DE102005034147B4

DE102005034147B4 - Energiemanagementverfahren

Info

Publication number: DE102005034147B4
Application number: DE102005034147.0A
Authority: DE
Inventors: John Czubay; John Proietty
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: GB0514399D0; DE102005034147A1; US20060028167A1; GB2416631A; GB2416631B; CN1741346A; CN1741346B; JP2006042596A

Abstract

Verfahren zum Managen von Energie für ein Fahrzeug (12) mit einer Batterie (26) und einem Elektromotor (16) mit folgenden Schritten:
Erzeugen elektrischer Energie durch Betrieb des Elektromotors (16);
Bestimmen einer Batterietemperatur, einer Batterieladegrenze und einer gesamten verfügbaren regenerativen Energie, und wobei
der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) nur für ein Heizen der Batterie zugeführt wird, wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur, andernfalls
der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) für ein gleichzeitiges Laden und Heizen der Batterie zugeführt wird, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und die Batterietemperatur höher ist als die untere Ladeeffizienztemperatur, andernfalls
der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) nur für ein Laden der Batterie zugeführt wird, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie kleiner ist als die Batterieladegrenze oder die Batterietemperatur höher ist als die obere Ladeeffizienztemperatur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Heizen einer Batterie in einem Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Managen von Energie für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einem Elektromotor.
Es ist bekannt, bei Fahrzeugen zwecks Speicherung elektrischer Energie in vielfältigen Anwendungsbereichen wiederaufladbare Batterien einzusetzen. Bei Fahrzeugen mit regenerativen Bremsen bewirkt eine Betätigung der Bremsen durch den Fahrzeugführer die Erzeugung von Energie, die in eine Batterie zur Wiederaufladung rückführbar ist, anstatt als Wärme verloren zu gehen. Wenn das Fahrzeug wieder zu beschleunigen beginnt, kann die Batterie als Stromquelle benutzt werden, um die Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen. Bekanntlich wird aber die Batterieleistung durch die interne und die umgebende Batterietemperatur beeinflusst. Insbesondere in kalten Klimazonen wird die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie mit abnehmender Temperatur zunehmend geringer. Dies hat zur Folge, dass das Fahrzeug in kalten Klimazonen infolge verminderter Rückgewinnung von Bremsenergie negativ beeinflusst wird. Zusätzlich ist in einer kalten Temperaturumgebung die Fähigkeit der Batterie zur Einspeisung von Energie in verschiedene Fahrzeugsysteme und/oder Komponenten negativ beeinflusst. Soweit es sich um elektrische Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge handelt, ist eine unzulängliche Batterieleistung von noch größerer Bedeutung, da die Batterie in solchen Fahrzeugen als primäre Energiequelle zur Erzeugung von Antriebskraft eingesetzt wird. In derartigen Einsatzfällen ist es zur Verbesserung der Batterieleistung in solchen Fahrzeugen erforderlich, die Batterietemperatur auf einen akzeptablen Arbeitstemperaturbereich anzuheben.
Dementsprechend sind konventionelle Systeme mit eingebauten Batterieheizern entwickelt worden, oder auch solche, die geeignet sind, der Batterie elektrischen Strom zuzuführen, um dadurch die Batterietemperatur zu erhöhen. Diese Systeme weisen jedoch einige Nachteile auf. So sind diese Systeme beispielsweise nicht in der Lage, Energie zum Laden der Batterie und Heizen der Batterie innerhalb des Systems angemessen aufzuteilen. Überdies wird bei konventionellen Systemen die durch den Einsatz regenerativer Bremssysteme erzeugte Energie nicht optimal innerhalb einer akzeptablen Zeit auf das Heizen und/oder Laden der Batterie aufgeteilt
Aus der US 5 055 656 A ist ein Batterielademanagementverfahren bekannt, das einen Ladevorgang insbesondere durch den Verbrennungsmotor bei einem Hybridfahrzeug zum Gegenstand hat. Bei einer niedrigen Batterietemperatur kann die Heizung der Batterie abgeschaltet bzw. die Abschaltung der Heizung vorgemerkt werden.
Aus der US 4 025 861 A ist ein Verfahren zum Laden einer Batteriezelle bekannt, bei dem ein konstanter Batterieladestrom auf das eigentliche Laden und auf ein Heizen der Batteriezelle aufgeteilt wird. Diese Aufteilung wird durch Messung des Spannungsabfalls über einen Shunt bestimmt, weshalb die Regelgrößen Ladezustand und Temperatur der Batteriezelle nicht unabhängig voneinander berücksichtigt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und andere Nachteile konventioneller Fahrzeugenergiemanagementsysteme zu beheben. Ein Gegenstand der Erfindung betrifft eine Verbesserung der Gesamt-Fahrzeugeffizienz, d.h. des Kraftstoffverbrauchs, dadurch, dass es ermöglicht wird, die Batterie in kälteren Klimazonen durch Nutzung der Bremsenergie, welche anderenfalls in Form von Wärme in den Reibungsbremsen vernichtet würde, für den Antriebszyklus früher einzusetzen. Weiterhin wird angestrebt, die gesamte Lebensdauer der Reibungsbremsen zu verbessern.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum effizienten Energiemanagement eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine Batterie und einen (Elektro-) Motor aufweist. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen elektrischer Energie durch Nutzung des Motors und ein Bestimmen der Batterieladegrenze, die eine Funktion des Batterieladezustands, der Batterietemperatur und der gesamten verfügbaren regenerativen Energie darstellt. Das Verfahren beinhaltet weiterhin ein Zuführen elektrischer Energie vom Motor zur Batterie zum gleichzeitigen Laden und Heizen der Batterie, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und die Batterietemperatur höher ist als eine untere Batterieeffizienztemperatur, aber niedriger als eine obere Batterieladetemperatur. Das Verfahren beinhaltet weiterhin ein Zuführen elektrischer Energie vom Motor zur Batterie zum Heizen der Batterie, wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Batterieeffizienztemperatur. Zusätzlich umfasst das Verfahren ein Zuführen elektrischer Energie von dem Motor zu der Batterie zwecks Batterieladung dann, wenn die Batterietemperatur höher ist als eine obere Batterieeffizienztemperatur.
Weiterhin ist ein Energiemanagementsystem vorgesehen, welches eine Batterie beinhaltet, die zur Aufnahme elektrischer Energie ausgebildet ist, sowie einen Motor, welcher geeignet ist, elektrische Energie zu erzeugen. Das Energiemanagementsystem beinhaltet weiterhin eine Energiemanagementvorrichtung, welche für ein Zusammenwirken mit der Batterie und dem Motor ausgebildet und für eine Bestimmung der Batterietemperatur und des Batterieladezustands konfiguriert ist. Die Energiemanagementvorrichtung ist außerdem konfiguriert zum Generieren von Signalen basierend auf der bestimmten Batterieladegrenze, welche eine Funktion des Batterieladezustands, der Batterietemperatur und der gesamten zum Bewirken eines gleichzeitigen Ladens und Heizens der Batterie verfügbaren regenerativen Energie darstellt. Die Energiemanagementvorrichtung generiert außerdem Signale für ein gleichzeitiges Laden und Heizen der Batterie, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und die Batterietemperatur höher ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur, aber auch niedriger ist als eine obere Ladeeffizienztemperatur. Das System beinhaltet weiterhin eine Energiemanagementvorrichtung, welche Signale zum Heizen der Batterie abgeben kann, wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur.
In Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, in welchen:

1 ein Fahrzeug mit einem regenerativen Bremssystem zeigt, das zum effizienten Aufteilen rückgewonnener Energie zum Laden und/oder Heizen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
2 ein Diagramm zeigt mit einer Darstellung der gesamten verfügbaren regenerativen Energie und der Batterieladegrenze über der Temperatur;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur effizienten Aufteilung der regenerativen Bremsenergie zum Laden und/oder Heizen einer Batterie zeigt, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist ein Fahrzeug 12 mit einem regenerativen Bremssystem dargestellt. Das Fahrzeug 12 weist eine Brennkraftmaschine14 auf, die mit einem Motor/Generator 16 gekoppelt ist. Wie ersichtlich ist der Motor 16 mechanisch mit Rädern 18 gekoppelt. Der Motor 16 ist dahingehend ausgebildet, Antriebskraft auf die Räder aufgeben zu können. Zusätzlich ist der Motor 16 dahingehend ausgebildet, während eines Bremsereignisses mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und diese elektrische Energie zur Speicherung in eine Batterie 26 einzuspeisen. Das Fahrzeug 12 weist weiterhin eine Energiemanagementvorrichtung 20 auf, die mit dem Motor 16 kommuniziert. Die Energiemanagementvorrichtung 20 ist überdies dahingehend ausgebildet, mit einer als Heizer 22 bezeichneten Heizvorrichtung, einem Temperatursensor 24 und einer Batterie 26 zu kommunizieren. Die Energiemanagementvorrichtung 20 kann eine Steuerung 20a mit Speicher- und Datenverarbeitungsfähigkeiten aufweisen. Die Energiemanagementvorrichtung 20 kann weiterhin eine Stromverteilervorrichtung 20b zum Aufteilen elektrischer von dem Motor 16 erzeugter Energie auf den Heizer 22 und/oder auf die Batterie 26 aufweisen. Die Stromverteilervorrichtung 20b kann eine Leistungstransistorkonfiguration aufweisen, um ein elektrisches Signal zu empfangen und das empfangene elektrische Signal in Übereinstimmung mit einem durch eine Steuerung 20a generierten Steuersignal umzuleiten. In einigen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 24 in die Energiemanagementvorrichtung 20 integriert sein.
Es ist ersichtlich, dass das Fahrzeug 12 als elektrisches Fahrzeug, als hybridelektrisches Fahrzeug oder als Brennstoffzellenfahrzeug mit regenerativer Bremsfunktionalität ausgebildet sein kann. Dementsprechend ist die Energiemanagementvorrichtung 20 dahingehend ausgebildet, elektrische Signale von dem Motor 16 und dem Temperatursensor 24 zur Bestimmung der Lade- und/oder Heizerfordernisse der Batterie 26 zu verarbeiten. Bei manchen Ausführungsformen kann die Batterie 26 als Blei-Säure-Typ-Batterie, als Nickel-Metallhydrid-Typ-Batterie oder als Lithium-Ionen-Typ-Batterie ausgebildet sein. Bei allen Ausführungsformen ist das Fahrzeug 12 infolge des Einsatzes der Energiemanagementvorrichtung 20, des Heizers 22 und des Temperatursensors 24 dahingehend konfiguriert, die Temperatur und die Batterieladegrenze der Batterie zu bestimmen. Dementsprechend ist die Energiemanagementvorrichtung 20 aufgrund der Bestimmung der Batterietemperatur, der Batterieladegrenze und der gesamten verfügbaren regenerativen Energie dazu in der Lage, die elektrische von dem Motor 16 erzeugte Energie auf die Batterie 26 zum Laden derselben und/oder auf den Heizer 22 zum Heizen der Batterie aufzuteilen.
2 zeigt ein Diagramm, in welchem die gesamte verfügbare regenerative Energie und die Batterieladegrenze gegenüber der Batterietemperatur dargestellt ist. Wie mittels der Klammern 30, 32 und 34 bezeichnet, kann die Arbeitstemperatur für die Batterie 26 in verschiedene Lade- und/oder Heizmodi aufgeteilt sein. Zusätzlich illustriert 2 die gesamte verfügbare regenerative Energie (Eregen) 38 von dem Motor 16 und eine Batterieladegrenze (Ebat_lim) 36. Die Batterieladegrenze 36 zeigt eine obere Grenze an, bis zu welcher die Batterie 26 (1) geladen werden kann. Bei einer Ausführungsform liegt die Batterieladegrenze bei etwa 400 Volt.
Ein Heizmodus ist mit einer Klammer 30 bezeichnet, in welchem Eregen 38 durch die Energiemanagementvorrichtung 20 zwecks Heizens der Batterie 26 zum Heizer 22 umgeleitet ist. Ein anteiliger Heiz- und Lademodus ist mit einer Klammer 32 bezeichnet, in welchem die Energiemanagementvorrichtung 20 die vom Motor 16 erzeugte elektrische Energie zum Heizer 22 zum Heizen der Batterie und zur Batterie 26 zum Laden umleitet. Entsprechend ist die elektrische Energie vom Motor 16 verteilt zum gleichzeitigen Laden und Heizen der Batterie. Ein Lademodus ist mit einer Klammer 34 bezeichnet, in welchem die Energiemanagementvorrichtung 20 die vom Motor 16 erzeugte elektrische Energie zum Laden zur Batterie 26 umleitet.
Wie aus 2 ersichtlich, sind die Modi 30, 32 und 34 durch vorbestimmte Schwellen aufgeteilt, nämlich durch eine untere Ladeeffizienztemperatur 39 und eine obere Ladeeffizienztemperatur 40. Die untere Ladeeffizienztemperatur 39 und die obere Ladeeffizienztemperatur 40 können in der Größe in Abhängigkeit von der speziellen Implementierung der Batterie 26 variieren. Gleichwohl ist die Energiemanagementvorrichtung 20 mit der unteren Ladeeffizienztemperatur 39 und der oberen Ladeeffizienztemperatur 40 in Übereinstimmung mit der speziellen Ausgestaltung der Batterie 26 programmiert. Die untere Ladeeffizienztemperatur 39 kann als die Minimumtemperatur bezeichnet werden, bei der ein gleichzeitiges Heizen und Laden der Batterie 26 erfolgen kann. Die obere Ladeeffizienztemperatur 40 kann als die Maximumtemperatur bezeichnet werden, bei der ein gleichzeitiges Heizen und Laden der Batterie 26 erfolgen kann. Wie nachfolgend näher erläutert, ist die Energiemanagementvorrichtung 20 dahingehend konfiguriert, Daten zu verarbeiten und Signale zu empfangen, um die von dem Motor 16 erzeugte elektrische Energie adäquat auf den Heizmodus 30, den Heiz- und Lademodus 32 und den Lademodus 34 aufzuteilen, wie in 2 dargestellt.
3 zeigt ein Flussdiagramm einer Verfahrensweise zur effizienten Aufteilung von vom Motor 16 erzeugter elektrischer Energie. Die Verfahrensweise beginnt bei Schritt 42. Ein Schritt 44 beinhaltet ein Bestimmen der Batterietemperatur, der gesamten verfügbaren regenerativen Energie und der Batterieladegrenze.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Energiemanagementvorrichtung 20 dahingehend konfiguriert, Signale von dem Temperatursensor 24, dem Motor 16 und der Batterie 26 zu empfangen und zur Bestimmung der Batterietemperatur, der gesamten verfügbaren regenerativen Energie und der Batterieladegrenze zu verarbeiten. Daher bestimmt das Verfahren in einem Schritt 46, ob die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur. Wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur, wird elektrische Energie zum Heizer 22 umgeleitet, welcher Wärme erzeugt, die der Batterie 26 zugeleitet wird, wie in Block 48 gezeigt. Falls die Batterietemperatur höher ist als die untere Ladeeffizienztemperatur folgt Schritt 50, in welchem das Verfahren bestimmt, ob die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und ob die Batterietemperatur niedriger ist als die obere Ladeeffizienztemperatur. Wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und die Batterietemperatur niedriger ist als die obere Ladeeffizienztemperatur, folgt Schritt 52, in welchem die Batterie gleichzeitig geladen und geheizt wird. Wenn entweder die gesamte verfügbare regenerative Energie kleiner ist als die Batterieladegrenze oder die Batterietemperatur höher ist als die obere Ladeeffizienztemperatur, folgt Schritt 54, in welchem die von dem Motor erzeugte elektrische Energie der Batterie zum Laden zugeleitet wird.
Da die regenerative Bremsenergie innerhalb einer optimalen Zeitdauer optimal auf das Heizen und/oder Laden des Batteriepacks aufgeteilt wird, wird auf diese Weise die Batterieleistung verbessert. Ebenso wird die gesamte Fahrzeugeffizienz maximiert, wenn die Energie, die anderenfalls in konventionellen Reibungsbremssystemen in Form von Wärme vernichtet werden würde, durch Nutzung des regenerativen Bremssystems zurückgewonnen und als Energiequelle für ein Laden und/oder Heizen der Batterie genutzt wird.

Claims

Verfahren zum Managen von Energie für ein Fahrzeug (12) mit einer Batterie (26) und einem Elektromotor (16) mit folgenden Schritten: Erzeugen elektrischer Energie durch Betrieb des Elektromotors (16); Bestimmen einer Batterietemperatur, einer Batterieladegrenze und einer gesamten verfügbaren regenerativen Energie, und wobei der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) nur für ein Heizen der Batterie zugeführt wird, wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine untere Ladeeffizienztemperatur, andernfalls der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) für ein gleichzeitiges Laden und Heizen der Batterie zugeführt wird, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie größer ist als die Batterieladegrenze und die Batterietemperatur höher ist als die untere Ladeeffizienztemperatur, andernfalls der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) nur für ein Laden der Batterie zugeführt wird, wenn die gesamte verfügbare regenerative Energie kleiner ist als die Batterieladegrenze oder die Batterietemperatur höher ist als die obere Ladeeffizienztemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner die Zufuhr elektrischer Energie des Elektromotors (16) an die Batterie (26) für ein gleichzeitiges Laden und Heizen der Batterie umfassend, wenn die Batterietemperatur niedriger ist als eine obere Ladeeffizienztemperatur.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Batterie (26) elektrische Energie des Elektromotors (16) für ein gleichzeitiges Laden und Heizen der Batterie dadurch zugeführt wird, dass sowohl ein Umleiten elektrischer Energie des Elektromotors (16) auf einen Heizer (22) erfolgt, welcher Wärme erzeugt, die der Batterie (26) zugeleitet wird, als auch elektrische Energie des Elektromotors (16) der Batterie (26) zu Ladungszwecken zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Bestimmung der Batterieladetemperatur, der Batterieladegrenze und der gesamten verfügbaren regenerativen Energie durch Einsatz einer Energiemanagementvorrichtung (20) und eines Temperatursensors (24) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Energiemanagementvorrichtung (20) eine Steuerung (20a) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Energiemanagementvorrichtung (20) eine Stromverteilvorrichtung (20b) aufweist.