DE102005041154A1 - Verfahren und Anordnung zum Einstz bei einem Fahrzeug mit elektrischer Speichervorrichtung - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Einstz bei einem Fahrzeug mit elektrischer Speichervorrichtung Download PDF

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Jack Northville Xu
Jing Novi Song
Tony Northville Phillips
Michael Toledo Tamor
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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anordnung zum Einsatz bei einem Fahrzeug (10) mit einem elektrischen Antriebsstrang (16) und einer elektrischen Speichervorrichtung (14) beschrieben. Die elektrische Speichervorrichtung (14) weist einen Kondensator (28), einen Gleichstromumrichter (32) und eine Batterie (30) auf. Die elektrische Speichervorrichtung (14) wird so gesteuert, dass der Einsatz des Kondensators (28) gegenüber dem Einsatz der Batterie (30) maximiert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge mit hybrid-elektrischem Antriebsstrang (powertrain hybrid electric vehicles) sowie Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang (powertrain electric vehicles), die über eine elektrische Speichervorrichtung (electric storage system = ESS) verfügen.
  • In einem hybrid-elektrischen Fahrzeugantriebsstrang mit einer elektrischen Speichervorrichtung kann elektrische Energie zwischen dem Antriebsstrang und der elektrischen Speichervorrichtung fließen. In manchen Fällen fließt die Energie zu der elektrischen Speichervorrichtung, um dort gespeichert zu werden. In anderen Fällen fließt die Energie zum Antriebsstrang, um dort verbraucht zu werden.
  • Aus der US 53 18 142 A ist eine Anordnung für eine elektrische Speichervorrichtung bekannt, bei der eine Batterie und ein Superkondensator durch getrennte Energieumwandlungs- und Steuervorrichtungen an einen Bus angeschlossen sind. Solche separaten Umwandlungs- und Steuervorrichtungen erhöhen die Kosten und die Steuerkomplexität des Systems. Es wäre wünschenswert, auf eine oder beide dieser Vorrichtungen verzichten zu können.
  • Ein weiterer Nachteil dieser bekannten elektrischen Speichervorrichtung besteht darin, dass der Kondensator nicht zur maximalen Nutzung kommt. Eine maximale Kondensatornutzung ist deshalb wünschenswert, weil Kondensatoren gegenüber Batterien Leistungsvorteile aufweisen. Insbesondere lassen sich Kondensatoren im Vergleich zu Batterien in kürzerer Zeit und in effizienterer Weise aufladen und wieder entladen. Überdies erhöht sich die Lebensdauer einer Batterie, wenn sie weniger oft aufgeladen und entladen wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das über einen hybrid-elektrischen oder einen elektrischen Antriebsstrang und über ein elektrisches Speichersystem verfügt. Der Antriebsstrang weist Strukturen und Merkmale auf, die es dem Fahrzeug ermöglichen, elektrische Energie für den Antrieb zu nutzen. Typischerweise weist der Antriebsstrang eine Einheit zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine elektrische Antriebseinheit auf.
  • Der Antriebsstrang kann Energie von der elektrischen Speichervorrichtung beziehen und diese Energie in mechanische Energie für den Fahrzeugantrieb umwandeln. Darüber hinaus kann der Antriebsstrang unter Einsatz einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors elektrische Energie erzeugen, um einen Generator anzutreiben. Energie kann auch durch regeneratives Bremsen erzeugt werden. Die Energie wird der elektrischen Speichervorrichtung zur Verfügung gestellt, um dort gespeichert zu werden.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Batterie, ein Kondensator und ein Gleichstromumrichter vorgesehen. Der Gleichstromumrichter ist über ein Fahrzeugssystemsteuergerät steuerbar, um den Energiefluss zwischen dem Antriebsstrang und der elektrischen Speichervorrichtung zu steuern. Auf diese Weise werden der Antriebsstrang und der Gleichstromumrichter so gesteuert, dass der Einsatz des Kondensators gegenüber dem Einsatz der Batterie maximiert wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz des Kondensators maximiert, indem der Energiefluss zu der und von der Batterie gesteuert wird. Der Einsatz des Kondensators kann durch eine Steuerung des Gleichstromumrichters maximiert werden, um dafür zu sorgen, dass sich die Batterie erst dann entlädt, nachdem der Kondensator bis auf eine niedrige Entladeschwelle entladen wurde. Zusätzlich kann der Einsatz des Kondensators maximiert werden, indem der Gleichstromumrichter so gesteuert wird, dass dieser ein Aufladen der Batterie solange verhindert, bis der Kondensator bis auf eine hohe Ladeschwelle aufgeladen worden ist.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Berechnung einer Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung, um den Ladezustand (state of charge = SOC) der elektrischen Speichervorrichtung aufrechtzuerhalten, der sich aufgrund des Ladens und Entladens der elektrischen Speichervorrichtung während des Fahrzeugbetriebs ändern kann. Die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung kann von dem Fahrzeugsystemsteuergerät dazu eingesetzt werden, den elektrischen Antriebsstrang und den Gleichstromumrichter zu steuern. Der elektrische Antriebsstrang kann so gesteuert werden, dass er der elektrischen Speichervorrichtung Energie zur Verfügung stellt, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung positiv ist, und Leistung von der elektrischen Speichervorrichtung aufnimmt, wenn die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung negativ ist. Gleichzeitig kann das Steuergerät den Gleichstromumrichter steuern, um den Einsatz des Kondensators während des Ladens und/oder Entladens der elektrischen Speichervorrichtung zu maximieren. Die Leistungsanforderung kann sowohl auf dem Kondensatorladezustand als auch auf dem Batterieladezustand basieren.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Einsatz des Kondensators in der elektrischen Speichervorrichtung dahingehend, einen durch rasche Lastwechsel gekennzeichneten Zustand des Fahrzeugbetriebs auszugleichen, bei dem es eine ständig wechselnde Leistungsanforderung des Motors erschwert ist, die von einer elektrischen Generatoreinheit zur Verfügung gestellte Leistung schnell gegenüber der von einem Motor angeforderten Leistung auszugleichen. Insbesondere wird vor dem Aufladen und Entladen der Batterie der Kondensator aufgeladen und entladen, um den Einsatz des Kondensators zu maximieren. Dies erhöht die Lebensdauer der Batterie und ermöglicht die Verwendung einer kleineren Batterie.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Speichervorrichtung für elektrische Energie vorgesehen ist, die mit einer geringen Anzahl an Steuergeräten auskommt.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass der Einsatz des Kondensators maximiert wird und die bessere Haltbarkeit und die im Vergleich zur Batterie überlegenen Lade- und Entladeeigenschaften des Kondensators ausgenutzt werden.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang und einer elektrischen Speichervorrichtung;
  • 2 eine beispielhafte Anordnung des Antriebsstrangs und der elektrischen Speichervorrichtung;
  • 3 ein Diagramm zur Bestimmung einer Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Steuerung eines Gleichstromumrichters der elektrischen Speichervorrichtung.
  • 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das mit einer elektrischen Speichervorrichtung 14 ausgestattet ist, welche über einen Bus 18 elektrische Daten mit einem Antriebsstrang 16 austauscht. Die elektrische Speichervorrichtung 14 kann für einen Betrieb in verschiedenen Antriebsstranganordnungen ausgebildet sein, darunter für einen Betrieb in Fahrzeugen mit einem ausschließlich elektrischen Antriebsstrang 16, in Fahrzeugen mit einer seriellen hybriden Antriebsstranganordnung (series hybrid vehicle = SHEV), in Fahrzeugen mit einer parallelen hybriden Antriebsstranganordnung (parallel hybrid vehicle = PHEV), in Fahrzeugen mit einer gemischten oder parallel-seriellen hybriden Antriebsstranganordnung (parallel series hybrid vehicle = PSHEV) oder für einen Betrieb in Brennstoffzellenfahrzeugen (fuel cell hybrid vehicle = FCHEV). Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnungen begrenzt.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Antriebsstrang 16 eine Generatoreinheit 20 zur Erzeugung elektrischer Energie und einen Traktionsmotor 24 und die elektrische Speichervorrichtung 14 einen Kondensator 28, eine Batterie 30 und einen Gleichstromumrichter 32 aufweisen. Für einen Antrieb der Räder 34 wird dem Traktionsmotor 24 elektrische Energie von der Generatoreinheit 20 und/oder der elektrischen Speichervorrichtung 14 zugeleitet.
  • Die elektrische Generatoreinheit 20 erzeugt beispielsweise mittels einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors/Generators elektrische Energie. Ein Teil der elektrischen Energie oder die gesamte elektrische Energie wird dem Traktionsmotor 24 und/oder über den elektrischen Bus 18 der elektrischen Speichervorrichtung 14 zugeführt. In entsprechender Weise fließt die elektrische Energie, die von der elektrischen Speichervorrichtung 14 gespeichert wurde, ganz oder teilweise über den Bus 18 zum Antriebsstrang 16. Somit kann elektrische Energie zwischen dem Antriebsstrang 16 und der elektrischen Speichervorrichtung 14 fließen.
  • Ein Fahrzeugsystemsteuergerät (vehicle system controller = VSC) 40 steuert den Betrieb des Antriebsstrangs 16 und der elektrischen Speichervorrichtung 14. Kommunikationsbusse 42 und 44 führen vom Fahrzeugsystemsteuergerät 40 zu der elektrischen Speichervorrichtung 14 und zum Antriebsstrang 16, und es werden Steuersignale zwischen diesen Elementen übertragen. Auf diese Weise kann, wie weiter unten beschrieben, das Steuergerät 40 bestimmen, ob der Antriebsstrang 16 Energie vom Bus 18 aufnehmen bzw. an diesen abgeben und ob die Batterie 30 Energie vom Bus 18 aufnehmen bzw. an diesen abgeben soll.
  • Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Generatoreinheit 20 so gesteuert, dass P*gen= P*ess + P*mot ist, wobei P*gen die Leistungsanforderung der elektrischen Generatoreinheit 20 ist, P*ess die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung 14 und P*mot die Leistungsanforderung des Traktionsmotors 24. Die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung 14 ist weiterhin definiert als P*ess= P*cap + P*cap, wobei P*cap die Leistungsanforderung des Kondensators 28 und P*bat die Leistungsanforderung der Batterie 30 ist.
  • Im Allgemeinen berechnet das Steuergerät 40 bei der Lastanpassungsstrategie für die Energie- und Drehzahlsteuerung die Motorleistungsanforderung (P*mot) basierend auf der Drehzahlanforderung des Fahrers – wobei auch andere Fahrzeugbetriebsparameter einbezogen werden können. Zur Erfüllung der Motorleistungsanforderung (P*mot) steuert das Steuergerät 40 die Leistungsabgabe der elektrischen Generatoreinheit 20 (Pgen).
  • Ein durch häufige Lastwechsel gekennzeichneter Fahrzeugbetrieb und insbesondere ständig wechselnde Leistungsanforderungen (P*mot) des Motors erschweren einen raschen Ausgleich zwischen der von der elektrischen Generatoreinheit 20 abgegebenen Energie und der von dem Motor aufgenommenen Energie (Pmot). Ein Ungleichgewicht tritt ein, wenn die Leistungsabgabe der Generatoreinheit 20 entweder größer oder kleiner ist als der Energieverbrauch des Motors. Indem die elektrische Speichervorrichtung 14 dann Energie zur Verfügung stellt, wenn Pgen kleiner ist als Pmot, und Energie aufnimmt, wenn Pgen größer ist als Pmot, wirkt die elektrische Speichervorrichtung 14 als Puffer zum Ausgleich des Energieungleichgewichts.
  • Weitere Energieungleichgewichte können während des Hochfahrens der Generatoreinheit 20 und während eines regenerativen Bremsens des Motors 24 auftreten. Bei dem Hochfahren fordert der Fahrer ggf. eine Leistung zum Fahren des Fahrzeugs an, die von der Generatoreinheit 20 nicht unmittelbar zur Verfügung gestellt werden kann. Einen solchen Mangel an unmittelbar zur Verfügung stehender Energie kann die elektrische Speichervorrichtung 14 ausgleichen, indem sie Entladestrom an den Traktionsmotor 24 abgibt. Das regenerative Bremsen stellt einen Zustand dar, in dem der Motor 24, statt Energie zu verbrauchen, Energie produziert. Die produzierte Energie kann von den Fahrzeugnebenaggregaten (nicht dargestellt) verbraucht und gemäß der vorliegenden Erfindung von der elektrischen Speichervorrichtung 14 aufgenommen werden, wenn die elektrische Speichervorrichtung 14 nicht vollständig aufgeladen ist.
  • Der Kondensator 28, der über den Bus 18 direkt mit der elektrischen Generatoreinheit 20 und dem Motor 24 verbunden ist, dient in erster Linie als Energiepuffer, indem er kurzzeitige Lade- und Entladespitzen zwischen der Generatoreinheit 20 und dem Motor 24 ausgleicht. Die Batterie 30 ist über den Gleichstromumrichter 32 an den Bus 18 angeschlossen. Sie dient als Energiepuffer, in den entweder Überschussenergie von der Generatoreinheit 20, dem Motor 24 und dem Kondensator 28 abgegeben wird, wenn der Ladezustand des Kondensators 28 hoch ist, oder wenn die Leistung des Kondensators 28 nicht ausreicht, um die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) zu erfüllen, oder um Energie zurück an die Generatoreinheit 20, den Motor 24 und/oder den Kondensator 28 zu liefern, wenn der Ladezustand des Kondensators 28 niedrig ist oder die Leistung des Kondensators 28 nicht ausreicht, um die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) zu erfüllen.
  • Die Fähigkeit der elektrischen Speichervorrichtung 14, Energie aufzunehmen oder abzugeben, wird auf der Basis ihrer Leistungsanforderung (P*ess) bestimmt. Die Leistungsanforderungswerte der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) können positiv oder negativ sein. Positive Leistungsanforderungswerte zeigen an, dass bei der elektrischen Speichervorrichtung 14 ein Bedarf für die Aufnahme von Energie besteht. Negative Leistungsanforderungswerte zeigen an, dass bei der elektrischen Speichervorrichtung 14 ein Bedarf für das Entladen von elektrischer Energie besteht. Der jeweilige Leistungsanforderungsbedarf der elektrischen Speichervorrichtung 14 ist in der Fahrzeugsteuerungsgleichung enthalten: P*gen= P*ess + P*mot.
  • Zur Steuerung der elektrischen Generatoreinheit 20 und des Motors 24 übermittelt das Steuergerät 40 Steuersignale über den Signalübertragungsweg 42. Zur Steuerung des Gleichstromumrichters 32 übermittelt das Steuergerät 40 Steuersignale über einen Signalübertragungsweg 44. Zur Überwachung des Betriebs der elektrischen Generatoreinheit 20, des Motors 24, des Kondensators 28, der Batterie 30 und des Gleichstromumrichters 32 werden zusätzliche Signale über die Signalübertragungswege 42 und 44 übertragen.
  • Der Kondensator 28 ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel als typischer Hochspannungskondensator ausgebildet, wie er in Elektrofahrzeugen üblicherweise eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit geringer Energiedichte, hoher Leistungsdichte und hoher Haltbarkeit, die ein rasches Laden und Entladen ermöglicht. Die Batterie 30 ist als typische Hochspannungsbatterie ausgebildet, wie sie in Elektrofahrzeugen üblicherweise eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit hoher Energiedichte, geringer Leistungsdichte und niedriger Dauerfestigkeit, die ein langsames Laden und Entladen ermöglicht.
  • Die Erfindung macht sich diese Eigenschaften zunutze, indem das Laden und Entladen des Kondensators 28 maximiert wird, so dass die Reaktionszeit der elektrischen Speichervorrichtung 14 kurz ist. Gleichzeitig kann durch die vermehrte Einbeziehung des Kondensators 28 das Laden und Entladen der Batterie 30 begrenzt werden, so dass eine kleinere Batterie verwendet werden und damit eine Kostensenkung erzielt werden kann; überdies erhöht sich die Nutzungsdauer der Batterie.
  • Der Graph 54 in 3 veranschaulicht, wie die Fähigkeit der elektrischen Speichervorrichtung 14, Energie aufzunehmen oder abzugeben, zu überwachen ist. Der Einsatz des Graphs 54 stellt ein Mittel dar, um, basierend auf dem jeweiligen Ladezustandswert des Kondensators 28 (SOCcap) und der Batterie 30 (SOCbat) – so wie diese Werte von dem Steuergerät 40 errechnet wurden – den Leistungsanforderungswert der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) zu ermitteln. Der Graph 58 zeigt die Leistungsanforderungskurve 60 des Kondensators, und der Graph 64 zeigt die Leistungsanforderungskurve 66 der Batterie.
  • Der Kondensator 28 wird vorzugsweise in einem neutralen Ladebereich gehalten, der definiert ist durch SOCcap_lb (untere Grenze) und SOCcap_up (obere Grenze). Weicht der Kondensatorladezustand von diesem Bereich ab, so folgt daraus, dass der Kondensator 28 aufzuladen oder zu entladen ist. Liegt der Kondensatorladezustand innerhalb dieses Bereichs, so wirkt der Kondensator 28, wie oben beschrieben, als Energiepuffer, in der Weise, dass er Energie aufnimmt oder abgibt, um ein Ungleichgewicht bei der Energieabgabe durch die Generatoreinheit 20 und beim Energieverbrauch und der Energieerzeugung durch den Motor 24 auszugleichen.
  • Über das Steuergerät 40 wird bestimmt, ob der Kondensator 28 zu entladen ist, und – wenn der Ladezustand des Kondensators 28 größer ist als SOCcap_ub–ein entsprechender negativer Wert für P*cap berechnet. Über das Steuergerät 40 wird weiterhin bestimmt, ob der Kondensator 28 aufzuladen ist, und – wenn der Ladezustand des Kondensators 28 kleiner ist als SOCcap_lb – ein entsprechender positiver Wert für P*cap berechnet. P*cap ist null, wenn SOCcap sich innerhalb des neutralen Ladebereichs befindet, was anzeigt, dass der Kondensator 28 weder aufzuladen noch zu entladen ist. Der Kondensator 28 kann dann als Energiepuffer eingesetzt werden.
  • Die der Lade- und Entladerate des Kondensators 28 entsprechenden Leistungsanforderungswerte sind variabel. Die Leistungsanforderungskurve 60 steigt allmählich im negativen Bereich von Null bei SOCcap_ub bis auf einen maximalen negativen Wert Pcap_min bei maximalem Kondensatorladezustand (SOCcap_max). Die Leistungsanforderungskurve 60 steigt allmählich im positiven Bereich von Null bei SOCcap_lb bis auf einen maximalen positiven Wert Pcap_max bei minimalem Kondensatorladezustand (SOCcap_min).
  • P*bat wird auf ähnliche Weise bestimmt wie P*cap. Die Batterie 30 wird vorzugsweise in einem neutralen Ladebereich gehalten, der definiert ist durch SOCbat_lb (untere Grenze) und SOCbat_up (obere Grenze). Weicht der Batterieladezustand von diesem Bereich ab, so folgt daraus, dass die Batterie 30 aufzuladen oder zu entladen ist. Liegt der Batterieladezustand innerhalb dieses Bereichs, so ist die Batterie 30 ausreichend aufgeladen und kann, wie vorstehend beschrieben, als zusätzlicher Energiepuffer wirken. Um das Aufladen und Entladen der Batterie 30 zu begrenzen, wird die Batterie 30 vorzugsweise nur dann als Energiepuffer einge setzt, wenn Bedingungen vorliegen, unter denen der Einsatz des Kondensators 28 nicht ausreicht, um Energie zu puffern.
  • Weiterhin wird über das Steuergerät 40 bestimmt, ob die Batterie 30 zu entladen ist, und dann, wenn der Ladezustand der Batterie 30 größer ist als SOCbat_ub, ein entsprechender negativer Wert für P*bat. berechnet. Das Steuergerät 40 bestimmt zudem, ob die Batterie 30 aufzuladen ist, und berechnet, wenn der Ladezustand der Batterie 30 kleiner ist als SOCbat_lb, einen entsprechenden positiven Wert für P*bat Liegt SOCbat innerhalb des neutralen Ladebereichs, SO Ist P*bat null, um anzuzeigen, dass die Batterie weder zu entladen noch aufzuladen ist und um anzuzeigen, dass die Batterie 30 als Energiepuffer dienen kann.
  • Die der Lade- und Entladerate der Batterie 30 entsprechenden Leistungsanforderungswerte sind variabel. Die Leistungsanforderungskurve 66 steigt allmählich im negativen Bereich von Null bei SOCbat_ ub bis auf einen maximalen negativen Wert Pbat_ min bei maximalem Batterieladezustand (SOCbat_max). Die Leistungsanforderungskurve steigt allmählich im positiven Bereich von Null bei SOCbat_lb bis auf einen maximalen positiven Wert Pbat_max bei minimalem Batterieladezustand (SOCbat_min)
  • Wie in Kästchen 68 gezeigt, verändert das Steuergerät 40 vorzugsweise den P*bat-Wert basierend auf der Effizienz des Gleichstromumrichters 32. Dies erfolgt, um Energieverluste auszugleichen, die entstehen, wenn der Gleichstromumrichter 32 Energie an die Batterie 30 abgibt oder Energie von der Batterie 30 aufnimmt. Zur Verdeutlichung sei darauf hingewiesen, dass auch der modifizierte P*bat-Wert als P*bat bezeichnet wird.
  • Die Graphen 58 und 64 sind lediglich als beispielhafte Mittel zur Bestimmung von P*cap und P*bat, ausgehend von den jeweiligen Ladezustandswerten, anzusehen und schränken den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht ein. Zur Bestimmung von P*cap und P*bat könnten auch Algorithmen, Fuzzylogik, neurale Netze od. dgl. verwendet werden.
  • Der Wert für P*cap und der modifizierte Wert für P*bat werden an den Summierer 74 ausgegeben. Der Ausgangswert des Summierers 74 entspricht der Gesamtleistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess = P*cap + P*bat).
  • 3 zeigt eine Möglichkeit, um, ausgehend vom Ladezustand der Batterie 30 und des Kondensators 28, den Leistungsanforderungswert der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) zu bestimmen. P*ess kann auch basierend auf den Betriebszuständen der elektrischen Generatoreinheit 20 und des Motors 24 bestimmt werden.
  • Die elektrische Generatoreinheit 20 liefert ggf. nicht genügend Energie, um die Motorleistungsanforderung (P*mot) zu erfüllen, so dass das Steuergerät 40 ggf. einen negativen P*ess-Wert zuordnet und dadurch die elektrische Speichervorrichtung 14 so steuert, dass diese durch Entladung Energie an den Motor abgibt, um den Energiemangel auszugleichen, der dadurch entsteht, dass die elektrische Generatoreinheit 20 nicht genügend Leistung zur Verfügung stellt. Der zugeordnete negative Wert ist vorzugsweise begrenzt, so dass die Batterie 30 und der Kondensator 28 nicht soweit entladen werden, dass ihre jeweiligen unteren Ladezustandsgrenzwerte (SOCcap_min und SOCbat_min) unterschritten werden.
  • Auch kann der Traktionsmotor 24 während eines regenerativen Bremsereignisses elektrische Energie erzeugen, so dass das Steuergerät 40 dann ggf. der elektrischen Speichervorrichtung (P*ess) einen positiven Anforderungswert zuweist und dadurch die elektrische Speichervorrichtung 14 so gesteuert wird, dass diese zumindest einen Teil der Energie aufnimmt, die durch das regenerative Bremsen des Traktionsmotors 24 erzeugt wird. Der zugewiesene positive Wert ist vorzugsweise begrenzt, so dass die Batterie 30 und der Kondensator 28 nicht soweit aufgeladen werden, dass ihre jeweiligen oberen Ladezustandsgrenzwerte (SOCcap_max und SOCbat_max) überschritten werden.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm 80 zur Steuerung des Gleichstromumrichters 32 gemäß dem Energiefluss von der und zu der elektrischen Speichervorrichtung (Pess). Die Steuerung der elektrischen Speichervorrichtung beinhaltet, dass we nigstens einer der folgenden Vorgänge durchgeführt wird: Steuerung der elektrischen Generatoreinheit 20 und des Motors 24 zur Erzeugung von Energie, und Steuerung des Motors 24 zum Verbrauch von Energie und Steuerung des Gleichstromumrichters 32 mittels des Gleichstromumrichtersteuersignals (P*dcdc), um das Aufladen und Entladen der Batterie 30 zu ermöglichen. Die Steuerung der elektrischen Speichervorrichtung 14 maximiert einen Einsatz des Kondensators 28 gegenüber einem Einsatz der Batterie 30, um die besseren Leistungsmerkmale des Kondensators 28 gegenüber denjenigen der Batterie 30 auszunutzen.
  • In Entscheidungsblock 82 wird der Wert für Pess bestimmt. Wird in Block 82 angezeigt, dass Pess negativ ist, so werden der Kondensator 28 und/oder die Batterie 30 entladen. In Entscheidungsblock 84 wird bestimmt, ob der Kondensator 28 entladen wird, und zwar basierend darauf, ob der Kondensatorladezustand (SOCcap) größer als oder gleich dem Mindestladezustand ist (SOCcap_min). Ist SOCcap größer als oder gleich SOCcap_min, so wird der Gleichstromumrichter bei Block 88 so gesteuert, dass sowohl der Kondensator 28 als auch die Batterie 30 entladen werden können. Bei Block 88 setzt das Steuergerät 40 das Gleichstromumrichtersteuersignal (P*dcdc) so, dass der Gleichstromumrichter 32 die Entladung der Batterie 30 auf eine Differenz zwischen dem Energiefluss von und zu der elektrischen Speichervorrichtung (Pess) und der Leistungsanforderung des Kondensators (P*cap) begrenzt. Die Leistungsanforderung des Kondensators (P*cap) entspricht der Differenz zwischen dem Kondensatormindestladezustand (SOCcap_min) und dem tatsächlichen Kondensatorladezustand (SOCcap). Indem die Entladung der Batterie 30 auf diese Weise begrenzt wird, wird der Einsatz des Kondensators 28 maximiert, um dessen bessere Leistungsmerkmale gegenüber denjenigen der Batterie 30 auszunutzen.
  • Is SOCcap kleiner als SOCcap_ min, so steuert das Steuergerät 40 den Gleichstromumrichter 32 so, dass nur die Batterie 30 entladen werden kann. Das Steuergerät 40 setzt das Gleichstromumrichtersteuersignal (P*dcdc) bei Block 88 so, dass der Gleichstromumrichter 32 die Entladung der Batterie 30 so einstellt, dass der gesamte Energiefluss zur elektrischen Speichervorrichtung (Pess) gedeckt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich der Kondensator 28 über seine Untergrenze (SOCcap_min) hinaus entlädt. Indem die Entladung des Kondensators 28 auf diese Weise begrenzt wird, wird eine Degradation des Kondensators 28 begrenzt, zu der es kommen könnte, wenn der Kondensator 28 übermäßig entladen wird.
  • Wird in Block 82 angezeigt, dass Pess positiv ist, so sind die Batterie 30 und/oder der Kondensator 28 aufzuladen. Basierend darauf, ob der Kondensatorladezustand (SOCcap) größer oder kleiner ist als der maximale Ladezustand (SOCcap_max), wird bei Entscheidungsblock 94 bestimmt, ob die Batterie 30 und der Kondensator 28 aufzuladen sind.
  • Ist SOCcap kleiner als SOCcap_max, so wird der Gleichstromumrichter 32 bei 96 von dem Steuergerät 40 so gesteuert, dass sowohl der Kondensator 28 als auch die Batterie 30 aufgeladen werden können. Das Steuergerät 40 setzt das Gleichstromumrichtersteuersignal (P*dcdc) so, dass der Gleichstromumrichter 32 das Aufladen der Batterie 30 auf die Differenz zwischen dem Energiefluss von und zur elektrischen Speichervorrichtung (Pess) und der Leistungsanforderung des Kondensators (P*cap) begrenzt. Die Leistungsanforderung des Kondensators (P*cap) entspricht der Differenz zwischen dem maximalen Kondensatorladezustand (SOCcap_max) und dem tatsächlichen Kondensatorladezustand (SOCcap). Das Begrenzen des Aufladens der Batterie 30 in der Weise, dass zuerst der Kondensator 28 aufgeladen wird, maximiert den Einsatz des Kondensators 28, um dessen überlegene Eigenschaften gegenüber denjenigen der Batterie 30 zu nutzen.
  • Wenn SOCcap_ max kleiner ist als SOCcap, so steuert das Steuergerät 40 den Gleichstromumrichter 32 bei Block 98 so, dass nur die Batterie 30 aufgeladen werden kann. Das Steuergerät 40 setzt das Gleichstromumrichterbefehlssignal (P*dcdc) so, dass der Gleichstromumrichter 32 dafür sorgt, dass der gesamte Energiefluss von und zu der elektrischen Speichervorrichtung (Pess) allein mittels Aufladens und Entladens der Batterie erfolgt, wodurch verhindert wird, dass der Kondensator über seine maximale Ladegrenze (SOCcap_max) hinaus aufgeladen wird. Die Begrenzung des Aufladens des Kondensators 28 auf diese Weise begrenzt die Degradation des Kondensators 28, zu der es andernfalls kommen könnte, wenn der Kondensator 28 übermäßig aufgeladen wird.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Fahrzeugs (10), das über einen elektrischen Antriebsstrang (16) und eine im Datenaustausch mit dem elektrischen Antriebsstrang (16) stehende elektrische Speichervorrichtung (14) verfügt, wobei die elektrische Speichervorrichtung (14) einen Kondensator (28), eine Batterie (30) und einen Gleichstromumrichter (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromumrichter (32) derart gesteuert wird, dass der Einsatz des Kondensators (28) gegenüber dem Einsatz der Batterie (30) maximiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromumrichter (32) derart gesteuert wird, dass ein Entladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Entladeschwelle entladen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromumrichter (32) so gesteuert wird, dass ein Aufladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Ladeschwelle aufgeladen ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem elektrischen Antriebsstrang (16) und der elektrischen Speichervorrichtung (14) nur der Gleichstromumrichter (32) und der elektrische Antriebsstrang (16) gesteuert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsanforderung für die elektrische Speichervorrichtung (14) und eine Antriebsleistungsanforderung berechnet werden, und dass die Steuerung des elektrischen Antriebsstrangs (16) auf der Antriebsleistungsanforderung und auf der Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) basiert.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) sowohl auf dem Kondensatorladezustand als auch auf dem Batterieladezustand basiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei positiver Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) ein Aufladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) angezeigt wird, wobei der elektrische Antriebsstrang (16) so gesteuert wird, dass der elektrischen Speichervorrichtung (14) Leistung zur Verfügung gestellt wird, die gleich der positiven Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) zur Aufladung der elektrischen Speichervorrichtung (14) ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) positiv berechnet wird, wenn der Kondensatorladezustand oder der Batterieladezustand oder beide Ladezustände jeweils unterhalb eines zuvor bestimmten niedrigen Ladezustandsschwellenwerts liegen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei negativer Anzeige der Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) und dadurch erfolgender Anzeige eines Entladens der elektrischen Speichervorrichtung (14) der elektrische Antriebsstrang (16) so gesteuert wird, dass er soviel Energie von der elektrischen Speichervorrichtung (14) aufnimmt, wie es der negativen Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) zum Entladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) entspricht
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) dann negativ ist, wenn der Kondensatorladezustand oder der Batterieladezustand oder beide Ladezustände jeweils oberhalb eines zuvor bestimmten hohen Ladezustandsschwellenwertsliegen.
  11. Verfahren zur Konfiguration eines Fahrzeugs (10), das über eine mit einem elektrischen Antriebsstrang (16) im Datenaustausch stehende elektrische Speichervorrichtung (14) verfügt, mit den folgenden Schritten: Konfigurieren der elektrischen Speichervorrichtung (14) mit einem Kondensator (28), einer Batterie (30) und einem Gleichstromumrichter (32), und Konfigurieren eines Fahrzeugsystemsteuergeräts (40) zur Steuerung des elektrischen Antriebsstrangs (16) und des Gleichstromumrichters (32) derart, dass der Energiefluss zwischen der elektrischen Speichervorrichtung (14) und dem elektrischen Antriebsstrang so gesteuert wird, dass der Einsatz des Kondensators (28) gegenüber dem Einsatz der Batterie (30) maximiert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Gleichstromumrichters (32) so erfolgt, dass das Entladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Entladeschwelle entladen wurde.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Gleichstromumrichters (32) so erfolgt, dass das Aufladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Ladeschwelle aufgeladen wurde.
  14. Anordnung zur Verwendung in einem elektrischen Antriebsstrang (16) eines Fahrzeugs (10), gekennzeichnet durch: eine elektrische Speichervorrichtung (14), die einen Kondensator (28), eine Batterie (30) und einen Gleichstromumrichter (32) aufweist und im Datenaustausch mit dem elektrischen Antriebsstrang (16) steht, und ein Steuergerät (40) zur Steuerung des Energieflusses zwischen der elektrischen Speichervorrichtung (14) und dem elektrischen Antriebsstrang (16) durch Steuern des elektrischen Antriebsstrangs (16) und des Gleichstromumrichters (32) derart, dass der Einsatz des Kondensators (28) gegenüber dem Einsatz der Batterie (30) maximiert ist.
  15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Gleichstromumrichter (32) derart steuert, dass ein Entladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Entladeschwelle entladen ist.
  16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Gleichstromumrichter (32) so steuert, dass ein Aufladen der Batterie (30) solange verhindert wird, bis der Kondensator (28) bis auf eine Ladeschwelle aufgeladen ist.
  17. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (40) dahingehend ausgebildet ist, dass eine Leistungsanforderung für die elektrische Speichervorrichtung (14) berechnet wird und der Energiefluss zwischen der elektrischen Speichervorrichtung (14) und dem elektrischen Antriebsstrang (16) basierend auf der Antriebsleistungsanforderung und der Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) gesteuert wird.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) sowohl auf dem Kondensatorladezustand als auch auf dem Batterieladezustand basiert.
  19. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (40) die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) dann als positiv berechnet – so dass Energie von dem elektrischen Antriebsstrang (16) zur elektrischen Speichervorrichtung (14) zum Aufladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) fließt -, wenn der Kondensatorladezustand oder der Batterieladezustand oder beide Ladezustände jeweils unterhalb eines zuvor bestimmten niedrigen Ladezustandsschwellenwertes liegen, wobei der elektrische Antriebsstrang (16) derart gesteuert wird, dass soviel Leistung zum Aufladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) zur Verfügung gestellt wird, wie es der positiven Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) entspricht.
  20. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (40) die Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) dann als negativ berechnet – so dass Energie von der elektrischen Speichervorrichtung (14) zum elektrischen Antriebsstrang (16) zum Entladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) fließt –, wenn der Kondensatorladezustand oder der Batterieladezustand oder beide Ladezustän de jeweils oberhalb eines zuvor bestimmten hohen Ladezustandsschwellenwerts liegen, wobei der elektrische Antriebsstrang (16) so gesteuert wird, dass soviel Leistung zum Entladen der elektrischen Speichervorrichtung (14) zur Verfügung gestellt wird, wie es der der negativen Leistungsanforderung der elektrischen Speichervorrichtung (14) entspricht.
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