DE102006026404A1

DE102006026404A1 - Energie-Koordinator für ein elektrisches Netz

Info

Publication number: DE102006026404A1
Application number: DE102006026404A
Authority: DE
Inventors: Juergen Meier; Mirko Thulke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-12-13
Also published as: WO2007141069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verwalten elektrischer Energie in einem elektrischen Netz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, in dem mehrere elektrische Verbraucher (4-8) angeschlossen sind und ein Energie-Koordinator (1) vorgesehen ist, der die zur Verfügung stehende Energie verwaltet. Um die Energie bestimmten Prozessen bereitzustellen, überwacht der Energie-Koordinator (1) das Auftreten eines vorgegebenen Betriebszustandes (10-14) und reduziert den Leistungsverbrauch wenigstens eines der Verbraucher (4-8), wenn der betreffende Betriebszustand (10-14) festgestellt wurde.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verwalten elektrischer Energie in einem elektrischen Netz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Energieverwaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
In modernen Kraftfahrzeugen werden Energiemanagement-Systeme vor allem unter sicherheitstechnischen Aspekten eingesetzt, um insbesondere die Ausfallsicherheit des elektrischen Bordnetzes zu gewährleisten. Die Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze wird durch die zunehmende Ausstattung von Fahrzeugen mit sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern, wie z.B. Steuergeräten, Sensoren, etc. immer wichtiger.
Bekannte Energiemanagement-Systeme umfassen üblicherweise ein Steuergerät mit einem Algorithmus, der den energetischen Zustand des Bordnetzes ständig überwacht. Wenn die Netzspannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, werden verbrauchsmindernde Maßnahmen eingeleitet, um das Bordnetz zu entlasten. Hierzu gehören z.B. das Abschalten oder Dimmen von Komfortverbrauchern, wie z.B. einer Sitzheizung oder einer Lüftung. Dadurch soll verhindert werden, dass die Netzspannung unter eine Mindestspannung fällt, die für die Funktionsfähigkeit sicherheitsrelevanter Einrichtungen erforderlich ist. Ein Nachteil bekannter Systeme besteht darin, dass der Eingriff in das Bordnetz erst dann erfolgt, wenn der Zustand des Bordnetzes bereits kritisch geworden ist. Das System reagiert also nur auf einen bereits bestehenden Fehlerzustand.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stabilität der Energieversorgung zu verbessern und dadurch die Fahrsicherheit zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, das Eintreten bestimmter Betriebszustände bzw. Vorgänge im Bordnetz zu überwachen – und zwar unabhängig davon, ob die Bordnetzspannung einen kritischen Wert erreicht hat oder nicht – und den Leistungsverbrauch wenigstens eines Verbrauchers zu reduzieren, wenn ein solcher Betriebszustand erkannt wurde. In Betriebszuständen, in denen besonders viel Energie für eine bestimmte Einrichtung, wie z.B. eine elektrische Maschine oder zum Aufladen einer Batterie, vorübergehend benötigt wird, kann die zusätzlich benötigte Energie durch Abschalten oder Dimmen bestimmter Verbraucher frei gemacht und der Einrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Dieses Verfahren hat somit den wesentlichen Vorteil, dass das Bordnetz bereits entlastet wird, noch bevor ein kritischer Zustand eingetreten ist.
Das Abschalten bzw. Dimmen von Verbrauchern wird vorzugsweise bereits in dem Moment eingeleitet, in dem ein anderer Verbraucher zugeschaltet oder in seiner Leistung erhöht wird.
Gemäß der Erfindung wird das elektrische Bordnetz von einem Algorithmus überwacht, der vorzugsweise im Motor- Steuergerät hinterlegt ist. Der Algorithmus wertet insbesondere Informationen über den aktuellen bzw. zukünftigen Leistungsbedarf der am Bordnetz angeschlossenen Verbraucher aus. Dabei werden insbesondere auch Informationen über eine (bevorstehende) Änderung des Betriebszustandes des Fahrzeugs berücksichtigt. Die entsprechenden Informationen erhält das Steuergerät entweder direkt von den mit ihm verbundenen Verbrauchern oder z.B. von einem anderen Steuergerät.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überwacht die Steuerelektronik das Eintreten eines oder mehrerer der folgenden Betriebszustände, nämlich den Einbruch einer Versorgungsspannung, einen Boostbetrieb, einen Rekuperationsbetrieb, das Vorladen eines Hochvolt-Energiespeichers (bei einem Hybrid-Fahrzeug) und/oder einen rein elektrischen Fahrbetrieb (bei Hybrid-Fahrzeugen).
Bei den im Rahmen des Energiemanagements angesteuerten Verbrauchern kann es sich insbesondere um einen oder mehrere der folgenden Verbraucher, nämlich einen elektrischen Zuheizer, einen elektrischen Klimakompressor, einen elektrischen Motorlüfter, einen DC/DC-Wandler und/oder eine elektrische Lenkhilfepumpe handeln.
Die einzelnen elektrischen Verbraucher können dabei unterschiedliche Priorität aufweisen, d.h. in bestimmten Situationen können bestimmte Verbraucher früher reguliert werden als andere. Die Priorität der einzelnen Verbraucher kann sich auch in Abhängigkeit vom Betriebszustand ändern.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung überwacht das Steuergerät die Bordnetzspannung in Bezug auf das Unterschreiten einer vorgegebenen Minimalspannung oder die Batterie in Bezug auf das Unterschreiten eines bestimmten Ladezustands (SOC). Sofern ein Spannungseinbruch, der die Minimalspannung unterschreitet, oder ein geringer Ladezustand festgestellt wird, reduziert das Steuergerät die Leistung eines oder mehrerer Verbraucher. Die elektrischen Verbraucher können dabei in vordefinierter Reihenfolge oder Abhängigkeit ausgeschaltet oder gedimmt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung überwacht das Steuergerät den Fahrzustand auf das Eintreten eines Boostbetriebs (Hybridfahrzeug), bei dem die elektrische Maschine hinzugeschaltet wird, um das Fahrzeug schnell zu beschleunigen. Bei Erkennen eines Boostbetriebs können vordefinierte elektrische Verbraucher gezielt abgeschaltet oder gedimmt werden, um somit einen kurzfristige Leistungsdeckung für die elektrische Maschine zu erreichen. Dabei kann wiederum individuell entschieden werden, welcher elektrische Verbraucher zuerst und welcher später abgeschaltet wird. Diese Maßnahme erfolgt vorzugsweise zentral im Energie-Koordinator.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird der Fahrzustand auf das Eintreten eines Rekuperationsbetriebs überwacht, bei dem die Batterie mittels des Fahrzeuggenerators aufgeladen wird. Bei Erkennen eines Rekuperationsbetriebs kann einer oder mehrere elektrische Verbraucher ebenfalls gezielt abgeschaltet oder in der Leistung reduziert werden, um das Aufladen der Batterie zu beschleunigen. Falls im Rekuperationsbetrieb zu viel Energie erzeugt wird, kann die Energieaufnahme der Verbraucher auch erhöht werden.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird der Fahrzustand des Fahrzeugs in Bezug auf einen Vorladebetrieb des Energiespeichers (bei Hybridfahrzeugen) überwacht. Wenn ein Vorladebetrieb erkannt wurde, können wiederum vordefinierte elektrische Verbraucher abgeschaltet werden, um den sicheren Startvorgang des Hochvoltsystems zu gewährleisten. Da beim Vorladen üblicherweise hohe Strom- bzw. Spannungsspitzen auftreten können, werden bestimmte elektrische Verbraucher vorzugsweise vom Netz abgekoppelt, um diese zu schützen.
Der Energiekoordinator ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass er die Soll-Leistung eines elektrischen Verbrauchers und/oder die zeitliche Dauer der Leistungsaufnahme jedes elektrischen Verbrauchers steuern kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verwalten elektrischer Energie in einem elektrischen Netz umfasst im Wesentlichen ein Steuergerät, wie z.B. das Motor-Steuergerät, in dem ein entsprechender Energiemanagement-Algorithmus (Energie-Koordinator) hinterlegt ist. Das Steuergerät hat wenigstens einen Eingang für die Signale einer Sensorik zur Überwachung verschiedener Betriebszustände des Fahrzeugs oder wenigstens einen Dateneingang, über den es verschiedene relevante Informationen betreffend den aktuellen oder einen zukünftigen Leistungsbedarf abfragen kann. Das Steuergerät hat ferner mehrere Ausgänge, über die verschiedene daran angeschlossene Verbraucher angesteuert werden können. Der im Steuergerät enthaltene Energiemanagement-Algorithmus ist so programmiert, dass einer oder mehrere Verfahrensschritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Blockdarstellung eines Systems zur Verwaltung elektrischer Energie in einem Fahrzeug; und
2 ein schematisches Blockschaltbild der wesentlichen Module eines Energie-Koordinators.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Energieverwaltungssystems mit einem Energie-Koordinator 1, der in einem Steuergerät 9 als Software hinterlegt ist. Der Energie-Koordinator 1 dient im Wesentlichen dazu, die im elektrischen Netz zur Verfügung stehende Energie bei Bedarf umzuverteilen und bestimmten Prozessen zur Verfügung zu stellen.
Das Steuergerät 9 überwacht hierzu den Betriebszustand des Fahrzeugs in Bezug auf das Eintreten bestimmter Betriebszustände und analysiert ständig die im Bordnetz zur Verfügung stehende Leistung (z.B. anhand einer Spannungsmessung oder Messung des Ladezustands der Batterie). Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 9 mit einer entsprechenden Sensorik 3 bzw. einem weiteren Steuergerät verbunden, das die entsprechenden Informationen bereitstellt. Das Steuergerät 9 ist ferner mit mehreren elektrischen Verbrauchern 4–8 und, im Falle eines Hybrid-Fahrzeugs, mit einer elektrischen Maschine 2 des Fahrzeugs verbunden.
Bei Erkennen eines bestimmten Betriebszustands, bei dem z.B. von einem Aggregat kurzfristig mehr Leistung benötigt wird, kann der Energie-Koordinator 1 einen oder mehrere der Verbraucher 4–8 abschalten bzw. in ihrer Leistung reduzieren, so dass diese Leistung frei wird und für den betreffenden Prozess zur Verfügung steht. Die Verbraucher 4–8 und die elektrische Maschine 2 werden hierzu vom Steuergerät 9 entsprechend angesteuert.
Der Energie-Koordinator 1 ist vorzugsweise im Motor-Steuergerät hinterlegt. Bei den elektrischen Verbrauchern 4–8 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Zuheizer 4, einen elektrischen Klimakompressor 5, einen elektrischen Motorlüfter 6, eine elektrische Lenkhilfepumpe 7, einen DC/DC-Wandler 8 oder einen beliebigen anderen elektrischen Verbraucher handeln.
Die verschiedenen Verbraucher 4–8 können in vorgegebener Reihenfolge bzw. nach vorgegebenen Prioritäten angesteuert werden.
Die Funktionsweise des Energie-Koordinators 1 wird anhand der nachfolgend beschriebenen Beispiele besser verständlich: Zum schnellen Beschleunigen eines Fahrzeugs wird üblicherweise die elektrische Maschine 2 hinzu geschaltet, die den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen unterstützt. Dieser Prozess wird auch als Boostbetrieb bezeichnet. Um der elektrischen Maschine in diesem Zustand genügend elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, können ein oder mehrere der elektrischen Verbraucher 4–8 gezielt abgeschaltet oder vorübergehend in ihrer Leistung reduziert werden.
Bei einem Hybrid-Fahrzeug wird die elektrische Maschine 2 in bestimmten Fahrsituationen als Generator eingesetzt, um die Batterie des Fahrzeugs aufzuladen. Dies wird auch als Rekuperationsbetrieb bezeichnet. Um den Aufladevorgang der Batterie zu beschleunigen, können verschiedene elektrische Verbraucher 4–8 ebenfalls gezielt abgeschaltet oder in ihrer Leistung reduziert werden. Wenn bei der Rekuperation zu viel Energie erzeugt wird, kann die Leistung eines oder mehrerer Verbraucher 4–8 auch erhöht werden.
Der Energie-Koordinator 1 kann wahlweise oder zusätzlich auch die Bordnetzspannung in Bezug auf das Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung, oder den Ladezustand (SOC) der Batterie überwachen. Sobald die Bordnetzspannung die Mindestspannung unterschreitet, können wiederum verschiedene elektrische Verbraucher 4–8 abgeschaltet bzw. in Ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. Das Abschalten bzw. Reduzieren der Leistung kann wiederum in vordefinierter Reihenfolge entsprechend einer vorgegebenen Priorisierung geschehen.
Der Energie-Koordinator kann den Betriebszustand des Fahrzeugs auch in Bezug auf einen Vorladebetrieb des Energiespeichers (bei Hybridfahrzeugen) überwachen. Wenn ein Vorladebetrieb erkannt wurde, können wiederum vordefinierte elektrische Verbraucher 4–8 abgeschaltet werden, um den sicheren Start des Hochvoltsystems zu gewährleisten.
2 zeigt eine schematische Blockdarstellung der wesentlichen Softwaremodule eines Energie-Koordinators 1. Auf der linken Seite sind verschiedene Betriebszustände dargestellt, die vom Steuergerät 9 überwacht werden. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Batteriespannungseinbruch, 11 einen Vorladebetrieb, bei dem der Energiespeicher eines Hybridfahrzeugs vorgeladen wird, 12 einen Boostbetrieb, 13 einen Rekuperationsbetrieb und 14 einen Fahrbetrieb, bei dem ein Hybridfahrzeug rein elektrisch fährt.
Die einzelnen Betriebzustände 10–14 sind mit separaten Steuermodulen 15–19 für die einzelnen Verbraucher 4–8 verknüpft. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 15 das Steuermodul für den Motorlüfter 6, 16 das Steuermodul für den elektrischen Zuheizer 4, 17 das Steuermodul für den Klimakompressor 5, 18 das Steuermodul für die Lenkhilfepumpe 7 und 19 das Steuermodul für einen DC/DC-Wandler.
Die Steuermodule 15–19 erhalten an ihren Eingängen jeweils ein Zustandssignal, das das Vorliegen eines der vorstehend beschriebenen Zustände 10–14 signalisiert. Je nach Art des aktuellen Betriebszustandes 10–14 erzeugen die einzelnen Module 15–19 an ihren Ausgängen jeweils ein bestimmtes Steuersignal für die einzelnen Verbraucher 4–8. Dabei können einer oder mehrere der Verbraucher 4–8 je nach Auslegung des Systems geschaltet werden.

Claims

Verfahren zum Verwalten elektrischer Energie in einem elektrischen Netz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, in dem mehrere elektrische Verbraucher (4–8) angeschlossen sind, mit Hilfe eines Energie-Koordinators (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Koordinator (1) das Auftreten wenigstens eines vorgegebenen Betriebszustandes (10–14) überwacht und den Leistungsverbrauch wenigstens eines der Verbraucher (4–8) variiert, wenn ein bestimmter Betriebszustand (10–14) festgestellt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der überwachte Betriebszustand (10–14) wenigstens einen Zustand aus der Gruppe: Netzspannungseinbruch oder Verschlechterung des Ladezustands der Batterie (10), Boostbetrieb (12), Rekuperationsbetrieb (13), Vorladebetrieb (11) oder rein elektrisches Fahren (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Energie-Koordinator (1) angesteuerten Verbraucher (4–8) wenigstens einen Verbraucher aus der Gruppe: Klimakompressor (5), Motorlüfter (6), Zusatzheizer (4), elektrische Lenkhilfepumpe (7) oder DC/DC-Wandler umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (4–8) mit unterschiedlicher Priorität angesteuert werden.
Vorrichtung zum Verwalten elektrischer Energie in einem elektrischen Netz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, in dem mehrere elektrische Verbraucher (4–8) angeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine Steuerelektronik (9) mit einem Energie-Koordinator (1), der das Auftreten wenigstens eines vorgegebenen Betriebszustandes (10–14) überwacht und die Leistung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (4–8) reduziert, wenn ein bestimmter Betriebszustand (10–14) festgestellt wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (9) ein Motor-Steuergerät oder ein anderes Steuergerät ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Energie-Koordinator angesteuerten Verbraucher (4–8) wenigstens einen Verbraucher aus der Gruppe: Klimakompressor (5), Motorlüfter (6), Zusatzheizer (4), DC/DC-Wandler (8) oder eine elektrische Lenkhilfepumpe (7) umfasst.