DE102004023620B4

DE102004023620B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004023620B4
Application number: DE102004023620.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Zillmer Michael; Matthias Holz; Dr. Pott Ekkehard; David Prochazka
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: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: DE102004023620A1

Abstract

1) Verfahren zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybrid-Fahrzeug, mittels mindestens einer Elektro-Maschine, die über einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und mindestens einem Energiespeicher, der mit der Elektro-Maschine verbunden ist, wobei der Energiespeicher eine höhere Nennspannung als das Bordnetz aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (V_F) und/oder der Bordnetzstromaufnahme die Ausgangsspannung (U_A) des DC/DC-Wandlers (9) abregelbar ist, wobei der Ladezustand und/oder der Gütegrad des Energiespeichers (11) im Bordnetz (10) ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Ladezustandes und/oder des Gütegrades die Absenkung der Ausgangsspannung (U_A) des DC/DC-Wandlers (9) durchgeführt wird und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung ()U_A) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybrid-Fahrzeug.
Bei Hybridfahrzeugen werden zwei Antriebseinheiten miteinander kombiniert, die auf unterschiedliche Weise die Leistung für den Fahrzeugantrieb bereitstellen. Besonders gut ergänzen sich die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine, weshalb Hybridfahrzeuge heute überwiegend mit einer solchen Kombination ausgestattet werden. Gegenüber den seriellen Hybridkonzepten, bei denen der Antrieb grundsätzlich über die Elektro-Maschine erfolgt und der Verbrennungsmotor über einen Generator den elektrischen Strom für die Aufladung des Energiespeichers bzw. direkt für die Speisung der Elektro-Maschine erzeugt, werden heute parallele Hybridkonzepte bevorzugt, bei denen der Fahrzeugantrieb sowohl mit dem Verbrennungsmotor als auch mit der Elektro-Maschine realisiert werden kann.
Die Elektro-Maschine erfordert dabei meistens zur effizienten Darstellung der elektromotorischen Leistung die Anhebung der Spannungslage gegenüber dem heute bei Fahrzeugbordnetzen noch üblichen Wert von 12 V. Um eine Neuauslegung der gesamten elektrischen Anlage des Fahrzeuges zu vermeiden, wird bei ausgeführten Konzepten häufig die Bordnetzspannung beibehalten und nur die Elektro-Maschine mit ihrer Leistungselektronik und den zugeordneten Energiespeichern auf einem höheren Spannungsniveau betrieben.
Auf der Bordnetzseite kann dann eine Pufferbatterie eingesetzt werden, die dazu dient, hier kurzzeitige Leistungsspitzen zu überbrücken. Die Elektro-Maschine, die beispielsweise als Startergenerator oder Generator ausgebildet ist, bzw. der Energiespeicher sind über einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden. Aufgrund der Pufferbatterie kann dabei der DC/DC-Wandler hinsichtlich seiner elektrischen Leistung kleiner dimensioniert werden.
Bei Hybridfahrzeugen wird der Verbrennungsmotor in Stillstandsphasen über eine Start-Stopp-Funktion zur Verbrauchseinsparung typischerweise abgestellt. Dabei ist hier von Vorteil, dass Hybridfahrzeuge über im Vergleich zu einem konventionellen Anlasser deutlich leistungsstärkere Elektromotoren verfügen, was einen höheren Komfort insbesondere beim Motorstart ermöglicht.
Im Stopp-Betrieb muss das Bordnetz zur Aufrechterhaltung der Funktion der elektrischen Verbraucher weiter versorgt werden. Dies geschieht aufgrund der zusätzlichen Belastung durch Zyklisierung, vorzugsweise aus den Hybrid-Energiespeichern mit höherem Spannungsniveau bzw. höherem Energieinhalt, die vorzugsweise auch eine höhere Zyklenbelastbarkeit aufweisen. Dabei ist die Bordnetzstromaufnahme gegenüber dem normalen Fahrbetrieb etwas geringer, da z. B. einige Verbraucher aus der Motorsteuerung, wie die Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen oder die Ansteuerung der Zündspulen, entfallen.
Aus der JP H 10-322 806 A ist ein Verfahren zum Energiemanagement in einem Hybrid-Fahrzeug bekannt, mittels mindestens einer Elektromaschine, die über einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und mindestens einem Energiespeicher, der mit der Elektromaschine verbunden ist. Dabei wird die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers abgeregelt, wenn die Elektromaschine nicht generatorisch betrieben wird, insbesondere wenn die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybrid-Fahrzeug zu schaffen, mittels dessen der Energiefluss weiter verbessert wird.
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 wird in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der Bordnetzstromaufnahme die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers abgeregelt, wobei die Abregelung beispielsweise über ein zugeordnetes Steuergerät erfolgt.
Hiermit wird erreicht, dass der Verlust, der sich beim Ladevorgang durch den Spannungsabfall am Innenwiderstand des Energiespeichers ergibt, verringert wird. Durch die Maßnahme wird andererseits erreicht, dass auch die ohmschen Verbraucher des 12 V-Bordnetzes eine entsprechend geringere Stromaufnahme haben (bei nur geringen Leistungseinbußen z. B. des Fahrzeuggebläses). Dabei ist natürlich zu gewährleisten, dass die Funktion der eingeschalteten elektrischen Verbraucher erhalten bleibt.
Dabei wird der Ladezustand und/oder der Gütergrad (SOH) des Energiespeichers im Bordnetz ermittelt, wobei in Abhängigkeit des Ladezustandes und/oder des Gütegrades die Absenkung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers durchgeführt wird oder nicht und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung eingestellt wird. Die Bestimmung des aktuellen Ladezustandes (SOC) des Energiespeichers im Bordnetz ist beispielsweise bei bekannter Spannung am Ausgang des DC/DC-Wandlers mit einem Stromsensor in der Verbindung zum DC/DC-Wandler möglich, so dass aus dem gemessenen Ladestrom und der bekannten Stromaufnahme verschiedener Verbraucher durch Integration beider Ströme ein Energiedefizit des Energiespeichers ermittelt werden kann. Ergänzend können OCV-Messungen in unbelasteten Phasen für die Ladezustandsbestimmung herangezogen werden.
In einer Ausführungsform wird die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler um mindestens 0,3 V abgesenkt, vorzugsweise um mindestens 0,6 V, weiter vorzugsweise bis mindestens 0,9 V und besonders bevorzugt um 1,2 V.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach einer vorbestimmten Zeitdauer, einem vorbestimmten Stromintegral, einem vorbestimmten Energieeintrag bzw. Energieaustrag und/oder einem vorbestimmten DOD (Depth of Discharge) der Batterie im Bordnetz die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler wieder auf die tatsächlich erforderliche Ladeschlussspannung angehoben werden, um auf diese Weise zu gewährleisten, dass es nicht zu einer schleichenden Entladung kommt und die Batterie intermittierend immer wieder voll bzw. nahezu voll geladen wird.
Anstelle der Batterie kann auch eine alternative Bauform eines elektrischen Energiespeichers zur Anwendung kommen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einer Start-Stopp-Automatik wird die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers in den Stopp-Phasen (V = 0) abgeregelt und wird mit der oder im Anschluss an die Start-Phase wieder auf die ursprüngliche Ausgangsspannung hochgeregelt.
Die Bordnetzleistung wird mit diesem Verfahren also gerade in einem Zeitintervall, in dem die Hybrid-Energiespeicher aufgrund des ausgeschalteten Verbrennungsmotors (deaktivierter Generator/Elektro-Maschine) belastet werden, gezielt abgesenkt, wodurch sich die Zyklisierung der Hybrid-Energiespeicher (beispielsweise PbA-Batterie, NiMH-Batterie, Lithium-Ionen-Batterie, Kondensatorspeicher) verringert. Des Weiteren wird ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielt, da für die nachfolgende Aufladung der elektrischen Energiespeicher eine entsprechend geringere verbrennungsmotorische Leistung erforderlich ist bzw. ein geringerer Teil der beispielsweise durch Rekuperation gewonnenen elektrischen Energie eingesetzt werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Maßnahme zusätzlich an die vorliegende Bordnetzstromaufnahme gekoppelt und dabei die Freigabe der Spannungsabsenkung direkt daran gekoppelt und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung in Abhängigkeit vom Bordnetzstrom gewählt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Abregelung bei eingeschaltetem Fahrlicht, eingeschalteter Innenraumbeleuchtung und/oder geringen Außentemperaturen nicht durchgeführt, um zu verhindern, dass es durch die Ein-/Ausschaltung der Funktion und die resultierenden Spannungsänderungen zu einem störenden Helligkeitsunterschied des Außenlichts oder der Instrumentenbeleuchtung kommt. Hierzu kann auch ein Helligkeitssensor benutzt werden, so dass nur bei ausreichender Helligkeit die Funktion aktiviert wird. Die Berücksichtigung der Außentemperaturen verfolgt den Zweck, dass bei niedrigen Außentemperaturen häufig Heizelemente aktiv sind, die einerseits viel Strom benötigen und deren reduzierte Ansteuerung zu einem Komfortverlust führt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Energiesystems eines Hybrid-Fahrzeuges und
2 Verläufe der Bordnetzleistungsaufnahme, der Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler und der Fahrzeuggeschwindigkeit beim Ablauf einer Start-Stopp-Automatik.
In der 1 ist das Energiesystem 1 eines Hybrid-Fahrzeuges dargestellt. Das Energiesystem 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2, eine Elektro-Maschine 3 und ein Getriebe 4, wobei Elektro-Maschine 3 und Getriebe 4 über eine Kupplung 5 miteinander verbunden sind. Die Brennkraftmaschine 2 und die Elektro-Maschine 3 sind entweder fest oder über eine weitere Kupplung 6 miteinander verbunden. Die Elektro-Maschine 3 ist über eine Leistungs-Elektronik 7 mit mindestens einem Energiespeicher 8 verbunden. Des Weiteren ist die Elektro-Maschine 3 und der Energiespeicher 8 über die Leistungs-Elektronik 7 und einem DC/DC-Wandler 9 mit dem Bordnetz 10 verbunden, in dem ein weiterer Energiespeicher 11 angeordnet ist. Dabei liegt die Nennspannung des Energiespeichers 8 über der Nennspannung des Bordnetzes 10.
Mittels eines nicht dargestellten Steuergerätes kann eine Start-Stopp-Automatik-Funktion realisiert werden. Hierzu erfasst oder ermittelt das Steuergerät bestimmte Größen wie beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit V_F und die Motordrehzahl, um auf einen beabsichtigten Stopp (beispielsweise Halt an einer Verkehrszeichenanlage) zu schließen. Sind die Voraussetzungen für einen Motor-Stopp erfüllt, so wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet, um in dieser Phase Kraftstoff zu sparen, wobei die Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie über die Energiespeicher 8 und 11 erfolgt. In der 2 ist nun der Ablauf einer solchen Motorstopp-Motorstart-Funktion dargestellt, wobei jeweils die Leistungsaufnahme W_B des Bordnetzes, die Ausgangsspannung U_A am DC/DC-Wandler und die Fahrzeuggeschwindigkeit V_F dargestellt sind. Dabei ist gestrichelt der Verlauf a) gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Wie man erkennt, bleibt die Ausgangsspannung U_A am DC/DC-Wandler konstant, wohingegen die Leistungsaufnahme W_B des Bordnetzes niedriger ist. Der Grund hierfür ist, dass die Stromaufnahme des Bordnetzes sinkt, da bestimmte elektrische Verbraucher mit der Brennkraftmaschine abgeschaltet werden. Zum Zeitpunkt t₁ wird dann die Brennkraftmaschine wieder gestartet und die Leistungsaufnahme W_B steigt wieder auf den ursprünglichen Wert an. In dem Zeitraum t₀–t₁ erfolgt die Leistungsaufnahme primär aus dem Energiespeicher mit der höheren Nennspannung. Erfindungsgemäß wird nun in der Zeit des Motorstopps die Ausgangsspannung U_A des DC/DC-Wandlers um ein Spannungsdelta. U_A abgesenkt. Hierdurch wird auch die Leistungsaufnahme W_B des Bordnetzes reduziert, wobei die Leistungsreduzierung näherungsweise quadratisch zum Spannungsdelta U_A eingeht. Dies ist in Verlauf b) dargestellt. Die Spannungsabsenkung U_A wird dabei durch das Steuergerät am DC/DC-Wandler eingestellt.
Hierdurch wird erreicht, dass der Verlust, der sich beim Ladevorgang durch den Spannungsfall am Innenwiderstand des Energiespeichers im Bordnetz ergibt, verringert wird. Des Weiteren haben auch die ohmschen Verbraucher im Bordnetz eine entsprechend geringere Stromaufnahme. Die Bordnetzleistung wird also gerade in dem Zeitintervall gezielt abgesenkt, wo der Energiespeicher 8 nicht mehr geladen wird (ausgeschaltete Brennkraftmaschine und deaktivierte Elektro-Maschine), wodurch die Zyklisierung des Energiespeichers 8 verringert wird. Des Weiteren wird ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielt, da für die nachfolgende Aufladung der elektrischen Energiespeicher eine entsprechend geringere verbrennungsmotorische Leistung erforderlich ist.

Claims

1) Verfahren zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybrid-Fahrzeug, mittels mindestens einer Elektro-Maschine, die über einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und mindestens einem Energiespeicher, der mit der Elektro-Maschine verbunden ist, wobei der Energiespeicher eine höhere Nennspannung als das Bordnetz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (V_F) und/oder der Bordnetzstromaufnahme die Ausgangsspannung (U_A) des DC/DC-Wandlers (9) abregelbar ist, wobei der Ladezustand und/oder der Gütegrad des Energiespeichers (11) im Bordnetz (10) ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Ladezustandes und/oder des Gütegrades die Absenkung der Ausgangsspannung (U_A) des DC/DC-Wandlers (9) durchgeführt wird und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung ()U_A) eingestellt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_A) um mindestens 0,3 V zur Nennausgangsspannung abgeregelt wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitdauer, einem vorbestimmten Stromintegral, einem vorbestimmten Energieeintrag und/oder Energieaustrag und/oder einer vorbestimmten Entladetiefe (DOD) einer im Bordnetz (10) angeordneten Batterie die Ausgangsspannung (U_A) am DC/DC-Wandler (9) wieder auf die tatsächlich erforderliche Ladeschlussspannung der Batterie angehoben wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mittels einer Start-Stopp-Automatik, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stopp-Phasen die Ausgangsspannung (U_A) des DC/DC-Wandlers (9) abgeregelt wird und mit der oder im Anschluss an die Start-Phase wieder auf die ursprüngliche Ausgangsspannung hochgeregelt wird.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzstromaufnahme erfasst wird und in Abhängigkeit der Bordnetzstromaufnahme die Absenkung ()U_A) eingestellt wird.

Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abregelung bei eingeschaltetem Fahrlicht, eingeschalteter Innenraumbeleuchtung, Signalen eines Helligkeitssensors und/oder geringen Außentemperaturen nicht durchgeführt wird.

Vorrichtung zum Energiemanagement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Hybrid-Fahrzeug, umfassend mindestens eine Elektro-Maschine, die über einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und einem Energiespeicher, der mit der Elektro-Maschine verbunden ist, wobei der Energiespeicher eine höhere Nennspannung als das Bordnetz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (9) in seiner Ausgangsspannung (U_A) einstellbar ist, wobei in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (V_F) und/oder der Bordnetzstromaufnahme die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (9) abregelbar ist, wobei der Ladezustand und/oder der Gütegrad des Energiespeichers im Bordnetz erfassbar oder ermittelbar ist, wobei in Abhängigkeit des Ladezustandes und/oder des Gütegrades die Absenkung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers durchgeführt wird und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung ()U_A) eingestellt wird.

Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_A) um mindestens 0,3 V zur Nennspannung abregelbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer vorbestimmten Zeitdauer, einem vorbestimmten Stromintegral, einem vorbestimmten Energieeintrag und/oder Energieaustrag und/oder einer vorbestimmten Entladetiefe (DOD) einer im Bordnetz (10) angeordneten Batterie die Ausgangsspannung (U_A) am DC/DC-Wandler (9) wieder auf die tatsächliche erforderliche Ladeschlussspannung der Batterie anhebbar ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer Start-Stopp-Automatik ausgebildet ist, wobei in der Stopp-Phase die Ausgangsspannung (U_A) abgeregelt wird und mit der oder im Anschluss an die Start-Phase wieder auf die ursprüngliche Ausgangsspannung hochgeregelt wird.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzstromaufnahme erfassbar oder ermittelbar ist und in Abhängigkeit der Bordnetzstromaufnahme die Absenkung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers durchgeführt wird oder nicht und/oder die Höhe der Spannungsabsenkung ()U_A) eingestellt wird.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abregelung bei eingeschaltetem Fahrlicht, eingeschalteter Innenraumbeleuchtung, Signalen eines Helligkeitssensors und/oder geringen Außentemperaturen deaktivierbar ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro-Maschine (3) als Startergenerator oder Generator ausgebildet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bordnetz (10) ein weiterer Energiespeicher (11) angeordnet ist.