DE102006002985A1

DE102006002985A1 - Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006002985A1
Application number: DE102006002985A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Pröbstle; Thomas Christ; Johannes Von Grundherr; Marcus Hafkemeyer; Michael RÖSLER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-01-21
Filing date: 2006-01-21
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US7489113B2; US20070170896A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine zumindest generatorisch betreibbare elektrische Maschine zur Erzeugung eines Generatorstroms, eine parallel zur elektrischen Maschine geschaltete Bordnetzbatterie und eine parallel zur elektrischen Maschine geschaltete Kondensatoreinrichtung sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine. Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass im Falle eines vorliegenden Schub- oder Bremsbetriebs des Fahrzeugs eine Ladung der Bordnetzbatterie mit maximalem Batterieladestrom erfolgt, während in allen anderen Fällen die Ladung der Bordnetzbatterie mittels einem Batterieladestrom erfolgt, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Bordnetzbatterie eingestellt wird. Zur Einstellung des Batterieladestroms in Abhängigkeit vom Ladezustand der Bordnetzbatterie werden dabei drei unterschiedliche Ladezustände berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug mit einer über eine Brennkraftmaschine antreibbaren und zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine, einer parallel zu der elektrischen Maschine geschalteten Bordnetzbatterie und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine derart, dass dieser in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Schub- oder Bremsbetriebs eine definierte Generatorsollspannung vorgegeben wird.

Aus der DE 100 46 631 A1 ist ein Energiespeichersystem mit einem Generator, einer Bordnetzbatterie sowie einer Steuereinrichtung mit Generatorregler und Generatorsteuergerät zur Vorgabe einer Generatorsollspannung bekannt. Die Vorgabe der Sollspannung erfolgt in Abhängigkeit von Fahrzustandsgrößen derart, dass bei Brems- oder Schubbetrieb des Fahrzeugs elektrische Energie in das Bordnetz eingespeist wird. Es findet ein Verfahren zur Regelung der Generatorspannung Anwendung, bei dem in Abhängigkeit von vorgegebenen Umschaltbedingungen zwischen einem Rekuperationsbereitschaftsmodus und einem Erholungsmodus für die Bordnetzbatterie umgeschaltet wird. Als Umschaltbedingung wird beispielsweise der Ladungsdurchsatz durch die Batterie seit dem letzen Umschalten vom Erholungsmodus in den Rekuperationsbereitschaftsmodus herangezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem der eingangs beschriebenen Art weiterzubilden. Insbesondere soll ein Energiespeichersystem mit einfachem Aufbau angegeben werden, welches im Hinblick auf die Effizienz der Energiespeicherung rekuperativ gewonnener Energie verbessert ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Rekuperationsleistung eingangs beschriebener Systeme durch die begrenzten Möglichkeiten einer Bordnetzbatterie, hohe Leistungen aufzunehmen, eingeschränkt ist. Bei einem Ladezustand von 70% kann eine herkömmliche Bordnetzbatterie maximal Ströme im Bereich von 50A aufnehmen. Ein Doppelschichtkondensator, wie er bevorzugt bei der Erfindung verwendet wird, kann Ströme bis zu 200A aufnehmen oder abgeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Gemäß der Erfindung umfasst das Energiespeicherspeichersystem neben einer elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie, einer parallel zu dieser geschalteten Bordnetzbatterie und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der elektrischen Maschine (Einstellung der (Generator-)Ausgangsspannung bzw.- des Ausgangsstroms) eine zu elektrischer Maschine und Bordnetzbatterie parallel geschaltete Kondensatoreinrichtung. Die Steuereinrichtung ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass im Falle eines vorliegenden Schub- oder Bremsbetriebs des Fahrzeugs eine Ladung der Bordnetzbatterie mit maximalem Ladestrom (Batterieladestrom/Generatorstrom) erfolgt, und dass in allen anderen Fällen die Ladung der Bordnetzbatterie mittels einem Ladestrom erfolgt, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Bordnetzbatterie eingestellt wird. Außerhalb des Schub- oder Bremsbetriebs werden die folgenden drei Fälle unterschieden. Für den Fall, dass der Ladezustand oberhalb eines vorbestimmten ersten Ladungsschwellenwertes liegt, erfolgt eine gezielte Entladung der Bordnetzbatterie in dem der Generatorstrom derart geregelt wird, dass sich ein vorbestimmter minimaler Batterieladestrom einstellt. Für den Fall, dass der Ladezustand unterhalb eines vorbestimmten zweiten Ladungsschwellenwertes liegt, erfolgt eine Ladung der Bordnetzbatterie in dem der Generatorstrom derart geregelt wird, dass sich ein vorbestimmter maximaler Batterieladestrom einstellt. Für den Fall, dass der Ladezustand dem vorgegebenen Ladezustand entspricht, wird ein Generatorstrom eingeregelt, der gewährleistet, dass kein bzw. ein möglichst geringer (Lade- bzw. Entlade-)Strom durch die Bordnetzbatterie fließt: Der erste und der zweite Ladungsschwellenwert sind bevorzugt verschieden. Dadurch ergibt sich für den dritten Fall, dass der Ladezustand dem vorgegebenen Ladezustand entspricht, wenn dieser sich zwischen den beiden vorgegebenen Ladezustandsschwellenwerten befindet. Die Ladung der Bordnetzbatterie außerhalb des Schub- bzw. Bremsbetriebs erfolgt vorzugsweise mittels eines vorgegebenen Kennfeldes – während für den Fall, dass ein Schub- oder Bremsbetrieb vorliegt, von der Kennfeldregelung umgeschaltet wird auf einen Betrieb (Generatorbetrieb), in dem die elektrische Maschine die Batterie beziehungsweise den ihr parallel geschalteten Kondensator mit einem vorgegebenen Maximalstrom lädt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit überwacht und der Kondensator bei unterschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit auf einen vorbestimmten Ladungswert aufgeladen wird.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit überwacht und bei überschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit oder bei überschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit für eine vorgegebene Zeitdauer der Kondensator auf einen vorbestimmten Ladungswert entladen wird. Aufgrund der überschrittenen Geschwindigkeit wird auf einen zukünftigen Bremsbetrieb innerhalb einer bestimmten Zeitdauer geschlossen und aus diesem Grund der Kondensator bis auf einen vorbestimmten Wert entladen (und damit die elektrische Maschine entlastet) um bei einem bevorstehenden Bremsbetrieb wieder ausreichend Energie aufnehmen zu können.

Ferner ist die Steuereinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass im Falle eines erkannten Abstellens des Kraftfahrzeugs (z.B. Zündung AUS und/oder Fahrzeug verriegelt und/oder Fahrersitz bzw. Sitz nicht belegt) die Kondensatoreinrichtung elektrisch vom Bordnetz getrennt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1: den Aufbau eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems in einer schematischen Darstellung,
2: den Verlauf einer Kennfeldlinie zur Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine außerhalb des Schub- oder Bremsbetriebs des Fahrzeugs, und
3: den schematischen Aufbau einer Reglerstruktur zur Ansteuerung der elektrischen Maschine.
1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes. Das Energiespeichersystem umfasst eine zumindest generatorisch betreibbare elektrische Maschine 2 (im Folgenden als Generator bezeichnet), eine zum Ausgang des Generators 2 parallel geschaltete Bordnetzbatterie 4, eine vorzugsweise als Doppelschichtkondensator bzw. Supercap ausgebildete Kondensatoreinrichtung 6 und eine Steuereinrichtung 8 zur Steuerung oder Regelung des Generatorstroms I_Gen beziehungsweise des Batteriestroms (Batterieladestrom bzw. -entladestrom) I_Batt. Die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs sind durch den Lastwiderstand R_Ver dargestellt. Die Steuereinrichtung 8 ist zum Datenaustausch bzw. zum Zwecke der Erfassung von Daten über einen Datenbus B mit dem Generator 2, der Bordnetzbatterie 4, der Kondensatoreinrichtung 6 und den Verbrauchern R_Ver des Bordnetzes verbunden. Ausgangsseitig ist die Steuereinrichtung 8 über zumindest eine Steuerleitung S zur Steuerung und oder Regelung des Generators 2 mit diesem verbunden.
Die Funktionsweise der Steuerung 8 ist in 2 (zumindest für den Fall, dass kein Schub- oder Bremsbetrieb vorliegt) vereinfacht dargestellt. Für den Fall, dass kein Schub- oder Bremsbetrieb vorliegt, steuert (bzw. regelt) die Steuereinrichtung 8 den Generator 2 in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC_Batt state of charge) der Bordnetzbatterie 4. Hierbei werden drei Betriebszustände (Fälle) der Bordnetzbatterie 4 unterschieden. In einem ersten Betriebszustand, in dem der Ladezustand der Bordnetzbatterie 4 sich oberhalb eines ersten Ladezustandschwellenwerts L1 befindet (hier: z.B. SOC > L1 (75%)), wird die Generatorspannung U_Gen bzw. der Generatorstrom I_Gen derart eingestellt, dass ein vorgegebener (negativer) minimaler Batterieladestrom I_{min_Batt} sich einstellt. Hierdurch wird erreicht, dass die Bordnetzbatterie 4 zumindest teilweise die elektrische Energieversorgung des Bordnetzes übernimmt. Auf diese Weise wird der Generator 2 und damit die den Generator 2 antreibende Brennkraftmaschine entlastet. Dies hat eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge. In einem zweiten Betriebszustand, in dem der Ladezustand der Bordnetzbatterie 4 sich unterhalb eines zweiten Ladezustandschwellenwerts L2 befindet (hier: SOC < L2 (65%)), wird der Generatorstrom I_Gen auf eine Generatorspannung U_Gen bzw. auf einen Generatorstrom I_{max_Gen} eingestellt bzw. eingeregelt, so dass sich ein vorbestimmter maximaler Batterieladestrom I_{max_Batt} einstellt, und die Bordnetzbatterie und damit die parallel geschaltete Kondensatoreinrichtung 6 mit der größtmöglichen Energiemenge versorgt werden. Durch den, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers, parallel geschalteten Kondensator 6 können auch in kurzen Bremsphasen, in denen der Generator 2 einen deutlich höheren Strom generieren kann, als von der Bordnetzbatterie 4 verarbeitet werden kann, diese höheren Ströme in speicherbare Energie umgesetzt werden. Hierfür wird gezielt die Generatorspannung erhöht und mit einem deutlich erhöhten Ladestrom der Kondensator 6 aufgeladen. Der erhöhte Generatorstrom I_Gen teilt sich in einen Batterieladestrom I_Batt, einen Kondensatorladestrom I_SC und einen bzw. mehrere Verbraucherversorgungsströme I_Ver auf. Bevorzugt wird der Ladezustand des Kondensators 6 überwacht, und falls erforderlich, sobald der Kondensator 6 vollständig oder nahezu vollständig aufgeladen ist, der Generatorstrom I_Gen wieder reduziert, so dass die Bordnetzbatterie 4 nicht durch einen zu hohen Ladestrom geschädigt wird. In einem dritten Betriebszustand, in dem der Ladezustand der Bordnetzbatterie 4 sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ladezustandschwellenwert L1; L2 befindet (hier: L1 (75%) > SOC > L2 (65%)), wird ein Generatorstrom I_Gen eingeregelt, der gewährleistet, dass der Batterieladestrom bzw. der Batterieentladestrom I_Batt auf einen vorgegebenen möglichst geringen Stromwert eingestellt wird.
In 3 ist die Struktur einer möglichen Generatorregelung zur Einstellung der Generatorausgangsspannung U_Gen in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC_Batt) der Bordnetzbatterie 4 bzw. in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Schub- oder Bremsbetriebs dargestellt. Verwendung findet hierfür bevorzugt ein Regler mit integralem und proportionalem Regelungsanteil, ein so genannter PI-Regler. Dem PI-Regler nachgeschaltet ist ein Begrenzungsglied, welches das Ausgangssignal des PI-Reglers auf obere bzw. untere Grenzwerte begrenzt. Eingang und Ausgang des Begrenzungsgliedes sind über ein erstes Summationsglied S1 und einen Verstärker V1 eingangsseitig wieder dem PI-Regler zugeführt. Eingangsseitig wird ferner der tatsächliche Batteriestrom I_Batt mit dem Ausgang eines Auswahlmittels AW über ein zweites Summationsglied S2 dem PI-Regler (gemeinsam mit dem Ausgang des Verstärkers V1 über ein weiteres Summationsglied S3) zugeführt. Das Auswahlmittel AW schaltet in Abhängigkeit vom Ausgangssignal Schub _EIN/AUS einer Schub- und Bremsüberwachungseinrichtung jeweils einen von zwei Eingängen des Auswahlmittels AW auf den Ausgang durch. Liegt ein Brems- oder Schubbetrieb vor, schaltet das Auswahlmittel AW wie dargestellt den Eingang mit konstant vorgegebenem maximalem Batteriestrom I_{max_Batt} auf den Ausgang. Liegt kein Schub- oder Bremsbetrieb vor, wird umgeschaltet auf den zweiten Eingang, der mit einer hinterlegten Kennlinie bzw. einem hinterlegten Kennfeld beschaltet ist, so dass auf den Ausgang des Auswahlmittels AW eine Sollvorgabe I_{Soll_Batt_KF} für den Generator 2 in Abhängigkeit vom Ladezustand der Bordnetzbatterie 4 durchgeschaltet wird.

Claims

Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine zumindest generatorisch betreibbare elektrische Maschine (2) zur Erzeugung eines Generatorstroms (I_Gen), – eine parallel zur elektrischen Maschine (2) geschaltete Bordnetzbatterie (4), – und eine parallel zur elektrischen Maschine (2) geschaltete Kondensatoreinrichtung (6), – sowie eine Steuereinrichtung (8) die derart ausgebildet sind, dass – im Falle eines vorliegenden Schub- oder Bremsbetriebs des Fahrzeugs eine Ladung der Bordnetzbatterie (4) mit maximalem Batterieladestrom (I_Batt) erfolgt, – und dass in allen anderen Fällen die Ladung der Bordnetzbatterie (4) mittels einem Batterieladestrom (I_Batt) erfolgt, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Bordnetzbatterie (4) eingestellt wird, – wobei für den Fall, dass der Ladezustand oberhalb eines vorbestimmten ersten Ladungsschwellenwertes (L1) liegt, eine Entladung der Bordnetzbatterie (4) erfolgt, in dem ein vorbestimmter minimaler Batterieladestrom (I_{min_Batt}) eingestellt wird, – und für den Fall, dass der Ladezustand unterhalb eines vorbestimmten zweiten Ladungsschwellenwertes (L2) liegt, eine Ladung der Bordnetzbatterie (4) erfolgt, in dem ein vorbestimmter maximaler Batterieladestrom (I_{max_Batt}) eingestellt wird, – und für den Fall, dass der Ladezustand dem vorgegebenen Ladezustand entspricht, ein Generatorstrom (I_Gen) eingeregelt wird, der gewährleistet, dass ein vorgegebener möglichst geringer Ladestrom (I_Batt) durch die Bordnetzbatterie (4) fließt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) derart ausgebildet sind, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen unteren Fahrgeschwindigkeitsschwelle die Kondensatoreinrichtung (6) auf einen vorbestimmten Ladungswert aufgeladen wird.
Energiespeichersystem mach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) derart ausgebildet sind, dass bei überschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeitsschwelle oder bei überschreiten einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeitsschwelle für eine vorgegebene Zeitdauer die Kondensatoreinrichtung (6) auf einen vorbestimmten Ladungswert entladen wird
Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) derart ausgebildet sind, dass im Falle eines erkannten Abstellens des Kraftfahrzeugs die Kondensatoreinrichtung (6) elektrisch vom Bordnetz getrennt wird.