DE102004023618B4

DE102004023618B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102004023618B4
Application number: DE102004023618.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Holz; Dr. Zillmer Michael; Dr. Pott Ekkehard; David Prochazka; Marc Hladun
Original assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Current assignee: Skoda Auto AS; Volkswagen AG
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: WO2005112223A3; DE102004023618A1; WO2005112223A2

Abstract

Vorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers, umfassend eine Brennkraftmaschine, mindestens eine Elektro-Maschine (4), einen ersten Energiespeicher (5), einen zweiten Energiespeicher (2) und ein Steuergerät (8), wobei der erste und zweite Energiespeicher (5, 2) über einen Schalter (6) parallel geschaltet sind, wobei die Ladeschlussspannung des ersten Energiespeichers (5) höher ist als die des zweiten Energiespeichers (2), wobei über die generatorisch betreibbare Elektro-Maschine (4) eine Ladespannung (UL) für den ersten und zweiten Energiespeicher (5, 2) erzeugbar ist, wobei mindestens der Ladezustand des zweiten Energiespeichers (2) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Ladezustandes des zweiten Energiespeichers eine Ladeleistung vom Steuergerät (8) ermittelbar ist und mindestens in Abhängigkeit der ermittelten Ladeleistung ein Generatormoment (MG) für die Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) vorgebbar ist, wobei die sich dabei einstellende Ladespannung (UL) der Elektro-Maschine (4) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers ist, wobei die Ladespannung (UL) und/oder der Ladestrom (IL) der Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) überwacht wird und das Generatormoment (MG) der Elektro-Maschine (4) derart nachgeregelt wird, dass die Ladespannung (UL) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fahrzeuge mit mindestens einer generatorisch und motorisch betreibbarer Elektro-Maschine, wie sie beispielsweise bei Hybridfahrzeugen verwendet werden, bieten die Möglichkeit, bei Beschleunigung durch zusätzlichen Energiefluss aus dem Energiespeicher in die Elektro-Maschine zusätzliche Antriebskraft zur Beschleunigung und zum Vortrieb des Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen. Weiterhin kann die im Energiespeicher eingespeicherte Energie zur Versorgung des Bordnetzes oder zur Unterstützung weiterer elektrischer Verbraucher herangezogen werden. Dies geht jedoch zu Lasten des Ladezustandes des Energiespeichers. Aufgrund der nur geringen Dynamik einer Batterie ist bereits vorgeschlagen worden, eine Parallelschaltung zweier Energiespeicher zu verwenden, nämlich einen Kondensator (erster Energiespeicher) und eine Batterie (zweiter Energiespeicher), die über einen Schalter verbunden sind. Dabei ist die Kapazität der Batterie wesentlich größer als die des Kondensators, wobei jedoch aufgrund des geringeren Innenwiderstandes der Kondensator insbesondere für schnelle dynamische Vorgänge bei Ein- und Ausspeichervorgängen geeignet ist. Um ausreichend Energie im Kondensator zu speichern, ist es weiter bekannt, den Kondensator mit einer höheren Nennspannung auszubilden als die Batterie. Da jedoch die Batterie empfindlich auf Überschreitungen der Ladeschlussspannung reagiert, muss bei einem Ansteigen der Kondensatorspannung über die Ladeschlussspannung der Batterie der Schalter geöffnet werden.
Die Aufladung der Energiespeicher erfolgt durch den generatorischen Betrieb der Elektro-Maschine, wobei der Antrieb entweder durch die Brennkraftmaschine oder durch Rekuperation erfolgt, also durch die Rückgewinnung der Bremsenergie. Ohne aktive Begrenzung der Ladespannung bei gegebener Ladeleistung im generatorischen Betrieb wird, wie bereits ausgeführt, die Ladeschlussspannung der Batterie schnell erreicht und der Kondensator und die Batterie müssen elektrisch durch Öffnen des Schalters getrennt werden. Die zusätzliche Energie wird dann im Kondensator aufgenommen, welcher weiter in seinem Spannungsniveau steigt.
Aufgrund der elektrochemischen Trägheit der Batterie und des in der Regel höheren Innenwiderstandes ist die in der kurzen parallelgeschalteten Phase aufgenommene Energie relativ gering. Dadurch ist auch nur ein geringer SOC-Zuwachs (state of charge) in der Batterie zu verzeichnen. Eine weitere Ladung der Batterie kann erst dann wieder erfolgen, wenn der Kondensator wieder auf das Spannungsniveau der Batterie entladen wurde und beide elektrisch kurzgeschlossen werden können. Die Entladung des Kondensators kann dabei beispielsweise durch motorischen Betrieb der Elektro-Maschine oder durch Versorgung des Bordnetzes erfolgen.
Alternativ kann der Energiefluss durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler zwischen Kondensator und Batterie erfolgen, welcher die im Kondensator gespeicherte Energie dann kontinuierlich an die Batterie abgibt. Allerdings ist ein entsprechend groß dimensionierter DC/DC-Wandler relativ teuer, wenn dieser entsprechend große Ladeströme für die Batterie zur Verfügung stellen muss.
Aus DE 198 47 392 A1 ist ein Bordnetz mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus bekannt, bei dem eine Asynchronmaschine an einen Wechselrichter mit Kondensator und Umschalter angeschlossen ist. Über dem Umschalter wird der Gleichstrom-Zwischenkreis, auf den die Asynchronmaschine arbeitet, entweder an die eine Batterie höheren Spannungsniveaus oder an die andere Batterie niedrigeren Spannungsniveaus angeschlossen.
Aus US 4 672 294 A ist ein Bordnetz mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus bekannt. Wobei eine mit einem Kondensator parrallel geschaltete Batterie von einer Elektro-Maschine derart geladen wird, dass zum Schutz vor Überladung der Batterie ein Generatormoment für die Elektro-Maschine durch ein Steuergerät vorgebbar ist.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers zu schaffen, mittels derer mit geringen Kosten eine schnelle Aufladung des zweiten, langsamen Energiespeichers erreicht wird.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu wird in Abhängigkeit des Ladezustandes des zweiten Energiespeichers eine Ladeleistung vom Steuergerät ermittelt und mindestens in Abhängigkeit der ermittelten Ladeleistung ein Generatormoment für die mindestens eine Elektro-Maschine durch das Steuergerät vorgegeben, wobei die sich dabei einstellende Ladespannung der ElektroMaschine kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers ist, wobei die Ladespannung und/oder der Ladestrom der Elektro-Maschine durch das Steuergerät überwacht wird und das Generatormoment der Elektro-Maschine derart nachgeregelt wird, dass die Ladespannung kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers bleibt. Dies ermöglicht eine sehr schnelle Ladung des zweiten Energiespeichers, wobei der schaltungstechnische Mehraufwand sich auf die Regelung der Ladespannung und/oder des Ladestroms beschränkt. Die Laderegelung setzt dabei mindestens in Abhängigkeit des SOC des zweiten Energiespeichers ein. Ein bevorzugter Wert ist dabei, wenn der SOC ≤ 85%, weiter bevorzugt ≤ 70% und besonders bevorzugt ≤ 60% ist. Die Regelung weist gegenüber einer Steuerung den Vorteil auf, dass diese relativ einfach ist, wohingegen eine direkte Berechnung vom Generatormoment in Abhängigkeit vom Ladestrom relativ aufwendig und schwierig ist, insbesondere wenn die Elektro-Maschine als 3-Phasen-Asynchronmaschine ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist der zweite Energiespeicher als Batterie ausgebildet.
Der erste Energiespeicher ist vorzugsweise als Kondensator und insbesondere als Doppelschicht-Kondensator ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Generatormoment derart eingestellt, dass die Ladespannung und/oder der Ladestrom um ein vorgebbares Delta unterhalb einer Ladeschlussspannung und/oder einem maximalen Ladestrom liegen. Hierdurch existiert eine gewisse Reglungs-Reserve, so dass die Vorrichtung ausreichend auf dynamische Änderungen reagieren kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Ladeleistung zusätzlich in Abhängigkeit der Batterietemperatur und/oder der Batteriealterung und/oder eines weiteren den Gütegrad der Batterie bestimmenden Parameters festgelegt. Diese sollen nachfolgend allgemein unter dem Begriff SOH (state of health) zusammengefasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das vorgegebene Generatormoment begrenzt. Hierdurch wird verhindert, dass aufgrund zu hoher Momentenanforderungen der Elektro-Maschine die Drehzahl der Brennkraftmaschine einbricht, da diese in ihrer Dynamik begrenzt ist. Ein Vorhalten einer Momentenreserve bei der Brennkraftmaschine würde hingegen zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Start-Stopp-Automatik während des Ladevorganges deaktiviert, um den Ladevorgang nicht unnötig zu verzögern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist parallel zum Schalter ein DC/DC-Wandler angeordnet. Dieser ist jedoch geringer dimensioniert und nicht für große Ladeströme ausgelegt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ladung einer Batterie und
2 einen Verlauf des Ladestromes über den SOC der Batterie.
In der 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Vorrichtung 1 zur Ladung einer Batterie 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 3 und eine Elektro-Maschine 4, die miteinander fest oder über eine Kupplung verbunden sind, wobei die Elektro-Maschine 4 über eine weitere Kupplung oder fest mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden ist. Die Elektro-Maschine 4 ist motorisch oder generatorisch betreibbar, wobei motorisch das Getriebe bzw. der Motor angetrieben wird und generatorisch die Elektro-Maschine vom Getriebe (Rekuperation) oder von der Brennkraftmaschine 3 angetrieben wird. Elektrisch ist die Elektro-Maschinen 4 mit einem Kondensator 5 verbunden, der wiederum parallel zur Batterie 2 geschaltet ist, wobei zwischen Kondensator 5 und Batterie 2 ein Schalter 6 und ein DC/DC-Wandler 7 angeordnet sind. Über den Schalter 6 können Kondensator 5 und Batterie 2 direkt verbunden werden oder elektrisch getrennt werden, wobei dann die Kopplung nur über den DC/DC-Wandler 7 erfolgt. Der Schalter 6 und der DC/DC-Wandler 7 werden von einem Steuergerät 8 angesteuert. Das Steuergerät 8 gibt der Elektro-Maschine 4 ein Generatormoment M_G vor, das dann von der Elektro-Maschine 4 umgesetzt wird. Des Weiteren überwacht das Steuergerät 8 den Ladestrom I_L und/oder die Ladespannung U_L und erhält die Größen SOC und SOH, bzw. berechnet diese aus zusätzlich gemessenen Größen.
Bei konstanter Ladespannung U_L sinkt der Ladestrom I_L mit steigendem SOC. Dieser Zusammenhang ist in 2 als I_SOLL dargestellt. Diese Kurven können für unterschiedliche Ladespannungen U_L vorab aufgenommen und im Steuergerät abgelegt werden. Nachfolgend soll davon ausgegangen werden, dass jeweils immer nur mit einer Ladespannung U_L geladen wird. In diesem Fall sind verschiedene I_SOLL-Verläufe bei einem Wert U_L für unterschiedliche SOH-Zustände und/oder Batterietemperaturen abgelegt.
Stellt nun das Steuergerät 8 fest, dass der SOC unter einem Grenzwert von beispielsweise 85% gefallen ist, so wird die Laderegelung aktiviert. Dabei sei nun angenommen, dass die Brennkraftmaschine 3 befeuert wird und die Elektro-Maschine 4 im Generatorbetrieb ist. Hierzu wird zunächst die optimale Ladeleistung in Abhängigkeit vom aktuellen SOC_SOLL ermittelt. Anhand der Kurve I_SOLL mit dem Parameter U_L über SOC ist die optimale Ladeleistung ermittelbar.
Nachfolgend soll nun der Regelvorgang bei einer Ladestromregelung erläutert werden. Hierbei wird zunächst mit einem Generatorstartmoment begonnen, welches entweder empirisch oder aus vorangegangenen Messungen ermittelt wurde. Der sich nun einstellende Ladestrom I_L wird erfasst und mit dem Sollstrom I_SOLL verglichen. Der sich einstellende Differenzstrom dient als direkte Regelgröße für das Generatormoment M_G, um eine optimale Batterieladung zu ermöglichen. Liegt der gemessene Ladestrom für die geforderte Ladeleistung zu hoch, wird das Generatormoment M_G erniedrigt. Liegt der gemessene Ladestrom für die geforderte Ladeleistung zu niedrig, wird das entsprechende Generatormoment angehoben. Bei der Regelung folgt der Ladestrom der Kurve, da aufgrund des steigenden SOC der maximale Ladestrom sinkt. Es wird also kontinuierlich auf einen anderen Stromwert geregelt. Aus verschiedenen Gründen wird jedoch vorzugsweise eine etwas reduzierte Ladestrom-Kurve I'_SOLL eingeregelt, die beispielsweise um ein ΔI unter der Ladestrom-Kurve I_SOLL liegt. Zum einen haben Ladeströme von I_L > I_SOLL zur Folge, dass die Ladespannung ansteigt, da die Batterie 2 den Strom nicht aufnehmen kann. Als Folge steigt die Kondensatorspannung über die Ladeschlussspannung der Batterie 2, was zu vermeiden ist. Zum anderen ergibt der reduzierte Ladestrom eine gewisse Reserve für Dynamikeinflüsse bzw. plötzlich eintretende Betriebsartenänderungen der Elektro-Maschine 4, beispielsweise um auf Rekuperation oder eine Beschleunigung durch den Fahrer reagieren zu können. Neben dem Einregeln auf die reduzierte Ladestrom-Kurve I'_SOLL kann auch eine stufenweise Regelung erfolgen. Hierzu wird beispielsweise ein sich einstellender Startstromwert konstant geregelt, bis dieser dem Sollladestrom entspricht. Dann wird der einzuregelnde Strom um ein Stromdelta reduziert und wieder konstant geregelt, bis der Stromwert aufgrund des steigenden SOC wieder dem Sollladestrom entspricht. Dann wird wieder der einzuregelnde Strom um ein Stromdelta reduziert und konstant gehalten. Der Vorteil ist die etwas einfachere Regelung, wobei die Ladeleistung nicht optimiert ist. Prinzipiell kann auch auf eine konstante Ladespannung U_L knapp unterhalb der Ladeschlussspannung der Batterie 2 geregelt werden.
Um insbesondere bei hohen Antriebsübersetzungen (1. Gang) einen Einfluss auf das Fahrverhalten zu vermeiden, wird das sich bei gegebener Ladeleistung einstellende Generatormoment im Steuergerät auf entsprechende Werte begrenzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass insbesondere nach Betriebsphasen mit starker Batteriebelastung der Batterieladezustand innerhalb vertretbarer Zeit in für die Dauerhaltbarkeit und Lebensdauer unkritische Bereiche angehoben wird.

Claims

Vorrichtung zur Ladung eines Energiespeichers, umfassend eine Brennkraftmaschine, mindestens eine Elektro-Maschine (4), einen ersten Energiespeicher (5), einen zweiten Energiespeicher (2) und ein Steuergerät (8), wobei der erste und zweite Energiespeicher (5, 2) über einen Schalter (6) parallel geschaltet sind, wobei die Ladeschlussspannung des ersten Energiespeichers (5) höher ist als die des zweiten Energiespeichers (2), wobei über die generatorisch betreibbare Elektro-Maschine (4) eine Ladespannung (U_L) für den ersten und zweiten Energiespeicher (5, 2) erzeugbar ist, wobei mindestens der Ladezustand des zweiten Energiespeichers (2) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Ladezustandes des zweiten Energiespeichers eine Ladeleistung vom Steuergerät (8) ermittelbar ist und mindestens in Abhängigkeit der ermittelten Ladeleistung ein Generatormoment (M_G) für die Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) vorgebbar ist, wobei die sich dabei einstellende Ladespannung (U_L) der Elektro-Maschine (4) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers ist, wobei die Ladespannung (U_L) und/oder der Ladestrom (I_L) der Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) überwacht wird und das Generatormoment (M_G) der Elektro-Maschine (4) derart nachgeregelt wird, dass die Ladespannung (U_L) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher als mindestens ein Kondensator (5) und/oder der zweite Energiespeicher als mindestens eine Batterie (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Ladefunktion bestimmende Ladezustand des zweiten Energiespeichers in Abhängigkeit von der Speichertemperatur und/oder eines sicher ergebenden SOH-Wertes vorgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormoment (M_G) derart eingestellt wird, dass die Ladespannung (U_L) und/oder der Ladestrom (I_L) um ein vorgebbares Delta unterhalb einer maximalen Ladespannung (U_L) und/oder eines maximalen Ladestromes (I_L) liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeleistung zusätzlich in Abhängigkeit der Batterietemperatur und/oder der Batteriealterung und/oder eines weiteren den Gütegrad der Batterie (2) bestimmenden Parameters festgelegt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgebbare Generatormoment (M_G) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Start-Stopp-Automatik und/oder weitere Funktionen mit erhöhtem Einfluss auf die Ladefunktion während des Ladevorganges deaktivierbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schalter ein DC/DC-Wandler (7) angeordnet ist.
Verfahren zur Ladung eines Energiespeichers mittels einer Brennkraftmaschine, mindestens einer Elektro-Maschine (4), einem ersten Energiespeicher (5), einem zweiten Energiespeicher (2) und einem Steuergerät (8), wobei der erste und zweite Energiespeicher (5, 2) über einen Schalter (6) parallel geschaltet sind, wobei die Ladeschlussspannung des ersten Energiespeichers (5) höher ist als die des zweiten Energiespeichers (2), wobei über die generatorisch betreibbare Elektro-Maschine (4) eine Ladespannung (U_L) für den ersten und zweiten Energiespeicher (5, 2) erzeugt wird, wobei mindestens der Ladezustand des zweiten Energiespeichers (2) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Ladezustandes des zweiten Energiespeichers eine Ladeleistung (I_L) vom Steuergerät (8) ermittelt wird und mindestens in Abhängigkeit der ermittelten Ladeleistung (I_L) ein Generatormoment (M_G) für die Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) vorgegeben wird, wobei die sich dabei einstellende Ladespannung (U_L) der Elektro-Maschine (4) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers ist, wobei die Ladespannung (U_L) und/oder der Ladestrom (I_L) der Elektro-Maschine (4) durch das Steuergerät (8) überwacht wird und das Generatormoment (M_G) der Elektro-Maschine (4) derart nachgeregelt wird, dass die Ladespannung (U_L) kleiner/gleich der Ladeschlussspannung des zweiten Energiespeichers bleibt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher als mindestens ein Kondensator (5) und/oder der zweite Energiespeicher als mindestens eine Batterie (2) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Ladefunktion bestimmende Ladezustand des zweiten Energiespeichers in Abhängigkeit von der Speichertemperatur und/oder eines sich ergebenden SOH-Wertes vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormoment (M_G) derart eingestellt wird, dass die Ladespannung (U_L) und/oder der Ladestrom (I_L) um ein vorgebbares Delta unterhalb einer maximalen Ladespannung (U_L) und/oder eines maximalen Ladestromes (I_L) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeleistung zusätzlich in Abhängigkeit der Batterietemperatur und/oder der Batteriealterung und/oder eines weiteren den Gütegrad der Batterie (2) bestimmenden Parameters festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Generatormoment (M_G) begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Start-Stopp-Automatik und/oder weitere Funktionen mit erhöhtem Einfluss auf den Ladezustand während des Ladevorganges deaktiviert werden.