einer Federstei gkeit Cr in Drehrichtung berucksichtigt. Fur die Analyse und Simulation von Fahrzeug-Langsschwingungen ist ein reduziertes Schwingungsmodell mit nur einem Torsionselement zwischen Dierential und Rad hinreichend [Fan94]. Die Drehfederstei gkeit Cts dieses Torsionselements wird durch eine

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik C

j

a

/ 2

u

d a

C

39

a

/ 2

m

Q

r

d

Q

C u

j

j

r

r

/ 2

/ 2

g

m

C k

Abbildung 2.8: Schwingungsmodell des Antriebstrangs (nach [Fan94]). Fahrzeug mit Vorderradantrieb und quer zur Fahrtrichtung eingebautem Motor. Reihenschaltung der Federstei gkeiten Ca und Cr de niert: Cts = CCa+CCr : a r

(2.40)

Der Ein uss der Drehfederstei gkeit der Kupplungsfeder auf Fahrzeug-Langsschwingungen ist vernachlassigbar. Eine Transformation der Drehfederstei gkeit Ck auf die Achswelle fuhrt zu einer Stei gkeit von u2g u2dCk , die numerisch im Vergleich zu Ca sehr groe Werte annimmt. Dampfungen und Reibungen im Antriebstrang selbst konnen ebenfalls vernachlassigt werden; eine Damfung der Schwingungen erfolgt durch den Radschlupf. Abbildung 2.9 zeigt ein reduziertes Schwingungsmodell des Antriebstrangs fur Fahrzeug-Langsschwingungen. Zur Vereinfachung sind Nebenaggregate und Radbremsen nicht berucksichtigt. Die Torsionswelle ist als masseloses Torsionselement modelliert. Das Drehmoment am Eingang der Torsionswelle ist gleich dem Drehmoment am Ausgang, wobei der Verdrehwinkel
' sei: Mda = Mre = Cts
'; (2.41)
' = 'da ; 'r =

Zt 0

(!da ; !r ) d:

(2.42)

Fur die Dynamik des Antriebstrangs nach Abbildung 2.9 gelten bei geschlossener Kupp-

40

2 Modell des Antriebs und der Fahrzeugdynamik T o rs io n s w e lle

A n trie b

M

g a

D iffe re n tia l

M

M

d a

C

re

R a d

M

ra

ts

Abbildung 2.9: Reduziertes Schwingungsmodell des Antriebstrangs fur

Fahrzeug-Langsschwingungen. Der Block Antrieb umfasst Modelle von Motor, Kupplung und Getriebe. Das Verhalten des Dierentials wird durch Gleichung (2.24), das des Rades durch (2.26) beschrieben. lung und eingelegtem Gang die Gleichungen

h

i

(m + k )u2g u2d + g u2d + d !_ da = Mm g d ; Cts ('da ; 'r ) ; (a + r ) !_ r = Cts ('da ; 'r ) ; rr Fx:

(2.43) (2.44)

Die Fahrzeug-Langsbeschleunigung wird durch (2.43), (2.44) und (2.30) bis (2.33) bestimmt. Die ungedampfte Eigenfrequenz der Fahrzeug-Langsschwingungen [Fan94] lasst sich daraus ermitteln zu

v

u u 1 x = 2 tCts

~ ts + mfzg rr2 ~ ts mfzg rr2

(2.45)

mit ~ ts = (m + k )u2g u2d + g u2d + d. Das reduzierte Schwingungsmodell des Antriebstrangs nach Abbildung 2.9 bildet eine Grundlage fur die Optimierung des Schaltvorgangs, die in Kapitel 5 und 6 diskutiert wird. Fur die in den Kapiteln 3 und 4 dargelegte Ermittlung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird hingegen das Modell eines starren Antriebstrangs mit haftender Kupplung herangezogen.

Kapitel 3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement Im Fahrbetrieb sind die Aggregate des Antriebstrangs so anzusteuern, dass die vom Fahrer bei einer gegebenen Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga angeforderte Antriebsleistung Pa;soll optimal realisiert wird. Dazu beauftragt die koordinierte Antriebstrangsteuerung den Verbrennungsmotor, das Soll-Motormoment Mm;soll bereitzustellen, und das Getriebe, die Soll-U bersetzung usoll einzustellen. Der sich dadurch einstellende Betriebszustand des Antriebstrangs kann durch den Vektor

0 BB nm x = @ Mm u

1 CC A

(3.1)

mit den Komponenten Motordrehzahl nm , Motormoment Mm und Getriebe-U bersetzung u beschrieben werden. Der Betriebszustand bezieht sich auf einen Antriebstrang, dessen Dynamik durch (2.29) beschrieben wird. Dabei werden die Momente der MotorNebenaggregate und der Radbremsen zu Null angenommen. Das Motormoment Mm wird durch eine der Antriebstrangsteuerung unterlagerte elektronische MotorleistungsSteuerung realisiert, so dass das Soll-Motormoment Mm;soll erzeugt wird. Ebenso stellt eine unterlagerte Getriebesteuerung die kinematische Getriebe-U bersetzung u so ein, dass sie der Soll-U bersetzung usoll entspricht. Bei Stufengetrieben sind die moglichen U bersetzungen durch die diskreten Gang-U bersetzungen gegeben. Bei stufenlosen Getrieben kann die U bersetzung als Zustand eines kontinuierlichen physikalischen Modells beschrieben werden, bei Stufengetrieben durch einen Zustandsautomat, bei dem jeder Gang einen Zustand mit einer zugehorigen U bersetzung de niert. Bei geschlossener 41

42

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

Kupplung und eingelegtem Gang besteht zwischen der Motordrehzahl nm und der Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga der Zusammenhang

nm = u nga;

(3.2) so dass bei gegebener Getriebe-Ausgangsdrehzahl durch die Wahl einer Getriebe-U bersetzung u die Motordrehzahl festliegt. Werden U bertragungsverluste in der geschlossenen Kupplung vernachlassigt, so kann die Antriebsleistung Pa als Produkt der Motorleistung Pm und des Getriebe-Wirkungsgrads g angegeben werden:  n : Pa = Pm g = Mm 30 (3.3) m g Wegen (2.18) ist der Wert von g eine Funktion der Groen nm , Mm und u:

g = g (nm ; Mm ; u) = g (x):

(3.4)

Verluste, die nach dem Getriebe-Ausgang auftreten, werden nicht weiter berucksichtigt. Mit (3.3) und (3.4) kann die Antriebsleistung als Funktion des Betriebszustands x angegeben werden: Pa = Pa (x): (3.5) Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird in Abschnitt 3.1 als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. In Abschnitt 3.2 werden physikalisch basierte Optimierungskriterien de niert. Das auf eine Losung des Optimierungsproblems hinfuhrende Konzept der Pareto-Optimalitat wird in Abschnitt 3.3 diskutiert.

3.1 Mehrkriterien-Optimierungsproblem Der Betriebszustand x des Antriebstrangs ist so zu bestimmen, dass ein optimaler Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen erreicht wird. Dabei sind hoher Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu gewahrleisten. In vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaften treten ahnlich geartete Aufgabenstellungen auf, bei denen eine optimale Problemlosung gesucht wird, die mehreren Zielen gerecht wird. Dafur hat sich die Methode der Mehrkriterien-Optimierung als geeignet erwiesen [Sta88, SM95], die im Folgenden anhand einiger Beispiele eingefuhrt wird. Diese Methodik erlaubt es, auch bei der Optimierung des Fahrzeugantriebs zu einer systematischen Berucksichtigung von verschiedenen, sich teilweise entgegenstehenden Zielen zu gelangen.

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

43

Um eine systematische Behandlung der Anforderungen zu erreichen, ist es erforderlich, ein fundiertes Zielsystem zu erstellen [Bra97]. Dabei sind subjektive Bewertungen zu objektivieren und in quanti zierbare Groen zu fassen. Oft wird das komplexe System von Anforderungen bei der Konzeption von Fahrzeugen eindimensional auf Teilziele verengt, wie beispielsweise bei der Forderung nach einem 3-Liter-Auto oder einem Null-Emissions-Fahrzeug. In den Wirtschaftwissenschaften wurde durch die Betrachtung mehrerer Marktteilnehmer schon fruh das Konzept der Mehrkriterien-Optimierung entwickelt. Edgeworth gibt 1881 die spater durch Pareto auf mehrere Marktteilnehmer erweiterte De nition eines Optimums fur zwei Konsumenten P und , die eine Maximierung ihres Nutzens anstreben [Sta88]: It is required to nd an optimal point such that in whatever direction we take an in nitely small step, [the utility of] P and  do not increase together but that, while one increases, the other decreases ([Edg81], zitiert nach [Sta88]).

Klassische Anwendungen der Mehrkriterien-Optimierung in den Ingenieurwissenschaften betreen Design-Optimierungen im Maschinenbau [Bes94]. Beispiele sind die elastokinematische Auslegung einer Achsaufhangung [HB97], die Optimierung des Fahrwerks von Personenkraftwagen [Wim97] oder die Auslegung von Aggregaten eines Fahrzeugantriebs [MP95, ZS98b]. Eine eher empirische Diskussion verschiedener Anforderungen bei der Auslegung von Fahrzeugantrieben ndet sich in [APH98], wo der Ein uss unterschiedlicher Motor- und Getriebekombinationen auf Kraftstoverbrauch und Fahrdynamik untersucht wird. Der Ein uss von Fahrzeug, Antrieb und Fahrer auf den Kraftstoverbrauch wird in [KBS97] einer methodischen Analyse unterworfen. Auch beim Entwurf von Steuerungs- und Regelsystemen ist oft eine Abwagung zwischen verschiedenen Zielen, wie beispielsweise Regelgute und Robustheit, zu treen. Eine U bersicht uber die Behandlung des mehrzieligen optimierungsgestutzten regelungstechnischen Entwurfs gibt [Joo91]. Ein methodisches Vorgehen zur Berucksichtigung mehrerer Ziele bei der Auslegung von Steuerungs- und Regelsystemen fur Flugzeuge wird in [SG88] beschrieben. Ein Verfahren zur mehrkriteriellen koordinierten Prozessfuhrung von Staustufenketten wird in [RWA98] vorgeschlagen. Ziel ist die Maximierung der erzeugten elektrischen Energie bei gleichzeitiger Minimierung von Pegelschwankungen und Volumenstromen. Dabei wird die Steuerstrategie unter Verwendung eines Fuzzy-Systems zur Gewichtung der Ziele situationsabhangig ermittelt. Die Mehrzahl der genannten Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Anwendung einmal im Entwurfsprozess des Systems erfolgt. Die fur die Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs zu entwerfenden Algorithmen hingegen

44

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

mussen in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs ausgefuhrt werden und eine Adaption an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen vornehmen. Die Grundlage dafur bildet die De nition pysikalisch basierter Optimierungskriterien. Ziele bei der Bestimmung des optimalen Betriebszustands sind:

 hoher Antriebstrang-Wirkungsgrad;  hohe dynamische Leistungsreserve; sie ist ein Ma dafur, wie schnell einem Be-

schleunigungswunsch entsprochen werden kann und charakterisiert damit dynamisches Fahrverhalten;

 geringe Emissionen, wobei Luftschadstoe und Schall zu nennen sind. Diese Ziele sind in Abbildung 3.1 in Form eines Ziel-Dreiecks dargestellt. Die bei der Ermittlung des optimalen Betriebszustands zu berucksichtigenden Betriebsbedingungen umfassen Umweltgroen wie Luftdruck und Umgebungs-Temperatur und Betriebsparameter der Aggregate. D y n a m is c h e s F a h rv e rh a lte n H o h e d y n a m is c h e L e is tu n g s re s e rv e F a - S - S - B

h rs itu ta d t / to p & e rg fa

a tio n L a n d G o h rt

U m w e ltg rö ß e n - L u ftd ru c k - U m g e b u n g s-T e m p . H o h e r A n trie b s tra n g W irk u n g s g ra d G e rin g e r K ra fts to ffv e rb ra u c h

F a h re rty p ö k o n o m is c h / d y n a m is c h

B e trie b s p a ra m e te r - M o to r-T e m p e ra tu r - K a ta ly s a to r-T e m p . G e rin g e E m is s io n e n H o h e U m w e ltv e rträ g lic h k e it

Abbildung 3.1: Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement. Der Zielkon ikt, der bei der Ermittlung des optimalen Betriebszustands zwischen hohem Wirkungsgrad des Antriebstrangs und dynamischem Fahrverhalten auftritt, wird in Abbildung 3.2 veranschaulicht. In einem Motorkennfeld sind zwei mogliche Betriebs-

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

45

Rel. Motor−Wirkungsgrad ηm

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

Max. Motor− moment ↓

0.3 0.2 0.1 0 100

Leistung = const. ↓ 60

Motor− moment M [Nm] m

x2

x1

80

6000 5000 4000

40

Motor− drehzahl n [1/min]

3000 20

2000 0

1000

m

Abbildung 3.2: Dynamische Momentenreserve des Motors ( ; ) und relativer Motor-Wirkungsgrad. Die eingezeichneten Betriebszustande x1 und x2 liegen in der Ebene Motordrehzahl/Motormoment auf einer Hy-

perbel konstanter Leistung. Der Darstellung liegt das WirkungsgradKennfeld eines Ottomotors mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung zu Grunde. zustande x1 und x2 in der Ebene Motordrehzahl/Motormoment dargestellt. Daruber ist der relative Motor-Wirkungsgrad m aufgetragen, fur dessen Ermittlung der spezi sche Kraftstoverbrauch be am betrachteten Betriebszustand auf den bestmoglichen spezi schen Kraftstoverbrauch be;min bezogen wird:

: m (x) = bbe;min (x) e

(3.6)

Dabei wird fur diese Darstellung vereinfachend ein konstanter Getriebe-Wirkungsgrad von g  1 angenommen, so dass der Antriebstrang-Wirkungsgrad gleich dem MotorWirkungsgrad ist. Fur beide Betriebszustande wird die vom Fahrer gewunschte SollLeistung realisiert. Am Betriebszustand x1 wird dabei ein hoher Antriebstrang-Wir-

46

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

kungsgrad erzielt. Bei gleich bleibender Motordrehzahl kann der Motor jedoch seine Leistung nur unwesentlich erhohen. Die dynamische Momenten- bzw. Leistungsreserve ist fur den Betriebszustand x1 klein. Am Betriebszustand x2 sind die Verhaltnisse umgekehrt: Der Antriebstrang-Wirkungsgrad ist geringer bei hoher dynamischer Leistungsreserve. Neben den genannten Kriterien konnen noch weitere, physikalisch basierte Kriterien zur Bewertung eines Betriebszustands herangezogen werden. Sie werden in Kapitel 3.2 de niert. Ein Betriebszustand x kann in Bezug auf ein Optimierungskriterium i durch eine Gutefunktion gi(x) bewertet werden, die ein Gutema liefert. Durch Anordnen von I Fuktionen gi in einem Vektor von Gutefunktionen g kann die Aufgabe der Antriebstrangsteuerung als Mehrkriterien-Optimierungsproblem beschrieben werden: maximiere g(x) = (g1(x); g2(x); : : : ; gi(x); : : : ; gI (x)) :

x2X

(3.7)

Dabei seien die Gutefunktionen gi so de niert, dass groere Werte besser sind als kleine. Die Menge zulassiger Betriebszustande X wird durch die Gleichungs-Nebenbedingungen

Pa (x) ; Pa;soll = 0; u nga ; nm = 0

(3.8) (3.9)

und die Ungleichungs-Nebenbedingungen

Mmmax (nm ) ; Mm  0; max nmin m  nm  nm ; umin  u  umax

(3.10) (3.11) (3.12)

de niert. Die Bedingung (3.8) stellt sicher, dass die geforderte Antriebsleistung realisiert wird. Die Groe Mmmax ist das maximal mogliche Moment, das der Verbrennungsmotor bei einer Motordrehzahl nm erzeugen kann. Die minimale und die maximale max  bersetzungen Motordrehzahl sind nmin m sowie nm . Der Bereich zulassiger Getriebe-U wird durch (3.12) de niert. Fur Stufengetriebe mit diskreten Gangen ist (3.12) durch die Vorschrift u 2 fu1; u2; : : : ; uN g : (3.13) zu ersetzen.

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

47

3.2 De nition von Optimierungskriterien Die Berucksichtigung mehrerer Optimierungskriterien bei der Bestimmung des optimalen Betriebszustands erfordert eine Vergleichbarkeit der Gutefunktionen gi. Sie wird durch eine Normierung der Gutefunktionen auf einen Wertebereich [0; 1] erreicht. Ein Gutema von 1 bedeutet dabei, dass das betrachtete Optimierungskriterium in bestmoglicher Weise erfullt wird. In den folgenden Abschnitten werden entsprechende normierte Gutefunktionen fur die dynamische Leistungsreserve, den AntriebstrangWirkungsgrad sowie fur das Emissionsverhalten des Antriebs de niert.

3.2.1 Dynamische Leistungsreserve Wie bereits in Abschnitt 3.1 dargestellt, beschreibt die dynamische Leistungsreserve die Fahigkeit des Antriebs, schnell auf eine Erhohung der Leistungsanforderung durch den Fahrer zu reagieren. Die Dynamik der Leistungsbereitstellung wird dabei durch die Dynamik der Momentenerzeugung des Verbrennungsmotors bestimmt. Fur einen Betriebszustand 0 1 n m;k xk = BB@ Mm;k CCA (3.14) uk wird die dynamische Leistungsreserve des Antriebs de niert zu

wobei


Pa (xk ) = Pamax (xk ) ; Pa (xk );

0 1 n m;k B max C Pamax(xk ) = Pa B @ Mm (nm;k ) CA uk

(3.15) (3.16)

die maximal mogliche Antriebsleistung bei der Motordrehzahl nm;k und der GetriebeU bersetzung uk angibt. In Abbildung 3.3 wird diese De nition in einem Motorkennfeld visualisiert. Ergibt sich aus (3.15)
Pa (xk ) < 0, so kann der Betriebszustand xk nicht erreicht werden, da das maximale Motormoment Mmmax (nm;k ) nicht ausreicht, um die Leistung Pa(xk ) zu realisieren.

48

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement 50

45

P tot a

Antriebsleistung Pa [kW]

40

Pamax(x)

35

30

∆ Pamax(xk)

25

Pamax(xk)

20

∆ Pa (xk)

15

10

Pa(xk)

xk

5

0 1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

Motordrehzahl nm [1/min]

Abbildung 3.3: Dynamische Leistungsreserve
Pa (xk ) und maximal mogliche Leistungsreserve
Pamax (xk ) fur einen Betriebszustand xk [LBH97]. Fur die Darstellung wurde der Getriebe-Wirkungsgrad zu g  1 angenommen. Eine Normierung der dynamischen Leistungsreserve erfolgt, indem die Groe
Pa(xk ) durch die maximal mogliche Leistungsreserve
Pamax (xk ) = Patot ; Pa (xk ) (3.17) dividiert wird, die der Antrieb bei einer Realisierung der Antriebsleistung Pa (x) zur Verfugung stellen kann: a (xk ) : (3.18) gp(xk ) =

PPmax a (xk ) Dabei ist Patot die Nennleistung des Antriebs. Eine Veranderung der Linie maximaler Motorleistung aufgrund von Umweltgroen wie z.B. dem Luftdruck oder durch Betriebsparameter der Aggregate wie z.B. der Motor-Temperatur wird bei der Berechnung der Groe gp mit berucksichtigt.

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

49

3.2.2 Antriebstrang-Wirkungsgrad Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebstrangs in einem Betriebszustand xk ist das Produkt aus dem relativen Wirkungsgrad des Motors m an diesem Betriebszustand und dem Wirkungsgrad des Getriebes g an diesem Betriebszustand:

a(xk ) = m (xk ) g (xk ):

(3.19)

Der relative Motor-Wirkungsgrad ist eine Funktion der Motordrehzahl und des Motormoments und somit auch des Betriebszustands xk :

m = m (nm;k ; Mm;k ) = m(xk ):

(3.20)

Der vom Motor bei einer Motorleistung von Pm maximal erreichbare relative MotorWirkungsgrad sei mmax (Pm). Das Getriebe kann die Antriebsleistung Pa bei der Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga mit einem maximalen Wirkungsgrad gmax(Pa ) ubertragen. Erreicht das Getriebe diesen maximalen Wirkungsgrad, so muss wegen (3.3) die Motorleistung Pm = Pa max1(P ) (3.21) a g betragen, damit die Antriebsleistung Pa realisiert wird. Der fur die U bertragung der Antriebsleistung Pa bei gegebener Getriebe-Ausgangsdrehzahl nga maximal erreichbare Wirkungsgrad des Antriebstrangs ist mit (3.19) und (3.21)

amax(Pa ) = mmax

!

Pa max1(P )
gmax(Pa): a g

(3.22)

Um die Groe a zu normieren, wird a (xk ) durch den maximal moglichen Antriebstrang-Wirkungsgrad amax (Pa) dividiert, fur den die Antriebsleistung Pa realisiert werden kann. Der normierte Wirkungsgrad des Antriebstrangs fur einen Betriebszustand xk wird damit de niert zu

g (xk ) = maxa((Pxk()x )) : a k a

(3.23)

50

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

3.2.3 Emissions-Ezienz Fur eine Abgaskomponente kann der Wert der spezi schen Emission fur den Antriebstrang angegeben werden zu ca(xk ) = cm (xk )  (1x ) : (3.24) g k Der Wert der spezi schen Emission des Verbrennungsmotors an einem Betriebszustand xk ist cm = cm (nm;k ; Mm;k ) = cm (xk ): (3.25) Die vom Motor bei einer Motorleistung von Pm minimal erreichbare spezi sche MotorEmission sei cmin m (Pm ). Um ca zu normieren, wird der Wert ca(xk ) auf die minimal mogliche spezi sche Emission bezogen, fur die die Antriebsleistung Pa realisiert werden kann. Die minimal mogliche spezi sche Emission bei einer Antriebsleistung Pa ist mit (3.21) und (3.24) min cmin a (Pa ) = cm

!

Pa max1(P )
max1(P ) : a a g g

(3.26)

Basierend auf (3.24) und (3.26) wird die normierte Emissions-Ezienz fur einen Betriebszustand xk de niert zu min ge(xk ) = ca c(P(xa(x) k )) : (3.27) a k Dieser Ansatz ist fur jede relevante Abgaskomponente oder fur jede gewichtete Summe von Abgaskomponenten identisch. So kann beispielsweise eine normierte EmissionsEzienz ge1 fur HC-Emissionen und eine normierte Emissions-Ezienz ge2 fur NOx Emissionen de niert werden.

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

51

3.3 Optimalitatskonzept Bei einem Mehrkriterien-Optimierungsproblem wie (3.7) ist oft nicht eindeutig zu ermitteln, ob ein Betriebszustand x1 besser ist als ein Betriebszustand x2. Der Betriebszustand x1 ist eindeutig besser als der Betriebszustand x2 , wenn gilt

g(x1) > g(x2) , gi(x1 ) > gi(x2 ) 8 i:

(3.28)

Betriebszustande, fur die eine Verbesserung hinsichtlich eines Optimierungskriteriums mit einer Verschlechterung eines anderen Optimierungskriteriums einhergeht, de nieren die Menge X P der Edgeworth-Pareto-optimalen Betriebszustande [Sta88]. Diese Situation wird in Abbildung 3.4 veranschaulicht. g h

M e n g e d e r E d g e w o rth P a re to o p tim a le n B e trie b s z u s tä n d e : P

M a x im ie ru n g v o n g h g ( x h

) M a x im ie ru n g v o n g p g ( x p

)

M e n g e d e r z u lä s s ig e n B e trie b s z u s tä n d e :

g p

Abbildung 3.4: Beispiel fur Edgeworth-Pareto-optimale Betriebszustande.

Zwischen dem Betriebszustand x mit dem besten normierten Antriebstrang-Wirkungsgrad g und dem Betriebszustand xp mit der maximalen normierten dynamischen Leistungsreserve gp gehoren alle zulassigen Betriebszustande der Menge X P EdgeworthPareto-optimaler Betriebszustande an [BMS95].

52

3 Optimierungskriterien fur das Antriebsmanagement

Motormoment Mm [Nm]

In Abbildung 3.5 sind typische Werte der Gutefunktionen g and gp fur eine gegebene konstante Antriebsleistung von Pa = 20 kW als Funktion der Motordrehzahl dargestellt. 120

P = const.

100

a

M max

80 60

↓X

xη

m

P

40

xp

20 0 1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

6000

6500

Gütefunktion gi

Motordrehzahl nm [1/min] 1

xη

0.8

xp gη

0.6

gp

0.4 0.2 0

−0.2 1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Motordrehzahl nm [1/min]

Abbildung 3.5: Typische Werte der Gutefunktionen g und gp als Funktion der Motordrehzahl fur eine gegebene konstante Antriebsleistung von Pa = 20 kW.

Fur den Betriebszustand x wird der bestmogliche Antriebstrang-Wirkungsgrad erreicht; am Betriebszustand xp ist die dynamische Leistungsreserve maximal. Dazwischen gehoren alle Betriebszustande entlang der Hyperbel konstanter Antriebsleistung der Menge X P Edgeworth-Pareto-optimaler Betriebszustande an. Fur Motordrehzahlen unter 2400 1/min kann in dem Beispiel die Antriebsleistung Pa nicht mehr realisiert werden, was in Abbildung 3.5 durch eine gestrichelte Linie fur g angedeutet wird. Die Groe gp wird in diesem Bereich negativ.

Kapitel 4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung Die koordinierte Antriebstrangsteuerung bestimmt wahrend des Fahrbetriebs laufend den optimalen Betriebszustand des Antriebstrangs x^ und passt diesen an die Fahrsituation, den Fahrertyp und an Betriebsbedingungen an. Die Ermittlung von x^ erfolgt durch ein digital realisiertes Regelsystem in einem aquidistanten Zeitraster. Dazu ermittelt ein Echtzeit-Optimierungsalgorithmus eine Losung des Mehrkriterien-Optimierungsproblems (3.7). Die koordinierte Antriebstrangsteuerung steuert die Aggregate des Antriebstrangs so an, dass der Soll-Betriebszustand eingestellt wird. In Abschnitt 4.1 wird das Verfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands beschrieben. Die Systemarchitektur der koordinierten Antriebstrangsteuerung, in die dieses Verfahren eingebettet ist, beschreibt Abschnitt 4.2. Ergebnisse aus der Simulation von Fahrzyklen werden in 4.3 diskutiert; Abschnitt 4.4 geht auf Ergebnisse einer Implementierung des Verfahrens und des Systems in einem Versuchsfahrzeug ein.

4.1 Bestimmung des optimalen Betriebszustands Um einen optimalen Betriebszustand x^ zu bestimmen, wird die Aufgabe der Maximierung des Vektors von Gutefunktionen g(x) durch Einfuhren einer skalaren Zielfunktion auf ein skalares Problem reduziert. Die Formulierung dieser skalaren Zielfunktion wird dynamisch an die Fahrsituation, den Fahrertyp und an Betriebsbedingungen angepasst. Dadurch werden die einzelnen Kriterien des Mehrkriterien-Optimierungsproblems adaptiv gewichtet. Der in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs ausgefuhrte Optimierungs53

54

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

algorithmus besteht aus mehreren Schritten, die sequentiell ausgefuhrt werden: 1. Bestimme K Kandidaten-Betriebszustande xk ; k = 1; 2; : : : ; K , die die Gleichungs-Nebenbedingungen (3.8), (3.9) und die UngleichungsNebenbedingung (3.12) bzw. die Vorschrift (3.13) des MehrkriterienOptimierungsproblems (3.7) erfullen. Die Einhaltung der UngleichungsNebenbedingungen (3.10) und (3.11) wird durch Penalty-Funktionen sichergestellt, siehe Abschnitt 4.1.1. 2. Berechne fur alle xk den Wert einer skalaren Zielfunktion ;(xk ; a). Der Parameter-Vektor a beschreibt die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen. 3. Bestimme unter den xk den optimalen zulassigen Betriebszustand

0 BB n^^m x^ = @ Mm u^

1 CC A ; x^ 2 X ;

der die Zielfunktion ; maximiert. Zur Bestimmung der Kandidaten-Betriebszustande xk werden zunachst K zulassige Getriebe-U bersetzungen uk gewahlt, die die Ungleichungs-Nebenbedingung (3.12) bzw. die Vorschrift (3.13) erfullen. Bei Getrieben mit diskreten Gangen entspricht wegen (3.13) die maximale Anzahl von Kandidaten-Betriebszustanden der Anzahl von Getriebe-Gangen. Bei sequentiell schaltenden Getrieben kann die Menge der xk weiter eingeschrankt werden, da ausgehend vom aktuellen Gang jeweils nur der nachstkleinere bzw. nachstgroere Gang eingelegt werden kann1. Bei Getrieben mit kontinuierlich verstellbarer U bersetzung (CVT) wird im Schritt 1 des Algorithmus nur eine begrenzte Anzahl von U bersetzungen uk gewahlt, die um diskrete U bersetzungs-Schritte uk uberhalb und unterhalb der aktuellen U bersetzung liegen. Ausgehend von einer U bersetzung uk wird die zugehorige Motordrehzahl nm;k gema (3.2) bestimmt zu nm;k = uk nga : (4.1) Das zur Realisierung der Antriebsleistung Pa;soll erforderliche Motormoment Mm;k wird berechnet zu Mm;k =  (u ;Mnga;soll (4.2) ;M ) g

k

ga

ga;soll

Einem kleinen Getriebe-Gang sind numerisch groe Werte der kinematischen Getriebe-U bersetzung u zugeordnet; ein groer Gang verfugt entsprechend uber einen kleinen Wert fur die kinematische Getriebe-U bersetzung. 1

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

55

mit dem Soll-Getriebeausgangsmoment

Pa;soll : (4.3) Mga;soll = 30  nga Dabei ist zunachst noch unerheblich, ob fur Mm;k die Ungleichungs-Nebenbedingung (3.10) erfullt wird.

Der in Schritt 3 bestimmte optimale zulassige Betriebszustand x^ ist Grundlage fur die Ermittlung des Soll-Betriebszustands x^soll des Mehrkriterien-Optimierungsverfahrens, die in einem Schritt 4 erfolgt: 4. Ermittle den Soll-Betriebszustand

0 BB n^^m;soll x^ soll = @ Mm;soll u^soll

1 CC A

des Mehrkriterien-Optimierungsverfahrens nach folgender Vorschrift:

x^ soll = x^ ; wenn ;(^x; a) > ;(xk;akt; a) + H; H  0 ; (4.4) x^ soll = xk;akt sonst. (4.5) Dabei ist xk;akt der der aktuellen Getriebe-U bersetzung entsprechende Kandi-

daten-Betriebszustand, fur den gilt uk = u. Die in Gleichung (4.4) eingefuhrte skalare Groe H beschreibt eine Hysterese. Bei diskret schaltenden Getrieben kann durch eine Hysterese H > 0 verhindert werden, dass ein Pendeln zwischen zwei Betriebszustanden eintritt, deren Wert fur ; nahezu gleich ist. Die Hysterese H wird dabei vorteilhafterweise in Abhangigkeit von der aktuellen Getriebe-U bersetzung u und der Getriebe-U bersetzung u^ des potentiellen neuen Soll-Betriebszustands de niert: H = H (u; u^): (4.6) Bei Fahrzeugen mit CVT tritt das Problem des Pendelns zwischen Betriebszustanden nicht auf, da die Getriebe-U bersetzung kontinuierlich verstellt werden kann. Bei CVTFahrzeugen ist allerdings ein oszillierender Verlauf der Getriebe-U bersetzung uber der Zeit zu vermeiden. Dies kann durch geeignete Wahl der Kandidaten-Betriebszustande xk und durch eine Tiefpass-Filterung der Soll-U bersetzung erreicht werden. In Abschnitt 4.1.1 wird die De nition der skalaren Zielfunktion ; beschrieben, die in Schritt 2 des Echtzeit-Optimierungsalgorithmus ausgewertet wird. Die dynamische Anpassung dieser Zielfunktion an die Fahrsituation und den Fahrertyp wird in Abschnitt 4.1.2 diskutiert.

56

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

4.1.1 De nition einer skalaren Zielfunktion Zur Skalarisierung von g(xk ) wird eine Zielfunktion G de niert zu

G=

I X i=1

Gi (gi(xk ); a) :

(4.7)

Sie Summanden Gi de nieren Zielfunktionen, die den jeweiligen Gutefunktionen gi zugeordnet sind. Die Funktion Gp de niert eine der dynamischen Leistungsreserve gp entsprechende Zielfunktion. Der Antriebstrang-Wirkungsgrad wird durch die Zielfunktion G erfasst, die Emissions-Ezienz durch die Zielfunktion Ge. Weitere Zielfunktionen konnen herangezogen werden, um das Gerausch- und Schwingungsverhalten des Antriebstrangs oder weitere Kriterien bei der Bestimmung des optimalen Betriebszustands zu berucksichtigen. Eine Moglichkeit zur De nition von Zielfunktionen Gi besteht darin, Gutefunktionen gi einen Gewichtungsfaktor i zuzuordnen:

Gi = i(a) gi(xk ):

(4.8)

Die Gewichtungsfaktoren i sind in Abhangigkeit von dem Parameter-Vektor a festzulegen. Um nicht zulassige Betriebszustande xk auszuschlieen, wird eine Penalty-Methode angewendet [Zim92]. Die Penalty-Funktionen BM und Bn liefern bei einer Verletzung der Ungleichungs-Restriktionen (3.10) bzw. (3.11) einen negativen Beitrag zur Zielfunktion. Dadurch wird das Mehrkriterien-Optimierungsproblem (3.7) in ein Ersatzproblem ohne Restriktionen umgewandelt. Ein U berschreiten der Linie maximalen Motormoments und ein U berschreiten der Grenzen fur die zulassige Motordrehzahl wird so verhindert. Damit wird insbesondere sichergestellt, dass der Antrieb die vom Fahrer angeforderte Leistung Pa;soll realisiert. In Abschnitt 4.3.2 wird eine De nition fur die Funktionen BM (4.25) und Bn (4.26) gegeben. Die von dem Echtzeit-Optimierungsalgorithmus ausgewertete Zielfunktion ; wird unter Berucksichtigung der Penalty-Funktionen BM und Bn de niert zu ; = G ; BM ; Bn:

(4.9)

Abbildung 4.1 veranschaulicht die Auswertung der Zielfunktion ; fur einen Betriebszustand xk und einen Parameter-Vektor a.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

57

P a ra m e te r-V e k to r a N o rm . d y n a m is c h e L e is tu n g s re s e rv e

g p (x

G G p

) k

N o rm . A n trie b s tra n g W irk u n g s g ra d

g h

(x

h

G e

) k

N o rm . E m s s io n s E ffiz ie n z

g e (x

) k

I. G ü te fu n k tio n

g I (x k

)

G

+ M

G

G

+ +

m

m a x

(n

x

k

B M

m in

n n

) m

-

m

m

x

m a x k

B n

I

Abbildung 4.1: Auswertung der Zielfunktion ; fur einen Betriebszustand xk und einen Parameter-Vektor a.

4.1.2 Dynamische Adaption der Zielfunktion Die Zielfunktion ; wird durch Veranderung des Parameter-Vektors a und der PenaltyFunktionen BM und Bn dynamisch an die Fahrsituation, den Fahrertyp und an Betriebsbedingungen angepasst. Fahrsituationen sind z.B. Fahren bei erhohtem Fahrwiderstand, Stop&Go-Verkehr oder Autobahnfahrt, die durch entsprechende Parameter reprasentiert werden. So kann die Fahrsituation Fahren bei erhohtem Fahrwiderstand durch einen Parameter afaw 2 [;1; 1] erfasst werden, der den normierten Fahrwiderstand beschreibt. Ein Wert von afaw = 1 entspricht dabei einer Steigung von 100 % unter Normalbedingungen. Ein erhohter Fahrwiderstand kann insbesondere durch Befahren einer Steigung, durch Fahren mit Anhanger oder durch starke Beladung des Fahrzeugs verursacht werden. Der Fahrertyp kann durch einen Wert aft beschrieben werden, dessen Bestimmung wahrend des Fahrbetriebs durch einen Algorithmus zur Fahrertyperkennung erfolgt. Dabei charakterisiert ein Wert aft = 0 einen sehr okonomischen Fahrertyp; ein Wert aft = 1 charakterisiert einen sehr dynamischen Fahrertyp.

58

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

Betriebsbedingungen werden durch Umweltgroen und Betriebsparameter des Antriebs selbst bestimmt. Betriebsparameter umfassen beispielsweise die Katalysator-Temperatur und die Temperaturen von Antriebsaggregaten. Umweltgroen beschreiben z.B. den atmospharischen Luftdruck patm und die Umgebungs-Temperatur #atm .

Der Parameter-Vektor a kann beispielsweise de niert werden zu

a = (aft ; afaw ; patm ; #atm ) :

(4.10)

Durch die Penalty-Funktionen BM und Bn wird ; an Betriebsbedingungen angepasst. So wird in (3.10) das maximale Motormoment Mmmax (nm ) stets an die Umweltgroen patm und #atm sowie an die Motor-Temperatur angeglichen. Auch bei einer Absenkung der Linie maximalen Motormoments wird dadurch der Soll-Betriebszustand des Antriebstrangs so bestimmt, dass die angeforderte Leistung realisiert werden kann. Auch max die Drehzahlgrenzen nmin m und nm des Motors werden wahrend des Fahrbetriebs dynamisch an Betriebsparameter wie die Motor-Temperatur oder die KatalysatorTemperatur angepasst. So kann direkt nach dem Fahrzeugstart eine Anhebung von nmin utzen. Durch (3.11) konnen auch Anforderungen von m den Motor-Warmlauf unterst Motor-Nebenaggregaten nach einem bestimmten Drehzahlintervall berucksichtigt werden. Die Anpassung einer Zielfunktion Gi an den Parameter-Vektor a ist in Abbildung 4.2 beispielhaft fur die Funktion Gp(gp; a) dargestellt, die eine Bewertung der normierten dynamischen Leistungsreserve gp vornimmt. Funktionswerte von Gp liegen im Intervall [0; p]; 0  p  1. Die Gewichtung der dynamischen Leistungsreserve ist insbesondere vom Fahrertyp aft abhangig. So misst ein dynamischer Fahrer der Leistungsreserve eine hohe Bedeutung bei. Er erreicht fur Gp maximal einen Wert p;p, der groer ist als der Wert p; , den ein okonomischer Fahrer hochstens erreichen kann ( p;p; p; 2 [0; 1]). Durch groe Werte fur p wird der dynamischen Leistungsreserve gegenuber anderen Optimierungskriterien hohes Gewicht verliehen. Die optimale normierte Leistungsreserve g^p 2 [0; 1] ist vom Fahrertyp abhangig. Fur einen okonomischen Fahrer wird bei einer dynamischen Leistungsreserve von g^p; ein Optimum erreicht. Ein dynamischer Fahrer erreicht ein Optimum bei g^p;p > g^p; . Der Fahrer bewertet Betriebszustande xk , fur die gilt gp(xk ) < g^p, weniger positiv als den Betriebszustand, an dem die optimale dynamische Leistungsreserve erreicht wird.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung 1

59

γp,p

0.9

G ( g ,a = 1) p

0.8

p ft

G ( g , a = 0) p

p

ft

0.7

Gp

0.6

0.5

γp,η

0.4

0.3

0.2

0.1

0

g^p,η 0

0.1

0.2

0.3

0.4

g^p,p 0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

gp

Abbildung 4.2: Darstellung von zwei moglichen Zielfunktionen Gp zur Bewertung der dynamischen Leistungsreserve gp.

Darauf basierend wird die Funktion Gp(gp; a) konstruiert, so dass

Gp(gp; a) Gp(0; a) Gp(^gp; a) Gp(gp; a)

= 0; gp < 0; = 0; = p;  p; gp > g^p :

(4.11) (4.12) (4.13) (4.14)

Der Verlauf von Gp im Intervall (0; g^p) ist streng monoton steigend, so dass einem Ansteigen der normierten dynamischen Leistungsreserve zunehmende Werte der Zielfunktion Gp zugeordnet werden. Dies kann wie in Abbildung 4.2 durch eine explizit de nierte S-formige Funktion realisiert werden.

60

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

Fur die Konstruktion von G wird eine Gewichtung des normierten AntriebstrangWirkungsgrades durch einen Gewichtungsfaktor  2 [0; 1] vorgesehen:

G =  (a) g :

(4.15)

Ein okonomischer Fahrer misst dem Antriebstrang-Wirkungsgrad hohe Bedeutung bei, so dass fur ihn  entsprechend gro zu wahlen ist. Ein sehr dynamischer Fahrer nimmt keine Rucksicht auf den Wirkungsgrad, so dass  = 0 gewahlt werden kann. Am Beispiel moglicher Funktionen fur Gp und G wurde diskutiert, wie in Abhangigkeit vom Element aft des Parameter-Vektors a eine dynamische Adaption der Zielfunktionen erfolgen kann. Insbesondere werden durch aft die Parameter p und g^p der Funktion Gp und der Parameter  der Funktion G de niert:

aft ;! p; g^p;  :

(4.16)

Um die Anzahl freier Appikationsparameter zu begrenzen, ist es sinnvoll, die Abbildung (4.16) lediglich fur aft = 0 und aft = 1 festzulegen. Im Intervall 0 < aft < 1 kann eine lineare Interpolation fur die Parameter p; g^p und  vorgenommen werden. Fur die Adaption der Zielfunktion ; an Fahrsituationen2 wird entsprechend vorgegangen. So ist es bei einer Fahrt mit erhohtem Fahrwiderstand (afaw > 0) vorteilhaft, die dynamische Leistungsreserve anzuheben. Dadurch wird erreicht, dass das Fahrzeug trotz erhohtem Fahrwiderstand dynamisch auf eine Erhohung der Leistungsanforderung des Fahrers reagiert. Auch ein okonomischer Fahrer verfugt durch diese Adaption beispielsweise bei einer Steigungsfahrt uber eine erhohte Leistungsreserve, die die Fahrbarkeit verbessert. Auch Fahrsituationen wie Stop&Go oder Autobahnfahrt konnen fur eine Abwagung zwischen verschiedenen Zielen herangezogen werden. So ist es beispielsweise vorteilhaft, im Stop&Go-Verkehr das Erreichen niedriger Emissionswerte hoch zu gewichten. In die Konstruktion der Zielfunktionen Gi und deren Adaption an den ParameterVektor gehen Erfahrungen und Praferenzen des Fahrzeugherstellers ein. Die Applikation der entsprechenden Parameter ist bestimmend fur das Fahrverhalten.

Die Erkennung spezieller Fahrsituationen erfolgt durch entsprechende Erkennungsalgorithmen, die Messwerte, beispielsweise die Fahrzeug-Geschwindigkeit und die Fahrzeug Langsbeschleunigung, aufbereiten und die auf Modelle des Antriebstrangs und des Fahrzeugs zuruckgreifen konnen. 2

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

61

4.2 Systemarchitektur Im Folgenden werden sowohl die Systemarchitektur als auch die Funktionsstruktur der koordinierten Antriebstrangsteuerung dargestellt. Die Systemarchitektur beschreibt die Struktur des Echtzeit-Steuerungssystems im Sinne der Softwaretechnik, wahrend die Funktionsstruktur das Zusammenwirken der Steuerungsfunktionen und den Signal uss wiedergibt. Es handelt sich um zwei Sichten auf das gleiche System. Neben der Bestimmung des optimalen Betriebszustands hat die Antriebstrangsteuerung die Aufgabe, die Aggregate des Antriebstrangs so anzusteuern, dass der SollBetriebszustand 0 1 n m;soll xsoll = BB@ Mm;soll CCA (4.17) usoll eingestellt wird. Die koordinierte Antriebstrangsteuerung bestimmt dazu den Vektor von Stellgroen 0 1 M m;soll u = BB@ gsoll CCA : (4.18) Mk;soll Fur Fahrzeuge mit einem kontinuierlich verstellbaren Getriebe CVT wird statt des Soll-Gangs gsoll die Soll-U bersetzung usoll gefordert. Die Funktionsstruktur der koordinierten Antriebstrangsteuerung ist in Abbildung 4.3 dargestellt. Die vom Fahrer gewunschte Soll-Antriebsleistung Pa;soll wird in Abhangigkeit von der Fahrpedalstellung und der aktuellen Fahrzeug-Geschwindigkeit v ermittelt. Auf der Basis des gema (4.3) zu berechnenden Soll-Getriebeausgangsmoments Mga;soll erfolgt in dem Block Bestimmung optimaler Betriebszustand die Bestimmung von x^ entsprechend den Schritten 1 bis 3 des Mehrkriterien-Optimierungsverfahrens. Ausgangsgroe dieses Rechenblocks ist der der Getriebe-U bersetzung u^ entsprechende optimale Gang g^. Der Betriebszustand x^ soll wird in dem Block Bestimmung Soll-Betriebszustand entsprechend der Rechenvorschrift des Schrittes 4 ermittelt. Ausgangsgroe des Rechenblocks ist der der Getriebe-U bersetzung u^soll enstprechende Gang g^soll . In einem weiteren Block werden Schaltverhinderungen berucksichtigt. Ist keine Schaltverhinderung aktiv, so ist der Soll-Gang gsoll = g^soll : (4.19)

62

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

F a h rp e d a ls te llu n g

v P

a ,s o ll

F a h re rw u n sc h E rm ittlu n g

n

g a

M

g a ,s o ll

G (

F a h rp e d a lG ra d ie n t

a

x k,a

a

)

B e s tim m u n g o p tim a le r B e trie b s z u ta n d

M o to rtre ib e r

M

g^ ^g B e s tim m u n g S o llB e trie b s z u ta n d

K u p p lu n g s tre ib e r m ,s o ll

M

k ,s o ll

s o ll

S c h a ltv e rh in d e ru n g e n

G e trie b e tre ib e r

g

s o ll

M o to rs te u e ru n g

K u p p lu n g s s te u e ru n g

G e trie b e s te u e ru n g

M o to r

K u p p lu n g

G e trie b e

Abbildung 4.3: Funktionsstruktur der koordinierten Antriebstrangsteuerung. Der Parameter-Vektor a beschreibt die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedin-

gungen.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

63

Ist eine Schaltverhinderung aktiv, dann ist der Soll-Gang gsoll = g. So kann beispielsweise eine Schaltung in einer Kurve verhindert werden, damit die Fahrstabilitat sicher erhalten bleibt. Dazu werden Informationen uber die Fahrsituation ausgewertet. Weiterhin kann es sinnvoll sein, eine Hochschaltung zu unterdrucken, wenn der Fahrer das Fahrpedal schnell loslasst (Fast-O-Funktion). Dies wird durch einen hohen negativen Fahrpedal-Gradienten erkannt. Durch diese Schaltverhinderung konnen unerwunschte Hochschaltungen bei U berholvorgangen oder vor Kurven vermieden werden. Das Getriebe wird mit dem unter Berucksichtigung der Schaltverhinderungen ermittelten Soll-Gang gsoll angesteuert. Der Rechenblock Motortreiber bestimmt das SollMotormoment Mm;soll so, dass das Soll-Getriebeausgangsmoment Mga;soll erreicht wird; der Rechenblock Kupplungstreiber gibt der Kupplungssteuerung das Soll-Kupplungsmoment Mk;soll vor. Die in Abbildung 4.3 dargestellten Funktionen der koordinierten Antriebstrangsteuerung werden innerhalb einer objektorientiert strukturierten Systemarchitektur realisiert. Sie sind in eine Gesamt-Fahrzeugsteuerung entsprechend Kapitel 1.3 eingebettet und verfugen uber Schnittstellen zur Integration ubergeordneter Funktionen, wie z.B. einer Fahrdynamik- oder Fahrgeschwindigkeitsregelung. Schnittstellen sind auch zum elektrischen Bordnetz vorgesehen. In Abbildung 4.4 sind die enstprechende Systemarchitektur und Kommunikationsbeziehungen dargestellt. Die gra sche Darstellung der Systemarchitektur legt einen Schwerpunkt auf die Visualisierung der Strukturen des Steuerungssystems, wahrend die signal ussorientierte Darstellung der Funktionsstruktur der Erlauterung spezi scher Funktionalitaten dient. Abbildung 4.3 und 4.4 sind demgema zwei Sichten auf das System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung aus unterschiedlicher Perspektive. Wesentliche Funktionen der koordinierten Antriebstrangsteuerung werden durch den Koordinator Antrieb erfullt. Diese Steuerungskomponente ist Teil des Antriebs. Sie ermittelt auf der Basis der Soll-Antriebsleistung Pa;soll den Soll-Betriebszustand xsoll und steuert die Aggregate Motor, Kupplung und Getriebe so an, dass dieser Betriebszustand erreicht wird. Der Koordinator Antrieb selbst gliedert sich in einen Manager Moment/Drehzahl, einen Motortreiber, einen Kupplungstreiber und einen Getriebetreiber. Der Koordinator Antrieb verarbeitet Anforderungen des Getriebe-Bedienfelds und wertet standig Ist-Groen des Antriebstrangs aus. Alle Groen, die den gesamten Antrieb betreen, werden in der Komponente Antriebzustandgroen aufbereitet und verwaltet. Der Koordinator Antrieb kontrolliert die Aktivitaten seiner Teilobjekte. Aufgabe des Managers Moment/Drehzahl ist die Momenten- und Drehzahlkoordination fur Motor-, Kupplungs- und Getriebetreiber. Er rechnet dazu die Soll-Antriebsleistung Pa;soll gema (4.3) in ein Soll-Getriebeausgangsmoment Mga;soll um. Auch der Leistungsbedarf der

64

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung K o o rd in a to r F a h rz e u g

P

K o o rd in a to r A n trie b F a h r s tu fe ! G a n g s tu fe !

G e trie b e B e d ie n fe ld

M o to r

A n trie b

M a n a g e r M o m e n t / D re h z a h l

M

g a ,s o ll!

M

g a ,s o ll!

K u p p lu n g s tre ib e r

M o to rtre ib e r

M

a ,s o ll!

m ,s o ll!

M

k , s o ll!

K u p p lu n g

M

g a ,s o ll!

G e trie b e tre ib e r

g

? A n trie b z u s ta n d g rö ß e n

s o ll!

G e trie b e

Abbildung 4.4: Systemarchitektur der koordinierten Antriebstrang-

steuerung: Ansteuerung der Komponenten des Antriebs durch den Koordinator Antrieb (fur eine Legende der Kommunikationsbeziehungen, siehe Abbildung 1.3).

Motor-Nebenaggregate Pmn wird in ein Drehmoment konvertiert: Pmn : Mmn = 30 (4.20)  nm Die nach (4.3) und (4.20) ermittelten Groen werden den Teilobjekten Motortreiber, Kupplungstreiber und Getriebetreiber ubergeben. Bei Schaltvorgangen und beim Anfahren ermittelt der Manager Moment/Drehzahl weitere (in Abbildung 4.4 nicht dargestellte) Vorgabegroen fur Motor, Kupplung und Getriebe, die er den zugeordneten Treibern ubergibt. Aus Grunden der U bersichtlichkeit sind in Abbildung 4.4 und in folgenden Abbildungen die Groen Pmn und Mmn nicht eingezeichnet. Der Getriebetreiber bestimmt den Soll-Betriebszustand xsoll und den entsprechenden Soll-Gang gsoll. Er steuert das Getriebe durch Vorgabe von gsoll bzw. von usoll an.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

65

Er umfasst die Funktionalitat der in Abbildung 4.3 dargestellten Rechenblocke zur Ermittlung des Soll-Gangs. Neben dem in Abschnitt 4.1 beschriebenen MehrkriterienOptimierungsverfahren enthalt der Getriebetreiber weitere Fahrprogramme. Ein manuelles Fahrprogramm wird aktiviert, wenn der Fahrer dies mit dem Getriebe-Bedienfeld anfordert. Der Fahrer hat dann die Moglichkeit, den Getriebe-Gang durch eine TipFunktion manuell vorzugeben. Das manuelle Fahrprogramm bestimmt den Soll-Gang entsprechend der Fahrerforderung und beachtet dabei Drehzahlgrenzen fur den Motor. Weitere Fahrprogramme konnen vorgesehen werden, die nur bei bestimmten Fahrsituationen, wie beispielsweise einer Passfahrt, aktiviert werden. Das jeweils aktivierte Fahrprogramm bestimmt den Soll-Gang g^soll. Nach Berucksichtigung von SchaltverK o o rd in a to r F a h rz e u g

P

a

fa w

F a h rs itu a tio n

?

a ,s o ll!

a ft? M a n a g e r M o m e n t / D re h z a h l

M

A n trie b

g a ,s o ll!

F a h rp ro g ra m m e

F a h re re ig e n s c h a fte n

K o o rd in a to r A n trie b

^g

s o ll!

S c h a ltv e rh in d e ru n g e n

G e trie b e tre ib e r

g

s o ll!

G e trie b e

Abbildung 4.5: Systemarchitektur des Getriebetreibers: Teilobjekte

und Kommunikationsbeziehungen (fur eine Legende der Kommunikationsbeziehungen, siehe Abbildung 1.3).

66

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

hinderungen wird daraus der Soll-Gang gsoll : Die Wirksamkeit einer Schaltverhinderung hangt dabei auch vom aktiven Fahrprogramm ab. So werden z.B. beim manuellen Fahrprogramm Schaltungen in Kurven nicht verhindert. Weiterhin berucksichtigen Fahrprogramme und Schaltverhinderungen die Fahrsituation und Fahrereigenschaften. Abbildung 4.5 zeigt die Architektur des Getriebetreibers mit den Teilobjekten Fahrprogramme und Schaltverhinderungen.

Die Algorithmen innerhalb des Getriebetreibers berucksichtigen Fahrsituationen, indem sie die entsprechenden Informationen beim Informationsgeber Fahrsituation abfragen. So wird ein Fahren bei erhohtem Fahrwiderstand durch Auswertung des Parameters afaw berucksichtigt. Der Fahrertyp aft wird vom Informationsgeber Fahrereigenschaften bereitgestellt. Bei der Bestimmung des optimalen Betriebszustands kann der Momentenbedarf der Motor-Nebenaggregate mit berucksichtigt werden. Bei dem Mehrkriterien-Optimierungsverfahren ist dazu bei der Bestimmung der Kandidaten-Betriebszustande xk die Rechenvorschrift (4.2) zu ersetzen durch

Mm;k =  (u ;Mnga;soll + Mmn : g k ga ; Mga;soll )

(4.21)

Der Motortreiber bestimmt das Soll-Motormoment Mm;soll so, dass die Antriebsleistung Pa;soll erreicht wird. Er berucksichtigt dabei die aktuelle Momentenubersetzung g des Getriebes und den Momentenbedarf der Motor-Nebenaggregate:

Mm;soll = Mga;soll  + Mmn : g

(4.22)

Der Motortreiber fordert vom Motor die Realisierung des Motormoments Mm;soll . Der Kupplungstreiber steuert die Kupplung so an, dass im Fahrbetrieb das erforderliche Moment stets sicher ubertragen wird. Er gibt dazu der Kupplung die nicht negative Groe Mk;soll vor. Die unterlagerte Kupplungssteuerung stellt die Kupplung so ein, dass der Betrag des Kupplungs-Ausgangsmoments Mka den Wert Mk;soll erreichen kann, ohne dass Schlupf zwischen den Kupplungsscheiben auftritt. Das Fahrpedal ist ein Teilobjekt der Steuerungskomponente Fahrzeugbewegung, vgl. Kapitel 1.3. Die Anforderung des Fahrers nach einer Antriebsleistung durch Betatigen des Fahrpedals wird dort mit den Forderungen eines Fahrgeschwindigkeitsreglers oder einer Fahrdynamikregelung koordiniert. Die resultierende Soll-Antriebsleistung Pa;soll wird uber den Koordinator Fahrzeug vom Antrieb angefordert.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

67

4.3 Simulation von Fahrzyklen Durch die Simulation der Fahrzeugsteuerung in Verbindung mit einem Fahrzeugmodell kann die Funktionsfahigkeit der koordinierten Antriebstrangsteuerung nachgewiesen werden. Die Simulation erlaubt eine Validierung der implementierten Algorithmen. Dadurch kann vor einer Inbetriebnahme des Steuerungs-Systems in einem Versuchsfahrzeug eine fehlerfreie Funktion gewahrleistet werden. In der Simulation konnen weiterhin Parameter der Antriebstrangsteuerung optimiert werden. Im Folgenden wird durch Simulationen des MVEG-Fahrzyklus3 der Ein uss der Parametrierung der Antriebstrangsteuerung auf den Kraftstoverbrauch und das Fahrverhalten untersucht. Der MVEG-Fahrzyklus besteht aus einem innerstadtischen Anteil (UDC = Urban Driving Cycle), der vier Mal wiederholt wird, und einem auerstadtischen Anteil (EUDC = Extra Urban Driving Cycle). Die Zyklus-Lange betragt 11.007 km, die Dauer 1180 s. Neben der Soll-Fahrzeug-Geschwindigkeit vsoll (t) sind fur Fahrzeuge mit manuell geschalteten Getrieben die Schaltzeitpunkte vorgegeben, Abbildung 4.6. Die Methode zur Simulation von Fahrzyklen wird in Abschnitt 4.3.1 erlautert. Parameter des Fahrzeugmodells und der Antriebstrangsteuerung fur die Simulationsversuche werden in Abschnitt 4.3.2 beschrieben. In Abschnitt 4.3.3 werden Ergebnisse der Simulationen des MVEG-Fahrzyklus dargestellt.

4.3.1 Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell Die Simulation von Fahrzyklen erfolgt durch eine Co-Simulation4 der Fahrzeugsteuerung in Verbindung mit einem Fahrzeugmodell. Abbildung 4.7 stellt eine RegelkreisStruktur dar, mit der Fahrzyklen mit vorgegebenen Geschwindigkeitspro len simuliert werden konnen. Durch den Block Fahrzyklus wird die Soll-Fahrzeug-Geschwindigkeit vsoll vorgegeben. Die Groe vsoll und die aktuelle Fahrzeug-Geschwindigkeit v des Fahrzeugmodells sind Eingangsgroen eines Fahrgeschwindigkeitsreglers FGR-Zyklus, der der koordinierten Antriebstrangsteuerung KATS vorangestellt ist. Der Block FGRZyklus bestimmt eine Soll-Antriebsleistung Pa;soll , die dem Block KATS als Fuhrungsgroe vorgegeben wird. In der koordinierten Antriebstrangsteuerung ersetzt die Groe Pa;soll die Forderung des Fahrpedals. Um die Antriebsleistung zu realisieren, bestimmt die Antriebstrangsteuerung den Vektor u von Stellgroen gema (4.18), die Eingangsgroen des Fahrzeugmodells sind. MVEG = Motor Vehicle Emissions Group; Regulierungsbehorde der Europaischen Union Bei der Co-Simulation [Kor96] werden zur Bearbeitung der Simulationsaufgabe zwei oder mehrere rechnergestutzte Simulationswerkzeuge miteinander gekoppelt, wobei jedes Simulationsprogramm Teile der Simulationsaufgabe abarbeitet (siehe auch Anhang C fur eine Beschreibung der Kommunikationsmechanismen). 3

4

68

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung 120

EUDC

v

soll

[km/h]

100 80

UDC

UDC

UDC

UDC

60 40 20 0

0

200

400

600

800

1000

1200

800

1000

1200

t [s] 5

Gang g

cycle

4 3 2 1 0

0

200

400

600

t [s]

Abbildung 4.6: MVEG-Fahrzyklus nach Richtlinie 93/116/EWG.

Gangvorgabe gcycle fur manuell geschaltete Getriebe. UDC = Urban Driving Cycle; EUDC = Extra Urban Driving Cycle.

Die Algorithmen der koordinierten Antriebstrangsteuerung und der Block FGR-Zyklus sind mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD implementiert, siehe Anhang A. Das Modell des Fahrzeugs ist mit dem System Matlab/Simulink implementiert, Anhang B. Durch gleichzeitige Simulation (Co-Simulation) der Fahrzeugsteuerung mit ASCET-SD und des Fahrzeugmodells mit Matlab/Simulink konnen Fahrzyklen simuliert werden. Anhang C beschreibt die dabei erforderlichen Kommunikationsmechanismen. Als Ergebnis einer Zyklus-Simulation stehen alle Zustands- und Ausgangsgroen des Fahrzeugmodells und alle Zustands- und Ausgangsgroen der Fahrzeugsteuerung bereit. Von besonderem Interesse sind der Verlauf der Fahrzeug-Geschwindigkeit in Verbindung mit der Information uber den jeweils gewahlten Getriebe-Gang. Aus dem Motormoment und der Motordrehzahl konnen mit einem Motor-Verbrauchskennfeld der

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

69

F G R -Z y k lu s

v s o ll F a h rz y k lu s

-

a x ,s o ll P a ,s o ll B e s tim m u n g S o ll-L ä n g s b e s c h le u n ig u n g M o d e ll F a h rw id e rs ta n d

K A T S

u

F a h rz e u g m o d e ll

v

Abbildung 4.7: Regelkreis-Struktur fur die Simulation von Fahrzyklen. spezi sche Kraftstoverbrauch be zu jedem Zeitpunkt, der Massenstrom des Kraftstoverbrauchs bt und der streckenbezogene Kraftstoverbrauch bs uber die Zyklus-Lange ermittelt werden. Die Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs und damit die Wahl des Soll-Gangs erfolgt bei der Simulation eines Fahrzyklus mit der koordinierten Antriebstrangsteuerung auf der Grundlage der Leistungsforderung Pa;soll . Es ist daher sicherzustellen, dass diese Leistungsforderung den Leistungsbedarf widerspiegelt, der erforderlich ist, um dem vorgegebenen Geschwindigkeitspro l zu folgen. Eine starke Beein ussung von Pa;soll durch Abweichungen zwischen Soll- und Ist-FahrzeugGeschwindigkeit muss vermieden werden. In dem Block FGR-Zyklus ist daher ein Modell des Fahrwiderstands des Fahrzeugs vorgesehen, mit dessen Hilfe die Soll-Antriebsleistung Pa;soll ermittelt wird. Aus dem Fahrwiderstand Ffaw und der geforderten Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax;soll kann mit (2.30) die in Langsrichtung erforderliche Zugkraft Fx;soll bestimmt werden. Mit der aktuellen Fahrzeug-Geschwindigkeit v wird die Soll-Antriebsleistung berechnet zu Pa;soll = Fx;soll v : (4.23) Die Soll-Fahrzeug-Langsbeschleunigung kann durch Dierenzenbildung unmittelbar aus dem Verlauf der Soll-Fahrzeug-Geschwindigkeit vsoll abgeleitet werden. Dazu bestimmt der Block Fahrzyklus die Groe vsoll als Soll-Geschwindigkeit, die um die Zeitdauer Tpred in der Zukunft liegt. Der Block Bestimmung Soll-Beschleunigung berechnet seine Ausgangsgroe zu ;v : ax;soll = vsoll (4.24) T pred

Realisiert die Antriebstrangsteuerung die geforderte Antriebsleistung, so folgt durch die beschriebene Methode der Simulation die Fahrzeug-Geschwindigkeit exakt der Vorgabe. Nach Schaltungen mit einem Traktionsverlust oder anderen im Modell nicht berucksichtigten Storungen wird die Leistungsforderung so angepasst, dass die SollGeschwindigkeit wieder erreicht wird.

70

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

4.3.2 System-Parameter Mit dem in Abschnitt 4.1 beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wurde der MVEG-Fahrzyklus mit zwei verschiedenen Parametersatzen simuliert (Simulationen S1 und S4); die Simulationen S2 und S3 liefern Vergleichswerte:

 Simulation S1: Parametrierung der Antriebstrangsteuerung fur maximalen An-

triebstrang-Wirkungsgrad.  Simulation S2: Verfahren n-opt [LH98], Parametrierung fur hohen AntriebstrangWirkungsgrad.5  Simulation S3: Gang gema der Zyklusvorgabe fur manuell geschaltete Getriebe entsprechend Abbildung 4.6.  Simulation S4: Parametrierung der Antriebstrangsteuerung fur hohe dynamische Leistungsreserve.

Alle Simulationen wurden mit dem gleichen Fahrzeugmodell mit generischen Parametern eines Kleinwagens vorgenommen. Daten des Fahrzeugmodells sind in Tabelle 4.1 zusammengestellt. Fahrzeug Motor Getriebe Rad Umwelt

mfzg = 1000 kg A = 2:0 m2 cx = 0:32 Ottomotor; Pmtot = 40 kW, be;min  265 g/kWh Wirkungsgrad-Kennfeld wie in Abbildung 4.12 5-Gang automatisiertes Schaltgetriebe u1 = 3:7; u2 = 2:0; u3 = 1:3, u4 = 1:0; u5 = 0:7 ud = 4:0 rr = 0:277 m, s := 0 fr = 0:013 [Rob91] atm = 1:202 kg/m3

Tabelle 4.1: Parameter des Fahrzeugmodells fur die Simulation des MVEG-Fahrzyklus.

Dieses Verfahren bestimmt zunachst eine optimale Motordrehzahl entsprechend der Leistungsforderung und ermittelt daraus durch Diskretisierung den Soll-Gang. 5

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

71

In Tabelle 4.2 werden wesentliche Parameter der Antriebstrangsteuerung fur die Simulation des MVEG-Fahrzyklus dargestellt. Simulation S1 (aft = 0) Parametrierung fur maximalen AntriebstrangWirkungsgrad g^p = 0:2

p = 0:5

 = 0:5

Simulation S4 (aft = 1) Parametrierung fur hohe dynamische Leistungsreserve g^p = 0:8

p = 1:0

 = 0:0

Tabelle 4.2: Parameter der Antriebstrangsteuerung fur die Simulation des MVEG-Fahrzyklus.

Durch die Penalty-Funktion BM wird ein U berschreiten der Linie maximalen Motormoments verhindert, so dass die Ungleichungs-Restriktion (3.10) erfullt ist. Sie wird de niert zu ( ur Mmmax (nm;k ) ; Mm;k  0 : (4.25) BM = 50 + 0:1 (M ; M max (n )) f fur Mm;k > Mmmax (nm;k ) m;k m;k m Die Penalty-Funktion Bn beschrankt den Bereich zulassiger Motordrehzahlen entsprechend der Ungleichungs-Restriktion (3.11):

8 max > fur nmin m  nm;k  nm <0 Bn = > 5 + 0:01 (nm;k ; nmax : ur nm;k > nmax m ) f m min : 5 + 0:01 (nmin ur nm;k < nm m ; nm;k ) f

(4.26)

Die minimal zulassige Motordrehzahl ist nmin m = 1200 [1/min], die maximal zulassige max Motordrehzahl nm = 6500 [1/min].

4.3.3 Ergebnisse Abbildung 4.8 zeigt Ergebnisse der Simulation S1 fur den Stadtanteil (UDC) des MVEG-Fahrzyklus. Das Plateau der zweiten Geschwindigkeits-Rampe des UDC wird im 3. Gang befahren, abweichend vom fur Fahrzeuge mit manuell geschalteten Getrieben vorgesehenen 2. Gang (vgl. Abbildung 4.6). Eine weitere Absenkung der Motordrehzahl wird durch Wahl des 5. Gangs fur die Phase konstanter Geschwindigkeit von 50 km/h erreicht. Hier sieht der Zyklus fur Fahrzeuge mit manuell geschalteten Getrieben

72

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

v [km/h]

60

v soll v

40 20 0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Gang g

6 4 2 0

t

b [g/h]

5000 4000 3000 2000 1000 0

t [s]

Abbildung 4.8: Simulation S1 des MVEG-Fahrzyklus: Urban Driving Cycle (UDC). Soll-Fahrzeug-Geschwindigkeit vsoll und FahrzeugGeschwindigkeit v; Gang g; Massenstrom des Kraftstoverbrauchs bt .

lediglich den 3. Gang vor. Der Massenstrom des Kraftstoverbrauchs bt zeigt wahrend der Hochschaltungen Einbruche, die durch eine Reduktion des Motormoments in diesen Phasen verursacht werden. Im Stand bestimmt der Leerlauf-Kraftstoverbrauch die Groe bt . In Phasen abnehmender Soll-Geschwindigkeit wird durch die Funktion der Schub-Abschaltung der Motorsteuerung kein Kraftsto verbraucht. Abbildung 4.9 zeigt Ergebnisse der Simulation S1 fur den U berlandanteil (EUDC) des MVEGFahrzyklus. Auch im EUDC werden durch die Antriebstrangsteuerung im Vergleich zur Gangvorgabe fur manuell geschaltete Getriebe hohere Gange gewahlt. In Abbildung 4.10 ist der streckenbezogene Kraftstoverbrauch bs fur die Simulationen S1 bis S4 dargestellt.6 Zur Charakterisierung des Fahrverhaltens eignen sich die Schalthau gkeit und die mittlere Motordrehzahl, die in Abbildung 4.10 ebenfalls aufgenommen wurden. Der Mittelwert der Motordrehzahl nm wird durch das arithmetische Mittel der aufgezeichneten Motordrehzahlen im betrachteten Zeitintervall de niert. Die 6

Es wurde eine Kraftsto-Dichte von  = 0:755 kg/l angenommen. b

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

73

v [km/h]

100

vsoll v

50

0

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

6

Gang g

4 2 0

5000

t

b [g/h]

10000

0

t [s]

Abbildung 4.9: Simulation S1 des MVEG-Fahrzyklus: Extra Urban Driving Cycle (EUDC). Soll-Fahrzeug-Geschwindigkeit vsoll und FahrzeugGeschwindigkeit v; Gang g; Massenstrom des Kraftstoverbrauchs bt .

mittlere Schalthau gkeit st in einem betrachteten Zeitintervall wird bestimmt durch Division der Anzahl der Schaltungen durch die Lange des Zeitintervalls. Durch die koordinierte Antriebstrangsteuerung, parametriert fur maximalen Antriebstrang-Wirkungsgrad, kann der Kraftstoverbrauch gegenuber einem Fahrzeug mit manuell geschaltetem Getriebe von 5.8 l/100km um 0.5 l/100km auf 5.3 l/100km (entsprechend 8%) gesenkt werden. Dabei wird die mittlere Motordrehzahl um 280 1/min von 1860 1/min auf 1580 1/min abgesenkt; die Schalthau gkeit erhoht sich um 80% von 1.6 1/min auf 2.9 1/min. Durch das Verfahren n-opt [LH98] wird der Kraftsto-Verbrauch gegenuber manuellem Schalten um 0.3 l/100km auf 5.5 l/100km (entsprechend 5%) reduziert bei einer geringeren Erhohung der Schalthau gkeit. Wird das Fahrzeug standig mit einer sehr hohen dynamischen Leistungsreserve betrieben, steigt der Verbrauch um bis zu 35%. Entsprechend wird auch die Motordrehzahl um 1000 1/min auf 2860 1/min angehoben.

74

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung Mittelwert n [1/min] 0

500

1000

1500

m

2000

2500

S4

3000

n = 2860 1/min m

b = 7.8 l/100km s

st = 0.7 1/min

S3

Simulation

bs = 5.8 l/100km

n = 1860 1/min m

st = 1.6 1/min nm = 1700 1/min b = 5.5 l/100km

S2

s

s = 2.4 1/min t n = 1580 1/min m b = 5.3 l/100km s s = 2.9 1/min t

S1

0

5

10

15

Mittelwert b [l/100km], Mittelwert s [1/min] s

t

Abbildung 4.10: Ergebnisse der Simulationen S1-S4 des MVEGFahrzyklus: Mittelwert der Motordrehzahl nm; Mittelwert des streckenbezogenen Kraftstoverbrauchs bs; mittlere Schalthau gkeit st .

Die Abhangigkeiten zwischen Kraftstoverbrauch, mittlerer Motordrehzahl und Schalthau gkeit sind nicht linear. Eine standig sehr hohe dynamische Leistungsreserve kann nur bei hohen Motordrehzahlen und erhohtem Verbrauch erzielt werden. Das Erreichen minimalen Kraftstoverbrauchs geht mit einer starken Erhohung der Schalthau gkeit einher. In dem durch Simulation ermittelten Wert fur den streckenbezogenen Kraftstoverbrauch bs ist die mit der Schalthau gkeit steigende Dissipationsarbeit in der Kupplung bereits berucksichtigt. Der Ein uss des elektrischen Energiebedarfs der Kupplungs- und Getriebeaktuatoren auf den Kraftstoverbrauch kann vernachlassigt werden.7 Die Erzeugung von 100 W elektrischer Leistung verursacht einen Kraftstoverbrauch von ca. 0.15 l/100km [SS97]. Wird fur einen Schaltvorgang ein elektrischer Energieverbrauch von 150 Ws zu Grunde gelegt, so verursacht eine Erhohung der Schalthau gkeit um 1/min einen Kraftstomehrverbrauch von 0.004 l/100 km. 7

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

75

4.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen Die Funktionalitat der koordinierten Antriebstrangsteuerung und des MehrkriterienOptimierungsverfahrens zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wurden in einem Versuchsfahrzeug nachgewiesen. Fur Stadtfahrten, Fahrten auerorts und Autobahnfahrten wurden Kenngroen ermittelt, die das Fahrverhalten  und die Okonomie des Fahrbetriebs beschreiben. Die Fahrzeugsteuerung erfolgt durch das System ASCET-SD, mit dem die koordinierte Antriebstrangsteuerung implementiert wurde. Ein Simulationsrechner kommuniziert uber einen CAN-Verbund mit der Motor-, der Getriebe- sowie der Kupplungssteuerung. Das Versuchsfahrzeug war mit einem Ottomotor mit elektronischer MotorleistungsSteuerung Bosch ME7, einem 5-Gang ASG sowie einer automatisierten Kupplung der Firma LuK ausgerustet. Die Steuergerate verfugen uber die in Kapitel 4.2 beschriebenen Schnittstellen zur Sollwertvorgabe. Mit der koordinierten Antriebstrangsteuerung wurden fur zwei verschiedene Parametersatze Fahrversuche vorgenommen:

 Parametrierung fur maximalen Antriebstrang-Wirkungsgrad, im Folgenden vereinfachend als okonomische Parametrierung bezeichnet.  Parametrierung fur hohe dynamische Leistungsreserve, im Folgenden auch kurz leistungsorientierte Parametrierung genannt.

Die adaptive Beein ussung des Fahrprogramms durch die Fahrertyperkennung wurde fur die Versuchsfahrten deaktiviert. Die den Fahrertyp reprasentierende Groe aft wurde fur einen sehr okonomischen Fahrertyp zu 0 und fur einen sehr dynamischen Fahrertyp zu 1 gesetzt. Eine U bersicht uber Parameter der koordinierten Antriebstrangsteuerung gibt Tabelle 4.3. Parametrierung fur maximalen AntriebstrangWirkungsgrad (aft = 0) g^p = 0:2

p = 0:5

 = 0:5

Parametrierung fur hohe dynamische Leistungsreserve (aft = 1) g^p = 0:5

p = 1:0

 = 0:0

Tabelle 4.3: Parameter der Antriebstrangsteuerung fur Fahrversuche. Die fur den Schritt 4 des Mehrkriterien-Optimierungsverfahrens relevanten Hysteresen wurden in Fahrversuchen optimiert. Sie sind in Tabelle 4.4 angegeben.

76

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung Schaltung Hysterese H

1-2 2-3 3-4 4-5 0 0.05 0.1 0.05

5-4 4-3 3-2 2-1 0.3 0.8 1.0 1.0

Tabelle 4.4: Hysteresen fur den Schritt 4 des Mehrkriterien-Optimierungsverfahrens.

Der Bereich zulassiger Motordrehzahlen wird durch die Penalty-Funktion Bn auf [1200 1/min, 6500 1/min] beschrankt. Ihre De nition ist durch (4.26) gegeben. Die PenaltyFunktion BM stellt das Einhalten der Ungleichungs-Restriktion (3.10) sicher. Sie ist gema (4.25) de niert. Von einem Fahrer wurden mit dem gleichen Fahrzeug mit verschiedenen Parametersatzen der Antriebstrangsteuerung jeweils aufeinander folgende Versuchsfahrten unternommen. Stadtfahrten fuhrten auf einem Parcours von 7 km Lange durch Ludwigsburg. Enthalten sind hier Durchgangsstraen, Nebenstraen und Zonen mit einer Geschwindigkeitsbegrenzung auf 30 km/h. Fahrten auerorts fuhrten auf einem Parcours von 15 km Lange uber Bundesstraen und Landstraen im Landkreis Ludwigsburg. Autobahnfahrten wurden auf der A81 vorgenommen. Mit dem System ASCET-SD wurden in einem aquidistanten Zeitraster von 20 ms die Fahrzeug-Geschwindigkeit, das Motormoment, die Motordrehzahl sowie der Getriebe-Gang erfasst. Im folgenden Abschnitt werden zunachst Kenngroen de niert, die fur die Auswertung der Fahrversuche herangezogen werden. Im Abschnitt 4.4.2 werden Ergebnisse aus Stadtfahrten dargestellt und diskutiert. Ergebnisse aus Fahrten auerorts zeigt Abschnitt 4.4.3.

4.4.1 De nition von Kenngroen Zur Charakterisierung des Fahrverhaltens eignen sich bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe die vier folgenden Kenngroen: mittlere Motordrehzahl n m, mittlere Schalthau gkeit st, mittlere normierte dynamische Leistungsreserve gp und mittlerer normierter Antriebstrang-Wirkungsgrad g . Bei einer aquidistanten Aufzeichnung von N Datensatzen uber einem Mess-Zeitintervall T sind diese wie folgt de niert: X (4.27) nm = N1 nm;j ; j st = Anzahl der TSchaltungen ; (4.28)

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

77

X gp = N1 gp(xj ) ; j X g = N1 g (xj ) : j

(4.29) (4.30)

Fur die folgenden Auswertungen werden bei der Bestimmung von gp nur Betriebszustande xj mit positiver Antriebsleistung berucksichtigt. Auch bei der Bestimmung von g werden nur Betriebszustande xj mit positiver Antriebsleistung berucksichtigt. Im Schubbetrieb (Pa < 0) und im Leerlauf gilt g  1. Neben diesen skalaren Kenngroen erlaubt die Analyse der Dichte der Verteilung von Betriebszustanden im Motorkennfeld Ruckschlusse auf Eigenschaften des Fahrprogramms. Dazu werden Messpunkte in der Ebene Motordrehzahl/Motormoment eingezeichnet [Moo96, HO97]. Abbildung 4.11 gibt eine solche Darstellung fur Messdaten einer Stadtfahrt mit okonomisch parametrierter Antriebstrangsteuerung. Dabei wird ein Datensatz im Motorkennfeld jeweils durch ein + gekennzeichnet. 100

Motormoment [Nm]

80

60

40

20

0

−20

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.11: Darstellung von Betriebszustanden im Motorkenn-

feld: Messdaten einer Stadtfahrt mit okonomisch parametrierter Antriebstrangsteuerung.

78

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

Durch einen Vergleich der Dichte der Verteilung der Betriebszustande mit einem Wirkungsgrad-Kennfeld des Motors { wie in Abbildung 4.12 dargestellt { ist erkennbar, ob durch das betrachtete Fahrprogramm verbrauchsgunstige Bereiche im Motorkennfeld erschlossen werden. 1 0.98

80

70

0.9

0.9

Motormoment [Nm]

60

0.96

0.98

4

0.9

0.9

6

0.6

0.9

0.92

0.9

0.7

0.92

0.94

50

0.8

40

0.5 0.8

0.8

0.4

30

0.7 20

0.6 0.6

0.6

0.2

0.5

0.5

0.4

10

0 1000

0.3

0.7

0.4

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0.1

5500

6000

0

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.12: Wirkungsgrad-Kennfeld eines Ottomotors mit elek-

tronischer Motorleistungs-Steuerung: Grautondarstellung des relativen Motor-Wirkungsgrads m .

Eine aussagekraftigere Darstellung der Dichte der Verteilung der Betriebszustande wird durch eine Grautondarstellung wie in Abbildung 4.15 erreicht. Dazu wird uber das Motorkennfeld ein Netz aquidistanter Gitterlinien im Abstand von 300 [1/min] x 5 [Nm] gelegt. Um die relative Hau gkeit der Betriebszustande zu ermitteln, wird in jedem Rechteck des Gitters die Anzahl der Messpunkte gezahlt und in Relation zur Gesamtzahl der in einem Zeitintervall aufgezeichneten Betriebszustande gesetzt. Jeder sich so ergebenden Dichte wird ein Grauton auf einer Skala8 zugeordnet, die in Abbildung 4.15 ganz rechts dargestellt ist. In gleicher Weise kann eine Farbdarstellung erzeugt werden, indem statt der Grautonskala eine Farbskala verwendet wird. 8

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

79

4.4.2 Stadtfahrten Ergebnisse von Stadtfahrten mit der koordinierten Antriebstrangsteuerung sind in Abbildung 4.13 dargestellt. Ökonomische Parametrierung

Leistungsorientierte Parametrierung 0.4

f(Pa)

f(Pa)

0.4 0.3 0.2 0.1 0

5

10

15

0 −5

20

Pa [kW]

40 20

0

200

400

600

800

5

10

15

20

Pa [kW]

40 20 0

1000

t [s]

6

0

60

v [km/h]

60

v [km/h]

0.2 0.1

0 −5

0

0.3

0

200

400

6

800

1000

800

1000

g

4

g

4

600

t [s]

2 0

2

0

200

400

600

t [s]

800

1000

0

0

200

400

600

t [s]

Abbildung 4.13: Stadtfahrt: Verteilungsdichte der Antriebsleistung

f (Pa), Fahrzeug-Geschwindigkeit v und Gang g. Links okonomische, rechts leistungsorientierte Parametrierung der Antriebstrangsteuerung. Bei Fahrversuchen ist die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse geringer als bei der Simulation von Fahrzyklen. Neben der Verkehrssituation hat auch der Fahrer einen Ein uss auf die Messergebnisse. Deshalb ist besondere Sorgfalt darauf zu verwenden, vergleichbare Versuchsbedingungen zu schaen. Der Verlauf der Fahrzeug-Geschwindigkeit in Abbildung 4.13 zeigt fur beide Versuchsfahrten eine gute U bereinstimmung. Die Abweichung der mittleren Fahrzeug-

80

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

Geschwindigkeiten betragt 1.6 km/h, siehe Tabelle 4.5. Auch die im Mittel realisierten Antriebsleistungen stimmen gut uberein; die Abweichung betragt hierbei 0.2 kW. Insbesondere bei der Leistungsforderung ist der Fahrerein uss zu beachten. Selbst bei nahezu gleichen Geschwindigkeitsverlaufen und Mittelwerten Pa konnen die Verteilungsdichten der Antriebsleistung bei zwei verschiedenen Fahrern erheblich voneinander abweichen. In den betrachteten Fahrversuchen ist hier jedoch eine gute U bereinstimmung gegeben. In Abbildung 4.13 oben sind dazu Histogramme fur die Verteilungsdichte der Antriebsleistung f (Pa) dargestellt. Mit der okonomisch parametrierten Antriebstrangsteuerung wird auch im Stadtverkehr hau g der 5. Gang erreicht. Demgegenuber wird bei einer leistungsorientierten Parametrierung nur selten der 4. Gang erreicht, der 5. Gang wird nie eingelegt. Entsprechend ist bei okonomischer Parametrierung die Schalthau gkeit mehr als doppelt so hoch wie bei leistungsorientierter Parametrierung. Die mittlere Motordrehzahl ist bei okonomischem Fahrbetrieb mit 1530 1/min deutlich niedriger als bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb, wo sie 2190 1/min betragt. Kenngroe Mittlere FahrzeugGeschwindigkeit Mittlere Antriebsleistung Mittlere Motordrehzahl Mittlere Schalthau gkeit Mittlerer normierter Antriebstrang-Wirkungsgrad Mittlere normierte dynamische Leistungsreserve

O konomische Parametrierung v = 24.9 km/h

Leistungsorientierte Parametrierung v = 23.3 km/h

Pa = 3.1 kW nm = 1530 1/min st = 7.4 1/min g = 0.89

Pa = 3.3 kW nm = 2190 1/min st = 3.0 1/min g = 0.75

gp = 0.24

gp = 0.53

Tabelle 4.5: Stadtfahrt: Charakteristische Kenngroen. Entsprechend ist auch der mittlere normierte Antriebstrang-Wirkungsgrad g bei okonomischem Fahrbetrieb um knapp 20% groer als bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb. Die in Abbildung 4.14 dargestellte Verteilungsdichte des normierten AntriebstrangWirkungsgrads f (g ) veranschaulicht dies. Die okonomisch parametrierte Antriebstrangsteuerung erschliet hau g Gebiete des Motorkennfelds mit gunstigem Wirkungsgrad. Dies wird durch einen Vergleich der Abbildungen 4.15 und 4.16 deutlich. Neben der Dichte der Verteilung der Betriebszustande ist hier jeweils auch die Linie maximalen Motormoments eingezeichnet. Bei leistungs-

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

81

orientierter Parametrierung liegen viele Betriebspunkte im unteren Teillastgebiet bei hohen Drehzahlen und geringem Motormoment. Der relative Wirkungsgrad ist in diesen Gebieten gering, insbesondere durch die im Ansaugsystem des Motors entstehenden Drosselverluste. Allerdings wird in diesen Bereichen des Motorkennfelds eine hohe dynamische Leistungsreserve erreicht. So ist die mittlere dynamische Leistungsreserve gp bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb mit 0.53 mehr als doppelt so hoch wie bei okonomischen Fahrbetrieb, wo sie 0.24 betragt. Diese Werte spiegeln auch die Parameter g^p der Antriebstrangsteuerung wider (vgl. Tabelle 4.3). Aufgrund der durch die begrenzte Anzahl von Getriebe-Gangen erfolgenden Diskretisierung und der Restriktionen (3.10) und (3.11) stimmen die Groen gp und g^p jedoch nicht exakt uberein. Leistungsorientierte Parametrierung 0.2

0.15

0.15

f ( gη)

f ( gη)

Ökonomische Parametrierung 0.2

0.1

0.05

0

0.1

0.05

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

1

0

0.2

0.4

0.2

0.2

0.15

0.15

0.1

0.05

0

0.6

0.8

1

0.6

0.8

1

gη

f ( g p)

f ( g p)

gη

0.1

0.05

0

0.2

0.4

0.6

gp

0.8

1

0

0

0.2

0.4

gp

Abbildung 4.14: Stadtfahrt: Verteilungsdichte des normierten AntriebstrangWirkungsgrads f (g ) und der normierten Leistungsreserve f (gp). Links okonomische, rechts leistungsorientierte Parametrierung der Antriebstrangsteuerung.

82

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung 100

0.02

0.018 80

Motormoment [Nm]

0.016

0.014 60 0.012

40

0.01

0.008 20 0.006

0.004 0 0.002

−20

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.15: Stadtfahrt mit okomomisch parametrierter Antriebstrangsteuerung. Dichte der Verteilung von Betriebszustanden im Motorkennfeld. 100

0.02

0.018 80

Motormoment [Nm]

0.016

0.014 60 0.012

40

0.01

0.008 20 0.006

0.004 0 0.002

−20

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.16: Stadtfahrt mit leistungsorientiert pararametrierter Antriebstrangsteuerung. Dichte der Verteilung von Betriebszustanden im Motorkennfeld.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

83

4.4.3 Fahrten auerorts Ergebnisse von Fahrten auerorts mit der koordinierten Antriebstrangsteuerung sind in Abbildung 4.17 dargestellt. Ökonomische Parametrierung

Leistungsorientierte Parametrierung 0.2

f(Pa)

f(Pa)

0.2 0.15 0.1 0.05

0.15 0.1 0.05

0

0

10 Pa

20

0

30

20

30

100

v [km/h]

v [km/h]

10

Pa [kW]

100

50

0

0

[kW]

0

200

400

50

0

600

t [s]

6

0

200

6

600

g

4

g

4

400

t [s]

2 0

2

0

200

400

t [s]

600

0

0

200

400

600

t [s]

Abbildung 4.17: Fahrt auerorts: Verteilungsdichte der Antriebsleistung f (Pa), Fahrzeug-Geschwindigkeit v und Gang g. Links okonomische, rechts leistungsorientierte Parametrierung der Antriebstrangsteuerung.

Der Verlauf der Fahrzeug-Geschwindigkeit in Abbildung 4.17 zeigt fur beide Versuchsfahrten eine gute U bereinstimmung. Phasen der Beschleunigung wechseln sich mit Phasen der Verzogerung ab, ohne dass das Fahrzeug zum Stillstand kommt. Die Abweichung der mittleren Fahrzeug-Geschwindigkeiten betragt 1.6 km/h, siehe Tabelle 4.6. Auch die im Mittel realisierten Antriebsleistungen stimmen gut uberein; die Abweichung betragt 0.5 kW. Die Verteilungsdichten der Antriebsleistung f (Pa) sind fur beide Versuchsfahrten ahnlich. Bei der Versuchsfahrt mit leistungsorientierter Parametrierung

84

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

sind die Phasen des Schubbetriebs etwas hau ger; zudem werden hier auch Leistungen uber 25 kW realisiert, was bei der Versuchsfahrt mit okonomischer Parametrierung nicht der Fall ist. Mit der okonomisch parametrierten Antriebstrangsteuerung wird ein groer Teil des Parcours im 5. Gang befahren. Ein Zuruckschalten bis in den 3. Gang erfolgt bei Beschleunigungsphasen aus niedrigen Geschwindigkeiten. Mit der leistungsorientierten Parametrierung schaltet die Antriebstrangsteuerung im Geschwindigkeitsintervall zwischen 70 und 100 km/h hau g vom 5. in den 4. Gang zuruck, wenn der Fahrer die Leistungsanforderung erhoht. In Phasen der Beschleunigung aus niedrigen Geschwindigkeiten wird auch der 2. Gang eingelegt. Die Schalthau gkeit ist bei okonomischem Fahrbetrieb mit 2.3 1/min geringer als bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb mit 4.5 1/min. Die mittlere Motordrehzahl ist bei okonomischem Fahrbetrieb mit 2670 1/min um 620 1/min niedriger als bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb, wo sie 3290 1/min betragt. Kenngroe Mittlere FahrzeugGeschwindigkeit Mittlere Antriebsleistung Mittlere Motordrehzahl Mittlere Schalthau gkeit Mittlerer normierter Antriebstrang-Wirkungsgrad Mittlere normierte dynamische Leistungsreserve

O konomische Parametrierung v = 74.0 km/h

Leistungsorientierte Parametrierung v = 72.4 km/h

Pa = 9.9 kW n m = 2670 1/min st = 2.3 1/min g = 0.94

Pa = 9.4 kW n m = 3290 1/min st = 4.5 1/min g = 0.83

gp = 0.26

gp = 0.63

Tabelle 4.6: Fahrt auerorts: Charakteristische Kenngroen. Der mittlere normierte Antriebstrang-Wirkungsgrad g ist bei okonomischem Fahrbetrieb mit 0.94 um ca. 13% groer als bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb, wo er 0.83 betragt. Der mittlere normierte Antriebstrang-Wirkungsgrad ist fur den Parcours auerorts besser als bei der Stadtfahrt. Die Leistungsforderung des Fahrers liegt hau g in einem Bereich um 20 kW, in dem der Motor sein Maximum des relativen Wirkungsgrads erreichen kann. Die Verteilungsdichte des normierten AntriebstrangWirkungsgrads f (g ) wird in Abbildung 4.18 durch ein Histogramm veranschaulicht.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

85

Auch Abbildung 4.19 verdeutlicht, dass die okonomisch parametrierte Antriebstrangsteuerung hau g Gebiete des Motorkennfelds mit hohem Wirkungsgrad erschliet bei der Fahrt auerorts in noch hoherem Mae als in der Stadt. In Abbildung 4.20 ist die deutliche Anhebung der Motordrehzahl bei gleichzeitiger Erhohung der dynamischen Leistungsreserve durch eine leistungsorientierte Parametrierung der Antriebstrangsteuerung erkennbar. Leistungsorientierte Parametrierung

0.25

0.25

0.2

0.2

f ( gη)

f ( gη)

Ökonomische Parametrierung

0.15

0.15

0.1

0.1

0.05

0.05

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

1

0

0.2

0.4

0.1

0.1

0.08

0.08

0.06 0.04 0.02 0

0.8

1

0.6

0.8

1

gη

f ( gp)

f ( gp)

gη

0.6

0.06 0.04 0.02

0

0.2

0.4

0.6

gp

0.8

1

0

0

0.2

0.4

gp

Abbildung 4.18: Fahrt auerorts: Verteilungsdichte des normierten Antriebstrang-Wirkungsgrads f (g ) und der normierten Leistungsreserve f (gp). Links okonomische, rechts leistungsorientierte Parametrierung der Antriebstrangsteuerung.

Die mittlere dynamische Leistungsreserve gp betragt bei leistungsorientiertem Fahrbetrieb 0.63, bei okonomischem Fahrbetrieb 0.26. Die Verteilungsdichte der normierten dynamischen Leistungsreserve ist in Abbildung 4.18 unten dargestellt. Im Fahrversuch mit okonomischer Parametrierung fallt eine Haufung von Betriebszustanden mit gp < 0:1 auf. In diesem Bereich wird die Linie maximalen Motormoments erreicht.

86

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung 100

0.04

0.035 80

Motormoment [Nm]

0.03 60 0.025

40

0.02

0.015 20 0.01 0 0.005

−20

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.19: Fahrt auerorts mit okomomisch parametrierter Antriebstrangsteuerung. Dichte der Verteilung von Betriebszustanden im Motorkennfeld. 100

0.04

0.035 80

Motormoment [Nm]

0.03 60 0.025

40

0.02

0.015 20 0.01 0 0.005

−20

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

Motordrehzahl [1/min]

Abbildung 4.20: Fahrt auerorts mit leistungsorientiert pararametrierter Antriebstrangsteuerung. Dichte der Verteilung von Betriebszustanden im Motorkennfeld.

4 Koordinierte Antriebstrangsteuerung

87

Diese Situation tritt ein, wenn der Fahrer die Leistungsforderung so erhoht, dass eine Ruckschaltung ausgelost wird, um die angeforderte Leistung realisieren zu konnen. Die Hysteresen H sind dabei so gewahlt, dass eine Ruckschaltung erst beim Erreichen der Linie maximalen Motormoments ausgelost wird. Dadurch wird zwar ein Unterschreiten der optimalen Leistungsreserve g^p in Kauf genommen, jedoch wird die Schalthau gkeit so reduziert. Die Ergebnisse der Auswertung von Autobahnfahrten sind qualitativ mit den oben genannten Kenngroen fur Fahrten auerorts vergleichbar. Insgesamt ist das Geschwindigkeits- und Leistungsniveau angehoben (v = 115 km/h, Pa = 20 kW). Die mittleren Motordrehzahlen sind ebenfalls hoher (nm = 3970 1/min bzw. n m = 4350 1/min). Die Schalthau gkeit geht zuruck. Der Antriebstrang-Wirkungsgrad ist aufgrund der erhohten Leistungsforderung im Mittel geringer als bei dem Parcours auf Land- und Bundesstraen.

Kapitel 5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang Neben der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs kommt bei Fahrzeugen mit diskret schaltenden Stufengetrieben der Steuerung des Schaltvorgangs besondere Bedeutung zu. Ziel bei der Optimierung des Schaltvorgangs bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe ist ein moglichst geringer Traktionsverlust durch die Schaltung bei gleichzeitig hohem Komfort. Nur durch eine koordinierte Ansteuerung der Aggregate des Antriebstrangs wahrend des Schaltvorgangs lasst sich dieses Ziel erreichen. Eine erste Saule fur die Automatisierung des Schaltvorgangs bildet die automatisierte Betatigung der Kupplung [SM92, TW95, Ste95, RC96]. Zur exakten Steuerung des ubertragbaren Kupplungsmoments verfugen die Algorithmen der Kupplungssteuerung uber Funktionen zur Adaption von Reibwert und Greifpunkt der Kupplung [FS97]. Die zweite Saule ist der automatische Gangwechsel des Schaltgetriebes. Da wahrend des Gangwechsels das Getriebe kein Moment ubertragen kann, ist zur Minimierung des Traktionsverlusts ein schneller Wechsel des Getriebe-Gangs anzustreben. Einen Beitrag dazu leisten sowohl weiterentwickelte Getriebe [IB96, ME97] als auch leistungsfahige mechatronische Aktuatoren [OL97, FB98]. Das dritte wesentliche Element bei der Steuerung des Schaltvorgangs ist die Beein ussung des Verbrennungsmotors. Fur die Optimierung des Schaltkomforts bei klassischen Stufenautomat-Getrieben ist die Methode des reduzierenden Momenteneingris in den Verbrennungsmotor etabliert [Neu92]. Weiterhin ist es bei Stufenautomat-Getrieben Stand der Technik, die Steuerung des Schaltvorgangs modellbasiert zu entwerfen [Sch94, GS95, HFP97, Ku97, OS97]. 88

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

89

Fur die Koordination der Ablaufe zur Steuerung des Schaltvorgangs bei automatisierten Schaltgetrieben sind Zustandsautomaten besonders geeignet [HE97b]. Insbesondere beim Aus- und Einkuppeln sind die Ansteuerung des Verbrennungsmotors und der Kupplung aufeinander abzustimmen. Dazu wird in [HBPR98] ein Verfahren vorgeschlagen, das eine Kupplungsmomentenregelung mit einer Motordrehzahlregelung kombiniert. In [PS98] wird ein Beispiel genannt, wie durch Hardware-in-the-loop Simulationen die Entwicklung eines automatisierten Schaltgetriebes unterstutzt werden kann. Neben der Optimierung der Aktuatoren fur Kupplung und Getriebe und der Implementierung unterlagerter Regelungen von Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe ist die Optimierung des Schaltvorgangs im Hinblick auf Traktion und Komfort wesentlich. Als Grundlage fur die Optimierung des Schaltvorgangs bei automatisierten Schaltgetrieben werden deshalb im Folgenden Bewertungsgroen fur dessen Charakterisierung entwickelt. Die betrachteten Optimierungskriterien sind:

 Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit: Diese Groe muss minimiert werden, um eine grotmogliche Fahrsicherheit zu gewahrleisten.

 Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung: Der vom Fahrer empfundene Schaltkomfort wird durch den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung bestimmt.

 Dissipationsenergie in der Kupplung: Die durch Reibung in der Kupplung dissipierte Energie muss minimiert werden, um die Lebensdauer der Belage zu erhohen und um den Wirkungsgrad der mechanischen Leistungsubertragung vom Verbrennungsmotor zu den Radern wahrend einer Schaltung zu verbessern.

Im Abschnitt 5.1 werden Phasen des Schaltvorgangs bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe beschrieben. Abschnitt 5.2 de niert die Bewertungsgroen fur die Charakterisierung des Schaltvorgangs. Im Abschnitt 5.3 wird die Aufgabe der Optimierung des Schaltvorgangs als Problem der optimalen Steuerung formuliert.

5.1 Phasen des Schaltvorgangs Bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe lassen sich bei einem Schaltvorgang grundsatzlich die drei Phasen Momentenreduktion, Gangwechsel und Momentenaufbau unterscheiden, die sequentiell ablaufen. Die Dauer des Schaltvorgangs Tsvg reicht vom Beginn der Momentenreduktion bis zum Ende des Momentenaufbaus. Der Momentenaufbau ist beendet, wenn das Getriebe-Ausgangsmoment den Ziel-Wert fur das

90

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

Getriebe-Ausgangsmoment erreicht hat. Den Verlauf des Getriebe-Ausgangsmoments und der Motordrehzahl wahrend der drei Phasen des Schaltvorgangs stellt die Prinzipskizze in Abbildung 5.1 am Beispiel einer Zug-Hochschaltung1 dar. T

re d

T

sv g

T

g w

T

a u f

M o to rd re h z a h l G e trie b e A u sg a n g sm o m e n t

ta

tb

to

te

t

Abbildung 5.1: Verlauf von Motordrehzahl und Getriebe-Ausgangsmoment bei einer Zug-Hochschaltung: Prinzipskizze.

Die Dauer des Schaltvorgangs ergibt sich als Summe der drei Phasen Momentenreduktion, Gangwechsel2 und Momentenaufbau:

Tsvg = Tred + Tgw + Tauf :

(5.1)

Bei einer Hochschaltung erfolgt ein Gangwechsel zu einem groeren Gang; eine Zug-Schaltung wird durch einen nicht negativen Wert fur das Soll-Getriebeausgangsmoment M charakterisiert. Fur eine U bersicht uber Schaltungs-Arten siehe Tabelle 6.1. 2 Die Dauer des Gangwechsels umfasst das Auslegen des alten Gangs, die Getriebe-Synchronisation und das Einlegen des neuen Gangs. Wahrend der Synchronisation wird die Drehzahl der GetriebeEingangwelle durch Synchronisierungs-Einrichtungen auf die Synchrondrehzahl des neuen Gangs gebracht. In dem betrachteten automatisierten Schaltgetriebe werden diese durch den Getriebeaktuator betatigt. Es ist jedoch auch grundsatzlich moglich, die Synchronisation der Getriebe-Eingangswelle bei geschlossener Kupplung durch den Verbrennungsmotor vorzunehmen, wodurch SynchronisierungsEinrichtungen im Getriebe eingespart werden konnen. 1

ga;soll

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang Dabei sind

91

Tred : Dauer der Momentenreduktion; Tgw : Dauer des Gangwechsels; Tauf : Dauer des Momentenaufbaus:

Die Phase Momentenreduktion beginnt zum Zeitpunkt ta und endet zum Zeitpunkt tb. Der Momentenaufbau beginnt zum Zeitpunkt t0 und endet zum Zeitpunkt te . Zur Veranschaulichung des Verlaufs von Momenten und Drehzahlen wahrend eines Schaltvorgangs sind in Abbildung 5.2 Ergebnisse der Simulation einer 3-4 Zug-Hochschaltung beispielhaft dargestellt.

M [Nm]

25 20

M

15

Mga

k

10 5 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

1.2

1.4

1.6

1.8

2

t [s] 3000

n [1/min]

2800 2600

nm

2400

n

2200 2000

ge

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]

Abbildung 5.2: Simulation einer 3-4 Zug-Hochschaltung. Verlauf von

Kupplungsmoment Mk und Getriebe-Ausgangsmoment Mga (oben); Verlauf von Motordrehzahl nm und Getriebe-Eingangsdrehzahl nge (unten).

5.2 De nition von Optimierungskriterien Um eine objektive Charakterisierung des Schaltvorgangs zu ermoglichen, werden im Folgenden physikalisch basierte Bewertungsgroen fur die Optimierungskriterien Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit, Verlauf der Fahrzeug-Langs-

92

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

beschleunigung und Dissipationsenergie in der Kupplung de niert. Jeder dieser Bewertungsgroen wird ein dimensionsloses Zielfunktional Gi zugeordnet. Diese Zielfunktionale bilden die Grundlage fur die Formulierung des Optimierungsproblems in Abschnitt 5.3.

5.2.1 Antriebsarbeit Die Groe und Dauer der Abweichung der Antriebsleistung von der geforderten Antriebsleistung wahrend eines Schaltvorgangs bestimmt dessen Gute. Um eine hohe Fahrsicherheit zu erreichen, muss die uber die Dauer der Schaltung verursachte Abweichung der Antriebsarbeit minimiert werden. Den prinzipiellen Verlauf der Antriebsleistung bei einer Zug-Schaltung und die resultierende Abweichung der Antriebsarbeit zeigt die Skizze in Abbildung 5.3. A n trie b s le is tu n g

D W

S o llA n trie b s le is tu n g

D P a

A n trie b s le is tu n g 0

ta

tb

to

te

t

Abbildung 5.3: Dierenz zwischen Soll-Antriebsleistung und tatsachlicher Antriebsleistung bei einer Zug-Schaltung.

Die Dierenz zwischen der Soll-Antriebsleistung Pa;soll und der Ist-Antriebsleistung Pa wahrend des Schaltvorgangs betragt
Pa (t) = Pa;soll (t) ; Pa(t):

(5.2)

Die Abweichung zwischen gewunschter und tatsachlich geleisteter Antriebsarbeit bei

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang einem Schaltvorgang ist somit

93

Zt

e


W =
Pa (t) dt:

(5.3)

t

a

Der Bewertungsgroe
W wird das Zielfunktional

Gw = Gw (
W; a)j[t ;t ] a

(5.4)

e

zugeordnet. Dabei erfolgt eine Gewichtung von
W in Abhangigkeit vom ParameterVektor a, der die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen beschreibt. So kann beispielsweise erreicht werden, dass in sicherheitskritischen Fahrsituationen die Minimierung von
W eine hohe Prioritat erhalt. Aufgrund der Dierenz zwischen gewunschter und tatsachlich geleisteter Antriebsarbeit weicht die Fahrzeug-Geschwindigkeit v am Ende des Schaltvorgangs gegenuber der Fahrzeug-Geschwindigkeit vref ab, die sich bei Realisierung der gewunschten Antriebsleistung ergeben wurde. Die Geschwindigkeitsdierenz
v = vref (te) ; v(te), die sich am Ende des Schaltvorgangs ergibt, ist proportional zu
W :
v 
W:

(5.5)

Herleitung fur (5.5): Mit (2.30) gilt fur die Fahrzeug-Langsbeschleunigung

ax = Fx m; Ffaw ; somit ax = Pam; Pfaw v : fzg

fzg

Wird die vom Fahrer geforderte Antriebsleistung im Zeitintervall [ta ; te] realisiert, gilt t) ; Pfaw (vref ) ; t  t  t : aref (t) = Pa;soll(m a e fzg vref Wahrend des Schaltvorgangs gilt fur die Fahrzeug-Langsbeschleunigung (v) ; t  t  t : ax (t) = Pa(t)m; Pfaw a e fzg v Die Abweichung der Fahrzeug-Langsbeschleunigung von der gewunschten FahrzeugLangsbeschleunigung ist
ax(t) = aref (t) ; ax(t): Fur die Berechnung von
ax wird die Dierenz zwischen v und vref vernachlassigt und der Fahrwiderstand als konstant angenommen. Somit gilt
P (t)
ax (t)  = m a v: fzg

94

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

Die Geschwindigkeitsdierenz ergibt sich als Integral uber
ax :

Zt

Zt
Pa (t) 1
v =
ax(t) dt = m v dt: fzg t t e

e

a

a

Wird die Fahrzeug-Geschwindigkeit v als konstant mit dem Wert zu Beginn des Schaltvorgangs angenommen, gilt:
W
v  = m v(t ) : fzg a

5.2.2 Fahrzeug-Langsbeschleunigung Der Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung wahrend einer Schaltung bestimmt den vom Fahrer empfundenen Schaltkomfort. Die Langsbeschleunigung ax wird durch den Verlauf des Getriebe-Ausgangsmoments, die Drehfederstei gkeiten im Antriebstrang sowie durch Masse und Fahrwiderstand des Fahrzeugs bestimmt, wie in Kapitel 2 ausgefuhrt. Abbildung 5.4 zeigt schematisch den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung fur eine Zug-Schaltung bei einem Fahrzeug mit automatisiertem Schaltgetriebe. F a h rz e u g L ä n g s b e s c h le u n ig u n g

D a

a

a 0

1

re f

a 0

1

t D a 0

Abbildung 5.4: Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung: Prin-

zipskizze fur eine Zug-Schaltung bei einem Fahrzeug mit automatisiertem Schaltgetriebe. Der dem Soll-Getriebeausgangsmoment entsprechende Referenzwert fur die FahrzeugLangsbeschleunigung sei aref . Wahrend des Gangwechsels verschwindet beim auto-

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

95

matisierten Schaltgetriebe das Getriebe-Ausgangsmoment, und die Fahrzeug-Langsbeschleunigung wird wegen des der Fahrzeugbewegung entgegenwirkenden Fahrwiderstands negativ. Im Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung konnen charakteristische Kenngroen identi ziert werden. In der Phase der Momentenreduktion ist der maximal erreichte negative Gradient der Fahrzeug-Beschleunigung a_ 0 . Beim Momentenaufbau ist der Maximalwert des Gradienten der Fahrzeug-Beschleunigung a_ 1 . Sowohl bei der Momentenreduktion als auch beim Momentenaufbau kann es zu einem U berschwingen der Fahrzeug-Langsbeschleunigung kommen, wobei die U berschwingweite
a0 bzw.
a1 betragt. Die Kenngroen (_a0;
a0 ; a_ 1;
a1 ) konnen auf ein dimensionsloses Zielfunktional Ga abgebildet werden, das den vom Fahrer empfundenen Schaltkomfort beschreibt. Dazu ist es zweckmaig, eine gewichtete Summe aus den Kenngroen zu bilden. Eine so ermittelte Groe korreliert gut mit einer subjektiven Bewertung des Schaltkomforts, wie eine Untersuchung in [Ku97] fur Stufenautomat-Getriebe zeigt. Das Zielfunktional Ga zur Bewertung des Verlaufs der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax(t) im Zeitintervall [ta ; te] wird bestimmt zu

Ga = 1(a)_a0 + 2(a)
a0 + 3(a)_a1 + 4(a)
a1 = Ga (ax; a)j[t ;t ] : a

e

(5.6) (5.7)

Je kleiner der Wert fur Ga, desto hoher ist der Schaltkomfort zu bewerten. Die Gewichtungsfaktoren sind geeignet festzulegen. Dabei ist es sinnvoll, diese Gewichtungsfaktoren abhangig vom Parameter-Vektor a zu de nieren. So kann zum Beispiel berucksichtigt werden, dass ein sportlich orientierter Fahrer ein U berschwingen der Fahrzeug-Langsbeschleunigung beim Momentenaufbau weniger kritisch wertet als ein komfortorientierter Fahrer. Generell steigt fur kleiner werdende Betrage von a_ 0 und a_ 1 der Schaltkomfort.

5.2.3 Dissipationsenergie Die durch Reibung in der Kupplung wahrend des Schaltvorgangs dissipierte Energie muss minimiert werden, um die Lebensdauer der Belage zu erhohen und um den Wirkungsgrad der mechanischen Leistungsubertragung vom Verbrennungsmotor zu den Radern wahrend einer Schaltung zu verbessern. Die Dissipationsleistung in der Kupplung kann uber eine Bilanzierung der mechanischen Energie ermittelt werden. Sie betragt Pdiss(t) = Mk (!ke(t) ; !ka(t)) : (5.8)

96

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

Die insgesamt wahrend eines Schaltvorgangs in der Kupplung dissipierte Energie ergibt sich somit zu Zt Wdiss = Pdiss dt: (5.9) e

t

a

Der Bewertungsgroe Wdiss wird das Zielfunktional

Gd = Gd (Wdiss; a)j[t ;t ] a

(5.10)

e

zugeordnet. Ziel bei der Optimierung des Schaltvorgangs ist die Minimierung von Wdiss bzw. Gd. Dabei ist insbesondere die Phase des Momentenaufbaus relevant, wahrend der die Motordrehzahl bei Hochschaltungen auf die Synchrondrehzahl des Ziel-Gangs reduziert werden muss. In der Phase der Momentenreduktion tritt in der Kupplung bei geeigneter Ansteuerung der Aggregate keine nennenswerte Dissipation auf. In Abbildung 5.5 ist fur eine Zug-Hochschaltung beispielhaft der Verlauf der Dissipationsleistung uber der Zeit dargestellt. 3000

n [1/min]

2800 2600

n

2400

n

2200 2000

0

0.2

m ge

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

1.2

1.4

1.6

1.8

2

t [s] 200

Pdiss [W]

150

100

50

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]

Abbildung 5.5: Dissipationsleistung Pdiss in der Kupplung. Simulation einer 3-4 Zug-Hochschaltung bei Teillast.

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

97

5.3 Formulierung des Optimierungsproblems Die Aufgabe der Optimierung des Schaltvorgangs kann als Problem der optimalen Steuerung formuliert werden. Dazu wird das Teilsystem des Antriebstrangs bestehend aus Verbrennungsmotor und Kupplung bei schleifender Kupplung betrachtet, Abbildung 5.6. Der Betriebszustand dieses Systems kann durch den Vektor 0 1 n ( t ) m xs(t) = BB@ Mm (t) CCA (5.11) Mk (t) beschrieben werden.

M

M

M o m e n te n e rz e u g u n g

m ,s o ll

j

K u p p lu n g s a k tu a to r m

M

k ,s o ll

n m

m

V e rb re n n u n g sm o to r

j

M

k

k

K u p p lu n g

Abbildung 5.6: Teilsystem des Antriebstrangs bestehend aus Verbrennungsmotor und Kupplung.

Die Dynamik des Verbrennungsmotors und der Schwungscheibe der Kupplung ist gema (2.11) und (2.14) durch die Dierentialgleichung

!_ m =  +1  (Mm ; Mk ) m ke gegeben.

(5.12)

98

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

Die Stellgroe Mm;soll ist Eingangsgroe des Systems zur elektronischen MotorleistungsSteuerung, das das geforderte Motormoment Mm realisiert, wobei die Dynamik der Momentenerzeugung durch die U bertragungsfunktion 'm gema (2.12) beschrieben wird. Die Stellgroe Mk;soll ist Eingangsgroe des Kupplungsaktuators, der uber einen unterlagerten Regelkreis das maximal ubertragbare Kupplungsmoment Mk;max einstellt. Das U bertragungsverhalten wird durch die U bertragungsfunktion 'k gema (2.16) charakterisiert, wobei bei schleifender Kupplung Mk = Mk;max gilt. Fur die Optimierung des Schaltvorgangs bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe ist es zweckmaig, jede der Phasen Momentenreduktion, Gangwechsel und Momentenaufbau getrennt zu betrachten. Das Problem der optimalen Steuerung wird im Folgenden exemplarisch fur die Phase Momentenaufbau formuliert: Bestimme den Verlauf der Stellgroen (Mm;soll ; Mk;soll) im Intervall [t0; te] so, dass das durch (5.11), (2.12) und (2.16) beschriebene System vom Anfangszustand xs;0 = xs(t = t0) in den Endzustand xs;e = xs(t = te) uberfuhrt wird. Dabei ist ein Zielfunktional ;s zu minimieren: minimiere ;s = ;s(xs)j[t0 ;t ] : xs 2 Xs e

(5.13)

Der Verlauf von xs(t) muss eine zulassige Systemtrajektorie sein, d.h. xs muss zu allen Zeitpunkten t des Intervalls [t0 ; te] in einem Raum zulassiger Trajektorien Xs enthalten sein. Der Endzeitpunkt te ist frei. Der Anfangszustand zu Beginn der Phase Momentenaufbau am Zeitpunkt t0 ist

0 BB nm;0 xs;0 = @ Mm;0 0

1 CC A:

(5.14)

Der Zustand xs;0 entspricht dem Zustand, der am Ende der Phase Gangwechsel erreicht wird. Bei Hochschaltungen wird wahrend des Gangwechsels das maximale Motorschleppmoment eingestellt, um die Motordrehzahl in einem moglichst kurzen Zeitintervall an die Synchrondrehzahl des Ziel-Gangs anzugleichen. Es ist somit Mm;0 = Mmmin (nm;0 ). Bei Ruckschaltungen wird die Motordrehzahl durch eine Drehzahlregelung an die Zieldrehzahl herangefuhrt. Entsprechend den Aktionen dieser Regelung stellt sich am Ende der Phase Gangwechsel ein Motormoment Mm;0 ein. Die Kupplung ist am Ende der Phase Gangwechsel geonet, so dass Mk;0 = 0.

5 Optimierungskriterien fur den Schaltvorgang

99

Der Systemzustand am Ende der Phase Momentenaufbau zum Zeitpunkt te ist

0 BB nm;ziel xs;e = @ Mm;ziel Mk;ziel

1 CC A

(5.15)

mit

nm;ziel Mm;ziel !_ m;ziel Mk;ziel

= = = =

nga (te) uziel ; (m + ke) !_ m;ziel + Mk;ziel ; !_ ga (te) uziel ; Mga;soll :  (u ) g ziel

(5.16) (5.17) (5.18) (5.19)

Die Endbedingung (5.17) folgt aus (5.12). Der Raum zulassiger Trajektorien Xs wird durch folgende Randbedingungen de niert:

nm (t) nm (t) Mmmin (nm (t)) jMk (t)j

   

nge (t) bei Hochschaltung; nge (t) bei Ruckschaltung; Mm (t)  Mmmax (nm (t)); jMk;zielj :

(5.20) (5.21) (5.22) (5.23)

Weiterhin ist die maximal erreichbare Dynamik der Momentenerzeugung des Verbrennungsmotors und des Kupplungsaktuators zu berucksichtigen. Das Motormoment muss kleiner oder gleich dem maximal erreichbaren Motormoment sein, das durch Aufbringen einer Sprungfunktion h zum Zeitpunkt t0 auf das Soll-Motormoment Mm;soll erzeugt werden kann: Mm (t)  'm fh(t0 ) Mmmax g : (5.24) Fur den Verlauf des maximal ubertragbaren Kupplungsmoments gilt analog

Mk (t)  'k fh(t0 ) Mkmax g :

(5.25)

Das Zielfunktional ;s wird als Summe von I Zielfunktionalen Gi de niert: ;s =

I X i=1

Gi (xs; a)j[t ;t ] : a

e

(5.26)

Die Zielfunktionale Gi sind jeweils eine Funktion der Systemtrajektorie xs(t) im Intervall [ta ; te] und dem Parameter-Vektor a. Die relevanten Zielfunktionale Gw ; Ga und Gd wurden im Abschnitt 5.2 de niert.

Kapitel 6 Koordinierte Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang Die koordinierte Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang beruht auf einer Losung des Problems der optimalen Steuerung (5.13). Dazu ist ein Verfahren erforderlich, das sich fur eine Implementierung in einem Steuerungs- und Regelsystem fur den Fahrzeugantrieb eignet und eine Adaption des Zielfunktionals an den Fahrertyp, die Fahrsituation und Betriebsbedingungen ermoglicht. Probleme der optimalen Steuerung konnen grundsatzlich durch Variationsrechnung nach dem Hamilton-Verfahren gelost werden, das eine analytische Losung liefern kann [Fol94]. Voraussetzung dafur ist jedoch, dass die Wertebereiche der Zustandsgroen und der Stell- bzw. Steuergroen nicht beschrankt sind. Weiterhin ist es erforderlich, dass das Zielfunktional als Integralkriterium formuliert ist und der Integrand nach den Stell- und Zustandsgroen einmal stetig dierenzierbar ist. Die Anwendung des Maximumprinzips von Pontrjagin [Fol94] ist auch bei beschrankten Stellgroen moglich. Es beruht auf der Maximierung einer Hamiltonfunktion. Aufgrund der gewahlten Formulierung des Zielfunktionals ;s, insbesondere wegen der Berucksichtigung des Verlaufs der Fahrzeug-Langsbeschleunigung, ist das Maximumprinzip von Pontrjagin fur die Losung des vorliegenden Problems (5.13) jedoch ungeeignet. Folglich scheiden klassische analytische Verfahren aus, um eine Losung zu bestimmen. Ein Verfahren zur optimalen Regelung von Schaltvorgangen eines Stufenautomat-Getriebes mit zwei steuerbaren Kupplungen wird in [Sch94, GS95] vorgeschlagen. Der Losungsansatz beruht dort auf einer Anwendung der Variationsrechnung, der jedoch eine spezielle Formulierung des Zielfunktionals erfordert und deshalb auf das Problem (5.13) nicht anwendbar ist. 100

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

101

Es ist daher ein geeignetes numerisches Losungsverfahren zu entwickeln. Fur die numerische Losung optimaler Steuerungsprobleme sind verschiedene Ansatze bekannt, wobei direkte und indirekte Verfahren unterschieden werden konnen [BH75, Bet93, Str95]. Indirekte Verfahren basieren auf einer numerischen Minimierung bzw. Maximierung der Hamiltonfunktion und sind daher fur das vorliegende Problem ungeeignet. Direkte numerische Verfahren beruhen auf der Diskretisierung der Steuer- und/oder Zustandsgroen, wodurch das optimale Steuerungsproblem auf ein nichtlineares Optimierungsproblem transformiert wird. Bei direkten Kollokationsverfahren erfolgt insbesondere eine Diskretisierung der Zustandsgroen, wobei an den Kollokationspunkten die Dierentialgleichung zu erfullen ist. Das Kapitel ist wie folgt gegliedert: Im Abschnitt 6.1 wird ein Kollokationsverfahren zur Approximation der optimalen Systemtrajektorie x^ s(t) entwickelt. Die Systemarchitektur der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang wird im Abschnitt 6.2 beschrieben. Durch Simulation von Schaltvorgangen in Abschnitt 6.3 wird die Funktionalitat der Verfahren nachgewiesen und diskutiert. Abschnitt 6.4 zeigt Ergebnisse aus Fahrversuchen.

6.1 Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie Zur Losung des Problems (5.13) wird die optimale Systemtrajektorie

0 1 n ^ ( t ) m x^ s(t) = BB@ M^ m (t) CCA ; t0  t  te M^ k (t)

(6.1)

durch ein Kollokationsverfahren mit Hilfe von B-Splines approximiert. Die Systemtrajektorie xs(t) ist im Intervall [t0; te] durch den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) und den Verlauf der Motordrehzahl nm (t) eindeutig de niert, da der zugehorige Verlauf des Motormoments Mm (t) mit (5.12) bestimmt ist. Liegen der optimale Verlauf fur das Kupplungsmoment M^ k (t) und der optimale Verlauf fur die Motordrehzahl n^ m(t) fest, sind die Stellgroen M^ m;soll (t) und M^ k;soll(t) eindeutig bestimmbar.

102

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

Zur Approximation der optimalen Systemtrajektorie x^ s(t) werden B-Spline-Funktionen als Ansatzfunktionen gewahlt. Der Verlauf einer Zustandsgroe x(t) wird durch eine Summe von n B-Splines beschrieben, die jeweils mit einem reellen Koezienten i multipliziert werden: n X S (t) = i Bi;k (t; ) : (6.2) i=1

Die Sequenz von B-Splines (Bi;k ); i = 1; 2; : : : ; n; der Ordnung k wird durch eine Knotensequenz = [ 1 ; 2 ; : : : ; n+k ] wie folgt rekursiv de niert [Boo78, Boo98]:

(

it Bi;1 (t) = 10;; sonst

Bi;k (t) =

t;

i

Bi;k;1(t) + i+k;1 ; i

i+1

;

i+k ; t Bi+1;k;1(t) : i+k ; i+1

(6.3) (6.4)

Die Anzahl der Knoten, n + k, entspricht der Summe aus der Anzahl der B-Splines, n, und deren Ordnung, k. Weiterhin sind die B-Splines (Bi;k ) normiert, so dass gilt n X i=1

Bi;k (t) = 1; t 2 [ k ; : : : ;

n+1 ]:

(6.5)

In der Knotensequenz konnen Knoten mehrfach auftreten. Durch die Vielfachheit r eines Knotens wird der Grad der Stetigkeit von S an der entsprechenden Stelle bestimmt, wobei gilt1 r + Grad der Stetigkeit = k: (6.6) Abbildung 6.1 zeigt beispielhaft eine Sequenz von B-Splines der Ordnung k = 4. Sie werden auch als kubische B-Splines bezeichnet [Boo78]. Abbildung 6.2 veranschaulicht die Konstruktion eines kubischen B-Splines gema (6.3), (6.4). Splines sind grundsatzlich geeignet, um eine Systemtrajektorie durch Kollokationsverfahren zu approximieren [SL83]. Die Wahl von B-Splines als Ansatzfunktionen hat den Vorteil, dass ein lokal linearer Verlauf einer Zustandsgroe x(t) exakt beschrieben werden kann [Boo78]. Um beispielsweise mit B-Splines der Ordnung k = 4 an einem Knoten die Stetigkeit der Funktion S und der ersten Ableitung zu gewahrleisten, ist der Knoten in 2-fach vorzusehen. 1

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

103

1

B1,4

0.5 0

0

0.5

1

1.5

2

0

0.5

1

1.5

2

0

0.5

1

1.5

2

0

0.5

1

1.5

2

0

0.5

1

1.5

2

1

B

2,4

0.5 0 1

B3,4

0.5 0 1

B4,4

0.5 0 1

B

5,4

0.5 0

t

Abbildung 6.1: Die kubischen B-Splines (Bi;4); i = 1; 2; : : : ; 5; fur die

Knotensequenz = [0 0 0 0 1 2 2 2 2]. Es wird der Zusammenhang zwischen der Vielfachheit eines Knotens und dem Grad der Stetigkeit an der entsprechenden Stelle deutlich: Am Knoten 5 = 1 sind die B-SplineFunktionen bis zur zweiten Ableitung stetig; am linken und rechten Rand des Intervalls [0; 2] treten Unstetigkeiten auf.

Zur Beschreibung des Verlaufs einer Zustandsgroe x(t) werde die Funktion S durch den Parameter-Vektor de niert:

S = S (t; ):

(6.7)

Der Parameter-Vektor umfasst dazu die Koezienten i und die Knotensequenz : = [ ; 1; 2; : : : ; n]:

(6.8)

Zur Beschreibung der Systemtrajektorie xs(t) werde der Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) durch den Parameter-Vektor M und der der Motordrehzahl nm (t) durch

104

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

2

1.5

1

B

0.5

0

−0.5

−1

0

1

2

3

4

5

t

Abbildung 6.2: Beispiel fur die Konstruktion eines kubischen B-Splines aus kubischen Polynomen ( = [0 1:5 2:3 4 5]; Beispiel nach [Boo98]).

den Parameter-Vektor n de niert:

Mk (t; M ) = S (t; M ); nm (t; n) = S (t; n):

(6.9) (6.10)

Durch die Parameter-Vektoren ( M ; n) und die zugehorige De nition (6.3), (6.4) der B-Splines ist xs(t) somit festgelegt. Damit lautet das zu (5.13) gehorige endlich-dimensionale nichtlineare Optimierungsproblem: minimiere ;s = ;s( M ; n)j[t0 ;t ] : e

unter den Bedigungen (5.14) bis (5.25).

(6.11)

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

105

Zur numerischen Behandlung eines nichtlinearen Optimierungsproblems mit Gleichungsund Ungleichungs-Nebenbedingungen wie (6.11) konnen grundsatzlich Such- oder Gradientenverfahren herangezogen werden [Fle87, Kos93]. Dabei wird die Losung iterativ so bestimmt, dass ein vorggebbares Abbruchkriterium erfullt ist. Fur die Anwendung von Gradientenverfahren ist es insbesondere erforderlich, dass die Gutefunktionen stetig dierenzierbar sind. Derartige Losungsverfahren sind jedoch fur die Implementierung in einem Echtzeit-Steuerungs- und Regelsystem fur den Fahrzeugantrieb schlecht geeignet, weil sie erhebliche Rechenzeiten und -Ressourcen beanspruchen und nicht garantiert werden kann, dass die Losung in einem vorgegebenen Rechenzeitraster gefunden wird. Deshalb wird im Folgenden ein Verfahren entwickelt, bei dem die Anzahl der zu betrachtenden Losungen limitiert wird. Dazu werden K Satze von Parameter-Vektoren ( kM ; kn), k = 1; 2; : : : ; K; gewahlt, die eine Menge von zulassigen Systemtrajetorien xks (t) 2 Xs de nieren. Unter diesen Trajektorien wird diejenige als die optimale ausgewahlt, die das Zielfunktional ;s minimiert. Die Wahl der Parameter-Vektoren erfolgt sequentiell fur einzelne Zustandsgroen, wobei a-priori-Wissen uber den Ein uss der Parameter auf die zu optimierenden Bewertungsgroen verwendet wird. Zur Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie wird der folgende Algorithmus in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs ausgefuhrt: Fur k = 1; 2; : : : ; K : 1. Bestimme eine zulassige Trajektorie fur den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t). Wahle dazu kM so, dass Mk (t; kM ) die Anfangsbedingung (5.14), die Endbedingung (5.15) sowie die Randbedingungen (5.23) und (5.25) erfullt. 2. Bestimme eine zulassige Trajektorie fur den Verlauf der Motordrehzahl nm (t). Wahle dazu kn so, dass nm (t; kn) die Anfangsbedingung (5.14), die Endbedingung (5.15) sowie die Randbedingungen (5.20) und (5.21) erfullt. 3. Berechne den zugehorigen Verlauf des Motormoments zu   (6.12) Mm (t; kM ; kn) = Mk (t; kM ) +  (m30+ ke) dtd nm (t; kn) : Fur den Verlauf des Motormoments mussen die Bedingungen (5.22) und (5.24) erfullt sein. Das Vorgehen zur Bestimmung einer Trajektorie fur den Verlauf des Kupplungsmoments in Schritt 1 wird im Abschnitt 6.1.1 diskutiert. Fur die Wahl von kM wird eine Knotensequenz M vorgegeben, und die Koezienten i werden durch Losen eines Gleichungssystems (vgl. (6.18) bis (6.23)) bestimmt.

106

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

Das Vorgehen zur Bestimmung einer Trajektorie fur den Verlauf der Motordrehzahl in Schritt 2 wird im Abschnitt 6.1.2 diskutiert. Fur die Wahl von kn wird eine Knotensequenz n vorgegeben und die Koezienten i werden durch Losen eines Gleichungssystems (vgl. (6.25) bis (6.28)) bestimmt. Ist in den Schritten 2 oder 3 die Erfullung der angegebenen Bedingungen nicht moglich, sind die vorangegangenen Schritte mit der Wahl anderer Parameter zu wiederholen. Die Schritte 1-3 sind K mal zu durchlaufen. Ergebnis sind K Satze von Parameter-Vektoren ( kM ; kn), die K zulassige Systemtrajektorien

0 1 k) n ( t; m n xks (t) = BB@ Mm (t; kM ; kn) CCA ; k = 1; 2; : : : ; K; Mk (t; kM )

(6.13)

de nieren. Folgende Schritte sind: 4. Bestimme unter den K zulassigen Systemtrajektorien xks (t) die optimale Systemtrajektorie x^ s(t), die das Zielfunktional ;s minimiert. Das Zielfunktional ;s ist durch den Parameter-Vekor a dynamisch an den Fahrertyp, die Fahrsituation und an Betriebsbedingungen anzupassen. 5. Bestimme die Stellgroen M^ k;soll(t) und M^ m;soll (t) so, dass 'k fM^ k;soll(t)g = M^ k (t) und 'mfM^ m;soll (t)g = M^ m (t). Die U bertragungsfunktion 'm beschreibt dabei das U bertragungsverhalten der Momentenerzeugung durch den Verbrennungsmotor gema (2.12). Das U bertragungsverhalten von Kupplung und Kupplungsaktuator wird durch die U bertragungsfunktion 'k gema (2.16) beschrieben. Abbildung 6.3 zeigt gra sch die Schritte des Algorithmus. Im Abschnitt 6.1.1 wird das Vorgehen fur die Bestimmung zulassiger Trajektorien fur den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) durch Wahl von kM beschrieben. Dabei wird zunachst der Ein uss des Verlaufs von Mk (t) auf die Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit aufgezeigt. Danach wird auf den Ein uss auf die FahrzeugLangsbeschleunigung eingegangen. Abschnitt 6.1.2 diskutiert die Festlegung des Verlaufs der Motordrehzahl nm (t). Er bestimmt bei gegebenem Verlauf des Kupplungsmoments insbesondere die wahrend des Schaltvorgangs in der Kupplung dissipierte Energie. Der Verlauf der Motordrehzahl hat keinen Ein uss auf die Abweichung der Antriebsarbeit und auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung, sofern die Endbedingungen fur die Motordrehzahl (5.16) und (5.18) eingehalten werden.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

107

k = 1; 2; : : : ; K

a (AB, EB, RB)

a (AB, EB, RB)

(RB)

a

-1

-2

-3

Bestimme Mk (t; kM )

? Bestimme nm(t; kn)

? Berechne Mm (t; kM ; kn) ( kM ; kn)

-4

?

Bestimme x^s(t) aus xks (t), so dass ;s = min

x^s(t)

5

?

Bestimme M^ k;soll(t); M^ m;soll (t)

Abbildung 6.3: Optimierungsverfahren zur Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie x^ s(t) fur den Schaltvorgang. a: Parameter-Vektor, AB: Anfangsbedingung, EB: Endbedingung, RB: Randbedingung.

108

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

6.1.1 Verlauf des Kupplungsmoments Im Folgenden wird das Vorgehen fur die Bestimmung zulassiger Trajektorien fur den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) beschrieben. Zunachst wird der Ein uss des Verlaufs von Mk (t) auf die Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit und auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung untersucht. Darauf basierend erfolgt die Beschreibung von Mk (t; kM ) durch B-Splines und die Wahl des Parameter-Vektors kM . Der Verlauf des Kupplungsmoments bestimmt nicht unmittelbar die in der Kupplung wahrend des Schaltvorgangs dissipierte Energie. Dieses Optimierungskriterium wird im Zusammenhang mit dem Verlauf der Motordrehzahl diskutiert (vgl. Abschnitt 6.1.2). Ein uss auf die Antriebsarbeit

Durch den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) wird die durch den Schaltvorgang verursachte Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit
W unmittelbar bestimmt (vgl. Kapitel 5.2.1). Eine Minimierung des Zielfunktionals Gw fur die Antriebsarbeit kann erreicht werden, indem die Phasen Momentenreduktion (Tred) und Momentenaufbau (Tauf ) soweit verkurzt werden, wie dies die Dynamik des Kupplungsaktuators erlaubt2. Die Minimierung des Zielfunktionals Gw durch Minimierung der Dauer von Momentenreduktion und Momentenaufbau fuhrt jedoch zu einer inakzeptablen Beeintrachtigung des Fahrkomforts, da durch sehr schnelle A nderungen des Kupplungsmoments schnelle A nderungen der Fahrzeug-Langsbeschleunigung verursacht und Antriebstrangschwingungen angeregt werden. Der Verlauf des Kupplungsmoments ist daher sowohl hinsichtlich seines Ein usses auf die Antriebsarbeit als auch hinsichtlich seines Ein usses auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung zu optimieren. Ein uss auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung

Der Ein uss des Verlaufs des Kupplungsmoments Mk (t) auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax wird durch die Dynamik des Antriebstrangs und des Fahrzeugs bestimmt. Eine Prinzipskizze zum U bertragungsverhalten von Antriebstrang und Fahrzeug ist in Abbildung 6.4 dargestellt. Sie beruht auf dem in Kapitel 2.4 beschriebenen reduzierten Schwingungsmodell des Antriebstrangs fur Fahrzeug-Langsschwingungen.

Durch eine Verkurzung der Dauer T des Gangwechsels wird ebenfalls eine Verringerung der Abweichung
W der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit erreicht. Zur Minimierung der Dauer des Gangwechsels ist eine Optimierung des Getriebeaktuators und seines Zusammenwirkens mit den Synchronisierungs-Einrichtungen des Getriebes erforderlich (vgl. Kapitel 2.1.3). Diese im Wesentlichen konstruktive Aufgabe wird in dieser Arbeit nicht betrachtet. 2

gw

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

G e trie b e

M

M

k

Ü b e rs e tz u n g

g a

109

D iffe re n tia l / A c h s w e lle / R a d

F

F a h rz e u g

a

x

D re h fe d e rs te ifig k e it R a d s c h lu p f

x

F a h rz e u g m a sse F a h rw id e rs ta n d

Abbildung 6.4: Ein uss des Verlaufs des Kupplungsmoments Mk (t) auf die FahrzeugLangsbeschleunigung ax: U bertragungsverhalten von Antriebstrang und Fahrzeug (Mga = Getriebe-Ausgangsmoment, Fx = Zugkraft). 60

M [Nm]

40

k

20

0

−20

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

2.5

3

3.5

4

t [s] 1.5

Simulation Messung

0.5

x

a [m/s2]

1

0

−0.5 −1

0

0.5

1

1.5

2

t [s]

Abbildung 6.5: Ein uss rampenformiger Veranderungen des Kupplungsmoments

Mk auf den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. Parameter des reduzierten Schwingungsmodells des Antriebstrangs: Getriebe-U bersetzung u3 = 1:3; Cts = 3200 Nm/rad; Kurve (s) linear mit sc = 0:08; h = 1:2. Fur die Messung der FahrzeugLangsbeschleunigung wurde ein mikromechanischer Beschleunigungssensor der Robert Bosch GmbH verwendet. Die Messwerte wurden mit einem Butterworth-Tiefpass-Filter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 5 Hz ge ltert.

110

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

Neben dem Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) bestimmen die Getriebe-U bersetzung u, die Drehfederstei gkeit des Antriebstrangs Cts und der Verlauf der Kraftschlussbeanspruchungs-Schlupf-Kurve (s) sowie die Fahrzeugmasse und der Fahrwiderstand die Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. Abbildung 6.5 zeigt anhand von Messund Simulationsergebnissen den Ein uss rampenformiger Veranderungen des Kupplungsmoments Mk auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. Fur die Minimierung des Zielfunktionals Ga fur die Fahrzeug-Langsbeschleunigung ist der Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) so zu wahlen, dass die U berschwingweite
a1 und der Maximalwert des Gradienten der Fahrzeug-Langsbeschleunigung a_ 1 minimiert 0 eines rampenformigen Momentenaufbaus auf diese werden. Der Ein uss der Dauer Tauf 0 variiert Kenngroen wird im Folgenden durch Simulationen untersucht, indem Tauf 0 wird. Abbildung 6.6 zeigt den Ein uss der Dauer des Momentenaufbaus Tauf auf den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. 60 50

M [Nm]

40

T’auf = 150 ms

k

30

T’

auf

20

T’auf = 600 ms

10 0

= 300 ms

0

0.5

1

1.5

2

1.5

2

t [s] 1

ax [m/s2]

0.8 0.6 0.4 0.2 0 −0.2 −0.4

0

0.5

1

t [s]

0 eines rampenformigen MoAbbildung 6.6: Ein uss der Dauer Tauf

mentenaufbaus auf den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. Die Frequenz der Fahrzeug-Langsschwingungen betragt x = 4.3 Hz. Getriebe-U bersetzung u3 = 1:3. Weitere Parameter des Fahrzeugmodells wie in Tabelle 4.1 und Tabelle 6.2 angegeben.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

111

0 nimmt die Groe der U  berschwingweite ab. Ebenso verMit zunehmender Dauer Tauf ringert sich der maximale Gradient der Fahrzeug-Langsbeschleunigung. 0 des rampenformigen Momentenaufbaus auf die Kenngroen Der Ein uss der Dauer Tauf
a1 und a_ 1 ist in Abbildung 6.7 dargestellt. Zur Bestimmung des Zusammenhangs 0 ) und a_ 1 (T 0 ) wurde die Dauer des Momentenaufbaus T 0 in Schritten von
a1 (Tauf auf auf 10 ms variiert. 0.7

25

0.6 20 0.5

a1 [m/s3]

∆ a [m/s2]

15

.

1

0.4

0.3

10

0.2 5 0.1

0

0

0.2

0.4

0.6

T’

[s]

auf

0.8

0

1

0

0.2

0.4

0.6

T’

[s]

auf

0.8

1

0 eines rampenformigen MomenAbbildung 6.7: Ein uss der Dauer Tauf

tenaufbaus auf Kenngroen des Verlaufs der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax. U berschwingweite
a1 , maximaler Gradient der Fahrzeug0 ) weist Minima bei 240 ms, Langsbeschleunigung a_ 1. Die Kurve
a1 (Tauf 480 ms und 720 ms auf.

0 ) weist Minima der U  berschwingweite fur Die Kurve
a1 (Tauf 0 = n 1 ; n = 1; 2; : : : Tauf  x

auf, wobei x die ungedampfte Eigenfrequenz der Fahrzeug-Langsschwingungen gema (2.45) beschreibt. Die Lage dieser Minima ist unabhangig von der Motordrehzahl und

112

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

dem Zielwert fur das Kupplungsmoment. Ein qualitativ gleiches Ergebnis zeigen Untersuchungen in [Fan94]. Bei einer Erhohung des Zielwerts fur das Kupplungsmoment bei gleich bleibender Motordrehzahl nimmt die U berschwingweite zu. Ebenso nimmt bei einer Verringerung der Motordrehzahl bei gleich bleibendem Zielwert fur das Drehmoment die U berschwingweite zu. Bei gleicher Motordrehzahl und gleichem Zielwert fur das Kupplungsmoment ist die U berschwingweite umso kleiner, je groer der gewahlte Gang ist. Auerdem verandert sich bei einer Veranderung der Getriebe-U bersetzung die Lage der Minima 0 ). Im Hinblick auf eine Minimierung der U  berschwingweite ist es der Kurve
a1 (Tauf 0 eines rampenformigen Momentenaufbaus abhangig vom somit sinnvoll, die Dauer Tauf jeweiligen Ziel-Gang festzulegen. Beschreibung des Verlaufs des Kupplungsmoments durch B-Splines

Fur die Bestimmung von Mk (t; kM ) wird ein generisch rampenformiger Verlauf des 0 unter Berucksichtigung der Kupplungsmoments gewahlt, wobei mogliche Dauern Tauf 0 ) festgelegt werden. Eine weitere Verringerung der U  berMinima der Kurve
a1 (Tauf schwingweite
a1 kann durch einen stetig dierenzierbaren Verlauf von Mk (t) am Ende der Phase Momentenaufbau erreicht werden. Dazu wird Mk (t; kM ) im Intervall [t0; te] aus einem linearen Anteil im Intervall [t0; t] und einem Polynomstuck im Intervall (t; te] zusammengefugt. Die Lage des Verbindungsknotens t wird durch Wahl des Parameters  bestimmt: 0 ; Tauf = (1 + ) Tauf te = t0 + Tauf ; 0 : t = t0 + (1 ; ) Tauf

(6.14) (6.15) (6.16)

Abbildung 6.8 zeigt die Konstruktion des Verlaufs des Kupplungsmoments Mk (t; kM ). Fur die Beschreibung von Mk (t; kM ) wird eine Sequenz kubischer B-Splines uber dem Intervall [t0 ; te] durch den Vektor M

= [t0 t0 t0 t0 t t te te te te]

(6.17)

de niert. Die Knoten am linken und rechten Rand des Intervalls sind vierfach, damit die Sequenz von B-Splines das gesamte Intervall abdeckt. Der Knoten bei t ist doppelt, so dass die Funktion Mk (t; kM ) und ihre erste Ableitung stetig verlaufen. Die Koezienten i; i = 1; 2; : : : ; 6; der Summe von B-Splines werden durch Losung des Gleichungssystems

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

113

M k M k ,z ie l ( 1 - k ) M k ,z ie l

0

to

te

tk T a'u T

t

f a u f

Abbildung 6.8: Konstruktion des Verlaufs des Kupplungsmoments Mk (t; kM ) aus einem linearen Anteil im Intervall [t0 ; t] und einem Polynomstuck im Intervall (t; te]. Beispielskizze mit @M@t = 0. k;ziel

Mk (t0 ; kM ) @Mk (t ; k ) @t 0 M Mk (t; kM ) @Mk (t ; k ) @t  M Mk (te; kM ) @Mk (t ; k ) @t e M

= 0 = 10 Mk;ziel Tauf = (1 ; ) Mk;ziel = T 10 Mk;ziel = =

auf Mk;ziel @Mk;ziel

@t

(6.18) (6.19) (6.20) (6.21) (6.22) (6.23)

ermittelt. Die Losung dieses Problems der Spline-Interpolation ist eindeutig bestimmt 0 und  muss so erfolgen, dass die Randbedingungen (5.23) [Boo78]. Die Wahl von Tauf und (5.25) erfullt werden. Abbildung 6.9 zeigt beispielhaft die Beschreibung eines Verlaufs Mk (t; kM ) durch B-Splines.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang 1

20

0.9

18

0.8

16

0.7

14

0.6

12

Mk [Nm]

Mk [Nm]

114

0.5

10

0.4

8

0.3

6

0.2

4

0.1

2

0

0

0.1

0.2

0.3

t [s]

0.4

0.5

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

t [s]

Abbildung 6.9: Beschreibung eines Verlaufs des Kupplungsmoments

0 = 480 ms;  = 0:25; Mk;ziel = 20 Nm. Mk (t; kM ) durch B-Splines. Tauf Die durch den Vektor M = [0 0 0 0 0:36 0:36 0:6 0:6 0:6 0:6] s de nierte Sequenz kubischer B-Splines ist im linken Bild dargestellt.

Der Ein uss des Parameters  auf die U berschwingweite
a1 und die Abweichung der Antriebsarbeit
W beim Momentenaufbau ist in Abbildung 6.10 dargestellt. Abbildung 6.11 zeigt den Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t; kM ) und die Fahrzeug0 und . Langsbeschleunigung fur eine optimierte Wahl von Tauf Fur jeden Getriebe-Gang konnen durch Simulationsstudien wie in Abbildung 6.7 und 0 und  ermittelt werden. Diese bilden im 6.10 gunstige Werte fur die Parameter Tauf Schritt 1 des Echtzeit-Optimierungsverfahrens die Grundlage fur die Wahl von Parameter-Vektoren kM .

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

115

0.08

∆ a [m/s2]

0.06

1

0.04

0.02

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

κ

3000 2500

∆ W [J]

2000 1500 1000 500 0

κ

Abbildung 6.10: Ein uss des Parameters  auf die U berschwingweite
a1 und die 0 = 240 ms; Mk;ziel = Abweichung der Antriebsarbeit
W beim Momentenaufbau. Tauf 50 Nm; u3 = 1:3. Fur  = 0:29 wird ein Minimum der U berschwingweite erreicht. 60

Mk [Nm]

50 40 30

κ→0 κ = 0.29

20 10 0

0

0.5

1

1.5

2

1.5

2

t [s] 0.8

0.4

x

a [m/s2]

0.6

0.2 0

−0.2 −0.4

0

0.5

1

t [s]

Abbildung 6.11: Momentenaufbau mit minimaler U berschwingweite der Fahrzeug0 = 240 ms und  = 0:29. Langsbeschleunigung
a1 fur Tauf

116

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

6.1.2 Verlauf der Motordrehzahl Im Folgenden wird das Vorgehen fur die Bestimmung des Verlaufs der Motordrehzahl nm (t) wahrend des Schaltvorgangs dargelegt. Er bestimmt bei gegebenem Verlauf des Kupplungsmoments insbesondere die wahrend des Schaltvorgangs in der Kupplung dissipierte Energie. Der Verlauf der Motordrehzahl hat keinen Ein uss auf die Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit und auf die Fahrzeug-Langsbeschleunigung, sofern die Endbedingungen fur die Motordrehzahl (5.16) und (5.18) eingehalten werden. Zunachst werden die verschiedenen Phasen des Schaltvorgangs im Hinblick auf die Bestimmung des Verlaufs der Motordrehzahl diskutiert. Weiterhin wird der Ein uss der Motordrehzahl auf die wahrend des Schaltvorgangs in der Kupplung dissipierte Energie betrachtet. Schlielich wird das Vorgehen zur Beschreibung des Verlaufs der Motordrehzahl durch B-Splines dargelegt. Phasen des Schaltvorgangs

Bei der Festlegung des optimalen Verlaufs der Motordrehzahl sind die Phasen des Schaltvorgangs entsprechend Kapitel 5.1 zu berucksichtigen (vgl. Abbildung 5.1):

 In der Phase Momentenreduktion (Tred) sind die Aggregate des Antriebstrangs so anzusteuern, dass Motor- und Getriebe-Eingangsdrehzahl ubereinstimmen.

 Wahrend des Gangwechsels (Tgw ) ist die Motordrehzahl moglichst schnell an die Synchrondrehzahl des neuen Gangs anzugleichen. Bei einer Hochschaltung wird dies durch Einstellen des maximalen Schleppmoments erreicht, bei einer Ruckschaltung durch eine Regelung der Motordrehzahl auf Synchrondrehzahl.

 Wahrend des Momentenaufbaus (Tauf ) ist die Motordrehzahl so zu steuern, dass

die Dissipationsenergie in der Kupplung minimiert wird. Weiterhin ist ein Momentensto beim U bergang der Kupplung von Schleifen nach Haften zu vermeiden.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

117

Ein uss auf die Dissipationsenergie

Die wahrend eines Schaltvorgangs in der Kupplung dissipierte Energie Wdiss und somit der Wert des Zielfunktionals Gd wird bei gegebenem Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t) vom Verlauf der Motordrehzahl gema (5.8) bestimmt. Ziel bei der Bestimmung einer zulassigen Trajektorie fur den Verlauf der Motordrehzahl nm (t; kn) ist die Minimierung der in der Kupplung dissipierten Energie. Am Ende der Phase Momentenaufbau mussen Motor- und Getriebe-Eingangsdrehzahl gema (5.16) sowie deren Gradienten gema (5.18) ubereinstimmen, Abbildung 6.12. D re h z a h le n

n

n

m

g e

te K u p p lu n g s c h le ift

t K u p p lu n g h a fte t

Abbildung 6.12: U bergang der Kupplung von Schleifen nach Haf-

ten. Prinzipieller Verlauf der Motordrehzahl nm (t) und der GetriebeEingangsdrehzahl nge (t) bei einer Hochschaltung.

Ist die Endbedingung (5.18) beim U bergang der Kupplung vom Zustand Schleifen in den Zustand Haften nicht erfullt, wird ein Momentensto in den Antriebstrang eingeleitet, durch den Antriebstrangschwingungen verursacht werden konnen. Eine solche Situation ist in Abbildung 6.13 beispielhaft dargestellt.

118

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang 2800

25

nm

2700

n

20

ge 15

2600 10

M [Nm]

2400

5

k

n [1/min]

2500

0

2300 −5 2200 −10 2100

2000

−15

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

−20

0

0.2

0.4

t [s]

0.6

0.8

1

t [s]

Abbildung 6.13: Momentensto beim U bergang der Kupplung von

Schleifen nach Haften. Links Motordrehzahl nm (t) und GetriebeEingangsdrehzahl nge(t), rechts der Verlauf des Kupplungsmoments Mk (t). Der Verlauf von Mk (t) nach dem U bergang Schleifen-Haften wird durch die maximale Dynamik des Momentenaufbaus des Verbrennungsmotors bestimmt. Die Groe des Momentenstoes ist proportional zur Dierenz der Gradienten von Motordrehzahl und GetriebeEingangsdrehzahl.

Beschreibung des Verlaufs der Motordrehzahl durch B-Splines

Fur die Beschreibung von nm (t; kn) wird eine Sequenz kubischer B-Splines uber dem Intervall [t0 + ; te] durch den Vektor n

= [(t0 +  ) (t0 +  ) (t0 +  ) (t0 +  ) te te te te]

(6.24)

de niert. Durch Wahl des Parameters  kann der Beginn der Beschreibung des Verlaufs der Motordrehzahl durch nm (t; kn) gegenuber dem Beginn der Phase Momentenaufbau zeitlich verzogert werden. Basierend auf der Knotensequenz n sind die Koezienten i; i = 1; 2; 3; 4; der Summe von B-Splines so zu ermitteln, dass die folgenden Gleichungen erfullt sind:

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

nm (t0 + ; kn) @nm (t + ; k ) n @t 0 nm (te; kn) @nm (t ; k ) @t e n

119

nm;0 ; d (n ); dt m;0 nm;ziel ; 30 !_  m;ziel :

= = = =

(6.25) (6.26) (6.27) (6.28)

Gleichung (6.27) resultiert aus der Endbedingung (5.16), Gleichung (6.28) aus der Endbedingung (5.18). Der Verlauf der Motordrehzahl ist damit an den Grenzen des Intervalls [t0 + ; te] stetig dierenzierbar. Bei der Bestimmung von nm (t; kn) ist zu beachten, dass die Randbedingungen (5.20) bis (5.22) erfullt sind. Abbildung 6.14 zeigt beispielhaft die Beschreibung eines Verlaufs nm (t; kn) durch B-Splines. 1

3000

0.9 2500 0.8

0.7

n [1/min]

0.6

1500

m

0.5

m

n [1/min]

2000

0.4 1000 0.3

0.2 500 0.1

0

0

0.1

0.2

0.3

t [s]

0.4

0.5

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

t [s]

Abbildung 6.14: Beschreibung eines Verlaufs der Motordrehzahl nm (t; kn) durch B-Splines fur  = 0 s. Im linken Bild ist die durch den Vektor n = [0 0 0 0 0:6 0:6 0:6 0:6] s de nierte Sequenz kubischer B-Splines dargestellt.

120

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

6.2 Systemarchitektur Die Systemarchitektur der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang fugt sich in die in Kapitel 4.2 beschriebene Architektur der koordinierten Antriebstrangsteuerung ein. Sie umfasst neben dem Algorithmus zur Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie Steuerungs- und Regelfunktionen zur Koordination von Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe. Die koordinierte Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang wird durch den Beginn eines Schaltvorgangs aktiviert, Abbildung 6.15. Ausgangspunkt ist die Anforderung eines neuen Gangs gsoll vom Getriebe. Akzeptiert das Getriebe den angeforderten Gang, so wird die Phase Momentenreduktion eingeleitet. Im Anschluss an die Momentenreduktion wird der Getriebe-Gang gewechselt. Ist der geforderte Gang eingelegt, so erfolgt der Momentenaufbau auf den Zielwert fur das Getriebe-Ausgangsmoment. A n fo rd e ru n g e in e s n e u e n G a n g s g

s o ll

G e trie b e a k z e p tie rt G a n g a n fo rd e ru n g

G a n g e in g e le g t

M o m e n te n re d u k tio n

K e in G a n g e in g e le g t G a n g w e c h se l

G a n g g

z ie l

e in g e le g t

M o m e n te n a u fb a u

S c h a ltv o rg a n g

Z e it t

Abbildung 6.15: Phasen des Schaltvorgangs bei automatisierten Schaltgetrieben.

Die koordinierte Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang unterscheidet verschiedene Schaltungs-Arten. Eine Schaltung kann aufgrund ihres Gangsprungs als Hoch- oder Ruckschaltung charakterisiert werden. Weiterhin konnen auch Doppel- oder Mehrfachschaltungen ausgefuhrt werden. Ist beim Beginn des Momentenaufbaus das SollGetriebeausgangsmoment Mga;soll negativ, so liegt eine Schub-Schaltung vor. Tabelle 6.1 gibt eine U bersicht uber verschiedene Schaltungs-Arten.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

121

Hochschaltung Ruckschaltung gziel > g gziel < g Zug-Schaltung Zug-Hochschaltung Zug-Ruckschaltung Mga;soll  0 (ZH) (ZR) Schub-Schaltung Schub-Hochschaltung Schub-Ruckschaltung Mga;soll < 0 (SH) (SR)

Tabelle 6.1: U bersicht uber Schaltungs-Arten. Die Schaltungs-

Art wird durch den Ziel-Gang gziel und das Vorzeichen des SollGetriebeausgangsmoments Mga;soll bestimmt. Funktionsstruktur

Die Funktionsstruktur der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang ist in Abbildung 6.16 dargestellt. Der Koordinator Schaltung umfasst wesentliche Funktionen und Algorithmen zur koordinieren Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang. Die Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie fur den Schaltvorgang erfolgt in einem dafur vorgesehenen Rechenblock. Dieser realisiert insbesondere die Schritte 1 bis 4 des im Abschnitt 6.1 dargelegten Algorithmus. Eingangsgroen dieses Blocks Bestimmung optimale Systemtrajektorie sind der Ist-Gang g , der Ziel-Gang gziel , die GetriebeAusgangsdrehzahl nga , das Soll-Getriebeausgangsmoment Mga;soll sowie der die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen beschreibende Parameter-Vektor a. Ausgangsgroen sind die optimale Trajektorie fur das Kupplungsmoment M^ k (t) und die optimale Trajektorie fur die Motordrehzahl n^m (t) sowie der zugehorige Verlauf des Motormoments M^ m (t). In der Komponente Regler Motor/Kupplung wird der Verlauf der Stellgroen fur Kupplung und Motor so bestimmt, dass 'k fM^ k;soll(t)g = M^ k (t) und 'm fM^ m;soll(t)g = M^ m (t). Das Soll-Motormoment Mm;soll wird wahrend eines Schaltvorgangs uber den Motortreiber an den Motor weitergeleitet. Die Motorsteuerung enthalt Steuerungsund Regelfunktionen, um dieses Moment bereitzustellen. Weiterhin hat der Koordinator Schaltung die Moglichkeit, vom Motor die Einstellung einer Motordrehzahl anzufordern. Diese kann genutzt werden, um wahrend des Gangwechels den Motor auf Synchrondrehzahl zu bringen. Das Soll-Kupplungsmoment Mk;soll wird wahrend einer Schaltung uber den Kupplungstreiber an die Kupplungssteuerung weitergeleitet, die uber einen unterlagerten Regelkreis das maximal ubertragbare Kupplungsmoment entsprechend einstellt. Wahrend eines laufenden Schaltvorgangs kann der Koordinator Schaltung eine Schaltverhinderung aussprechen, die vom Getriebetreiber zu berucksichtigen ist.

122

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang M

P a r a m e te r -V e k to r a

g a ,s o ll

K o o rd in a to r S c h a ltu n g

B e s tim m u n g o p tim a le S y s te m tra je k to rie O p t. T r a je k to r ie M o to r -D r e h z a h l; z u g e h ö r ig e r V e r la u f M o to r m o m e n t

O p tim a le T r a je k to r ie K u p p lu n g s m o m e n t

M n

R e g le r M o to r / K u p p lu n g m

m

n

M

n

n

k a g e

n

g

g z ie l g a

S c h a ltv e rh .

k ,s o ll

K u p p lu n g s tre ib e r

M

m ,s o ll m ,s o ll

M o to rs te u e ru n g

M o to r

M

m ,s o ll m ,s o ll

M o to rtre ib e r

M

M

k ,s o ll

G e trie b e tre ib e r

g

s o ll

K u p p lu n g s s te u e ru n g

G e trie b e s te u e ru n g

K u p p lu n g

G e trie b e

Abbildung 6.16: Funktionsstruktur der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang. Die optimale Systemtrajektorie x^ s(t) wird im Koordinator Schaltung bestimmt.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

123

Innerhalb der Steuerungskomponente Regler Motor/Kupplung kann weiterhin eine Regelung der Motordrehzahl wahrend des Schaltvorgangs vorgesehen sein [LBH98]. Analogie zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands

Abbildung 6.17 veranschaulicht die Analogie zwischen der Bestimmung des optimalen Betriebszustands x^ des Antriebstrangs und der Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie x^ s(t) fur den Schaltvorgang. Ausgehend vom Fahrerwunsch und unter Berucksichtigung von Betriebsparametern und Fahrzeuggroen wird eine Menge von K zulassigen Betriebszustanden xk bzw. eine Menge zulassiger Trajektorien fur den Schaltvorgang xks (t) ermittelt. Ein Echtzeit-Optimierungsverfahren bestimmt aus diesen Kandidaten die optimale Losung, wobei durch die Formulierung der Zielfunktion ; bzw. des Zielfunktionals ;s eine Adaption an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Umweltgroen erfolgt. Durch eine koordinierte Steuerung und Regelung der Aggregate des Fahrzeugantriebs wird der gewunschte Betriebszustand eingestellt bzw. die Schaltung gema der optimalen Systemtrajektorie ausgefuhrt. Einbettung in die Antriebstrangsteuerung

Die Funktionen der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang werden innerhalb der objektorientiert strukturierten Systemarchitektur der koordinierten Antriebstrangsteuerung realisiert (vgl. Abbildung 4.4). Der Koordinator Schaltung wird dazu als Steuerungskomponente innerhalb des Manager Moment/Drehzahl ausgefuhrt [LBH98]. Aufgabe des Manager Moment/Drehzahl ist die Momenten- und Drehzahlkoordination fur Motor-, Kupplung- und Getriebetreiber innerhalb des Koordinators Antrieb, Abbildung 6.18. Der Manager Moment/Drehzahl gliedert sich in einen Manager Antriebszustand und mehrere Steuerungskomponenten, die fur die Beherrschung spezieller Zustande des Antriebstrangs Anforderungen an den Manager Antriebszustand stellen konnen. Der Koordinator Schaltung ist Teil des Manager Moment/Drehzahl. Daneben sind eine Komponente zur Steuerung des Kraftschlusses im Antriebstrang und mogliche weitere Anforderungs-Komponenten Teil des Manager Moment/Drehzahl. Wahrend eines Schaltvorgangs stellt der Koordinator Schaltung Anforderungen an den Manager Antriebszustand und ubernimmt damit die Koordination der Aggregate. Der Manager Antriebszustand beauftragt den Koordinator Schaltung, seine Anforderungen auf der Basis des Soll-Getriebeausgangsmoments Mga;soll zu ermitteln. Der Manager Antriebszustand leitet die Anforderungen des Koordinator Schaltung an die Aggregatetreiber weiter.

124

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

M o d e ll A n trie b s tra n g , F a h rz e u g

B e trie b s p a ra m e te r

Ü Ü

F a h rz e u g g rö ß e n

F a h re rw u n sc h S o llA n trie b s le is tu n g

E rk e n n u n g sa lg o rith m e n

M e n g e z u lä s s ig e r B e trie b s z u s tä n d e / S y s te m tra je k to rie n

O p tim ie ru n g s v e rfa h re n

Ü

F a h rs itu a tio n

Ü

F a h re rty p

Ü

U m w e ltg rö ß e n A d a p tio n

O p t i m a l e r B e t r i e b s z u s t a n d N O p t i m a l e S y s t e m t r a j e k t o r i e N s ( t ) K o o rd in ie rte S te u e ru n g u n d R e g e lu n g d e r A g g re g a te d e s F a h rz e u g a n trie b s M o to rs te u e ru n g

K u p p lu n g s s te u e ru n g

G e trie b e s te u e ru n g

M o to r

K u p p lu n g

G e trie b e

Abbildung 6.17: Vorgehen zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands x^ des Antriebstrangs und zur Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie x^ s(t) fur den Schaltvorgang.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang A n trie b > K o o rd in a to r A n trie b

M

P

g a ,s o ll!

K o o rd in a to r S c h a ltu n g

125 a ,s o ll!

M a n a g e r A n trie b s z u s ta n d

! !

! S te u e ru n g K ra fts c h lu s s

A n fo rd e ru n g sK o m p o n e n te

M o to rtre ib e r

M a n a g e r M o m e n t / D re h z a h l

K u p p lu n g s tre ib e r

G e trie b e tre ib e r

Abbildung 6.18: Systemarchitektur der koordinierten Antriebstrang-

steuerung: Manager Moment/Drehzahl mit Teilobjekten (fur eine Legende der Kommunikationsbeziehungen, siehe Abbildung 1.3).

Der Koordinator Schaltung selbst ist als Zustandsautomat ausgefuhrt, wie in Abbildung 6.19 dargestellt. Fur jede Phase des Schaltvorgangs ist ein entsprechender Zustand vorgesehen. Ein Schaltvorgang wird durch den U bergang (1) vom Start-Zustand Keine Schaltung in den Zustand Momentenreduktion eingeleitet. Er erfolgt, wenn das Getriebe die Anforderung eines neuen Gangs akzeptiert hat, erkannt durch die Abweichung des Ziel-Gangs vom Ist-Gang (gziel 6= g). Weitere Phasen des Schaltvorgangs werden sequentiell durchlaufen: Ein U bergang (2) vom Zustand Momentenreduktion in den Zustand Gangwechsel wird ausgelost, sobald die Kupplung geonet und damit der Kraftschluss im Antriebstrang getrennt ist. Nachdem die Getriebe-Synchronisation abgeschlossen und der Ziel-Gang eingelegt wurde (g = gziel), erfolgt der U bergang (3) in den Zustand Momentenaufbau. Der Momentenaufbau ist abgeschlossen, wenn das Kupplungsmoment den Zielwert Mk;ziel erreicht hat. Der Schaltvorgang ist damit beendet und es erfolgt ein U bergang (4) in den Zustand Keine Schaltung. Der Koordinator Schaltung ist auch fur die Aggregatesteuerung bei Doppel- und Mehrfachschaltungen verantwortlich und ubernimmt Aufgaben der U berwachung und Fehlerbehandlung.

126

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

A n trie b > K o o rd in a to r A n trie b > M a n a g e r M o m e n t/D re h z a h l

M

K o o rd in a to r S c h a ltu n g

S c h a ltu n g

K e in e S c h a ltu n g (4 )

(1 )

M o m e n te n a u fb a u

g a ,s o

ll!

M a n a g e r A n trie b s z u s ta n d

!

S c h a ltu n g

M o m e n te n re d u k tio n (3 )

G a n g w e c h se l

(2 )

Abbildung 6.19: Systemarchitektur des Managers Moment/Drehzahl:

Manager Antriebszustand und Koordinator Schaltung mit Teilkomponenten und Kommunikationsbeziehungen.

6.3 Simulation von Schaltvorgangen Die Funktionalitat der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang wird im Folgenden durch die Simulation von Schaltvorgangen demonstriert. Am Beispiel einer Zug-Hochschaltung wird der Ein uss verschiedener moglicher Systemtrajektorien auf Bewertungsgroen zur Charakterisierung des Schaltvorgangs diskutiert. Den Simulationen liegt das in Kapitel 2 entwickelte Fahrzeugmodell mit einem reduzierten Schwingungsmodell des Antriebstrangs zu Grunde. Die entsprechenden Parameter sind in Tabelle 6.2 zusammengestellt. Simulation von Zug-Hochschaltungen

Fur die Simulation einer 2-3 Zug-Hochschaltung bei Teillast wurden mit dem in Abschnitt 6.1 dargelegten Algorithmus zwei mogliche Systemtrajektorien bestimmt. Eine erste betrachtete Trajektorie erreicht eine Minimierung des Zielfunktionals ;s gema (5.26) fur eine komfortorientierte Gewichtung der Bewertungsgroen. Eine zweite Trajektorie erzielt ein Optimum fur einen leistungsorientierten Fahrbetrieb.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang Aggregate Achse, Rad Fahrzeug

127

siehe Tabelle 4.1, m + ke = 0:17 kgm2, ka = 0:003 kgm2, ge = 0:002 kgm2 , ga = 0:003 kgm2 d = 0:0 kgm2 , a = 0:08 kgm2, r = 1:4 kgm2 siehe Tabelle 4.1, Cts = 3200 Nm/rad, Kurve (s) linear mit sc = 0:08; h = 1:2

Tabelle 6.2: Parameter des Fahrzeugmodells fur die Simulation von Schaltvorgangen.

Fur die Bestimmung der Dauer des Momentenaufbaus wurden das zweite und dritte 0 ) gewahlt, die bei 480 ms Minimum der U berschwingweite aus der Kurve
a1 (Tauf bzw. 720 ms liegen (vgl. dazu Abbildung 6.7). Eine weitere Verringerung der Dauer 0 ) ist des Momentenaufbaus unter Ausnutzung des ersten Minimums der Kurve
a1 (Tauf aufgrund des begrenzten minimalen Moments des Verbrennungsmotors nicht moglich, ohne dabei die Bedingung (5.18) zu verletzen. Fur die Beschreibung des Verlaufs des Kupplungsmoments Mk (t; M ) wurde der Parameter  = 0:25 gewahlt. Die Dauer des Gangwechsels3 wurde in dem Beispiel mit Tgw = 0.3 s angenommen. Die Parameter zur Steuerung des Schaltvorgangs sind in Tabelle 6.3 angegeben.

Tred Tgw Tauf  

Komfortorientierte Bestimmung der Systemtrajektorie 0.5 s 0.3 s 0.9 s 0.25 0.0 s

Leistungsorientierte Bestimmung der Systemtrajektorie 0.4 s 0.3 s 0.6 s 0.2 s 0.4 s

Tabelle 6.3: Parameter zur Steuerung des Schaltvorgangs. Beispiel einer

2-3 Zug-Hochschaltung mit komfortorientierter und und leistungsorientierter Bestimmung der Systemtrajektorie xs(t). Die Mechanismen zum Auslegen des alten Gangs, zur Getriebe-Synchronisation und zum Einlegen des neuen Gangs sind in der Simulation nicht im Detail abgebildet. Wahrend des SynchronisationsVorgangs wird ein linearer Verlauf der Getriebe-Eingangsdrehzahl angesetzt. 3

128

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

Abbildung 6.20 zeigt Ergebnisse der Simulation des Schaltvorgangs fur eine komfortorientiert bestimmte Systemtrajektorie. Die Grenzen des Intervalls, innerhalb dessen 3000

37

36.5

n

2500

v [km/h]

n [1/min]

nm ge

2000

36

35.5

1500

0

0.5

1

1.5

35

2

0

0.5

1.5

2

1.5

2

t [s]

20

0.2

10

0.1

ax [m/s2]

M [Nm]

t [s]

1

0

Mk

−10

0

−0.1

M

m

−20

0

0.5

1

t [s]

1.5

2

−0.2

0

0.5

1

t [s]

Abbildung 6.20: Simulation einer 2-3 Zug-Hochschaltung bei Teillast mit komfortorientierter Bestimmung der Systemtrajektorie. Numerische Integration mit einem Einschritt-Verfahren mit automatischer Schrittweitensteuerung ([Mat96b], ode23s).

die Motordrehzahl nm (t) durch B-Splines beschrieben wird, sind durch Kreise () gekennzeichnet. Der linke Rand stimmt dabei mit dem Zeitpunkt des Beginns des Momentenaufbaus t0 uberein; der rechte Rand fallt mit dem Zeitpunkt te zusammen, der das Ende des Schaltvorgangs markiert. Das Moment am Getriebe-Ausgang ist vor und nach der Schaltung gleich gro; in dem Beispiel betragt es Mga = 20 Nm. Aufgrund der gegenuber dem alten Gang kleineren U bersetzung des Ziel-Gangs ist daher das Kupplungsmoment nach Abschluss der Schaltung groer als zu Beginn. Der Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung zeigt deutlich die bei automatisierten Schaltgetrieben prinzipbedingte Unterbrechung der Zugkraft wahrend des Gangwechsels. Der maximale

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

129

und minimale Gradient der Fahrzeug-Langsbeschleunigung ist zusammen mit weiteren Bewertungsgroen in Tabelle 6.4 angegeben. Abbildung 6.21 zeigt Ergebnisse der Simulation des Schaltvorgangs fur eine leistungsorientiert bestimmte Systemtrajektorie. 3000

37

36.5

nge

2500

v [km/h]

n [1/min]

nm

2000

36

35.5

1500

0

0.5

1

1.5

35

2

0

0.5

20

0.2

10

0.1

M

k

0

Mm

−10

−20

1.5

2

1.5

2

t [s]

ax [m/s2]

M [Nm]

t [s]

1

0

−0.1

0

0.5

1

t [s]

1.5

2

−0.2

0

0.5

1

t [s]

Abbildung 6.21: Simulation einer 2-3 Zug-Hochschaltung bei Teillast mit leistungsorientierter Bestimmung der Systemtrajektorie.

Durch die Wahl von  = 0:4 s ist der Beginn der Beschreibung des Verlaufs der Motordrehzahl durch B-Splines gegenuber dem Zeitpunkt t0 des Beginns des Momentenaufbaus um 0.4 s verzogert. Im Intervall [t0 ; t0 +  ) wird der Motor mit dem minimal moglichen Motormoment Mmmin (nm ) verzogert. Der Wert fur  muss innerhalb des Intervalls [0:2 s; 0:45 s] liegen, damit eine zulassige Systemtrajektorie bestimmt werden kann, die insbesondere die Bedingungen (5.22) und (5.24) erfullt. Mit zunehmenden Werten fur  nimmt die dissipierte Energie Wdiss ab.

130

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang Komfortorientierte Leistungsorientierte Bestimmung Bestimmung der Systemtrajektorie der Systemtrajektorie

Tsvg

1.7 s

1.3 s


W Wdiss a_ 0 a_ 1
a1

2.5 kJ 136 J -0.92 m=s3 0.38 m=s3 0.002 m=s2

2.0 kJ 117 J -1.16 m=s3 0.51 m=s3 0.003 m=s2

Tabelle 6.4: Ein uss des Verlaufs der Systemtrajektorie auf Bewertungs-

groen fur den Schaltvorgang am Beispiel einer 2-3 Zug-Hochschaltung: Abweichung der Antriebsarbeit
W ; dissipierte Energie Wdiss; maximale Gradienten der Fahrzeug-Langsbeschleunigung a_ 0 , a_ 1; U berschwingweite der Fahrzeug-Langsbeschleunigung
a1 . Der Ein uss der Systemtrajektorie auf die Bewertungsgroen (
W , Wdiss, a_ 0, a_ 1 ) und die Dauer des Schaltvorgangs Tsvg ist in Abbildung 6.22 gra sch in Form einer Zielspinne dargestellt. Diese visualisiert mit Hilfe einer Schar sternformig angeordneter Achsen die Losung eines Mehrkriterien-Optimierungsproblems. Dazu werden die eine Losung kennzeichnenden Bewertungsgroen auf je einer Achse aufgetragen und die sich so ergebenden Punkte zu einem Polygon verbunden. Eine Optimierung des Schaltvorgangs entspricht einer Minimierung der Groe des in Abbildung 6.22 eingezeichneten Funfecks. In der Abbildung wird oenbar, dass eine Verringerung der Abweichung der Antriebsarbeit
W und der dissipierten Energie Wdiss durch eine Verkurzung des Schaltvorgangs (leistungsorientierte Bestimmung der Systemtrajektorie) zu hoheren Gradienten der Fahrzeug-Langsbeschleunigung fuhrt.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

131 ∆W

[3 kJ

dis s

W

[20

0J

]

]

ao

[

. −1

/ 4m

3 s]

Tsvg [2s]

a 1 [0

.8 m

3 /s ]

Abbildung 6.22: Gra sche Darstellung des Ein usses der Systemtra-

jektorie auf Bewertungsgroen fur den Schaltvorgang am Beispiel einer 2-3 Zug-Hochschaltung. Jeder Achse ist eine Bewertungsgroe zugeordnet; der der Achsenlange entsprechende Wert ist in eckigen Klammern angegeben. Komfortorientierte Bestimmung der Systemtrajektorie (;); leistungsorientierte Bestimmung der Systemtrajektorie (;;). Simulation einer Zug-Ruckschaltung

Fur die Simulation einer 4-3 Zug-Ruckschaltung bei mittlerer Last (Mga = 40 Nm) wurde eine Systemtrajektorie xs(t) bestimmt, die durch folgende Parameter gekennzeichnet ist: Tred = 0:4 s, Tgw = 0:3 s, Tauf = 0:6 s,  = 0:25. Abbildung 6.23 zeigt Ergebnisse der Simulation. In der Phase Momentenreduktion wird bei Verringerung des Kupplungsmoments das Motormoment konstant gehalten, so dass sich zum Zeitpunkt ta die Motordrehzahl von der Getriebe-Eingangsdrehzahl lost und der Motor bis zum Zeitpunkt tb beschleunigt wird.

132

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

3400

67.5

67

v [km/h]

n [1/min]

3200 3000 2800

n

66.5

m

2400

66

nge

2600

0

0.5

1

1.5

2

65.5

0

0.5

t [s] 50

2

1.5

2

0.2

ax [m/s2]

M [Nm]

1.5

0.4

40 30 20

Mk

0

0.5

1

t [s]

1.5

0

−0.2

Mm

10 0

1

t [s]

2

−0.4

0

0.5

1

t [s]

Abbildung 6.23: Simulation einer 4-3 Zug-Ruckschaltung. Auf der Tra-

jektorie der Motordrehzahl nm sind die Zeitpunkte tb ; t0 und te markiert (; ; ).

Wahrend des Gangwechsels (tb  t < t0) wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors auf einer Trajektorie gesteuert, die zum Zeitpunkt t0 die Synchrondrehzahl des Ziel-Gangs mit dem Gradienten 0 erreicht. Alternativ kann fur diese Phase eine Regelung der Motordrehzahl vorgesehen werden. Der Momentenaufbau erfolgt wie bei den dargestellten Zug-Hochschaltungen. Die in Abbildung 6.23 dargestellte Zug-Ruckschaltung ist durch folgende Bewertungsgroen charakterisiert: Tsvg = 1.3 s,
W = 7:54 kJ, Wdiss = 48:1 J, a_ 0 = ;1:79 m=s3, a_ 1 = 1:07 m=s3 ,
a1 = 0:005 m=s2.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

133

Bei Schub-Schaltungen kann die Systemtrajektorie ebenfalls mit dem in Abschnitt 6.1 beschriebenen Algorithmus bestimmt werden. Beim Momentenaufbau ist insbesondere sicherzustellen, dass die Bedingung (5.23) erfullt ist, um kritische Fahrsituationen sicher zu vermeiden, die aus einer U berhohung des Kupplungsmoments beim Einkuppeln resultieren konnen. Bei Ruckschaltungen ist es sinnvoll, eine Regelung der Motordrehzahl auf die Synchrondrehzahl des Ziel-Gangs vorzusehen.

6.4 Ergebnisse aus Fahrversuchen Die Steuerungs- und Regelalgorithmen zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang wurden mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD implementiert. Das Software-Design basiert auf der in Abschnitt 6.2 beschriebenen Systemarchitektur. Die Ansteuerung der Aggregate des Antriebs erfolgt uber einen CAN-Verbund. Mit einem Versuchsfahrzeug, ausgerustet mit einem automatisierten Schaltgetriebe und einem Ottomotor mit elektronischer Motorleistungs-Steuerung, wurden Messungen aufgezeichnet, die die Funktionalitat der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang demonstrieren. Abbildung 6.24 zeigt eine 2-3 Zug-Hochschaltung bei mittlerer Last. Der Verlauf der Getriebe-Eingangsdrehzahl weist in der Messung wahrend des Gangwechsels Schwingungen auf, die durch die Synchronisierungs-Einrichtungen verursacht werden. In den Simulationen ist dieser Eekt nicht erkennbar, da der Synchronisations-Vorgang dort nicht im Detail abgebildet wurde. Das Soll-Kupplungsmoment ist im normalen Fahrbetrieb groer als der Betrag des Motormoments, um eine sichere Momentenubertragung durch die Kupplung sicherzustellen. Die Fahrzeug-Langsbeschleunigung weist bereits vor Beginn des Schaltvorgangs Schwingungen auf. Diese Fahrzeug-Langsschwingungen werden insbesondere durch Fahrbahn-Unebenheiten [Mit97] verursacht. Abbildung 6.25 zeigt weitere Messungen fur verschiedene Gangsprunge. Aufgrund der Getriebe-Auslegung nimmt die Drehzahldierenz zwischen zwei benachbarten Gangen bei hoheren Gangen ab, wodurch die Angleichung der Getriebe-Eingangsdrehzahl an die Synchrondrehzahl des neuen Gangs erleichtert wird.

134

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

56 55

nm

4000

nge

v [km/h]

n [1/min]

4500

3500

54 53 52

3000 51 2500

0

1

2

50

3

0

1

t [s]

2

3

1.5

Mk

60

1

ax [m/s2]

M

m

40

0.5

soll

[Nm]

3

t [s]

80

M

2

20

0

0 −20

0

1

2

t [s]

3

−0.5

0

1

t [s]

Abbildung 6.24: Messdaten fur eine 2-3 Zug-Hochschaltung (Mga 

80 Nm). Die Quantisierung der Fahrzeug-Geschwindigkeit ist durch die CAN-U bertragung verursacht. Im Bild unten links sind das SollKupplungsmoment Mk;soll und das Soll-Motormoment Mm;soll dargestellt. Die mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor aufgezeichnete Fahrzeug-Langsbeschleunigung ax wurde mit einem ButterworthTiefpass-Filter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 5 Hz ge ltert.

6 Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang

135

n [1/min]

v [km/h]

1−2 ZH

3500

26

3000

24

2500

nm

2000

nge

1500

0

22

1

2−3 ZH

3

t [s]

4000

20

0

1

2

3

2

3

2

3

t [s]

54

3500

52

3000 50

2500 2000

0

1

2

3

t [s]

4500

3−4 ZH

2

48

0

1

t [s]

84

4000

82

3500 80

3000 2500

0

1

2

t [s]

3

78

0

1

t [s]

Abbildung 6.25: Messdaten fur Zug-Hochschaltungen. Links Mo-

tordrehzahl nm und Getriebe-Eingangsdrehzahl nge; rechts FahrzeugGeschwindigkeit v.

Kapitel 7 Zusammenfassung und Ausblick In dieser Arbeit wurden Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben vorgestellt. Ihre Funktionalitat wurde mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung fur Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe nachgewiesen. Die entwickelten neuen Verfahren basieren auf einer koordinierten Ansteuerung der Aggregate des Fahrzeugantriebs, so dass der Fahrerwunsch nach einer Antriebsleistung realisiert wird. Durch eine dynamische Adaption des Betriebszustands des Antriebstrangs aus Motordrehzahl, Motormoment und Getriebe-U bersetzung an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen ermoglichen sie einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen. Die Verfahren sind in ein Gesamtsystem zur Fahrzeugsteuerung eingebettet, das bei der Robert Bosch GmbH unter dem Namen CARTRONIC entwickelt wurde (siehe Abbildungen 1.2, 1.3). Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wurde als Mehrkriterien-Optimierungsproblem (3.7) formuliert. Dazu wurden physikalisch basierte Gutefunktionen fur die dynamische Leistungsreserve, den Antriebstrang-Wirkungsgrad und die Emissions-Ezienz de niert, die einen Betriebszustand x charakterisieren. Die vektorielle Optimierungsaufgabe wurde durch Einfuhren einer skalaren Zielfunktion ; auf ein skalares Optimierungsproblem reduziert. Das Optimierungsverfahren gewichtet die einzelnen Optimierungskriterien durch Gewichtungsfaktoren, die in Abhangigkeit von einem Parameter-Vektor a bestimmt werden, der die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen beschreibt. Zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands x^ wird fur eine Menge zulassiger Betriebszustande der Wert der Zielfunktion ; berechnet und derjenige Betriebszustand als der optimale ermittelt, der die Zielfunktion maximiert (Kapitel 4.1). Die so in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs ermittelte Losung des Mehrkriterien-Problems ist optimal im Sinne einer Edgeworth136

7 Zusammenfassung und Ausblick

137

Pareto-Optimalitat (Abbildung 3.4). Das Optimierungsverfahren zur Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs und die zugehorigen Funktionen zur koordinierten Steuerung der Aggregate sind innerhalb einer objektorientiert strukturierten Systemarchitektur realisiert (Kapitel 4.2). Zur Optimierung des Schaltvorgangs bei Fahrzeugen mit automatisiertem Schaltgetriebe im Hinblick auf die Dauer der Zugkraftunterbrechung und den Schaltkomfort wurde ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang entwickelt, das auf der Losung eines Problems der optimalen Steuerung (siehe (5.13)) beruht. Fur die Charakterisierung des Schaltvorgangs wurden physikalisch basierte Bewertungsgroen herausgearbeitet, die die Abweichung der Antriebsarbeit von der Soll-Antriebsarbeit, den Verlauf der Fahrzeug-Langsbeschleunigung und die in der Kupplung dissipierte Energie beschreiben. Die Aggregate sind wahrend des Schaltvorgangs auf einer optimalen Trajektorie so zu steuern, dass ein auf den genannten Bewertungskriterien basierendes Zielfunktional ;s minimiert wird. Bei der Formulierung des Zielfunktionals werden die einzelnen Bewertungsgroen in Abhangigkeit von dem Parameter-Vektor a adaptiv gewichtet. Das Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang approximiert die optimale Systemtrajektorie x^ s(t) durch ein Kollokationsverfahren. Dazu werden der Verlauf des Kupplungsmoments und der Verlauf der Motordrehzahl mit B-Spline-Funktionen beschrieben. Zur Bestimmung von x^ s(t) wird fur eine Menge zulassiger Systemtrajektorien in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs der Wert des Zielfunktionals ;s berechnet und diejenige Trajektorie als die optimale ermittelt, die das Zielfunktional minimiert (Kapitel 6.1). Das Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang ist in die Systemarchitektur der Antriebstrangsteuerung eingebettet (Kapitel 6.2). Zur Demonstration der Funktionalitat der entwickelten Verfahren wurde das System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung in Verbindung mit einem Modell des Fahrzeugs simuliert. Der Zielkon ikt zwischen hohem Wirkungsgrad des Antriebstrangs und dynamischem Fahrverhalten wurde durch Simulation von Fahrzyklen fur verschiedene Parametrierungen der Antriebstrangsteuerung veranschaulicht (Abbildung 4.10). Mit einer Parametrierung fur maximalen Antriebstrang-Wirkungsgrad wurde bei einem Kleinwagen eine Reduktion des Kraftstoverbrauchs um ca. 8% gegenuber einem manuell geschalteten Getriebe erreicht. Dabei stieg jedoch die Schalthau gkeit, und die dynamische Leistungsreserve wurde kleiner. Durch Fahrversuche wurde nachgewiesen, dass im Motorkennfeld verbrauchsgunstige Bereiche erschlossen werden. Dazu wurde die Dichte der Verteilung der Betriebszustande im Motorkennfeld durch eine Grautondarstellung visualisiert (Abb. 4.15, 4.16, 4.19, 4.20). Weiterhin wurden fur Stadtfahrten und Fahrten auerorts Kenngroen ermittelt, die den Zielkon ikt zwischen hohem Wirkungsgrad und dynamischem Fahrverhalten oenbaren (Tabellen 4.5, 4.6).

138

7 Zusammenfassung und Ausblick

Durch Simulation von Schaltvorgangen und durch Fahrversuche wurde die Funktionalitat der koordinierten Aggregatesteuerung fur den Schaltvorgang nachgewiesen. Fur die Bestimmung der optimalen Systemtrajektorie und die Simulation wurde ein reduziertes Schwingungsmodell des Antriebstrangs herangezogen. Die Simulationen und Fahrversuche zeigen, dass durch das entwickelte Verfahren die Ziele fur die Optimierung des Schaltvorgangs erreicht werden. Auch hier wird ein Zielkon ikt zwischen hohem Komfort und hoher Dynamik oenbar (Tabelle 6.4, Abbildung 6.22). Ein Vorteil der vorgestellten Verfahren ist die systematische Berucksichtigung verschiedener, sich teilweise entgegenstehender Ziele durch physikalisch basierte Optimierungskriterien. Durch die Losung eines Mehrkriterien-Optimierungsproblems in Echtzeit wahrend des Fahrbetriebs wird eine optimale Adaption an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen erreicht, wie sie andere Systeme zur Steuerung von Fahrzeugantrieben [SBW93, APH98, Kru98, Hot99] nicht vorsehen. Kern der Verfahren ist die Ermittlung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs bzw. der optimalen Systemtrajektorie fur den Schaltvorgang aus einer Menge zulassiger Losungen, so dass eine skalare Zielfunktion bzw. ein skalares Zielfunktional ein Extremum erreicht, Abbildung 6.17. Die vorgestellten Verfahren greifen direkt auf charakteristische physikalische Kenngroen der Aggregate wie zum Beispiel Wirkungsgrad-Kennfelder zuruck. Eine Anpassung der koordinierten Antriebstrangsteuerung an verschiedene Aggregate wird dadurch erleichtert. Eine mogliche Weiterentwicklung besteht in der Erweiterung der vorgestellten Verfahren fur neuartige Antriebstrang-Kon gurationen. Fur eine Optimierung des Schaltvorgangs ergeben sich neue Moglichkeiten durch weiterentwickelte automatisierte Schaltgetriebe mit einer zweiten steuerbaren Kupplung. Ein weiterer Freiheitsgrad fur die Optimierung des Fahrzeugantriebs wird durch den Einsatz elektrischer Antriebsaggregate und zugehoriger Energiespeicher erschlossen. Ein System zur Steuerung eines solchen Fahrzeugantriebs hat die Moglichkeit, nicht nur das Moment des Verbrennungsmotors vorzugeben, sondern auch die Elektromaschine zu nutzen, um die vom Fahrer angeforderte Antriebsleistung zu realisieren. Durch die Nutzung von Informationen kartenbasierter Fahrzeug-Navigationssysteme kann die Erkennung von Fahrsituationen und Umweltgroen verbessert werden. Derartige Systeme bestimmen die Position des Fahrzeugs und verknupfen diese mit Informationen einer digitalen Kartenbasis. Dadurch konnen Eigenschaften der Fahrbahn und der Fahrzeugumgebung an der aktuellen Fahrzeugposition und Eigenschaften der vorausliegenden Fahrstrecke bereitgestellt werden. Mogliche darauf basierende zukunftige Funktionen sind die Klassi kation von Fahrsituationen wie zum Beispiel Stadtfahrt oder Autobahnfahrt und die vorausschauende Erkennung von Kurven und Steigungen.

Anhang A Systemimplementierung mit ASCET Die Fahrzeugsteuerung erfolgt durch das Echtzeit-Steuerungs- und Regelungs-System ASCET-SD (Advanced Simulation and Control Engineering Tool ) der ETAS GmbH & Co. KG [ETA97]. Abbildung A.1 zeigt die Realisierung des Systems zur koordinierten Antriebstrangsteuerung in Versuchsfahrzeugen. Die Algorithmen der koordinierten Antriebstrangsteuerung werden in einem Simulationsrechner (Micro-I/O-Box) abgearbeitet, der uber einen CAN-Verbund mit der Motorsteuerung, der Kupplungs- sowie der Getriebesteuerung kommuniziert. Die CANSchnittstellen der Aggregate-Steuergerate sind so modi ziert, dass Vorgaben von der koordinierten Antriebstrangsteuerung umgesetzt werden konnen. Insbesondere realisiert das Motorsteuergerat das geforderte Soll-Motormoment. Das Getriebesteuergerat legt den vorgegebenen Soll-Gang ein. Das Kupplungssteuergerat steuert die automatisierte Kupplung so an, dass das geforderte maximale Kupplungsmoment ubertragen werden kann. Die Stellung des Wahlhebels am Getriebe-Bedienfeld wird vom Getriebesteuergerat erfasst und auf dem CAN-Bus der koordinierten Antriebstrangsteuerung zur Verfugung gestellt. Das Getriebesteuergerat erfasst weiterhin die Raddrehzahlen und die Drehzahlen der Getriebe-Eingangswelle und der Getriebe-Ausgangswelle. Die Stellung des Fahrpedals und die Betatigung des Bremspedals werden durch das Motorsteuergerat erfasst und aufbereitet. Die Steuerungskomponenten der koordinierten Antriebstrangsteuerung sind innerhalb des Systems ASCET-SD als Module realisiert. Ein Modul reprasentiert einen Programmteil, der uber de nierte Schnittstellen mit anderen Modulen und dem Betriebs139

140

A Systemimplementierung mit ASCET

M ic ro -I/O -B o x E T A S

C A N S te u e rg e rä te

B O S C H

B O S C H

B O S C H

A g g re g a te M o to r

K u p p lu n g

G e trie b e

Abbildung A.1: Hardwaretopologie fur Versuchsfahrzeuge. system kommuniziert. Ein Modul kann weitere Module enthalten, die durch Anwendung der objektorientierten Technik auch als Software-Objekte realisierbar sind. Einem Modul konnen ein oder mehrere Prozesse zugeordnet werden, die den zeitlichen Ablauf der Rechenoperationen steuern. Jeder Prozess wird wiederum einer Task zugeordnet, wodurch die Anbindung an das Echtzeit-Betriebssystem ERCOS (Embedded Realtime Control Operating System ) erfolgt. Fur die koordinierte Antriebstrangsteuerung werden die Tasks in einem festen Zeitraster von 10, 20 und 100 ms abgearbeitet. Mit dem langsamsten Zeitraster werden insbesondere zeitliche Mittelwerte gebildet und Rechenoperationen ausgefuhrt, die Umweltgroen oder Fahrereigenschaften ermitteln. Je eine Task ist fur den Empfang und das Senden von CAN-Botschaften vorgesehen. Die Ausfuhrung des Programmcodes durch den Simulationsrechner erfolgt in FloatingPoint-Arithmetik. Die Micro-I/O-Box wird uber einen Laptop bedient, mit dem der compilierte Programmcode geladen wird. Mit dem Laptop konnen Rechengroen aufgezeichnet und angezeigt sowie Parameter der Steuerung verandert werden.

Anhang B Simulation des Fahrzeugmodells mit Matlab/Simulink Ein Modell des Antriebstrangs und der Fahrzeug-Langsdynamik bildet die Grundlage fur die Untersuchung von Fahrzyklen und Schaltvorgangen durch Simulation des Fahrzeugs in Verbindung mit der Fahrzeugsteuerung. Abbbildung B.1 zeigt die Struktur des Fahrzeugmodells in Matlab/Simulink [Mat96a, Mat96b] und seine Anbindung an die in ASCET implementierte koordinierte Antriebstrangsteuerung. Das Modell des Fahrzeugantriebs ist modular aufgebaut, wobei die Modellmodule den Aggregaten des Antriebs entsprechen. Die Modellstruktur basiert auf dem in Kapitel 2 de nierten schematischen Antriebstrang. Im Modellmodul Fahrzeug sind die in Kapitel 2.3 genannten Beziehungen zur Beschreibung der Fahrzeug-Langsdynamik abgebildet. Durch das Modellmodul Torsion werden Fahrzeug-Langsschwingungen entsprechend dem in Kapitel 2.4 beschriebenen reduzierten Schwingungsmodell des Antriebstrangs berucksichtigt. Das Modul Getriebe/Dierential umfasst ein Modellmodul fur das automatisierte Schaltgetriebe und ein Modellmodul zur Beschreibung des Dierentials. Die Eingangs- und Ausgangsgroen der Module sind entsprechend der in Kapitel 2 eingefuhrten Systematik benannt. Das Ausgangsmoment M eines Modellmoduls ist jeweils das Eingangsmoment des rechts folgenden Moduls. Neben dem Ausgangsmoment teilt jedes Modul dem rechten Nachbar das an seinem Ausgang wirksame Massentragheitsmoment 1 mit. Das Modul Fahrzeug ermittelt entsprechend seinem Eingangsmoment unter Berucksichtigung der Fahrwiderstande die Fahrzeug-Geschwindigkeit und die entsprechende Raddrehzahl. Drehzahlen n werden von jedem Modellmodul jeweils an das links vorangehende Modul weitergeleitet. 1

In Abbildung B.1 und B.2 wird das Massentragheitsmoment  mit J bezeichnet.

141

y

n_me

n_m

Motor

J_ke

J_ma

J_me

u

y

n_ke

J_ka

M_ka

Kupplung

n_ka

M_ke

M_ma

u

M_me

u

y

Fahrer− Interface Koordinierte Antriebstrangsteuerung

Fahrerwunsch

Fahrerwunsch

y

n_ge

J_da

M_da

Getriebe/ Differential

n_da

J_ge

M_ge

u

n_ae

J_aa

M_aa

Torsion

n_aa

J_ae

M_ae

y

n_r

Fahrzeug

J_re

M_re

u

142 B Simulation mit Matlab/Simulink

Abbildung B.1: Struktur des Fahrzeugmodells in Matlab/Simulink mit Anbindung an

die koordinierte Antriebstrangsteuerung. Die grau hinterlegten Blocke sind in ASCET implementiert.

B Simulation mit Matlab/Simulink

143

Die Modellmodule verfugen uber einen Eingang u fur Steuergroen, der als vektorieller Eingang ausgefuhrt sein kann. Zustandsgroen werden uber einen Ausgang y zur Verfugung gestellt. Die Anbindung der koordinierten Antriebstrangsteuerung an die Module des Fahrzeugmodells erfolgt uber die beiden letztgenannten Schnittstellen. In Abbildung B.1 ist weiterhin ein Block Fahrer-Interface dargestellt, der den Fahrerwunsch durch Fahrpedal, Bremspedal und Getriebe-Bedienfeld erfasst. Durch bedingt ausgefuhrte Sub-Module kann die Systemstruktur des Fahrzeugantriebs variabel gestaltet werden. Dies ist fur die Abbildung der Zustande von Getriebe und Kupplung erforderlich (vgl. dazu auch Tabelle 2.1). In Abbildung B.2 ist beispielhaft die Struktur des Modellmoduls fur das automatisierte Schaltgetriebe dargestellt. Ein Block Zustand-Steuerung schaltet entsprechend dem Zustand des Getriebes zwischen den SubModulen Gang eingelegt und Gangwechsel um. Zu Beginn eines Gangwechsels wird das Sub-Modul Gangwechsel mit der aktuellen Getriebe-Eingangsdrehzahl initialisiert. Das Modell der Kupplung verfugt entsprechend uber zwei Sub-Module fur die Zustande geschlossen und schleifend. 1

u

Zustand

u Zustand− Steuerung

1 y

u

2 M_ge

y

M_ge

M_ga

J_ge

J_ga

n_ga

n_ge

2 M_ga

Gang eingelegt

3

3

NOT

J_ge

J_ga u

y

M_ge M_ga J_ge J_ga

4 n_ga

n_ga n_ge_init

n_ge

4 n_ge

Gangwechsel

Abbildung B.2: Struktur des Modellmoduls fur das automatisierte Schaltgetriebe. Der grau hinterlegte Block Zustand-Steuerung schaltet zwischen den Sub-Modulen Gang eingelegt und Gangwechsel um. Die Steuergroe u ist der Soll-Gang.

Anhang C Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell Die Simulation des Fahrzeugmodells in Verbindung mit der Fahrzeugsteuerung erfolgt durch eine sogenannte Co-Simulation [Kor96] mit den beiden Werkzeugen ASCET-SD und Matlab/Simulink. ASCET-SD verfugt dazu uber eine Schnittstelle zur Simulationskopplung mit Werkzeugen fur die Systemsimulation und den Reglerentwurf wie Matlab/Simulink [ETA97]. Durch die Methode der Co-Simulation konnen die spezi schen Vorteile beider Werkzeuge genutzt werden [Kor96]. Insbesondere ist eine problembehaftete Konvertierung von Modellen zwischen verschiedenen Werkzeugen nicht erforderlich. Die von der Fahrzeugsteuerung auf ASCET-SD berechneten Stellgroen werden dem mit Matlab/Simulink dargestellten Simulationsmodell des Fahrzeugs als Eingangsgroen zur Verfugung gestellt. Dies erfolgt uber Speicherzellen (Backplane) des Arbeitsplatzrechers, auf dem gleichzeitig eine Simulation der Steuerung mit ASCET-SD und des Fahrzeugmodells mit Matlab/Simulink erfolgt. Auf der Basis der laufend aktualisierten Eingangsgroen simuliert Matlab/Simulink die Dynamik des physikalischen Systems und stellt die Zustandsgroen des Systems uber die Backplane des Arbeitsplatzrechners ASCET-SD zur Verfugung. Abbildung C.1 zeigt die Kopplung von ASCET-SD mit Matlab/Simulink. Die Algorithmen fur die Fahrzeugsteuerung werden durch das Echtzeit-Betriebssystem ERCOS in einem de nierten Zeitraster ausgefuhrt. Durch Matlab/Simulink erfolgt die Integration der System-Dierentialgleichungen des physikalischen Modells des Fahrzeugs. 144

C Co-Simulation

145

S im u la tio n d e r F a h rz e u g s te u e ru n g m it A S C E T -S D A lg o rith m e n fü r S te u e ru n g / R e g e lu n g

z = h ( z , y ) u = k ( z ) -1

u

E in g a n g s g rö ß e n d e s p h y s ik a lis c h e n S y s te m s

P h y s ik a lis c h e s S y s te m m o d e ll

x = f ( x , u ) y = g ( x , u ) y A u sg a n g sg rö ß e n d e s p h y s ik a lis c h e n S y s te m s S im u la tio n d e s F a h rz e u g m o d e lls m it M a tla b /S im u lin k

Abbildung C.1: Kopplung von ASCET-SD mit Matlab/Simulink zur Co-Simulation von Steuerung und Fahrzeugmodell.

Der Signalaustausch zwischen Matlab/Simulink und ASCET-SD erfolgt zu festgelegten Kommunikationszeiten. Die Kommunikationsmechanismen zur Co-Simulation sind in Abbildung C.2 oben dargestellt. Zu den Zeitpunkten t1 ; t2 und t3 erfasst die Fahrzeugsteuerung die Ausgangsgroen y1 ; y2 und y3 des Fahrzeugmodells. Nach Abarbeitung der Steuerungs- und Regelalgorithmen sendet ASCET-SD die Stellgroen u1; u2 und u3 an das Fahrzeugmodell. Diese Stellgroen sind den Zeitpunkten t01 ; t02 und t03 zugeordnet. Im Zeitintervall [t01 ; t02] erfolgt die Integration der System-Dierentialgleichungen des physikalischen Modells des Fahrzeugs durch Matlab/Simulink, basierend auf dem Vektor von Stellgroen u1 . Entsprechend erfolgt die Integration in den folgenden Intervallen.

146

C Co-Simulation

Die Co-Simulation wird im Gegensatz zu der in Abbildung C.2 unten dargestellten Steuerung des realen Fahrzeugs durch ASCET-SD nicht in Echtzeit ausgefuhrt, sondern ist durch die Rechengeschwindigkeit der Systemsimulation bestimmt. C o - S im u la tio n v o n S te u e ru n g u n d F a h rz e u g m o d e ll t1 y

t1' u

1

t2'

t2 y 1

t2

u 2

t3 y 2

3

t3' u

t_ S te u e ru n g (A S C E T -S D ) 3

t3 t3'

t2'

t_ P ro z e s s (M a tla b /S im u lin k )

E c h tz e it - S te u e ru n g d e s F a h rz e u g s t1' y

u 1

1

t2' y

u 2

t3' 2

y

u 3

t_ S te u e ru n g (A S C E T -S D ) 3

t_ P ro z e s s t1

t2

t3

t4

(E c h tz e it)

Abbildung C.2: Kopplung von ASCET-SD mit Matlab/Simulink: Kommunikationsmechanismen.

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