DE10164463A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1), einen Starter-Generator (2), ein Antriebsgetriebe (3), mindestens eine Batterie (4), ein Getriebesteuergerät (7), ein Starter-Generator-Steuergerät (6) und ein Batterie-Management-Steuergerät (5), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) und der Starter-Generator (2) und der Starter-Generator (2) und das Antriebsgetriebe (3) jeweils über eine herstellbare oder lösbare mechanische Verbindung (8, 9) miteinander verbunden sind, wodurch über das Batterie-Management-Steuergerät (5) der Ladezustand (SOC) der Batterie (4) ermittelbar ist, aus dem Ladezustand (SOC) Grenzwerte (I_max, U_min; I_min, U_max) der Belastung und/oder Beladung der Batterie (4) durch den Starter-Generator (2) ableitbar und an das Starter-Generator-Steuergerät (6) übertragbar sind, mittels des Starter-Generator-Steuergerätes (6) Grenzmomente (M_max, M_min) für den Motor- und Generatorbetrieb des Starter-Generators (2) ermittelbar und an das Getriebesteuergerät (7) übertragbar sind, das Getriebesteuergerät (7) ein gewünschtes Moment (M_Wunsch) und Grenzwerte (SOC_min) für den Ladezustand der Batterie (4) erfasst und ein Soll-Moment (M_soll) unter Berücksichtigung der Grenzmomente (M_max, M_min) des Starter-Generators (2) und der Grenzwerte (SOC_min) für den Ladezustand der Batterie (4) berechnet, das an das Starter-Generator-Steuergerät (6) übertragbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug.
  • Um in Kraftfahrzeugen serienmäßig niedrige Kraftstoffverbrauchswerte zu erreichen, sind verschiedene Strategien notwendig, die bisher keine zentrale Rolle beim Betrieb von Kraftfahrzeugen gespielt haben. Hierzu gehört beispielsweise das Abschalten des Motors im Stillstand oder während der Fahrt in Schubphasen. Um dies realisieren zu können, ist ein Starter-Generator mit zugehörigem Starter- Generator-Steuergerät notwendig. Das Starter-Generator-Steuergerät wird dabei beispielsweise vom Getriebesteuergerät angesteuert, wo die wichtigen Betriebsparameter wie Moment und Drehzahl zur Verfügung stehen.
  • Eine der Folgen der Motorabschaltung ist, dass das Bordnetz eines derartigen Kraftfahrzeuges stark belastet wird, da diverse Ladephasen durch Abschaltung des Motors entfallen. Zur Reduzierung der Kraftfahrzeugmasse im Hinblick auf die Kraftstoffreduzierung müssen auch die Batterien immer kleiner und leichter werden. Dies reduziert jedoch auch deren Leistungsvermögen, was die Belastung durch die entfallenden Ladephasen noch schwerwiegender macht. Daher sind Batterie- Management-Steuergeräte bekannt, die den Ladezustand der Batterie überwachen und gegebenenfalls Gegenstrategien entwickeln. Eine mögliche Gegenstrategie ist beispielsweise das Abschalten von Komfortverbrauchern.
  • Nachteilig an dem bekannten Verfahren zum Bordnetzmanagement ist, dass dabei die Zielvorstellungen der einzelnen Steuergeräte nicht kompatibel sind.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, wo die Kommunikation zwischen den Steuergeräten besser aufeinander abgestimmt sind.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine, einen Starter- Generator, ein Antriebsgetriebe, mindestens eine Batterie, ein Getriebesteuergerät, ein Starter-Generator-Steuergerät und ein Batterie-Management-Steuergerät, wobei die Verbrennungskraftmaschine und der Starter-Generator und der Starter- Generator und das Antriebsgetriebe jeweils über eine herstellbare oder lösbare mechanische Verbindung miteinander verbunden sind, wobei über das Batterie- Management-Steuergerät der Ladezustand der Batterie ermittelbar ist, aus dem Ladezustand Grenzwerte der Belastung und/oder Beladung der Batterie durch den Starter-Generator ableitbar und an das Starter-Generator-Steuergerät übertragbar sind, mittels des Starter-Generator-Steuergerätes Grenzmomente für den Motor- und Generatorbetrieb ermittelbar und an das Getriebesteuergerät übertragbar sind, das Getriebesteuergerät ein gewünschtes Moment und Grenzwerte für den Ladezustand der Batterie erfaßt und ein Soll-Moment unter Berücksichtigung der Grenzmomente des Starter-Generators und der Grenzwerte für den Ladezustand der Batterie berechnet, das an das Starter-Generator-Steuergerät übertragbar ist. Hierdurch wird erreicht, dass die von einem Steuergerät angeforderten Leistungen auch tatsächlich von den anderen Steuergeräten zur Verfügung stellbar sind, d. h. die Steuergeräte geben jeweils Bereichsangaben ihres Leistungsvermögens weiter, so dass das anfordernde Steuergerät darauf entsprechend seine Strategie anpassen kann. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaues ist, dass durch diese strukturierte dezentrale Kommunikation die Veränderung einer elektrischen Komponente nur das direkt betroffene Steuergerät betreffen. Wird beispielsweise eine andere Batterie verwendet, so muss nur das Batterie-Management-Steuergerät softwaretechnisch angepasst werden. Dieses übergibt dann aber wie zuvor Grenzwerte an die anderen Steuergeräte, deren Software daher nicht weiter angepasst zu werden braucht, da die übergebenen Grenzwerte Betriebsparameter und keine absoluten Grenzwerte sind. Dabei sei angemerkt, dass die einzelnen Steuergeräte und Manager als separate Hardware oder als Software- Steuerungsmodule auf einem oder mehreren Steuerrechnern realisiert werden können. Wenn nachfolgend von Steuergeräten gesprochen wird, so schließt dies jeweils beide Ausführungsformen ein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform übermittelt ein Motorsteuergerät das gewünschte Moment an das Getriebesteuergerät.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Batterie-Management- Steuergerät in ein Bordnetzsteuergerät integriert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind einzelnen Bordnetzverbrauchern Abschaltprioritäten zugeordnet und wenigstens die Bordnetzverbraucher mit der höchsten Abschaltpriorität werden bei Erfassung eines kritischen Ladezustandes der Batterie durch das Batterie-Management-Steuergerät oder das Bordnetzsteuergerät abgeschaltet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist über das Getriebesteuergerät dem Batterie-Management-Steuergerät ein bevorstehender Startversuch der Brennkraftmaschine übermittelbar, wobei vorzugsweise als Reaktion auf die Mitteilung der Grenzwert der Belastung der Batterie auf größer Null durch das Batterie-Management-Steuergerät anhebbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigen:
  • Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Bordnetz- Management in einem Kraftfahrzeug und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kommunikationsstruktur zwischen den Steuergeräten.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine 1, einen Starter-Generator 2, ein Antriebsgetriebe 3, eine Batterie 4, ein Batterie-Management-Steuergerät 5, ein Starter-Generator-Steuergerät 6 und ein Getriebesteuergerät 7. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Starter-Generator 2 ist eine erste mechanische Verbindung 8 und zwischen dem Starter-Generator 2 und dem Antriebsgetriebe 3 eine zweite mechanische Verbindung 9 angeordnet, wobei die Verbindungen 8, 9 durch das Getriebesteuergerät 7 herstellbar oder lösbar sind. Das Antriebsgetriebe 3 ist darüber hinaus mit Rädern 10 verbunden. Das Starter-Generator-Steuergerät 6 ist mit dem Starter-Generator 2 verbunden und steuert diesen an. Das Getriebesteuergerät 7 steuert entsprechend das Antriebsgetriebe 3 an. Die Batterie 4 ist mit dem Batterie-Management-Steuergerät 5 verbunden. Die Batterie 4 stellt des weiteren die Energieversorgung für alle elektrischen Verbraucher einschließlich der Steuergeräte 5-7 dar, wobei aus Übersichtsgründen auf die Darstellung der Verbindungen verzichtet wurde. Des weiteren ist die Batterie 4 derart mit dem Starter-Generator 2 verbunden, dass dieser die Batterie 4 im Generatorbetrieb laden kann. Das Batterie-Management-Steuergerät 5 ist mit Komfortverbrauchern 11, 12 des Bordnetzes derart verbunden, dass diese durch das Batterie-Management-Steuergerät 5 abschaltbar sind.
  • Die Kommunikation zwischen den Steuergeräten 4-7 soll nun nachfolgend anhand der Darstellung in Fig. 2 näher erläutert werden. Das Batterie-Management- Steuergerät 5 erhält durch geeignete Sensoren an der Batterie 4 Informationen, aus denen ein Ladezustand (State of Charge SOC) der Batterie 4 ermittelbar ist. Des weiteren erhält das Batterie-Management-Steuergerät 5 den aktuellen Bedarfsstrom I_Netz von einem Bordnetzsteuergerät 13. Aus dem Ladezustand SOC ermittelt das Batterie-Management-Steuergerät 5 unter Berücksichtigung der Bauart der Batterie 4 deren maximalen Entladestrom, wobei der aktuelle Bedarfsstrom I_Netz als Offset abgezogen wird. Der verbleibende Strom I_max ist der maximale Strom, der dem Startergenerator 2 von der Batterie 4 zur Verfügung gestellt werden kann. Des weiteren ermittelt das Batterie-Management-Steuergerät 5 aus dem Ladezustand SOC den maximalen Beladestrom I_min durch den Starter- Generator 2, wenn dieser als Generator betrieben wird, wobei wieder der aktuelle Bedarfsstrom I_Netz als Offset abgezogen wird. Parallel zu den Strömen I_max und I min ermittelt das Batterie-Management-Steuergerät 5 die minimale Bordnetzspannung U_min im Entladefall und die maximale Bordnetzspannung U_max im Beladungsfall der Batterie 4. Diese Grenzwerte werden an das Starter- Generator-Steuergerät 6 übertragen. Das Starter-Generator-Steuergerät 6 erhält des weiteren Informationen von Sensoren am Starter-Generator 2, aus denen sich der maximal aufnehmende Strom I_EM_max im Motorbetrieb und der maximal abgebbare Strom I_EM_min im Generatorbetrieb ergibt. Diese werden mit den Vorgaben vom Batterie-Management-Steuergerät 5 verglichen, wobei der niedrigere Grenzwert für die weitere Berechnung herangezogen wird. Hieraus berechnet das Starter-Generator-Steuergerät 6 das maximale Antriebsmoment M_max im Motorbetrieb und das maximale Bremsmoment M_min im Generatorbetrieb und überträgt diese an das Getriebesteuergerät 7. Des weiteren überträgt das Batterie- Management-Steuergerät 5 den aktuellen Ladezustand SOC_ist, den optimalen Ladezustand SOC_opt und den minimalen Ladezustand SOC_min an das Getriebesteuergerät 7. Der optimale Ladezustand SOC_opt ist beispielsweise eine hinsichtlich Batteriewirkungsgrad und -lebensdauer günstige Zielvorgabe an die Betriebsstrategie, die jedoch beispielsweise in Abhängigkeit des Fahrverhaltens variiert werden kann. Aus der Differenz zwischen SOC_opt und SOC_min wird in der Betriebsstrategie die Bedeutung von SOC_opt gewichtet. Ist die Differenz groß, wird angenommen, dass die Batterie 4 in einem weiten Ladezustandsbereich optimal arbeitet. ist die Differenz hingegen gering, wird SOC_opt mit höherer Priorität angestrebt. Des weiteren erhält das Getriebesteuergerät 7 Zustandsdaten vom Antriebsgetriebe 3.
  • Erhält nun das Getriebesteuergerät 7 ein gewünschtes Moment M_Wunsch von einem Motorsteuergerät 14, so prüft das Getriebesteuergerät 7, ob und wie dieses gewünschte Moment umzunutzen ist. Hierbei wird sowohl das jeweilige Grenzmoment des Starter-Generator-Steuergerätes 6 als auch der Ladezustand der Batterie 4 berücksichtigt. Unter Berücksichtigung beider Vorgaben berechnet das Getriebesteuergerät 7 ein Sollmoment M_soll, das an das Starter-Generator- Steuergerät 6 übertragen wird und dort eingestellt wird.
  • Bei einem gewünschten Startversuch überträgt das Getriebesteuergerät 7 ein Statussignal AnI_Sta, dass ein Motor-Anlassvorgang durchgeführt wird. Als Reaktion setzt das Batterie-Management-Steuergerät 5 den Wert von I_max auf ungleich Null, um auch bei geringem Ladezustand einen gegebenenfalls langsamen Motorstart zu erlauben. Des weiteren ermöglicht diese Information dem Batterie- Management-Steuergerät 5 den Abgleich des Ladezustandswertes, da der Anlassvorgang definierte Betriebsbedingungen erlaubt. Gegebenenfalls kann das Batterie-Management-Steuergerät 5 Komfortverbraucher 11, 12 in der Reihenfolge ihrer Abschaltpriorität abschalten, um den Ladezustand zu verbessern.
  • Das dargestellte Verfahren erlaubt auch einen elektromotorischen Antrieb durch den Starter-Generator, der dann das Antriebsgetriebe 3 alleine antreibt. Auch ein kombinierter Antrieb durch die Brennkraftmaschine und den motorisch betriebenen Starter-Generator ist möglich.
  • Neben den beschriebenen Größen können noch weitere Betriebsgrößen zwischen den Steuergeräten ausgetauscht werden. Beispielsweise kann das Getriebesteuergerät 7 dem Starter-Generator-Steuergerät einen Betriebsmodus, eine Sollspannung und/oder eine Solldrehzahl vorgeben. Entsprechend kann dann das Starter-Generator-Steuergerät 6 dem Getriebesteuergerät 7 ein Istmoment, eine Istdrehzahl und/oder einen Status mitteilen. Insbesondere durch die Vorgabe der Solldrehzahl wird erreicht, dass beim Schließen des Antriebsstranges durch die Verbindung 9 bzw. Kupplung zwischen Starter-Generator 2 und Antriebsgenerator 3die Kupplung möglichst komfortabel erfolgt, so dass ein unnötiges Hochdrehen der Brennkraftmaschine 1 vermieden wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, einen Starter-Generator, ein Antriebsgetriebe, mindestens eine Batterie, ein Getriebesteuergerät, ein Starter-Generator-Steuergerät und ein Batterie-Management-Steuergerät, wobei die Verbrennungskraftmaschine und der Starter-Generator und der Starter-Generator und das Antriebsgetriebe jeweils über eine herstellbare oder lösbare mechanische Verbindung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass über das Batterie-Management-Steuergerät (5) der Ladezustand (SOC) der Batterie (4) ermittelbar ist, aus dem Ladezustand (SOC) Grenzwerte (I_max, U_min. I_min. U_max) der Belastung und/oder Beladung der Batterie 4 durch den Starter-Generator (2) ableitbar und an das Starter-Generator- Steuergerät (6) übertragbar sind, mittels des Starter-Generator-Steuergerätes (6) Grenzmomente (M_max, M_min) für den Motor- und Generatorbetrieb des Starter-Generators (2) ermittelbar und an das Getriebesteuergerät (7) übertragbar sind, das Getriebesteuergerät (7) ein gewünschtes Moment (M_Wunsch) und Grenzwerte (SOC_min) für den Ladezustand der Batterie (4) erfasst und ein Soll-Moment (M_soll) unter Berücksichtigung der Grenzmomente (M_max, M_min) des Starter-Generators (2) und der Grenzwerte (SOC_min) für den Ladezustand der Batterie (4) berechnet, das an das Starter-Generator-Steuergerät (6) übertragbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebesteuergerät (7) mit einem Motorsteuergerät (14) verbunden ist, über das dem Getriebesteuergerät (7) ein gewünschtes Moment (M_Wunsch) übermittelbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-Steuergerät (5) in einem Bordnetzsteuergerät (13) integriert ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Bordnetzverbrauchern (11, 12) Abschaltprioritäten zugeordnet sind und wenigstens die Bordnetzverbraucher mit der höchsten Abschaltpriorität bei Erfassung eines kritischen Ladezustandes der Batterie (4) durch das Batterie-Management-Steuergerät (5) oder das Bordnetzsteuergerät (13) abschaltbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über das Getriebesteuergerät (7) dem Batterie- Management-Steuergerät (5) ein bevorstehender Startversuch der Brennkraftmaschine (1) übermittelbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über das Batterie-Management-Steuergerät (5) der Grenzwert der Belastung (I_max) der Batterie (4) auf größer Null anhebbar ist.
7. Verfahren zum Bordnetzmanagement in einem Kraftfahrzeug, mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend folgende Verfahrensschritte:
a) Ermitteln des Ladezustandes (SOC) der Batterie (4) durch das Batterie- Management-Steuergerät (5) und der aktuellen Bordnetzbelastung (I_Netz),
b) Berechnen eines Grenzwertes (I_max, U_min. I_min. U_max) für die Belastung und/oder Beladung der Batterie (4) durch den Starter-Generator (2) über das Batterie-Management-System (5),
c) Übertragen der Grenzwerte (I_max, U_min. I_min. U_max) gemäß Verfahrensschritt b) an das Starter-Generator-Steuergerät (6),
d) Übertragen von Grenzwerten (SOC_min) des Ladezustandes der Batterie (4) vom Batterie-Management-Steuergerät (5) an das Getriebesteuergerät (7),
e) Berechnen von Grenzmomenten (M_max, M_min) für den Motor und/oder Generatorbetrieb des Starter-Generators (2) in Abhängigkeit von dem gemäß Verfahrensschritt c) übertragenen Grenzwerten durch das Starter- Generator-Steuergerät (6),
f) Übertragen der gemäß Verfahrensschritt e) ermittelten Grenzmomente (M_max, M_min) an das Getriebesteuergerät (7),
g) Erfassen eines gewünschten Moments (M_Wunsch) durch das Getriebesteuergerät (7),
h) Berechnen eines Soll-Moments (M_soll) durch das Getriebesteuergerät (7) unter Beachtung der übermittelten Grenzwerte gemäß der Verfahrensschritte d) und f),
i) Übertragen des Soll-Moments (M_soll) an das Starter-Generator- Steuergerät (6) und
j) Ansteuern des Starter-Generators (2) durch das Starter-Generator- Steuergerät (6) zur Umsetzung des Soll-Moments (M_soll).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gewünschte Moment (M_Wunsch) gemäß Verfahrensschritt g) durch ein Motorsteuergerät (14) übertragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-Steuergerät (5) bei zu geringen Grenzwerten für die Belastung einzelne elektrische Verbraucher (11, 12) abschaltet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebesteuergerät (7) dem Batterie-Management-Steuergerät (5) einen bevorstehenden Startversuch der Brennkraftmaschine (1) übermittelt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie- Management-Steuergerät (5) den Grenzwert (I_max, U_min) für die Belastung der Batterie (4) durch den Starter-Generator (2) auf größer Null anhebt.
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