用于机动车的控制装置及其在机动车中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于机动车的控制装置及其在机动车中的应用，该控制装置包括电子控制单元，通过该电子控制单元，驱动单元(EM、VM)的驱动力矩(M_soll)能根据需要可变地分配到至少两个轴上，其中，原则上能预定以优先单轴驱动意义的面向驱动的控制，比较单元将要求的行驶动力学的额定特征量(aFW)与行驶动力学的潜能特征量(apot)比较，并且仅当关于行驶动力学的潜能特征量的确定的阈值被超过时，才从面向驱动的控制转入到以优先多轴驱动意义的面向行驶动力学的控制。
【专利说明】用于机动车的控制装置及其在机动车中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括电子控制单元的用于机动车的控制装置，通过所述电子控制单元，驱动单元的驱动力矩能根据需要可变地分配到至少两个轴上。
【背景技术】
[0002]对于【背景技术】例如参考 申请人:的如下专利文件:
[0003]DE102004035004A1:用于提高行驶稳定性的模型支持的预控制的示例；
[0004]DE102011005095A1:常规的全轮驱动方案的高能效控制的措施；
[0005]DE102006001297A1:通过用于测量轮胎变形的传感器分析各个车轮关于纵向和横向动力学的潜能储备的措施。
【发明内容】
[0006]本发明的任务是，尤其是关于能效改善开头所述类型的方法并且为此提供一种简单的控制。
[0007]该任务按照本发明通过权利要求1的主题解决。从属的权利要求是本发明有利的进一步构成。
[0008]本发明涉及一种用于机动车的控制装置，其包括电子控制单元，通过该电子控制单元，驱动单元的驱动力矩能根据需要可变地分配到至少两个轴上，其中原则上能预定以优先单轴驱动意义的面向驱动的控制。在此借助比较单元，优选基于卡姆圆，将尤其是基于驾驶员愿望而要求的行驶动力学的额定特征量与行驶动力学的潜能特征量比较。仅当关于行驶动力学的潜能特征量(例如卡姆圆的边界范围)的确定的阈值(例如70% )被超过时，才从面向驱动的控制转入到以优先多轴驱动意义的面向行驶动力学的控制。
[0009]过渡到以优先多轴驱动意义的面向行驶动力学的控制可以离散或也可以连续地、例如与时间、行程或行驶动力学参数相关地进行。
[0010]概念“面向驱动的控制”尤其是在混合动力车辆的范围中不只是理解为短期仅最小化燃料的针对效率的控制，而是一般性地也理解为驱动构件和/或关于轴的驱动力矩分配的长期的针对要求的总功率和/或电的功率的最大可用性的控制。驱动构件的关于驱动的控制在混合动力车辆中本身也作为所谓的混合运行策略已经已知。
[0011]本发明独立于机动车的驱动方案。其不仅可用于包括可控制的纵向离合器的常规的全轮驱动车辆，而且可用于包括为每个轴配置的驱动马达(例如轴分离式混合驱动或任意的其他具有在一个轴上的内燃机和/或电动机和在其他一个或多个轴上的内燃机和/或电动机的组合驱动)的混合驱动车辆。
[0012]优选尤其是在包括驱动马达的常规的全轮驱动车辆中在仅一个轴上作为面向驱动的控制预定用于效率优化或燃料最小化的单纯的单轴驱动。用于实施本发明的所述(行驶动力学)控制单元优选与用于控制驱动构件(例如电动机和内燃机)的(驱动)控制单元解耦。因此所述驱动控制单元可能预定单轴驱动，然而该单轴驱动在需要时可能由行驶动力学控制单元优先控制。
[0013]本发明基于如下考虑、认识和构思:
[0014]在本发明中接着作为示例性的实施方式处理双轴驱动的车辆的特别情况(四轮/全轮驱动)。然而本发明明确地连带包括其在多轴驱动的和多轮辙驱动的车辆中的应用，而如下不总是说明这一点。
[0015]常规的双轴驱动的车辆特征在于，一个轴(初级驱动的轴)直接由力矩来源(例如内燃机)驱动，以及第二轴(次级驱动的轴)通过离合元件(摩擦离合器、片式离合器、爪齿离合器)可以被连接。
[0016]此外用于可变的驱动力矩分配的电子控制系统允许，在各轴之间情况适当地分配驱动力或驱动力矩。这种方式取得显著的优点，即，相关于行驶状况可以提供最好的牵引。作为示例参阅在BMW集团中使用的xDrive系统，该系统例如在G.Fischer、ff.Pfau, H.-S.Braun 和 C.Billig 的专业论文“x-Drive-Der neue Allradantrieb im BMW X3und BMWX5” 中说明(出现于 Automobiltechnische Zeitschrift ATZ, 2004 年 02 月出版；专利文献DE10054023A1)。
[0017]附加于常规的全轮驱动车辆，混合驱动方案也允许实现双轴驱动。然而不同于在常规方案中，在(尤其是与稳定性相关的)面向行驶动力学的和(尤其是与效率相关的)面向驱动的行驶之间的区别不仅仅通过被驱动的轴的数量或在被驱动的轴上的驱动力矩分配。而是电子控制基于如下行驶策略，所述行驶策略在针对驱动的行驶中强调行驶功率以及消耗优化的用于控制驱动构件的驱动策略。与此相对在针对行驶动力学的行驶中强调在轴上的驱动力矩分配:
[0018]常规的全轮驱动车辆:
[0019].面向驱动或效率的控制:力矩分配为单轴驱动(离合器打开)。
[0020].面向行驶动力学的控制:力矩分配为双轴驱动(离合器至少部分地闭合)；情况适当地接通次级驱动的轴和用于优化的行驶动力学的可变的驱动力矩分配，例如关于拉力或推力情况下的固有转向特性、在直线或转弯行驶时的牵引和关于不足转向或过度转向的稳定性。
[0021]混合的全轮驱动车辆，尤其是轴混合驱动的全轮驱动车辆:
[0022].面向驱动或效率的控制:驱动构件利用驱动策略的直接控制优化地按照要求的行驶功率、蓄电池状态、蓄电池充电策略和/或消耗进行。
[0023].面向行驶动力学的控制:驱动构件利用用于驱动力矩分配的行驶动力学策略的直接控制优化按照行驶动力学、例如关于拉力或推力下的固有转向特性、在直线或转弯行驶时的牵引和关于不足转向或过度转向的稳定性
[0024]此外混合驱动车辆的如下实施形式称为轴混合驱动，在其中，可选地前轴或后轴直接通过内燃机并且相应的第二轴直接通过电动机驱动(例如也作为轴分离式混合驱动已知)。示例性地参阅将推出的混合驱动跑车BMWi8,在该车中该设计系列地实现。该介绍的轴混合驱动技术尤其是因此构成用于全轮驱动的车辆的合适的实现形式，其中:
[0025]a)相对于常规的全轮驱动方案取消在前轴和后轴之间的机械的离合器连接的必要性，并且
[0026]b)通过车辆电子控制，多个行驶模式可供使用(例如纯内燃机、纯电、组合模式)并且因此能够实现能可变接通的全轮驱动。
[0027]附加于在轴混合驱动范围中的所述有利的实施形式，应该在这里强调，接着介绍的方法原则上可以用于控制每种两轴或多轴的驱动方案。这样如下应用领域也明确地是本发明的组成部分，而无需接着一直对此说明:在常规的全轮驱动中的应用、在包括在所述两个/多个轴的至少一个上的多于一个电动机的轴混合驱动方案中的应用、在包括初级的和次级的能量源(例如以不同的技术的实施方式的氢驱动、燃料电池等)的任意的组合的混合驱动方案中的应用。
[0028]在电子控制的机动车中、尤其是在全轮驱动车辆中，原则上强调行驶动力学的要求和借此也强调影响行驶安全的要求如纵向和横向稳定性。然而按照行驶动力学策略(或双轴或多轴运行)的驱动导致不利特性，即由此提高燃料消耗。在常规的具有机械的耦合的全轮驱动车辆中，这归结于在驱动副轴时强制性出现的滚动摩擦和惯性损耗。
[0029]本发明与之相反基于如下认识，通过特别是行驶动力学的关注，在车辆控制的设计中丢失燃料节省的潜力。因此存在许多具有相对低的行驶动力学要求的行驶状况，在这些行驶状况中可以转入优选针对效率的驱动策略或在这些行驶状况中在常规的全轮驱动车辆中的单轴驱动是足够的。示例性地举出较长的直线行驶、以适中的车辆速度(例如lOOkm/h以下)的行驶、在几乎没有坡度的道路上的行驶以及在干燥的行车道上的行驶。
[0030]因而通过本发明提供一种用于改善在双轴或多轴驱动的车辆中的能效的方法。为此如接着说明的，提出一种新型的控制装置。
[0031]本发明的基本构思基于，在具有可能的全轮驱动的机动车中通过借助驱动力矩分配的原则上面向驱动的控制用于改善能效的措施代替驱动力矩分配的至今特别是面向行驶动力学的控制。
[0032]这样的新型的控制装置设定，将由驾驶员愿望造成的行驶动力学的额定特征量与关于到存在的轴上的驱动力矩分配的行驶动力学的潜能特征量优选以卡姆圆意义比较并且基于比较结果在驱动策略或效率策略和行驶动力学策略之间做决定。为了提高效率在此首先相对于行驶动力学策略优选驱动策略，因为行驶动力学策略有利于行驶稳定性但损耗效率地设定优先多轴驱动。因此在这里比在驱动策略中发生驱动力矩到可驱动的轴上的较均匀的分配，所述驱动策略与功率或消耗相关地设定优先单轴驱动。
[0033]确定行驶动力学的额定特征量和潜能特征量:
[0034]借助制动踏板位置和/或加速踏板位置连同离合器位置和选择的挡位以及借助转向盘位置产生关于车辆的纵向和横向动力学的驾驶员愿望。同时每个轮胎(或每个轴)只可以将确定的合力传递到行车道上，由此预定纵向力和横向力的最大的潜能。按照对本领域技术人员常用的教导，可以通过构成卡姆圆说明该行驶动力学的潜能的界限。原则上车辆通过接通次级的驱动轴达到较高的行驶动力学的总潜能，从而卡姆圆范围扩大(纵向和横向潜能的增长)。
[0035]驾驶员愿望和行驶动力学潜能的比较借助模型支持的预控制进行。由这种关系产生具有如下信息的控制信号，即是否驾驶员希望的动力学值落入在车辆瞬时运行状态中可供使用的潜能的边界范围中。
[0036]对于混合驱动方案(尤其是轴混合驱动)，计算的比例构成关于驱动策略和行驶动力学策略之间的切换的决定判据。在首先提到策略中，将驾驶员愿望关于前轴和后轴的分别最大可能的潜能决算。一旦动力学的额定值在所述轴之一的边界范围中变化并且因此达到该轴的饱和，则控制装置切换到行驶动力学策略中并且此后优先利用在各轴上的驱动力矩分配。对于常规的全轮驱动方案，关于单轴或多轴的驱动状态做决定。
[0037]因此借助新的控制装置实现:
[0038]a)在对行驶安全关键的情况中进行以行驶动力学的意义的优先(在行驶动力学的高要求时)，并且
[0039]b)在其他的情况中有利于针对驱动的并且在此尤其是高能效的并且因此燃料节省的方案做决定。
[0040]按照本发明介绍的控制系统引起，燃料消耗大的运行仅在如下情况中主导，即在所述情况下基于行驶动力学和稳定性所述燃料消耗大的运行的必需的(卡姆圆的边界范围)。本发明的显著的优点因此在于，在没有行驶安全方面的丧失的情况下以特别高能效的方式实现可变的全轮驱动的使用。
[0041]行驶动力学的缺点在这里不用担心，因为在要求很高的行驶状况(例如转弯行驶)中，此外以行驶动力学的意义优先并且车辆的全部行驶动力学的潜能对驾驶员可供使用。为此目的本发明附加地设定，沿速度特性曲线这样适配控制装置，使得到全轮驱动中的转换在低的速度下较早地进行。然而此外也可设想其他的应用特性场。
[0042]所介绍的方法的其他显著优点是其高的适应性和简单的使用。因为所述控制的基本上的构造遵循简单的物理学措施并且基于通用的行驶状态参数，所述能够对应可变地适配加权机制(按照质量、摩擦系数等)。这样可以例如在确定行驶动力学的额定特征量和行驶动力学的潜能特征量时考虑车辆的装载状态或也探测对挂车的一起引导或车辆的牵引。在此对于该方法的使用足够的是，一次设定对应的应用特性曲线，而可变的适配基于对状态值的估计自动进行。
[0043]此外存在可能性，通过状态测量支持控制装置并且因此对该控制装置更稳定地保护以防失效。在优选的实施方式中发明人设定相关的行驶状态参数的估计(预控制)。然而如果这应该失效，则可能采用测量，即使这可能导致较长的反应时间。
[0044]其他应用可能性:
[0045]该介绍的方法另外能引起第二驱动的开始。如果驾驶员应该例如已选择纯电行驶模式并且通过油门和转向输入而超过电动机的功率范围，则在没有驾驶员干涉的情况下接通内燃机，以便确保最大的行驶舒适性。
[0046]进一步，可设想实现向驾驶员的反馈，例如借助力反馈踏板或通过转向盘。通过行驶动力学的额定特征量与作为中央控制参数的行驶动力学的潜能特征量的比较，可以通过油门向驾驶员用信号表示，达到边界范围并且短时进行全轮驱动的接通，只要额定值通过驾驶员保持未改变的话。
[0047]抑制切换的选项可能用于阻止不确定的行驶特性。如果控制系统应该确定在卡姆圆的边界范围中变化的动力学值，则因此在该时间段上锁止切换过程。
[0048]该方法此外也可以用于从潜能比较的信息出发激活其他的改善效率的机构。作为示例提出在具有哈尔得克斯(Haldex)离合器的常规全轮系统中的应用。这样可以考虑确定的控制参数的评估以用于，一旦在较长时间段上不再需要接通次级的轴时，则切断对于哈尔得克斯离合器需要的泵。通过切断这样的元件可以附加地降低燃料消耗。
[0049]最后也可以想到组合所介绍的方法与其他的控制装置，例如利用发动机干预/制动干预。在锁定的全轮驱动的示例性的情况中，例如牵引/横向动力学优化仅还通过总力矩减小才可能。这种情况可以在在这里示出的措施中通过针对驾驶员要求的决算识别。具体来说，在这种情况中驾驶员要求超过所有的已经接通的轴的潜能，从而识别借助发动机干预或制动干涉的总力矩限制的必要性并且将其传送给对应的装置。示例性地在这里参阅专利文件 DE102009055683A1。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]在附图中示出本发明的实施例。附图示出:
[0051]图1整个驱动方案的示意图，按照本发明的控制装置使用在该驱动方案中；
[0052]图2按照本发明的控制装置的工作原理的更准确的图；
[0053]图3用于在从在这里与效率相关的面向驱动的控制到面向行驶动力学的控制的过渡过程中显示本发明的作用方式的应用示例。
【具体实施方式】
[0054]图1示意性示出在这里双轴的机动车(包括前轴VA和后轴HA)的整个驱动方案，其从用于确定与纵向加速度相关的驾驶员愿望的最重要的输入信号、即加速踏板值FP出发。该驱动方案主要包含如下构件和功能模块:
[0055]在驱动方案中性的模块AK_n中，从加速踏板值FP出发借助驾驶员愿望解释器FW1、借助驾驶员愿望协调器KFW并且借助行驶动力学协调器KFD形成额定驱动力矩Μ_soil.该驱动力矩M_soll通过动态的滤波器DF发送给分配器模块V。
[0056]在分配器模块V中决定通过驱动力矩M_soll的要由前轴VA传递的份额与驱动力矩皿_8011的要由后轴HA传递的份额的分配比VA/HA(驱动力矩分配)。在驱动方案特定的模块AK_s中，预定的驱动力矩分配借助驱动单元一一在这里包括两个配置给前轴VA的电动机EM和一个配置给后轴HA的内燃机VM—一调节。在负的驱动力矩时制动控制系统BR也可以介入。在这里驱动方案因此是轴混合驱动式。
[0057]并行于上述优选可以包含在电子的驱动控制器中的功能模块，如下优选在电子的行驶动力学控制器中包含的功能模块起作用:
[0058]行驶动力学信号提供模块SBF例如提供求得的运行参数如车轮转速ηκ、转向角LW、车辆速度V、制动踏板值ΒΡ、摩擦系数μ、坡度S、纵向加速度ax、行驶阻力和加速踏板值FP。
[0059]按照本发明的控制装置的核心是与行驶动力学信号提供模块SBF连接的控制单元I。该控制单元从模块SBF尤其是获得行驶动力学的在这里以针对纵向和横向动力学的驾驶员希望加速度aFW形式的额定特征量以及获得在这里以针对纵向和横向动力学的最大加速度ap(rt形式的行驶动力学的潜能特征量作为输入信号。
[0060]控制单元I借助行驶动力学的驱动力矩分配器例如作为第一输出信号仅产生赞成或反对多轴驱动的二进制的决定O或1，其中O用于单轴驱动2WD或I用于多轴驱动4WD。
[0061]控制单元I可以附加地或备选地作为第二输出信号产生用于驱动力矩1_8011的分配比VA/HA的至少一个允差范围TB，尤其是当还没有做出赞成多轴驱动4WD的决定时。借助行驶动力学的驱动力矩预控制也可以通过行驶动力学协调器KFD对驱动力矩M_soll的大小产生影响。
[0062]原则上控制单元I预定以优先单轴驱动2WD的意义的面向驱动的控制。对于在过渡到多轴驱动4WD上的操作方式参阅图2:
[0063]在图2中控制单元I还更详细地示出。在这里应该首先说明“全轮需求情况识另IJ” 一一亦即赞成或反对全轮驱动的0/1决定。
[0064]对本发明重要的是，在预控制模块VS中比较单元KK优选借助在左侧示出的卡姆圆将要求的行驶动力学的额定特征量aFW与行驶动力学的潜能特征量ap()t比较。要求的行驶动力学的额定特征量aFW优选由基于加速踏板值FP和/或制动踏板值BP的额定纵向加速度aian}?s和由基于转向角LW和车辆速度V的额定横向加速度aqUOT求得。当要求的行驶动力学的额定特征量aFW超过关于行驶动力学的潜能特征量ap(rt的确定的阈值(例如70% )时，则在这里从面向驱动的控制2WD转换到或转入到面向行驶动力学的控制4WD。
[0065]行驶动力学的潜能特征量ap()t是与行驶稳定性相关的最大可能纵向加速度AangS
和最大可能横向加速度aqUOT的合成结果。该潜能特征量尤其是与摩擦系数和/或坡度和/或空气阻力和/或牵拉质量相关。
[0066]在从O转换到I时，可以附加地在反应的模块RS中附加地也考虑如下行驶动力学的行驶状态:反向转向GB、过度转向--、后轴饱和HAS、打滑S。
[0067]卡姆圆可以在从多轴驱动4WD到单轴驱动2WD的过渡中跟随滞后，这样在示出的示例中该过渡在潜能特征量ap()t的50%的阈值时发生。用于从面向驱动的控制到面向行驶动力学的控制的过渡以及相反的过渡的这些阈值(在这里为70%和50% )优选相关于瞬时的车辆速度v(参看在图2中双箭头旁的函数f (V))。
[0068]为了避免多轴运行和单轴运行的持久变换，所述滞后效果也可以附加地通过行程条件和或时间条件取得，其方式为，在X秒和/或I米上阻止到另一个状态中的转换。
[0069]在图3中示出从带有面向驱动的控制的直线行驶到带有面向行驶动力学的控制的转弯行驶的过渡时并且再次复原的过程中本发明的作用方式的示例。
[0070]在区域BI和B5中发生最大的面向驱动的控制，其中在这里预定用于分配比VA/HA的最大的允差带TB。这也对应于决定0，据此可以不受限制地允许单轴驱动2WD。在区域B2和B4中发生从面向驱动的控制到面向行驶动力学的控制的连续过渡，其方式为，在这里预定用于分配比VA/HA的限制的允差带TB。这对应于决定1，据此不再可以不受限制地允许单轴驱动2WD。在区域B3中仅发生面向行驶动力学的控制，在该控制中预定驱动力矩分配VA/HA的准确的稳定行驶的变化。
[0071]然而不同于现有技术通过本发明只在行驶动力学的界限情况中作为例外进行面向行驶动力学的控制，相反在正常情况中优先进行优选用于减少燃料消耗但也用于要求的功率的可用性最大化的面向驱动的控制。
【权利要求】
1.用于机动车的控制装置，该控制装置包括电子控制单元(I)，通过该电子控制单元，驱动单元(EM、VM)的驱动力矩(M_soll)能根据需要可变地分配到至少两个轴上，其中，原则上能预定以优先单轴驱动(2WD)意义的面向驱动的控制(B1、B2、B4、B5)，比较单元(KK)将要求的行驶动力学的额定特征量(aFW)与行驶动力学的潜能特征量(apJ比较，并且仅当关于行驶动力学的潜能特征量(apJ的确定的阈值(例如70% )被超过时，才从面向驱动的控制(B1、B2、B4、B5)转入到以优先多轴驱动(4WD)意义的面向行驶动力学的控制(B3)。
2.按照权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述行驶动力学的潜能特征量(apJ按卡姆圆是最大可能的纵向加速度(aIangs )和最大可能的横向加速度(aqUOT)的合成结果。
3.按照上述权利要求之一所述的控制装置，其特征在于，所述要求的行驶动力学的额定特征量(aFW)按卡姆圆是至少基于驾驶员愿望(FP、Lff)而要求的额定纵向加速度(^iiings )和额定横向加速度Oaquw)的合成结果。
4.按照上述权利要求之一所述的控制装置，其特征在于，所述关于行驶动力学的潜能特征量(apJ的确定的阈值(例如70% )能作为车辆速度(V)的函数(f(v))可变地预定。
5.按照上述权利要求之一所述的控制装置，其特征在于，电子控制单元(I)的输出信号是赞成或反对多轴驱动(4WD)的二进制决定(0/1)，由此能离散地预定从面向驱动的控制到面向行驶动力学的控制的过渡。
6.按照上述权利要求之一所述的控制装置，其特征在于，电子控制单元(I)的输出信号是用于驱动力矩(M_soll)的分配比(VA/HA)的允差范围(TB)，由此能连续地预定从面向驱动的控制(B1、B2、B4、B5)到面向行驶动力学的控制(B3)的过渡。
7.按照上述权利要求之一所述的控制装置在机动车中的应用，所述机动车包括在初级驱动的轴(HA)和次级驱动的轴(VA)之间的能控制的纵向离合器，整个驱动单元持久地与初级驱动的轴(HA)连接，并且驱动力矩(M_soll)的分配比(VA/HA)借助对所述纵向离合器的控制能被调节，并且面向驱动的控制通过朝打开方向控制纵向离合器进行并且面向行驶动力学的控制通过朝至少部分地闭合的方向控制纵向离合器进行。
8.按照上述权利要求之一所述的控制装置在轴混合驱动机动车中的应用，所述机动车没有在轴(VA、HA)之间的纵向离合器，所述机动车包括内燃机驱动的第一轴(HA)和电驱动的第二轴(VA)，其中，面向驱动的控制针对在燃料消耗最小化和/或功率可用性方面的优化的混合运行策略，并且面向行驶动力学的控制通过朝优先多轴驱动的方向控制驱动构件实现。
【文档编号】F16D48/12GK104163106SQ201410204065
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2013年5月15日
【发明者】C·维默尔, D·奥登塔尔, M·塞勒 申请人:宝马股份公司