DE102005058829A1 - Electrical energy recuperating method for hybrid-vehicle, involves effecting part of desired-braking torque as long as energy storage is capable of absorbing it, and remaining part of torque is dissipated by producing lost heat - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen von Energie bei einem Hybrid-Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.The The invention relates to a method for recovering energy a hybrid vehicle according to the preamble of the patent claim 1 and a corresponding device according to the preamble of Patent claim 12.
Hybridfahrzeuge umfassen neben dem Verbrennungsmotor üblicherweise eine elektrische Maschine, die in Abhängigkeit von der Fahrsituation entweder im Motor- oder im Generatorbetrieb betrieben wird. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein zusätzliches Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor z.B. in einer Beschleunigungsphase unterstützt. Im Generatorbetrieb wird dagegen die bei der Verzögerung des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt (Rekuperation). Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem Energiespeicher, wie z.B. einer Batterie oder einem Super-Cap, gespeichert und kann in anderen Fahrsituationen z. B. zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs kann dadurch erheblich gesteigert werden.hybrid vehicles In addition to the internal combustion engine usually include an electrical Machine depending on from the driving situation in either engine or generator mode is operated. In engine operation, the electric machine generates an additional Drive torque that drives the engine, e.g. in an acceleration phase supported. In generator mode, however, the delay in the Vehicle released kinetic energy into electrical energy converted (recuperation). The electrical energy thus obtained is in an energy store, such as e.g. a battery or a super cap and can in other driving situations z. B. to drive the vehicle or used to supply electrical consumers. Of the Efficiency of the vehicle can be significantly increased.
Im Rekuperationsbetrieb wird versucht, einen möglichst hohen Anteil der gewünschten Gesamtverzögerung (die der Fahrer durch Betätigung des Fuß-Bremspedals vorgibt) durch den Generator auszuüben und somit ein Maximum an Energie zurück zu gewinnen. Die Menge der vom Generator erzeugbaren elektrischen Energie ist jedoch abhängig vom Ladezustand bzw. der Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers. Bei einem voll aufgeladenen Energiespeicher kann nur sehr wenig bzw. gar keine elektrische Energie in das Bordnetz gespeist werden, da der Energiespeicher andernfalls überlastet oder spannungsempfindliche Verbraucher beschädigt werden könnten. Die vom Generator abgegebene Leistung wird von einem Regler entsprechend eingestellt.in the Recuperation operation is attempted to maximize the proportion of the desired total delay (the driver by pressing of the foot brake pedal pretends) exercise through the generator and thus gaining maximum energy back. The amount of However, generator-generated electrical energy is dependent on State of charge or capacity of the energy store. For a fully charged energy storage can only very little or no electrical energy fed into the electrical system Otherwise, the energy storage will be overloaded or voltage sensitive Consumer damaged could become. The power delivered by the generator is controlled by a regulator set.
Der Generator erzeugt im Rekuperationsbetrieb ein leistungsabhängiges Brems- bzw. Schleppmoment. Dabei gilt grundsätzlich, dass das Schleppmoment mit zunehmender Erzeugung elektrischer Leistung steigt. Wegen der Abhängigkeit vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers kann das Schleppmoment stark variieren. Bei einem vom Fahrer initiierten Bremsvorgang (durch Betätigung der Betriebsbremse), bei dem die elektrische Maschine im Rekuperationsbetrieb zugeschaltet ist, variiert somit auch das Bremsverhalten des Fahrzeugs entsprechend. Dies gefährdet die Fahrsicherheit.Of the Generator generates a power-dependent braking or drag torque in recuperation mode. In principle, that the drag torque increases with increasing generation of electrical power. Because of dependence From the state of charge of the electrical energy storage, the drag torque vary greatly. When initiated by the driver braking (by activity the service brake), in which the electric machine in recuperation switched on, thus also varies the braking behavior of the vehicle corresponding. This endangers the driving safety.
Hybrid-Fahrzeuge mit einer herkömmlichen hydraulischen oder pneumatischen Bremsanlage (bei der ein mechanischer Durchgriff zwischen dem Bremspedal und den einzelnen Radbremsen besteht) sind daher so ausgelegt, dass entweder nur beim Ausrollen des Fahrzeugs (nicht beim Bremsen) Energie zurück gewonnen oder beim Bremsen nur ein sehr geringer Betrag an Energie zurück gewonnen wird, um den Einfluss des Generators gering zu halten. Dies hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die vom Generator maximal erzeugbare elektrische Leistung – vorausgesetzt der Energiespeicher ist aufnahmefähig – nicht voll ausgenutzt und somit der Wirkungsgrad des Fahrzeugs nur wenig verbessert werden kann.Hybrid vehicles with a conventional one hydraulic or pneumatic brake system (in which a mechanical Pass-through between the brake pedal and the individual wheel brakes are therefore designed so that either only when rolling out the vehicle (not braking) energy recovered or braking Only a very small amount of energy is recovered back to the influence to keep the generator low. However, this has the essential Disadvantage that the generator of the maximum producible electrical Performance - provided the energy storage is receptive - not fully exploited and Thus, the efficiency of the vehicle can be improved only slightly can.
Eine maximale Rückgewinnung von Bremsenergie ist i. d. R. nur bei Hybrid-Fahrzeugen mit einem elektrohydraulischen Bremssystem (EHB) möglich, da die schwankende Bremswirkung des Generators bei solchen Systemen kompensiert werden kann. Der Fahrer spürt in diesem Fall bei gleicher Betätigung des Bremspedals immer die gleiche Bremswirkung. Diese Kompensation ist nur bei elektrohydraulischen Bremssystemen, nicht jedoch bei rein hydraulischen bzw. rein pneumatischen Bremssystemen möglich.A maximum recovery of braking energy is i. d. R. only in hybrid vehicles with an electrohydraulic Braking system (EHB) possible, because the fluctuating braking effect of the generator in such systems can be compensated. The driver feels in this case at the same activity the brake pedal always the same braking effect. This compensation is only with electrohydraulic brake systems, but not with purely hydraulic or purely pneumatic braking systems possible.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Rekuperation von Energie bei einem Hybrid-Fahrzeug mit einer herkömmlichen hydraulischen oder pneumatischen Bremsanlage zu schaffen, mit dem bzw. der ein konstantes, vom aktuellen Ladezustand des Energiespeichers unabhängiges Bremsverhalten erreicht werden kann.It is therefore the object of the present invention, a method or a device for recuperation of energy in a hybrid vehicle with a conventional one hydraulic or pneumatic brake system to create with the or a constant, independent of the current state of charge of the energy storage braking behavior can be achieved.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 12 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Is solved this task according to the invention by the specified in claim 1 and in claim 12 Characteristics. Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die elektrische Maschine im Rekuperationsbetrieb derart zu betreiben, dass sie unabhängig vom Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ein vorgebbares, reproduzierbares Bremsmoment erzeugt. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass wenigstens ein elektrischer Parameter, wie z.B. eine Spannung, ein Strom und/oder Phasenwinkel der elektrischen Maschine so eingestellt wird, dass die Maschine das gewünschte Soll-Bremsmoment erzeugt, wobei einen Teil des gewünschten Moments, sofern der Energiespeicher aufnahmefähig ist, durch Erzeugung elektrischer Energie, und der restliche Teil durch Erzeugung von Verlustwärme bewirkt wird. Im Grenzfall, d.h. wenn der Energiespeicher voll aufgeladen ist, wird die Maschine so betrieben, dass sie nur noch Verlustleistung erzeugt. Auf diese Weise kann eine konstante Relation zwischen Bremsbetätigung und Gesamtverzögerung hergestellt werden, d.h. eine vorgegebene Bremspedalstellung bzw. Bremskraft bewirkt immer eine gleich starkes Generator-Moment und damit eine gleich starke Fahrzeugverzögerung, unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers. Das Bremsmoment der elektrischen Maschine kann z.B. im Rahmen einer Regelung auf einen Sollwert eingestellt werden.An essential idea of the invention is to operate the electric machine in the recuperation mode such that it generates a specifiable, reproducible braking torque independently of the state of charge of the electrical energy store. This is achieved according to the invention in that at least one electrical parameter, such as a voltage, a current and / or phase angle of the electric machine is set so that the machine generates the desired desired braking torque, ei NEN part of the desired torque, if the energy storage is receptive, by generating electrical energy, and the remaining part is effected by generating heat loss. In the limit case, ie when the energy storage is fully charged, the machine is operated so that it only generates power loss. In this way, a constant relation between braking operation and total deceleration can be established, ie a predetermined brake pedal position or braking force always causes an equal generator torque and thus an equally strong vehicle deceleration, regardless of the state of charge of the energy storage. The braking torque of the electric machine can be set to a desired value, for example, within the scope of a control.
Die elektrische Maschine wird vorzugsweise derart betrieben, dass der Anteil der elektrischen Generatorleistung maximal ist. Dadurch kann ein Maximum an elektrischer Energie erzeugt werden.The electric machine is preferably operated such that the Proportion of the electric generator power is maximum. This can a maximum of electrical energy can be generated.
Solange der Energiespeicher aufnahmefähig und das geforderte Generator-Bremsmoment gering ist, wird die elektrische Maschine vorzugsweise im reinen Generatorbetrieb (ohne zusätzliche Erzeugung von Verlustleistung) betrieben. Wenn das geforderte Generator-Bremsmoment dagegen so hoch bzw. der Energiespeicher so wenig aufnahmefähig ist, dass ein maximal zulässiger Ladestrom oder eine maximale Ladespannung überschritten werden würde, wird die elektrische Maschine in einem „gemischten Betrieb" betrieben. Dabei wird ein Teil des geforderten Generator-Bremsmoments – vorzugsweise ein maximal möglicher Teil – durch Erzeugung elektrischer Energie, und der restliche Anteil durch Erzeugung von Verlustwärme bewirkt. Wenn der Energiespeicher vollständig aufgeladen ist oder bereits von Beginn an aufgeladen war, ist die vom Generator abgegebene elektrische Energie gleich Null und es wird nur noch Verlustwärme erzeugt. Dies soll als Grenzfall des „gemischten Betriebs" gelten.So long the energy storage receptive and the required generator braking torque is low, the electric machine is preferably in the pure Generator operation (without additional Generation of power loss) operated. When the required generator braking torque on the other hand, as high or the energy storage is so little receptive, that a maximum allowable Charging current or a maximum charging voltage would be exceeded operated the electric machine in a "mixed operation" becomes a part of the required generator braking torque - preferably a maximum possible Part - by generation electrical energy, and the remaining portion by generation of heat loss causes. When the energy store is fully charged or already Charged from the beginning, is the output from the generator electrical Energy equal to zero and only heat loss is generated. This is said to be a borderline case of "mixed Operation ".
Die Höhe des Generator-Bremsmoments ist vorzugsweise abhängig von der Stärke der Pedalbetätigung und nimmt mit zunehmender Pedalbetätigung vorzugsweise zu, insbesondere linear zu. Das Generator-Bremsmoment ist physikalisch durch ein maximales Generator-Bremsmoment begrenzt, das von der Konstruktion und insbesondere von den Wärmeabfuhr-Eigenschaften des Generators abhängt. Das Rekuperations-System ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass das Fahrzeug bis zu dieser oder einer niedrigeren Grenze parallel durch den Generator und die Betriebsbremse verzögert wird. Ein darüber hinausgehendes Bremsmoment wird dann ausschließlich durch die Betriebsbremse bewirkt.The Height of Generator braking torque is preferably dependent on the strength of pedal operation and preferably increases with increasing pedaling, in particular linear to. The generator braking torque is physically through a maximum generator braking torque limited by the design and in particular, the heat dissipation properties depends on the generator. The recuperation system is preferably designed such that the vehicle parallel to this or a lower limit delayed by the generator and the service brake. A beyond Braking torque is then exclusive caused by the service brake.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine Phase und/oder eine Spannung und/oder ein Strom der elektrischen Maschine so eingestellt, dass der Generator ein vorgegebenes Generator-Bremsmoment erzeugt. Hierzu wird vorzugsweise ein Umrichter, insbesondere ein Pulswechselrichter entsprechend angesteuert.According to one preferred embodiment The invention provides at least one phase and / or one voltage and / or a current of the electrical machine adjusted so that the generator generates a predetermined generator braking torque. For this is preferably a converter, in particular a pulse inverter controlled accordingly.
Um den Energiespeicher im Rekuperationsbetrieb nicht zu überladen, muss das Steuergerät den Ladezustand des Energiespeichers kennen. Es ist daher eine Einrichtung, wie z. B. eine aus dem Stand der Technik bekannte Ladezustandserkennung vorgesehen, die den Ladezustand des Energiespeichers überwacht und an das Steuergerät übermittelt. Die Zustandserkennung kann auch im Steuergerät als Software integriert sein.Around not to overload the energy store in the recuperation mode, must be the controller know the state of charge of the energy storage. It is therefore a device such as B. a known from the prior art state of charge detection provided that monitors the state of charge of the energy storage and transmitted to the control unit. The status recognition can also be integrated in the control unit as software.
Aus dem ermittelten Ladezustand bzw. der Aufnahmefähigkeit wird vorzugsweise ein maximaler Ladestrom (Imax) bestimmt. Der maximale Ladestrom definiert denjenigen Wert, ab dem die elektrische Maschine in den gemischten Betrieb übergeht und zunehmend Verlustleistung erzeugt.A maximum charging current (I max ) is preferably determined from the determined state of charge or the capacity to absorb. The maximum charging current defines the value at which the electrical machine goes into mixed operation and generates increasing power loss.
Das Rekuperations-System ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass das Fahrzeug bereits verzögert, wenn das Fuß-Bremspedal nicht oder nur sehr gering betätigt wird. Dadurch kann es vorkommen, dass das Bremslicht noch nicht aktiv ist. Gemäß der Erfindung wird daher das Bremslicht vorzugsweise aktiviert, wenn die Fahrzeugverzögerung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dadurch ist gewährleistet, dass nachfolgende Fahrer in jedem Fall ein Bremssignal erhalten, auch wenn der Fahrer des vorderen Fahrzeugs das Bremspedal nicht betätigt.The Rekuperations system is preferably designed such that the Vehicle already delayed, though the foot brake pedal not or only slightly pressed becomes. As a result, it may happen that the brake light is not yet is active. According to the invention Therefore, the brake light is preferably activated when the vehicle deceleration exceeds the given threshold. This ensures that that subsequent drivers always receive a brake signal, even if the driver of the front vehicle does not use the brake pedal actuated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rekuperations-System derart ausgelegt, dass bereits beim Ausrollen des Fahrzeugs (ohne Betätigung des Fuß-Bremspedals) ein vorgegebenes generatorisches Bremsmoment erzeugt wird. Dadurch kann zusätzlich Energie eingespart werden.According to one preferred embodiment According to the invention, the recuperation system is designed such that already when rolling out the vehicle (without pressing the foot brake pedal) a predetermined regenerative braking torque is generated. Thereby can additionally Energy can be saved.
Der Rekuperationsbetrieb kann entweder automatisch oder vom Fahrer initiiert, beispielsweise über einen im Fahrzeug integrierten Sensor, aktiviert werden. Der Sensor kann beispielsweise ein Schalter, Taster oder ein anderer Sensor, wie z.B. ein am Bremspedal angeordneter Pedalwertgeber sein. Der Sensor könnte alternativ auch am Lenkrad, einem Lenkradhebel, dem Schalthebel oder einer anderen Position im Cockpit angeordnet sein.The recuperation operation can either be initiated automatically or initiated by the driver, for example via a sensor integrated in the vehicle. The sensor may be, for example, a switch, button or other sensor, such as a arranged on the brake pedal pedal encoder. The sensor could Alternatively, be arranged on the steering wheel, a steering wheel lever, the shift lever or another position in the cockpit.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist ein Pedalwertgeber vorgesehen, der die Stärke einer Betätigung des Fuß-Bremspedals erfasst. In diesem Fall ist das Rekuperations-System derart eingerichtet, dass die Höhe des Generator-Bremsmoments von der Betätigung des Fuß-Bremspedals abhängt. Durch schwächeres bzw. stärkeres Betätigen des Fuß-Bremspedals kann der Fahrer weniger oder mehr Energie zurückgewinnen. Die Höhe der zurück gewonnenen Energie kann dem Fahrer z.B. auf einem Display angezeigt werden.According to one special embodiment the invention, a pedal encoder is provided, the strength of a activity of the foot brake pedal detected. In this case, the recuperation system is set up that the height the generator braking torque from the operation of the foot brake pedal depends. By weaker or stronger Actuate of the foot brake pedal the driver can recover less or more energy. The amount of the recovered Energy can be given to the driver e.g. be displayed on a display.
Alternativ könnte das Generator-Bremsmoment nach dem Betätigen des Sensors auch automatisch, z.B. rampenartig, erhöht werden.alternative could the generator braking torque after actuation of the sensor also automatically, e.g. ramped, raised become.
Der Rekuperationsbetrieb wird vorzugsweise durch Betätigung des Fahrpedals oder durch einen Eingriff eines Regelsystems, wie z.B. ABS oder ESP unterbrochen bzw. beendet.Of the Recuperation is preferably by pressing the accelerator pedal or by an intervention of a control system, e.g. ABS or ESP interrupted or ended.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rekuperation von Energie umfasst ein Steuergerät, das mit einem Umrichter verbunden ist, der zwischen die elektrische Maschine und ein Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher geschaltet ist, der vom Generator aufgeladen wird. Das Steuergerät steuert den Umrichter so an, dass die elektrische Maschine – je nach Ladezustand des Energiespeichers – einen vorgegeben Teil elektrischer Energie und einen mehr oder weniger großen Teil an (Verlust-)Wärme erzeugt.A inventive device for recuperation of energy includes a control unit that with a Inverter is connected between the electric machine and an electrical system is connected with an electrical energy storage, which is charged by the generator. The control unit controls the inverter in this way that the electric machine - depending on the state of charge of the energy storage - a given part of electrical energy and one more or less huge Part of (loss) heat generated.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be exemplified below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show it:
Die
elektrische Maschine
Das
Steuergerät
Der
im Steuergerät
Das
Rekuperations-System umfasst ferner ein Bremspedal mit Pedalwertgeber
Am
Steuergerät
In
Schritt
In
Schritt
Wenn
der errechnete Batterie-Ladestrom I in Schritt
Der
Rekuperationsbetrieb wird in Schritt
Im
vorliegenden Beispiel ist die Batterie
Wie
bereits erwähnt,
wird der Generatorbetrieb durch entsprechende Ansteuerung des Pulswechselrichters
Verschiedene
Möglichkeiten
zur Variation der Verlustleistung der elektrischen Maschine
Für die elektrische
Maschine
Für die mechanische Leistung (innere Leistung) gilt: For mechanical performance (internal power):
Für die elektrische Klemmenleistung (Netzleistung) gilt: For the electrical terminal performance (mains power):
Für die ohmsche Verlustleistung gilt: For the ohmic power loss applies:
Die beiden Leistungen P1 und Pmech können in gewissen Grenzen unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch wird es möglich, auch die ohmsche Verlustleistung PCu entsprechend zu variieren.The two powers P 1 and P mech can be set within certain limits independently. This makes it possible to vary the ohmic power loss P Cu accordingly.
Die verschiedenen Leistungen Pmech, P1 und PCu lassen sich z.B. über die zwei freien Parameter U1 und α einstellen, wobei α der Phasenwinkel zwischen der Klemmenspannung U1 und der Polradspannung Up ist. Aus den beiden Gleichungen für P1 und Pmech lässt sich für die beiden Unbekannten U1 und α eine eindeutige Lösung bestimmen. Die Grundschwingung der Klemmenspannung U1 kann zwischen einem Wert U1 = 0 und einem Maximalwert U1 = Umax eingestellt werden. Der Winkel α kann beispielsweise zwischen α = 0 und α = 360° eingestellt werden.The different powers P mech , P 1 and P Cu can be set, for example, via the two free parameters U 1 and α, where α is the phase angle between the terminal voltage U 1 and the pole wheel voltage U p . From the two equations for P 1 and P mech , a clear solution can be determined for the two unknowns U 1 and α. The fundamental oscillation of the terminal voltage U 1 can be set between a value U 1 = 0 and a maximum value U 1 = U max . The angle α can be set, for example, between α = 0 and α = 360 °.
Der
Wert der Parameter U1, α bei voll aufgeladener Batterie
ergibt sich aus folgendem Beispiel. Bei voll aufgeladener Batterie
ist die Netzleistung P1 der elektrischen
Maschine
Für die mechanische Leistung Pmech ergibt sich: For the mechanical power P mech results:
Daraus kann der Winkel α ermittelt werden. daraus kann für den Fall P1 = 0 als maximale Bremsleistung der Wert bei α = 90° ermittelt werden.From this, the angle α can be determined. From this, for the case P 1 = 0, the value can be the maximum braking power be determined at α = 90 °.
Da
Umrichter, wie z.B. der PWR
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